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CN220568967U - 光耦合器以及光子装置 - Google Patents

光耦合器以及光子装置 Download PDF

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CN220568967U
CN220568967U CN202321284592.5U CN202321284592U CN220568967U CN 220568967 U CN220568967 U CN 220568967U CN 202321284592 U CN202321284592 U CN 202321284592U CN 220568967 U CN220568967 U CN 220568967U
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黄泰钧
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Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
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Abstract

本实用新型实施例涉及光耦合器及光子装置。根据本实用新型的一些实施例，一种光耦合器包含：多个波导核心层，其由具有第一折射率的波导核心材料形成，所述波导核心层(i)以彼此叠置的关系布置，(ii)彼此隔开，且(iii)从所述光耦合器的光接收端纵向穿过所述光耦合器朝向所述光耦合器的光输出端延伸；及包层，其由具有第二折射率的包层材料形成，所述第二折射率小于所述第一折射率，所述包层材料围绕所述多个波导核心层中的每一者。适当地，在所述多个波导核心层的外部波导核心层内传播的光经由所述多个波导核心层的相邻者之间的渐逝耦合而引导朝向所述多个波导核心层的内部波导核心层。

Description

光耦合器以及光子装置
技术领域
本实用新型实施例涉及多层波导光耦合器及光子装置。
背景技术
下文涉及半导体技术，且特定来说，涉及一种用于有效光学耦合来自光源(举例来说，例如激光二极管)的光的方法及/或设备。
实用新型内容
根据本实用新型的实施例，一种光耦合器包括：多个波导核心层，其由具有第一折射率的波导核心材料形成，所述波导核心层(i)以彼此叠置的关系布置，(ii)彼此隔开，且(iii)从所述光耦合器的光接收端纵向穿过所述光耦合器朝向所述光耦合器的光输出端延伸；及包层，其由具有第二折射率的包层材料形成，所述第二折射率小于所述第一折射率，所述包层材料围绕所述多个波导核心层中的每一者；其中在所述多个波导核心层的外部波导核心层内传播的光经由所述多个波导核心层的相邻者之间的渐逝耦合而引导朝向所述多个波导核心层的内部波导核心层。
根据本实用新型的实施例，一种光子装置包括：光源，其具有光发射端，从所述光发射端发射光；及光耦合器，其具有面向所述光源的所述光发射端以接收从所述光发射端发射的光的光接收端，所述光耦合器具有与所述光接收端相对的光输出端，且包含：多个波导核心层，其由具有第一折射率的波导核心材料形成，所述波导核心层(i)彼此叠置，(ii)彼此隔开，且(iii)从所述光耦合器的所述光接收端纵向穿过所述光耦合器朝向所述光耦合器的所述光输出端延伸；及包层，其由具有第二折射率的包层材料形成，所述第二折射率小于所述第一折射率，所述包层材料围绕所述多个波导核心层中的每一者；其中所述波导核心层中的至少两者中的每一者是沿着其纵向方向不连续的不连续波导核心，使得其的第二部分通过间隙从其的第一部分偏移，所述包层的一部分放置在所述间隙内。
根据本实用新型的实施例，一种制造具有第一光接收端及与所述第一光接收端相对的第二光输出端的光耦合器的方法包括：由具有第一折射率的包层材料形成包层；及由具有大于所述第一折射率的第二折射率的核心材料形成所述包层内所含有的多个波导核心层，所述波导核心层(i)彼此叠置，(ii)彼此隔开，且(iii)从所述光耦合器的所述第一光接收端纵向穿过所述包层朝向所述光耦合器的所述第二光输出端延伸；其中所述多个波导核心层经布置使得与在所述光耦合器的所述第一光接收端处进入所述多个波导核心层的外部波导核心层的光相关联的光能经由所述多个波导核心层的相邻者之间的渐逝耦合而输送朝向所述多个波导核心层的内部波导核心层。
附图说明
当结合附图阅读时从以下详细描述最好地理解本公开的方面。应注意，根据行业中的标准实践，各种构件未按比例绘制。事实上，为清楚论述，如附图中展示的各种构件的尺寸可任意增大或减小。
图1示意性地说明根据本文中公开的一些实施例的光耦合器的透视图。
图2示意性地说明包含图1中展示的光耦合器的侧剖面图(沿着剖面线C-C获取)的光子设备的实施例。
图3示意性地说明包含图1中展示的光耦合器的侧剖面图(沿着剖面线C-C获取)的光子设备的另一实施例。
图4示意性地说明图1中展示的光耦合器的光接收及/或输入端的平面图。
图5示意性地说明图1中展示的光耦合器的俯视剖面图(沿着剖面线1-1获取)。
图6示意性地说明图1中展示的光耦合器的俯视剖面图(沿着剖面线2-2获取)。
图7示意性地说明图1中展示的光耦合器的俯视剖面图(沿着剖面线3-3获取)。
图8示意性地说明图1中展示的光耦合器的俯视剖面图(沿着剖面线4-4获取)。
图9示意性地说明图1中展示的光耦合器的俯视剖面图(沿着剖面线5-5获取)。
图10是展示根据本文中公开的一些实施例的制造光耦合器的方法的流程图。
具体实施方式
以下公开内容提供用于实施所提供主题的不同特征的许多不同实施例或实例。下文描述组件及布置的特定实例以简化本公开。当然，这些仅为实例且不意在限制。例如，在下列描述中的第一构件形成于第二构件上方或上可包含其中所述第一构件及所述第二构件经形成为直接接触的实施例，且还可包含其中额外构件可形成于所述第一构件与所述第二构件之间，使得所述第一构件与所述第二构件可不直接接触的实施例。另外，本公开可在各种实例中重复元件符号及/或字母。此重复出于简化及清楚的目的，且本身不指定所论述的各种实施例及/或配置之间的关系。
此外，为便于描述，可在本文中使用例如“左”、“右”、“侧”、“背面”、“后”、“在……后面”、“在……前面”、“在……下面”、“在……下方”、“下”、“在……上方”、“上”及类似者的空间相对术语来描述一个元件或构件与另一元件或构件的关系，如图中所说明。空间相对术语意在涵盖除在图中描绘的定向以外的使用或操作中的装置的不同定向。设备可以其它方式定向(旋转90度或成其它定向)且可相应地同样解释本文中所使用的空间相对描述符。
一般来说，本文中公开一种例如适合于光子平台的光耦合器，其包含一个三维(3D)多层硅波导。在一些合适实施例中，3D多层波导可包含在硅光子平台(举例来说，例如光子集成电路(PIC)或集成光学电路)中及/或作为所述硅光子平台的部分，所述硅光子平台还可包含充当输入到光耦合器的光源的集成式激光芯片或裸片。所公开3D多层波导设计的一个优点是改进垂直对准公差及/或放宽光源(举例来说，例如激光二极管)与光耦合器之间的对准及/或工艺约束，同时保持其之间的高光耦合效率及/或低功率损耗。
在一些合适实施例中，可采用氮化硅(Si3N4)、硅及/或另一类似材料作为波导核心，即，其中传播光的材料。使用氮化硅的一个优点在于，其相对高度热力学稳定且因此，可帮助避免与温度波动或类似者相关联的不必要影响及/或非所要效应。在一些合适实施例中，围绕波导核心材料的包层可用及/或由二氧化硅(SiO2)及/或另一合适氧化物或包层材料形成。适当地，如相较于波导核心材料的折射率，波导包层材料具有相对较低折射率。
在一些实施例中，高校准公差多层激光光波导耦合器是基于硅绝缘体平台。一些实施例的一个优点在于，光耦合器可广泛用于激光束的直接耦合。在光耦合器中使用多层对称结构可显著减少工艺约束及/或改进例如垂直方向上的校准公差，同时有效地将光能量会聚或汇集到光耦合器的波导核心中的一者中以用于波传播。
在一些实施例中，例如，由于所采用的工艺，在激光光源(例如，激光二极管)的输出端与光学3D多层波导耦合器的输入端之间可存在特定腔、间隙或距离。实际上，此腔或间隙可(例如)在约0.1微米(μm)(含)宽与约100μm(含)宽的范围内。在一些合适实施例中，此腔或间隙可适当地填充有材料，举例来说，例如高介电常数(高k)材料、溶胶-凝胶及/或其它类似材料。例如，腔或间隙填充材料可具有在约1.1(含)与约3.9(含)的范围内的折射率。在一些合适实施例中，选择或选取腔或间隙填充材料以有效地匹配或转变到波导核心材料的折射率。有利的是，折射率匹配腔/间隙填充材料可经选取及/或用以限制光模态，(例如)使得由光源产生的激光光场与光耦合器的接收端经模态匹配，从而减少损耗及/或改进耦合效率。换句话来说，有利的是，腔/间隙填充材料可帮助抑制间隙表现为谐振腔及/或减少在与光耦合器的光接收端的界面处的内部反射。
为便于参考及本文中的说明性目的，图及其中描绘的各种元件及/或组件是相对于包含如图中展示的X、Y及Z轴的另外任意选取的3D笛卡尔坐标系统展示。虽然在各种图当中及/或跨各种图维持一致性，但应了解，由这些轴指示的方向及/或定向主要是为了促进本文中提供的描述的目的(例如，为描述及/或识别相对定向及/或方向)而选取。除非另有指示，否则所说明的坐标系本身并不意在限制且不应被如此解读或解译。
图1展示根据本文中公开的一些合适实施例的一个三维(3D)多层波导光耦合器200。如所展示，光耦合器200包含第一光接收或输入端210及与第一端210相对的第二光输出端212。如所展示，光耦合器200包含彼此垂直(例如，在Z轴的方向上)布置且在光耦合器200内纵向(例如，在X轴的方向上)延伸的多个波导核心层230、232、234、236及238，所述核心层230、232、234、236及238被围封在包层240中及/或由包层240围绕。
现参考图2，展示根据本文中公开的一些合适实施例的包含光源100及光耦合器200的光子设备10。在一些合适实施例中，光子设备10可为PIC或集成光学电路。因此，在一些合适实施例中，光源100及光耦合器200可使用各种半导体工艺步骤(包含但不限于，前段工艺(FEOL)、中段工艺(MEOL)及后段工艺(BEOL))中的任一或多者构建及/或以其它方式形成于常见硅晶片或其它合适衬底(未展示)上。例如，可实行各种半导体工艺步骤中的任一或多者以形成及/或以其它方式产生光源100及/或光耦合器200，包含但不限于：晶片清洁及/或其它衬底制备步骤；用以构建及/或产生各种薄膜及/或材料层的材料沉积步骤，例如，使用化学气相沉积(CVD)、等离子体辅助CVD(PECVD)、原子层沉积(ALD)、物理层沉积(PLD)、溅镀、外延生长、分子束外延(MBE)及/或其它薄膜或层沉积及/或生长步骤；材料形成及/或图案化步骤，如光刻，包含光致抗蚀剂施加、曝光、显影及蚀刻(举例来说，例如干式或等离子体蚀刻及/或湿式蚀刻)；其它材料移除及/或平坦化步骤，例如化学机械抛光(CMP)或类似者；n型或p型或其它掺杂、离子植入、退火、氧化及/或其它材料改质步骤；通路形成及/或金属化步骤；晶片背面研磨及/或抛光；裸片制备及/或晶片切割步骤；囊封步骤；晶片及/或裸片测试或其它计量；等。
在一些合适实施例中，光源100可为(例如)通常在X轴的方向上从其的光发射端110发射激光光或类似者的激光二极管或类似者。在一些合适实施例中，经发射光可在电磁光谱的红外(IF)或更明确来说近IR区中。在一些实施例中，经发射光可在约1260纳米(nm)(含)与约1360nm(含)之间的波长范围内。
如图2中所展示，光源100的光发射端110面向光耦合器200的光接收端210。在一些合适实施例中，光源100的光发射端110与光耦合器200的光接收端210隔开，(例如)从而在其之间形成腔或间隙300。实际上，间隙300的宽度wg(例如，在X轴的方向上测量)可(例如)在约0.1μm(含)与约100μm(含)之间的范围内。在一些合适实施例中，例如，如图3中所展示，腔或间隙300可填充有合适填充物材料302。适当地，腔或间隙填充材料302可为高k材料、溶胶-凝胶或类似者。实际上，填充材料302适当地充当折射率匹配材料，其帮助减少或限制在填充材料302内(例如，在填充材料302与光耦合器200的光接收端210之间的界面处)传播的光的内部反射，从而鼓励或以其它方式促进光在此界面处传输到光耦合器200中。在一些合适实施例中，腔或间隙填充材料302可具有在约1.1(含)与约3.9(含)之间的范围内的折射率。在一些其它替代实施例中，腔或间隙300可保持未填充或以其它方式仅填充有空气，即，腔/间隙300可基本上包括气隙，例如，如图2中所展示。
例如，如图2到图4中所展示，3D多层光耦合器200包含多个波导核心层，包含：第一波导核心层230、第二波导核心层232、第三波导核心层234、第四波导核心层236及第五波导核心层238。更一般来说，第一、第二、第四及第五波导核心层230、232、236及238在本文中有时可被称为外部波导核心层，而第三波导核心层234在本文中有时可被称为中心或中央波导核心层；第一及第五波导核心层230及238在本文中有时可被称为最外波导核心层；且第二及第四波导核心层232及236在本文中有时可被称为中间波导核心层。
适当地，如图2及图3中所见，每一波导核心层230、232、234、236及238具有在光耦合器200的光接收端210处或附近的第一端且从其纵向(例如，在X轴的方向上)延伸穿过光耦合器200。实际上，每一波导核心层230、232、234、236及238的第一端面向光源100的光发射端110及/或经暴露到从光源100发射的光。在一些合适实施例中，中心或中央波导核心层234一直或大体上一直延伸到与光耦合器200的光接收或输入端210相对的光耦合器200的光输出端212。相反地，外部或第一、第二、第四及第五波导核心层230、232、236及238并未一直延伸到光耦合器的光输出端212达一定量或距离d1(例如，在X轴的方向上测量)。在一些合适实施例中，距离d1可例如在约20μm(含)与约200μm(含)之间的范围内。
在一些合适实施例中，波导核心层230、232、234、236及238可由适于在其中传播光，至少适于具有光源100的操作波长或接近所述操作波长(即，处于或大约从光源100发射的光的波长)的波长的光的合适波导核心材料形成，举例来说，例如氮化硅(Si3N4)、硅及/或另一电介质或其它类似材料。在一些合适实施例中，波导核心层230、232、234、236及238中的每一者是由相同波导核心材料形成。在其它合适实施例中，各种波导核心层230、232、234、236及238中的一或多者可由不同于其它波导核心层中的一或多者的波导核心材料形成。适当地，波导核心层230、232、234、236及238中的每一者的厚度(例如，在Z轴的方向上测量)可在约15nm(含)与约1000nm(含)之间的范围内。在一些实施例中，波导核心层230、232、234、236及238中的每一者可具有相同厚度，而在其它实施例中，各种波导核心层230、232、234、236及238中的一或多者可具有不同于其它波导核心层中的一或多者的厚度。
在一些合适实施例中，波导核心层230、232、234、236及238由包层240围绕及/或围封在包层240中。适当地，包层240可由二氧化硅(SiO2)及/或另一合适氧化物或包层材料形成。实际上，至少针对具有光源100的操作波长或接近所述操作波长(即，处于或大约从光源100发射的光的波长)的波长的光，波导包层材料具有小于波导核心材料的折射率n2的折射率n1。因此，来自光源100的(例如)从光耦合器200的光接收端210发射到或以其它方式进入波导核心层230、232、234、236及238的光可在很大程度上被包含以(例如)通过全内反射(TIR)及/或受抑TIR(FTIR)在波导核心层230、232、234、236及238内传播(例如，通常在X轴的方向上)。
例如，如图5及图9中所展示，最外波导核心层230及238可线性地或以其它方式呈锥形，例如，以改变、控制或调节(例如)通常在X轴的方向上传播通过其的光的大小及/或形状。即，锥形可用于改变在最外波导核心层230及238中承载的光模态的大小及/或形状。在一些合适实施例中，锥形足够平缓及/或以其它方式形成，使得其绝热地及/或以有限传输损耗(例如，在Y轴方向上)操作。如图5及图9中所展示，最外波导核心层230及238从处于及/或接近于光耦合器200的光接收端210的第一宽度w1(例如，在Y轴的方向上测量)渐缩到远离光耦合器200的光接收端210的第二宽度w2(例如，在Y轴的方向上测量)，其中第二宽度w2小于第一宽度w1。在一些合适实施例中，第一宽度w1可在约380nm(含)与约3000nm(含)之间的范围内。在一些合适实施例中，第二宽度w2可在约100nm(含)与约3000nm(含)之间的范围内。
如图6及图8中展示，中间波导核心层232及236沿着光传播的大致方向(即，在X轴的方向上)不连续。即，在一些合适实施例中，中间波导核心层232及236可被分离为由间隙G分离的第一部分232a及236a以及第二部分232b及236b，包层240的插置在中间波导核心层232及236的相应第一部分232a及236a与第二部分232b及236b之间的一部分放置在间隙G内。还应注意，虽然在阐释性实例中，两个中间波导核心层232及236包含间隙G，但在更一般实施例中，两个或更多个波导核心层(通常是中间层)可包含间隙。例如，如果存在九个层，那么考虑中间第二、第四、第六及第八中间层包含此间隙G。
在一些合适实施例中，中间波导核心层232及236的第二部分232b及236b从中间波导核心层232及236的第一部分232a及236a偏移一定偏移量或距离d2(例如，在X轴的方向上测量)。在一些合适实施例中，偏移量或距离d2可在约1μm(含)与约10μm(含)之间的范围内。如图6及图8中所展示，中间波导核心层232及236的第一部分232a及236a可在X轴的方向上从光耦合器200的光接收或输入端210纵向穿过光耦合器200延伸达距离d3，且在偏移后或之后，中间波导核心层232及236的第二部分232b及236b可继续在X轴的方向上纵向穿过光耦合器200朝向光耦合器200的光输出端212延伸达距离d4。适当地，距离d4小于或等于距离d3，且在一些合适实施例中，距离d4在距离d3的约10％(含)与约100％(含)之间的范围内。适当地，距离d3可在约10μm(含)与约25μm(含)之间的范围内；且距离d4可在约1μm(含)与约25μm(含)之间的范围内。在一些实施例中，偏移量或距离d2在距离d3的约10％(含)与约50％(含)之间的范围内。
有利地，如本文中公开的中间波导核心层232及236的几何形状、尺寸及/或布置(包含中间波导核心层232及236中的偏移及/或不连续性)可帮助抑制及/或阻止光及/或其相关联能量(例如，经由渐逝或近场效应)到及/或朝向最外波导核心层230及238的非所要耦合及/或传输，而相反地帮助推动及/或促使光及/或其相关联能量(例如，经由渐逝或近场效应)到及/或朝向中心或中央波导核心层234的耦合及/或传输。
例如，如图6及图8中所展示，中间波导核心层232及236的第一部分232a及236a可线性地或以其它方式呈锥形，例如，以改变、控制或调节(例如)通常在X轴的方向上传播通过其的光的大小及/或形状。即，锥形可用于改变中间波导核心层232及236中携载的光模态的大小及/或形状。在一些合适实施例中，锥形足够平缓及/或以其它方式形成，使得其绝热地及/或以有限传输损耗(例如，在Y轴方向上)操作。如图6及图8中展示，中间波导核心层232及236的第一部分232a及236a从处于及/或接近于光耦合器200的光接收端210的第一宽度w1(例如，在Y轴的方向上测量)渐缩到远离光耦合器200的光接收端210的第二宽度w2(例如，在Y轴的方向上测量)。
例如，如图7中所展示，中心或中央波导核心层234也可线性地或以其它方式呈锥形，例如，以改变、控制或调节(例如)通常在X轴的方向上传播通过其间的光的大小及/或形状。再者，即，锥形可用于改变在中心或中央波导核心层234中承载的光模态的大小及/或形状。在一些合适实施例中，此锥形还足够平缓及/或以其它方式形成，使得其绝热地及/或以有限传输损耗(例如，在Y轴方向上)操作。如图7中展示，中心或中央波导核心层234从处于及/或接近于光耦合器200的光接收端210的第一宽度w3(例如，在Y轴的方向上测量)渐缩到处于及/或接近于光耦合器200的光输出端212的第二宽度w4(例如，在Y轴的方向上测量)。在一些合适实施例中，第一宽度w3可在约400nm(含)与约3200nm(含)之间的范围内。在一些合适实施例中，第二宽度w4可在约100nm(含)与约3000nm(含)之间的范围内。在一些合适实施例中，中心或中央波导核心层234的第一宽度w4大于外部波导核心层230、232、236及238的第一宽度w1。在一些合适实施例中，宽度w1可例如在宽度W4的约90％(含)与约98％(含)之间的范围内。
现特别注意图4，第一、第二、第三、第四及第五波导核心层230、232、234、236及238布置于彼此之上及/或上方且如所展示通过包层240彼此垂直(例如，在Z轴的方向上)隔开。在一些合适实施例中，选择及/或布置第一、第二、第三、第四及第五波导核心层230、232、234、236及238之间的间距以允许、帮助、鼓励及/或促进从外部波导核心层(即，波导核心层230、232、236及238)到及/或朝向中心或中央波导核心层(即，波导核心层234)的光的渐逝及/或近场耦合及/或传输。即，在最外波导核心层230及238中传播的光是(例如)通过它们之间的渐逝及/或近场耦合或类似者分别传输到中间波导核心层232及236；且，在中间波导核心层232及236中传播的光是(例如)通过它们之间的渐逝及/或近场耦合或类似者传输到中心或中央波导核心层234。
实际上，例如，归因于来自光源100的发射光的垂直(例如，在Z轴方向上)发散及/或归因于光源100的光发射端110与光耦合器200的光接收端210之间的垂直(例如，在Z轴方向上)对准，从光源100发射的光可在接近光耦合器200的光接收或输入端210的其暴露端处进入波导核心层230、232、234、236及/或238中的一或多者。因此，在一些合适实施例中，光耦合器200用于将经接收光及/或其相关联能量从外部波导核心层230、232、236及238汇集、引导及/或以其它方式推动到及/或朝向中心或中央波导核心层234以用于传播到光耦合器200的输出端212。在一些合适实施例中，波导核心层230、232、234、236及238之间的相对间距、其几何形状、锥形及/或尺寸以及中间波导层232及236的第一部分232a及236a与第二部分232b及236b之间的偏移可促进、鼓励、汇集、会聚及/或以其它方式引导或推动光及/或其相关联能量到及/或朝向中心或中央波导核心层234，(例如)同时抑制或阻止光及/或其相关联能量向外耦合及/或传输回朝向最外波导核心层230及238。
在一些合适实施例中，第二波导核心层232与第一波导核心层230间隔一定距离或高度h1(例如，在Z轴的方向上测量)；第三波导核心层234与第一波导核心层230间隔一定距离或高度h2(例如，在Z轴的方向上测量)；第四波导核心层236与第一波导核心层230间隔一定距离或高度h3(例如，在Z轴的方向上测量)；且第五波导核心层238与第一波导核心层230间隔一定距离或高度h4(例如，在Z轴的方向上测量)。在一些合适实施例中，高度h1是在值h的约6％(含)与约13％(含)之间的范围内，例如，其中h是在约1μm(含)与约4μm(含)之间的范围内。在一些合适实施例中，高度h2是在值h的约12％(含)与约26％(含)之间的范围内。在一些合适实施例中，高度h3是在值h的约18％(含)与约39％(含)之间的范围内。在一些合适实施例中，高度h4是在值h的约24％(含)与约52％(含)之间的范围内。在一些合适实施例中，任意两个连续高度之间(即，在h2与h1之间，在h3与h2之间及在h4与h3之间)的差△h可在约50nm(含)与约1000nm(含)之间的范围内。
现参考图10，所说明的流程图展示根据本文中公开的一些实施例的用于制造光耦合器(举例来说，例如光耦合器200)的半导体工艺及/或方法1000。
在步骤1010，在一些合适实施例中，工艺或方法1000可开始于硅晶片及/或其它合适衬底的制备。例如，此制备可包含晶片及/或衬底的清洁及/或检测。
在一些合适实施例中，在步骤1012，可在经制备的晶片/衬底上方沉积第一层包层材料(举例来说，例如二氧化硅(SiO2)及/或另一合适氧化物或包层材料)。
在一些合适实施例中，在步骤1014，可在第一层包层材料上方沉积及/或形成第一波导核心层230。例如，第一波导核心层230可用及/或由波导核心材料(例如氮化硅(Si3N4)、硅及/或另一类似材料)形成，所述波导核心材料至少针对具有光源100的操作波长或接近所述操作波长(即，处于或接近从光源100发射的光的波长)的波长的光适当地具有大于包层材料的折射率n1的折射率n2。在一些合适实施例中，步骤1014可包含波导核心层材料的沉积及其适当图案化(例如，使用光刻或类似者)以实现本文中公开的轮廓、形状、尺寸及/或几何结构。
如所展示，在步骤1016，可在第一波导核心层230及第一层包层材料的任何下伏经暴露部分上方沉积第二层包层材料(举例来说，例如二氧化硅(SiO2)及/或另一合适氧化物或包层材料)。在一些合适实施例中，所述第二层包层材料可为与第一层包层材料相同的材料。适当地，控制、调节及/或调整经沉积的第二层包层材料的厚度(例如，在Z轴的方向上测量)，使得随后沉积及/或形成的第二波导核心层232与第一波导核心层230适当地隔开，例如，如本文中所公开。
在一些合适实施例中，在步骤1018，可在第二层包层材料上方沉积及/或形成第二波导核心层232。例如，第二波导核心层232可用及/或由波导核心材料(例如氮化硅(Si3N4)、硅及/或另一类似材料)形成，所述波导核心材料至少针对具有光源100的操作波长或接近所述操作波长(即，处于或大约从光源100发射的光的波长)的波长的光适当地具有大于包层材料的折射率n1的折射率n2。在一些合适实施例中，步骤1018可包含波导核心层材料的沉积及其适当图案化(例如，使用光刻或类似者)以实现本文中公开的轮廓、形状、尺寸及/或几何结构。
如所展示，在步骤1020，可在第二波导核心层232及第二层包层材料的任何下伏经暴露部分上方沉积第三层包层材料(举例来说，例如二氧化硅(SiO2)及/或另一合适氧化物或包层材料)。在一些合适实施例中，所述第三层包层材料可为与第二层包层材料相同的材料。适当地，控制、调节及/或调整经沉积的第三层包层材料的厚度(例如，在Z轴的方向上测量)，使得随后沉积及/或形成的第三波导核心层234与第一及/或第二波导核心层230及232适当地隔开，例如，如本文中所公开。
在一些合适实施例中，在步骤1022，可在第三层包层材料上方沉积及/或形成第三波导核心层234。例如，第三波导核心层234可用及/或由波导核心材料(例如氮化硅(Si3N4)、硅及/或另一类似材料)形成，所述波导核心材料至少针对具有光源100的操作波长或接近所述操作波长(即，处于或大约从光源100发射的光的波长)的波长的光适当地具有大于包层材料的折射率n1的折射率n2。在一些合适实施例中，步骤1022可包含波导核心层材料的沉积及其适当图案化(例如，使用光刻或类似者)以实现本文中公开的轮廓、形状、尺寸及/或几何结构。
如所展示，在步骤1024，可在第三波导核心层234及第三层包层材料的任何下伏经暴露部分上方沉积第四层包层材料(举例来说，例如二氧化硅(SiO2)及/或另一合适氧化物或包层材料)。在一些合适实施例中，所述第四层包层材料可为与第三层包层材料相同的材料。适当地，控制、调节及/或调整经沉积的第四层包层材料的厚度(例如，在Z轴的方向上测量)，使得随后沉积及/或形成的第四波导核心层236与第一及/或第三波导核心层230及234适当地隔开，例如，如本文中所公开。
在一些合适实施例中，在步骤1026，可在第四层包层材料上方沉积及/或形成第四波导核心层236。例如，第四波导核心层236可用及/或由波导核心材料(例如氮化硅(Si3N4)、硅及/或另一类似材料)形成，所述波导核心材料至少针对具有光源100的操作波长或接近所述操作波长(即，处于或大约从光源100发射的光的波长)的波长的光适当地具有大于包层材料的折射率n1的折射率n2。在一些合适实施例中，步骤1026可包含波导核心层材料的沉积及其适当图案化(例如，使用光刻或类似者)以实现本文中公开的轮廓、形状、尺寸及/或几何结构。
如所展示，在步骤1028，可在第四波导核心层236及第四层包层材料的任何下伏经暴露部分上方沉积第五层包层材料(举例来说，例如二氧化硅(SiO2)及/或另一合适氧化物或包层材料)。在一些合适实施例中，所述第五层包层材料可为与第四层包层材料相同的材料。适当地，控制、调节及/或调整经沉积的第五层包层材料的厚度(例如，在Z轴的方向上测量)，使得随后沉积及/或形成的第五波导核心层238与第一及/或第四波导核心层230及236适当地隔开，例如，如本文中所公开。
在一些合适实施例中，在步骤1030，可在第五层包层材料上方沉积及/或形成第五波导核心层238。例如，第五波导核心层238可用及/或由波导核心材料(例如氮化硅(Si3N4)、硅及/或另一类似材料)形成，所述波导核心材料至少针对具有光源100的操作波长或接近所述操作波长(即，处于或大约从光源100发射的光的波长)的波长的光适当地具有大于包层材料的折射率n1的折射率n2。在一些合适实施例中，步骤1030可包含波导核心层材料的沉积及其适当图案化(例如，使用光刻或类似者)以实现本文中公开的轮廓、形状、尺寸及/或几何结构。
如所展示，在步骤1032，可在第五波导核心层238及第五层包层材料的任何下伏经暴露部分上方沉积第六层包层材料(举例来说，例如二氧化硅(SiO2)及/或另一合适氧化物或包层材料)。在一些合适实施例中，所述第六层包层材料可为与第五层包层材料相同的材料。适当地，控制、调节及/或调整经沉积的第六层包层材料的厚度(例如，在Z轴的方向上测量)，使得第五波导核心层238被充分覆盖及/或围封在包层材料中，例如，如本文中所公开。
在下文中，描述一些进一步阐释性实施例：
在一些实施例中，一种光耦合器包含：多个波导核心层，其由具有第一折射率的波导核心材料形成，所述波导核心层(i)以彼此叠置的关系布置，(ii)彼此隔开，且(iii)从所述光耦合器的光接收端纵向穿过所述光耦合器朝向所述光耦合器的光输出端延伸；及包层，其由具有第二折射率的包层材料形成，所述第二折射率小于所述第一折射率，所述包层材料围绕所述多个波导核心层中的每一者。适当地，在所述多个波导核心层的外部波导核心层内传播的光经由所述多个波导核心层的相邻者之间的渐逝耦合而引导朝向所述多个波导核心层的内部波导核心层。
在一些进一步实施例中，所述多个波导核心层包含：中心波导核心层；一对最外波导核心层，其布置于所述中心波导核心层的相对侧上；及一对中间波导核心层，其布置于所述中心波导核心层的相对侧上且插置于所述最外波导核心层与所述中心波导核心层之间。
在又额外实施例中，所述中心波导核心层延伸到所述光耦合器的所述光输出端，而所述对最外波导核心层及所述对中间波导核心层未到达所述光耦合器的所述光输出端。
在一些实施例中，所述中心波导核心层在所述光耦合器的所述光接收端处具有第一宽度，且所述最外及中间波导核心层对在所述光耦合器的所述光接收端处具有第二宽度，所述第一及第二宽度是法向于所述光耦合器的纵向轴测量，且所述第一宽度大于所述第二宽度。
在又进一步实施例中，所述中心波导核心层从所述光耦合器的所述光接收端处的所述第一宽度渐缩到所述光耦合器的所述光输出端处的第三宽度，所述第一宽度大于所述第三宽度；且所述波导核心层的所述最外及中间对从所述光耦合器的所述光接收端处的所述第二宽度渐缩到远离所述光耦合器的所述光接收端的位置处的所述第三宽度，所述第二宽度大于所述第三宽度。
在一些进一步实施例中，所述对中间波导核心层中的每一者沿着其纵向方向不连续，使得其的第二部分通过所述包层的一部分从其的第一部分偏移。
在一些实施例中，所述多个波导核心层包含第一波导核心层、布置在所述第一波导核心层上方的第二波导核心层、布置在所述第二波导核心层上方的第三波导核心层、布置在所述第三波导核心层上方的第四波导核心层及布置在所述第四波导核心层上方的第五波导核心层。
在又进一步实施例中，所述第二波导核心层与所述第一波导核心层隔开距离d的6％(含)与13％(含)之间，所述第三波导核心层与所述第一波导核心层隔开所述距离d的12％(含)与26％(含)之间，所述第四波导核心层与所述第一波导核心层隔开所述距离d的18％(含)与39％(含)之间，所述第五波导核心层与所述第一波导核心层隔开所述距离d的24％(含)与52％(含)之间，且所述距离d在1μm(含)与4μm(含)之间。
在一些实施例中，一种光子装置或光子集成电路(PIC)包含：光源，其具有光发射端，从所述光发射端发射光；及光耦合器，其具有面向所述光源的所述光发射端以接收从所述光发射端发射的光的光接收端。所述光耦合器具有与所述光接收端相对的光输出端，且包含：多个波导核心层，其由具有第一折射率的波导核心材料形成，所述波导核心层(i)彼此叠置，(ii)彼此隔开，且(iii)从所述光耦合器的所述光接收端纵向穿过所述光耦合器朝向所述光耦合器的所述光输出端延伸；及包层，其由具有第二折射率的包层材料形成，所述第二折射率小于所述第一折射率，所述包层材料围绕所述多个波导核心层中的每一者。所述波导核心层中的至少两者中的每一者是沿着其纵向方向不连续的不连续波导核心，使得其的第二部分通过间隙从其的第一部分偏移，所述包层的一部分放置在所述间隙内。
在一些进一步实施例中，所述多个波导核心层包含：中心波导核心层；一对最外波导核心层，其布置在所述中心波导核心层的相对侧上；及一对中间波导核心层，其布置在所述中心波导核心层的相对侧上且插置在所述最外波导核心层与所述中心波导核心层之间。
在又进一步实施例中，所述中心波导核心层延伸到所述光耦合器的所述光输出端，而所述对最外波导核心层及所述对中间波导核心层未到达所述光耦合器的所述光输出端。
在又额外实施例中，所述中心波导核心层从所述光耦合器的所述光接收端处的第一宽度渐缩到所述光耦合器的所述光输出端处的第三宽度，所述第一宽度大于所述第三宽度；且所述波导核心层的所述最外及中间对从所述光耦合器的所述光接收端处的第二宽度渐缩到远离所述光耦合器的所述光接收端的位置处的所述第三宽度，所述第二宽度大于所述第三宽度，且所述第一、第二及第三宽度是法向于所述光耦合器的纵向轴测量。
在一些进一步实施例中，所述至少两个不连续波导核心是所述对中间波导核心层，它们中的每一者沿着其纵向方向不连续，使得其的第二部分通过间隙从其的第一部分偏移，所述包层的一部分放置在所述间隙内。
在一些额外实施例中，所述多个波导核心层包含第一波导核心层、布置在所述第一波导核心层上方的第二波导核心层、布置在所述第二波导核心层上方的第三波导核心层、布置在所述第三波导核心层上方的第四波导核心层及布置在所述第四波导核心层上方的第五波导核心层；且所述第二波导核心层与所述第一波导核心层隔开距离d的6％(含)与13％(含)之间，所述第三波导核心层与所述第一波导核心层隔开所述距离d的12％(含)与26％(含)之间，所述第四波导核心层与所述第一波导核心层隔开所述距离d1的18％(含)与39％(含)之间，且所述第五波导核心层与所述第一波导核心层隔开所述距离d的24％(含)与52％(含)之间。
在一些实施例中，所述距离d在1μm(含)与4μm(含)之间。
在一些实施例中，所述光源是激光二极管，且从所述光源的所述光发射端发射的所述光具有在1260nm(含)与1360nm(含)之间的范围内的波长。
在一些进一步实施例中，所述光源的所述光发射端与所述光耦合器的所述光接收端是通过间隙分离，所述间隙填充有具有在1.1(含)与3.9(含)之间的范围内的折射率的填充物材料，所述填充物材料是高介电常数材料及溶胶-凝胶中的一者。
在又进一步实施例中，所述核心材料是氮化硅且所述包层材料是二氧化硅。
在又进一步实施例中，一种制造具有第一光接收端及与所述第一光接收端相对的第二光输出端的光耦合器的方法包含：由具有第一折射率的包层材料形成包层；及由具有大于所述第一折射率的第二折射率的核心材料形成所述包层内所含有的多个波导核心层。所述波导核心层(i)彼此叠置，(ii)彼此隔开，且(iii)从所述光耦合器的所述第一光接收端纵向穿过所述包层朝向所述光耦合器的所述第二光输出端延伸。适当地，所述多个波导核心层经布置使得与在所述光耦合器的所述第一光接收端处进入所述多个波导核心层的外部波导核心层的光相关联的光能量是经由所述多个波导核心层的相邻者之间的渐逝耦合输送朝向所述多个波导核心层的内部波导核心层。
在又一个实施例中，所述波导核心材料是氮化硅且所述包层材料是二氧化硅。
前文概述若干实施例的特征，使得所属领域的技术人员可更好地理解本公开的方面。所属领域的技术人员应了解，其可容易地使用本公开作为设计或修改用于实行本文中介绍的实施例的相同目的及/或实现相同优点的其它工艺及结构的基础。所属领域的技术人员还应认知，这些等效构造不脱离本公开的精神及范围，且其可在不脱离本公开的精神及范围的情况下在本文中进行各种改变、替换及更改。
符号说明
10:光子设备
100:光源
110:光发射端
200:三维(3D)多层光波导耦合器
210:第一光接收或输入端
212:第二光输出端
230:第一波导核心层
232:第二波导核心层
232a:第一部分
232b:第二部分
234:第三波导核心层
236:第四波导核心层
236a:第一部分
236b:第二部分
238:第五波导核心层
240:包层
300:腔/间隙
302:填充材料
1000:半导体工艺及/或方法
1010:步骤
1012:步骤
1014:步骤
1016:步骤
1018:步骤
1020:步骤
1022:步骤
1024:步骤
1026:步骤
1028:步骤
1030:步骤
1032:步骤
d1:距离
d2:距离
d3:距离
d4:距离
G:间隙
h1:高度
h2:高度
h3:高度
h4:高度
w1:第一宽度
w2:第二宽度
w3:第一宽度
w4:第二宽度
wg:宽度。

Claims (10)

1.一种光耦合器，其特征在于其包括：
多个波导核心层，其由具有第一折射率的波导核心材料形成，所述波导核心层以彼此叠置的关系布置，彼此隔开，且从所述光耦合器的光接收端纵向穿过所述光耦合器朝向所述光耦合器的光输出端延伸；及
包层，其由具有第二折射率的包层材料形成，所述第二折射率小于所述第一折射率，所述包层材料围绕所述多个波导核心层中的每一者；
其中在所述多个波导核心层的外部波导核心层内传播的光经由所述多个波导核心层的相邻者之间的渐逝耦合而引导朝向所述多个波导核心层的内部波导核心层。
2.根据权利要求1所述的光耦合器，其特征在于所述多个波导核心层包括：
中心波导核心层；
一对最外波导核心层，其布置在所述中心波导核心层的相对侧上；及
一对中间波导核心层，其布置在所述中心波导核心层的相对侧上且插置在所述最外波导核心层与所述中心波导核心层之间。
3.根据权利要求2所述的光耦合器，其特征在于所述中心波导核心层延伸到所述光耦合器的所述光输出端，而所述对最外波导核心层及所述对中间波导核心层未到达所述光耦合器的所述光输出端。
4.根据权利要求1所述的光耦合器，其特征在于所述多个波导核心层包含第一波导核心层、布置在所述第一波导核心层上方的第二波导核心层、布置在所述第二波导核心层上方的第三波导核心层、布置在所述第三波导核心层上方的第四波导核心层及布置在所述第四波导核心层上方的第五波导核心层。
5.一种光子装置，其特征在于其包括：
光源，其具有光发射端，从所述光发射端发射光；及
光耦合器，其具有面向所述光源的所述光发射端以接收从所述光发射端发射的光的光接收端，所述光耦合器具有与所述光接收端相对的光输出端且包含：
多个波导核心层，其由具有第一折射率的波导核心材料形成，所述波导核心层彼此叠置，彼此隔开，且从所述光耦合器的所述光接收端纵向穿过所述光耦合器朝向所述光耦合器的所述光输出端延伸；及
包层，其由具有第二折射率的包层材料形成，所述第二折射率小于所述第一折射率，所述包层材料围绕所述多个波导核心层中的每一者；
其中所述波导核心层中的至少两者中的每一者是沿着其纵向方向不连续的不连续波导核心，使得其的第二部分通过间隙从其的第一部分偏移，所述包层的一部分放置在所述间隙内。
6.根据权利要求5所述的光子装置，其特征在于所述多个波导核心层包括：
中心波导核心层；
一对最外波导核心层，其布置在所述中心波导核心层的相对侧上；及
一对中间波导核心层，其布置在所述中心波导核心层的相对侧上且插置在所述最外波导核心层与所述中心波导核心层之间。
7.根据权利要求5所述的光子装置，其特征在于：
所述多个波导核心层包含第一波导核心层、布置在所述第一波导核心层上方的第二波导核心层、布置在所述第二波导核心层上方的第三波导核心层、布置在所述第三波导核心层上方的第四波导核心层及布置在所述第四波导核心层上方的第五波导核心层；且
所述第二波导核心层与所述第一波导核心层隔开距离d的6％与13％之间，所述第三波导核心层与所述第一波导核心层隔开所述距离d的12％与26％之间，所述第四波导核心层与所述第一波导核心层隔开所述距离d的18％与39％之间，且所述第五波导核心层与所述第一波导核心层隔开所述距离d的24％与52％之间。
8.根据权利要求7所述的光子装置，其特征在于所述距离d是在1μm与4μm之间。
9.根据权利要求5所述的光子装置，其特征在于所述光源是激光二极管，且从所述光源的所述光发射端发射的所述光具有在1260nm与1360nm之间的范围内的波长。
10.根据权利要求5所述的光子装置，其特征在于所述光源的所述光发射端与所述光耦合器的所述光接收端通过间隙分离，所述间隙填充有具有在1.1与3.9之间的范围内的折射率的填充物材料，所述填充物材料是高介电常数材料及溶胶-凝胶中的一者。
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