[發明專利]具有集成準直結構的光子芯片

有效

• 申請號: 201880032025.6
• 申請日: 2018-05-16
• 公開（公告）號: CN110637246B
• 公開（公告）日: 2021-08-20
• 發明（設計）人: S·梅內佐
• 申請（專利權）人: 法國原子能源和替代能源委員會
• 主分類號: G02B6/34
• 分類號: G02B6/34;G02B6/42;G02B6/12;G02B6/43;G02B6/30
• 代理公司: 北京市鑄成律師事務所 11313
• 代理人: 楊陽;林蕾

本發明涉及在光子芯片的輸入/輸出處形成光束，并涉及對耦合到該芯片的光進行光譜展寬。光子芯片(1)包括支撐在襯底(10)上的光波導層(12)。該芯片包括由硅制成的光波導結構(121)和耦合表面光柵(122)。光子芯片具有在面向耦合表面光柵(122)的一側的正面(F1)和在面向襯底(10)的一側的背面(F2)。反射式準直結構(16)集成在背面(F2)中以修改入射光束的模式尺寸。耦合表面光柵(122)設計成接收來自光波導結構(121)的光并形成定向到反射式準直結構(15)的光束。本發明還涉及用于制造這種芯片的方法。

描述

技術領域

本發明的領域在于片上集成光子器件。本發明涉及一種光子芯片，其具有去往該芯片的光束輸入/來自該芯片的光束輸出，這些光束具有擴展的模式尺寸并且可能具有擴展的光譜帶，該光子芯片用于與外部器件(例如與另一光子芯片、光纖或光纖集合)耦合，或用于接收/發射自由傳播的光束。

根據本發明的光子芯片可在硅襯底上集成一個或多個混合激光器，例如具有由III-V型半導體材料制成的增益介質的激光器。這樣的芯片旨在將由多個混合激光器發射的各波長的光梳供應給另一光子芯片，或者旨在發射自由傳播的光束。

背景技術

包括光子集成電路的光子芯片通常被制造在SOI(“Silicon On Insulator”，絕緣體上單晶硅薄膜)襯底上，用于實現硅光子技術。

在這種情況下，III-V型/硅混合光源是通過在SOI襯底上堆疊多個 III-V型層從而形成激光器的增益材料來形成的。激光器所發射的光與位于這些III-V型層之下的SOI襯底的表面硅層中的導光結構耦合。

該導光結構容納硅光子組件，諸如無源組件(例如波導、光復用器/ 解復用器、諧振環)和有源組件(例如由對表面硅層的P和N摻雜形成的調制器)。

為了能夠從光子芯片朝向光纖等外部器件提取光，硅光子器件中最常用的組件是表面耦合陣列。這樣的陣列使得一方面有可能使在光子芯片的波導中傳播的光學模式的尺寸適配在標準單模光纖(即直徑為9.2μm的單模光纖)中傳播的光學模式的尺寸，另一方面有可能從在光子芯片平面上引導的傳播切換為準垂直于該芯片的平面并且在與芯片襯底相對的一側上的自由空間傳播。這是通過在與襯底相對的一側上蝕刻陣列來實現的。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(用于高效耦合到光纖的變跡波導光柵耦合器)中描述了這種元件。

在硅技術中，這種組件由此使得有可能將來自光子芯片平面上的波導的光耦合到與垂直方向成一定角度(通常約為8°)的分裂單模光纖。這種組件已被提出用于接收從波導引導的光/傳輸向波導引導的光，并形成/ 接收模式尺寸等于9.2μm的光束(該模式尺寸類似于單模光纖的模式尺寸)，這對應于光子芯片的硅波導和分裂單模光纖之間的最優光耦合。當表面耦合陣列和單模光纖之間的幾何對準最佳時，其損耗為1-4光學dB。陣列光纖對準公差被表征為會引起進一步的1dB的損耗的相對于最佳對準的徑向偏離，其約為2μm。

還應注意的是，表面耦合陣列的光譜帶寬被表征為損耗受到限制(例如小于1db)的頻帶，它很窄，通常小于30nm。這例如在粗波長復用應用 (CWDM，即粗波分復用(CoarseWavelength Division Multiplexing))中是一個非常受限的點，對于粗波長復用應用，間隔20nm的的多個波長(例如四個波長)必須被復用并在單根光纖中傳輸。在該示例中，光信號具有 4x20nm的光譜帶，然后該帶末端的損耗相對于該帶中心的損耗增加了若干dB。在一個實施例的示例中，表面耦合陣列的傳輸損耗在中心波長 1290nm處為2.7dB，而在與中心波長1290nm間隔2*20nm的波長1330nm 處為5.5dB。