[发明专利]具有集成准直结构的光子芯片

说明书

本发明涉及在光子芯片的输入/输出处形成光束，并涉及对耦合到该芯片的光进行光谱展宽。光子芯片(1)包括支撑在衬底(10)上的光波导层(12)。该芯片包括由硅制成的光波导结构(121)和耦合表面光栅(122)。光子芯片具有在面向耦合表面光栅(122)的一侧的正面(F1)和在面向衬底(10)的一侧的背面(F2)。反射式准直结构(16)集成在背面(F2)中以修改入射光束的模式尺寸。耦合表面光栅(122)设计成接收来自光波导结构(121)的光并形成定向到反射式准直结构(15)的光束。本发明还涉及用于制造这种芯片的方法。

描述

技术领域

本发明的领域在于片上集成光子器件。本发明涉及一种光子芯片，其具有去往该芯片的光束输入/来自该芯片的光束输出，这些光束具有扩展的模式尺寸并且可能具有扩展的光谱带，该光子芯片用于与外部器件(例如与另一光子芯片、光纤或光纤集合)耦合，或用于接收/发射自由传播的光束。

根据本发明的光子芯片可在硅衬底上集成一个或多个混合激光器，例如具有由III-V型半导体材料制成的增益介质的激光器。这样的芯片旨在将由多个混合激光器发射的各波长的光梳供应给另一光子芯片，或者旨在发射自由传播的光束。

背景技术

包括光子集成电路的光子芯片通常被制造在SOI(“Silicon On Insulator”，绝缘体上单晶硅薄膜)衬底上，用于实现硅光子技术。

在这种情况下，III-V型/硅混合光源是通过在SOI衬底上堆叠多个 III-V型层从而形成激光器的增益材料来形成的。激光器所发射的光与位于这些III-V型层之下的SOI衬底的表面硅层中的导光结构耦合。

该导光结构容纳硅光子组件，诸如无源组件(例如波导、光复用器/ 解复用器、谐振环)和有源组件(例如由对表面硅层的P和N掺杂形成的调制器)。

为了能够从光子芯片朝向光纤等外部器件提取光，硅光子器件中最常用的组件是表面耦合阵列。这样的阵列使得一方面有可能使在光子芯片的波导中传播的光学模式的尺寸适配在标准单模光纤(即直径为9.2μm的单模光纤)中传播的光学模式的尺寸，另一方面有可能从在光子芯片平面上引导的传播切换为准垂直于该芯片的平面并且在与芯片衬底相对的一侧上的自由空间传播。这是通过在与衬底相对的一侧上蚀刻阵列来实现的。例如，在刊登于2010年8月1日第22卷第15期《IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS》的Xia Chen等人的Apodized Waveguide Grating Couplers for Efficient Coupling to OpticalFibers(用于高效耦合到光纤的变迹波导光栅耦合器)中描述了这种元件。

在硅技术中，这种组件由此使得有可能将来自光子芯片平面上的波导的光耦合到与垂直方向成一定角度(通常约为8°)的分裂单模光纤。这种组件已被提出用于接收从波导引导的光/传输向波导引导的光，并形成/ 接收模式尺寸等于9.2μm的光束(该模式尺寸类似于单模光纤的模式尺寸)，这对应于光子芯片的硅波导和分裂单模光纤之间的最优光耦合。当表面耦合阵列和单模光纤之间的几何对准最佳时，其损耗为1-4光学dB。阵列光纤对准公差被表征为会引起进一步的1dB的损耗的相对于最佳对准的径向偏离，其约为2μm。

还应注意的是，表面耦合阵列的光谱带宽被表征为损耗受到限制(例如小于1db)的频带，它很窄，通常小于30nm。这例如在粗波长复用应用 (CWDM，即粗波分复用(CoarseWavelength Division Multiplexing))中是一个非常受限的点，对于粗波长复用应用，间隔20nm的的多个波长(例如四个波长)必须被复用并在单根光纤中传输。在该示例中，光信号具有 4x20nm的光谱带，然后该带末端的损耗相对于该带中心的损耗增加了若干dB。在一个实施例的示例中，表面耦合阵列的传输损耗在中心波长 1290nm处为2.7dB，而在与中心波长1290nm间隔2*20nm的波长1330nm 处为5.5dB。