DE102020210541A1

DE102020210541A1 - Lichtwellenleiter-koppler mit hybriden, sich verjüngenden wellenleitersegmenten und metamaterialsegmenten

Info

Publication number: DE102020210541A1
Application number: DE102020210541.3A
Authority: DE
Inventors: Bo Peng; Ajey Poovannummoottil Jacob; Yusheng Bian
Original assignee: GlobalFoundries US Inc
Current assignee: GlobalFoundries US Inc
Priority date: 2019-12-23
Filing date: 2020-08-19
Publication date: 2021-06-24
Also published as: US11782214B2; TWI751803B; CN113093336A; US20210191042A1; US11467343B2; CN113093336B; US10989876B1; TW202127075A; US20220381988A1

Abstract

Optische-Koppleraufbauten umfassen einen Wellenleiter, der entlang einer ersten Linie aufgereihte Wellenleiter-Metamaterialsegmente aufweist. Ein zweiter Isolator ist auf einem ersten Isolator und den Wellenleiter-Metamaterialsegmenten angeordnet. Ein Koppleraufbau ist in dem zweiten Isolator angeordnet und weist entlang einer zweiten Linie aufgereihte Koppler-Metamaterialsegmente auf. Die erste Linie und die zweite Linie erstrecken sich parallel zueinander und in einer Ebene. Ein Teil des Wellenleiters überlappt mit einem Teil des Koppleraufbaus. Die Wellenleiter-Metamaterialsegmente kreuzen die Ebene und weisen erste Breiten senkrecht zu der Ebene auf, wobei die ersten Breiten eine erste Verjüngung entlang der ersten Linie aufweisen. Die Koppler-Metamaterialsegmente kreuzen die Ebene und weisen zweite Breiten in der Richtung senkrecht zu der Ebene auf. Die zweiten Breiten weisen eine zweite Verjüngung entlang der zweiten Linie, die verschieden von der ersten Verjüngung der ersten Breiten ist, an überlappenden Teilen des Wellenleiters und des Koppleraufbaus auf.

Description

HINTERGRUND
Erfindungsfeld
Die Erfindung betrifft optische Koppler, die für Lichtwellenleiter verwendet werden, und insbesondere optische Koppler mit sich verjüngenden Wellenleitern.
Stand der Technik
Viele Kommunikationssysteme verwenden Licht für das Übertragen von Daten, weil dadurch die Übertragungsgeschwindigkeit und die Bandbreite vergrößert werden können. Unter „Licht“ sind hier alle Formen von elektromagnetischer Strahlung zu verstehen, wobei diese innerhalb der für das menschliche Auge sichtbaren Wellenlängen oder außerhalb davon liegen können.
Um eine Lichtübertragung zu bewerkstelligen, sind Lichtwellenleiter aus Materialien ausgebildet, die eine hohe interne Reflexivität aufweisen, wie etwa aus Glas, Kunststoff usw. Derartige Lichtwellenleiter sind häufig mit einem elektronischen Schaltungsaufbau verbunden, der die Daten in dem Licht erkennen kann. Dabei werden gewöhnlich optische Koppler verwendet, um den Schaltungsaufbau mit den Lichtwellenleitern zu verbinden. Zum Beispiel können Lichtwellen in Wellenleitern viele Moden einschließlich von Transversal-Elektro-Magnetisch (TEM)-Moden, Transversal-Elektrisch (TE)-Moden, Transversal-Magnetisch (TM)-Moden usw. aufweisen. Einige Lichtwellenleiter können Lichtwellen vieler Moden übertragen (Multimodefasern), während andere Lichtwellenleiter nur eine einzelne Mode übertragen können (Monomodefasern).
Ein gelegentlich auftretendes Problem betrifft die Ausrichtung der Lichtwellenleiter mit dem Koppler. Einige Koppler weisen physikalische Ausrichtungsmechanismen (V-Nuten usw.) auf, während andere eine manuelle Ausrichtung erfordern. Es ist wünschenswert, dass das gesamte Lichtübertragungssystem eine sehr hohe interne Reflexion aufweist, damit das gesamte in den Lichtwellenleiter eingegebene Licht (oder zumindest ein Großteil desselben) den Schaltungsaufbau erreicht, wobei die Zielsetzung eine totale interne Reflexion (TIR) in den das Licht übertragenden Komponenten ist. Ein korrekt mit dem Koppler ausgerichteter Lichtwellenleiter überträgt das Licht effizienter zu dem Schaltungsaufbau, wobei der Koppler wünschenswerterweise eine gewisse Fehlausrichtung tolerieren sollte.
ZUSAMMENFASSUNG
Die Koppleraufbauten enthalten neben anderen Komponenten ein Substrat (z.B. aus Silizium), eine untere Isolatorschicht (z.B. ein vergrabenes Oxid (BOX)) auf dem Substrat und einen ersten Isolator (z.B. ein Flachgrabenisolation (STI)-Material usw.) auf dem unteren Isolator. Der untere Isolator ist zwischen dem ersten Isolator und dem Substrat angeordnet. Eine zweite Isolatorschicht (z.B. ein nicht-dotiertes Silikatglas (USG) usw.) ist auf der ersten Isolatorschicht angeordnet.
Dieser Aufbau umfasst weiterhin erste (z.B. untere) und zweite (z.B. obere) Wellenleiter. Der Wellenleiter ist in der ersten Isolatorschicht angeordnet, und der Koppleraufbau ist in dem zweiten Isolator angeordnet. Der Wellenleiter kann aus einem beliebigen, geeigneten Material wie etwa Silizium, Aluminiumnitrid usw. ausgebildet sein. Und auch der Koppleraufbau kann aus einem beliebigen, geeigneten Material wie etwa Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid usw. ausgebildet sein. Weiterhin überlappt wenigstens ein Teil des Wellenleiters wenigstens einen Teil des Koppleraufbaus, um eine Lichtübertragung zwischen den Wellenleitern zu ermöglichen.
Der Wellenleiter kann wenigstens teilweise in Segmenten in der ersten Isolatorschicht vorgesehen sein („Wellenleiter-Metamaterialsegmente“). Die Wellenleiter-Metamaterialsegmente sind einander benachbart aber voneinander getrennt und sind entlang einer einzelnen Linie („ersten Linie“) aufgereiht. Die zweite Isolatorschicht befindet sich ebenfalls an diesen Wellenleiter-Metamaterialsegmenten. Der Koppleraufbau kann auch wenigstens teilweise in Segmenten in der zweiten Isolatorschicht vorgesehen sein („Kopper-Metamaterialsegmente“). Die Koppler-Metamaterialsegmente sind einander benachbart aber voneinander getrennt und sind ebenfalls entlang einer einzelnen Linie („zweiten Linie“) aufgereiht.
Die erste Linie und die zweite Linie erstrecken sich parallel und in der gleichen Ebene (z.B. in einer beliebigen Referenzebene), was bedeutet, dass sich der Wellenleiter und der Koppleraufbau in der gleichen Ebene parallel zueinander erstrecken. Die Wellenleiter-Metamaterialsegmente kreuzen diese gleiche Ebene und weisen mehrere erste Breiten auf (wobei sich die Breite in einer Richtung senkrecht zu der Ebene erstreckt). Die Kopper-Metamaterialsegmente kreuzen ebenfalls diese gleiche Ebene und weisen zweite Breiten (wiederum in der Richtung senkrecht zu der Ebene) auf.
Die ersten Breiten der Wellenleiter-Metamaterialsegmente können eine erste Verjüngung (Änderung der Breite zwischen benachbarten Segmenten) entlang der ersten Linie aufweisen. Entsprechend können die zweiten Breiten eine zweite Verjüngung entlang der zweiten Linie aufweisen, die verschieden von der ersten Verjüngung der ersten Breiten ist (wenigstens entlang des Teils, in dem der Wellenleiter den Koppleraufbau überlappt).
Allgemein bestimmt die Beziehung zwischen den ersten und zweiten Verjüngungen die Lichtübertragungsmenge (Energieaustausch) zwischen dem Wellenleiter und dem Koppleraufbau durch das Abgleichen von Modenindizes des Lichts in dem Wellenleiter und dem Koppleraufbau. Insbesondere verändern die Verjüngungen den Brechungsindex. Deshalb können die ersten und zweiten Verjüngungen der Wellenleiter- und Koppler-Metamaterialsegmente derart ausgebildet und relativ zueinander positioniert werden, dass viele verschiedene Lichtübertragungsgrößen (Kopplungseffizienz) zwischen dem Lichtwellenleiter und dem Wellenleiter für viele verschiedene Moden erzielt werden können.
Zum Beispiel kann die zweite Verjüngung der zweiten Breiten entlang der zweiten Linie entgegengesetzt (oder umgekehrt) zu der ersten Verjüngung der ersten Breiten entlang der ersten Linie sein. Zum Beispiel können die ersten Breiten der Wellenleiter-Metamaterialsegmente größer werden, während die zweiten Breiten der Koppler-Metamaterialsegmente kleiner werden können (z.B. entlang des überlappenden Teils des Wellenleiters und des Koppleraufbaus) in zum Beispiel einer Übertragungsrichtung innerhalb der Ebene und parallel zu der ersten Linie und der zweiten Linie.
Alternativ dazu können die Wellenleiter-Metamaterialsegmente auch keine Verjüngung (alle die gleiche Breite) aufweisen, während die zweiten Breiten der Koppler-Metamaterialsegmente mehrere Verjüngungen aufweisen können. Zum Beispiel können sich die zweiten Breiten der Koppler-Metamaterialsegmente zu einem zentralen Koppleraufbau vergrößern und dann von dem zentralen Koppleraufbau verkleinern (in einem Vergleich der Breiten entlang der zweiten Linie). In anderen Beispielen können die ersten Breiten der Wellenleiter-Metamaterialsegmente zu einem zentralen Wellenleiter größer werden und dann von dem zentralen Wellenleiter kleiner werden (in einem Vergleich der Breiten entlang der ersten Linie). In anderen Optionen kann die zweite Verjüngung entlang der zweiten Linie von der Mitte des Koppleraufbaus zu den Enden des Koppleraufbaus hin kleiner werden.
In den hier vorgesehenen Aufbauten können eines oder mehrere der Enden des Wellenleiters einen kontinuierlichen, nicht-segmentierten Aufbau aufweisen. In anderen Ausführungsformen wird der Abstand zwischen den Wellenleiter-Metamaterialsegmenten kleiner, je näher die Wellenleiter-Metamaterialsegmente einem derartigen nicht-segmentierten Aufbau sind. Entsprechend können eines oder mehrere der Enden des Koppleraufbaus einen kontinuierlichen, nicht-segmentierten Aufbau aufweisen. Dabei kann der Abstand zwischen den Koppler-Metamaterialsegmenten auch kleiner werden, je näher die Koppler-Metamaterialsegmente dem nicht-segmentierten Aufbau sind.
Außerdem weist das Substrat eine Nut zum Aufnehmen eines Lichtwellenleiterelements auf, die durch die oben genannte Ebene zweigeteilt wird und sich parallel zu den ersten und zweiten Linien erstreckt. Die Nut weist eine gleichbleibende Querschnittform wie etwa eine V-Form, eine U-Form, eine rechteckige Form usw. auf.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, die nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind.

1A, 2A, 3A, 4A und 5A sind schematische Querschnittansichten, die einen optischen Koppleraufbau gemäß Ausführungsformen zeigen.
1B, 2B, 3B, 4B und 5B sind schematische Querschnittansichten, die einen optischen Koppleraufbau gemäß Ausführungsformen entlang einer Linie A-A von 1A, 2A, 3A, 4A und 5A zeigen,
1C, 2C, 3C, 4C und 5C sind schematische Draufsichten, die einen Wellenleiter und einen damit überlappenden Koppleraufbau gemäß Ausführungsformen entlang der Referenzebene von 1B, 2B, 3B, 4B und 5B zeigen.
1D, 2D, 3D, 4D und 5D sind schematische Draufsichten, die nur den Wellenleiter von 1C, 2C, 3C, 4C und 5C zeigen.
1E, 2E, 3E, 4E und 5E sind schematische Draufsichten, die nur den Koppleraufbau von 1C, 2C, 3C, 4C und 5C zeigen.
6A und 6B sind schematische Querschnittansichten, die einen optischen Koppleraufbau gemäß Ausführungsformen entlang der Linie A-A von 1A, 2A, 3A, 4A und 5A zeigen.
7 ist eine schematische Ansicht, die einen optischen Koppleraufbau und einen Schaltungsaufbau gemäß Ausführungsformen zeigen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Wie weiter oben genannt, übeträgt ein korrekt mit einem optischen Koppler ausgerichteter Lichtwellenleiter Licht effizienter zu einem Schaltungsaufbau, wobei es jedoch wünschenswert ist, dass der Koppler eine gewisse Fehlausrichtung des Lichtwellenleiters toleriert. Die Systeme und Verfahren der Erfindung lösen diese Probleme durch die Verwendung eines Metamaterial-Kopplers (z.B. mit sich verjüngenden Wellenleiter-Metamaterialsegmenten, bei denen sich benachbarte Metamaterialsegmente verjüngen), um einen Lichtverlust von den Wellenleiter-Metamaterialsegmenten, der aus einer Fehlausrichtung von Lichtwellenleitern mit Kopplern resultieren kann, zu vermeiden.
Insbesondere ist bei den hier beschriebenen optischen Kopplern eine Nut auf einer Seite (hier als „unten“ bezeichnet) eines Wellenleiters mit Metamaterialsegmenten vorgesehen und ist ein Metamaterial-Koppleraufbau mit Segmenten (Elementen) auf der anderen Seite (hier als „oben“ bezeichnet) des Wellenleiters angeordnet, sodass der Wellenleiter zwischen dem Boden der Nut und den Metamaterialsegmenten des Kopplers angeordnet ist.
Die Breiten der Wellenleiter-Metamaterialsegmente verjüngen sich zwischen Segmenten, die zu klein sind, um eine akzeptable interne Reflexion aufzuweisen, und Segmenten, die zu groß sind, um eine akzeptable interne Reflexion aufzuweisen. Diese Verjüngung der Wellenleiter-Metamaterialsegmente hilft dabei, eine interne Reflexion in dem Wellenleiter zu fördern, und stellt die Mode der Lichtwellenleiter derart ein, dass sie derjenigen entspricht, die durch den das Licht verarbeitenden Schaltungsaufbau verwendet wird.
Die Metamaterialsegmente verjüngen sich ebenfalls, wobei jedoch die Verjüngung der Metamaterialsegmente basierend auf der Verjüngung der Wellenleiter-Metamaterialsegmente eingestellt wird, um die Lichtübertragungsfunktion der Metamaterialsegmente einzustellen/zu steuern. Die Verjüngung des Metamaterial-Wellenleiters und des kontinuierlichen Wellenleiters (basierend auf einer nicht-linearen Verjüngungsfunktion) minimiert die Modenfehlabstimmung am Übergang der Wellenleiter-Metamaterialsegmente und der Metamaterialsegmente bei verschiedenen Breiten. Auf diese Weise kann die Verjüngungsgröße für SiN, reines Si und hybride Materialnutzungen für den Metamaterial-Wellenleiter und den kontinuierlichen Wellenleiter korrekt gewählt werden, um eine Modenfehlabstimmung zu minimieren. Dadurch wird die Gesamtlänge des Modenwandlers effizient verkürzt, ohne eine zusätzliche Störung für die Mode einzuführen (was ansonsten zu dem Übertragungsverlust beitragen und die interne Reflexion beeinflussen würde).
Das sich verjüngende SiN/Si-Metamaterial sorgt dafür, dass der effektive Kernindex des Metamaterials nahe dem Kernindex der Hülle des Lichtwellenleiters ist, sodass sich die Dimension der Moden an der Faserschnittstelle erweitert, um einen größeren Produktionsversatz (Fehlausrichtung und Dimensionsabweichung der Komponenten des Kopplers) und eine größere Fehlausrichtung des Lichtwellenleiters mit dem Koppler ohne einen zusätzlichen Verlust zu tolerieren. Der Vorteil einer Kompensation eines größeren Produktionsversatzes und einer größeren Fehlausrichtung des Lichtwellenleiters gilt auch für den gesamten Verjüngungsbereich, weil die Mode während der Fortpflanzung erweitert wird. Dadurch wird eine Robustheit gegenüber einem Versatz vorgesehen und eine kürzere V-Rille für Ausrichtungszwecke ermöglicht.
Die beispielhaften spezifischen Breiten und Abstände der Wellenleiter-Metamaterialsegmente sind also äußerst effektiv für das Übertragen von spezifischen Moden des Lichts. In den hier beschriebenen Strukturen reduzieren also die Metamaterialsegmente den effektiven Index der Mode und erweitern die Mode, sodass sie weniger eingeschränkt in dem Kern mit dem höheren Brechungsindex ist. Dadurch wird die Modenempfindlichkeit gegenüber der Kerndimension und einem Versatz reduziert und wird die Modentoleranz gegenüber einer Beschränkungsvariation erhöht. Dies fördert die Übertragung der Zielmode in den Wellenleiter robust und effizient, was dabei hilft, einen größeren Produktionsversatz und eine größere Fehlausrichtung des Lichtwellenleiters zu tolerieren.
Allgemein bestimmt die Beziehung zwischen den Verjüngungen des Wellenleiters und den Metamaterialsegmenten die Lichtübertragungsmenge (Energieaustausch) zwischen dem Wellenleiter und dem Koppleraufbau durch das Abgleichen von Modenindizes und eine Modenüberlappung des Lichts in dem Wellenleiter und dem Koppleraufbau. Insbesondere ändern die Verjüngungen den Brechungsindex der Wellenleiter. Deshalb können die ersten und zweiten Verjüngungen der ersten und zweiten Koppler-Metamaterialsegmente entsprechend ausgebildet und relativ zueinander positioniert werden, um verschiedene Lichtübertragungsmengen (Kopplungseffizienz) zwischen dem Lichtwellenleiter und dem Wellenleiter für viele verschiedene Moden zu erzielen.
Zum Beispiel kann die zweite Verjüngung der zweiten Breiten entlang der zweiten Linie entgegengesetzt oder umgekehrt zu der ersten Verjüngung der ersten Breiten entlang der ersten Linie sein. Deshalb können die ersten Breiten der Wellenleiter-Metamaterialsegmente größer werden, während die zweiten Breiten der Koppler-Metamaterialsegmente kleiner werden (z.B. entlang des überlappenden Teils des Wellenleiters und des Koppleraufbaus) in zum Beispiel einer Übertragungsrichtung innerhalb der Ebene und parallel zu der ersten Linie und der zweiten Linie.
Alternativ dazu können die Wellenleiter-Metamaterialsegmente auch keine Verjüngung (alle die gleiche Breite) aufweisen, während die zweiten Breiten der Koppler-Metamaterialsegmente mehrere Verjüngungen aufweisen können. Zum Beispiel vergrößern sich die zweiten Breiten der Koppler-Metamaterialsegmente zu einem zentralen Koppleraufbau und werden dann von dem zentralen Koppleraufbau kleiner (in einem Vergleich der Breiten entlang der zweiten Linie). In anderen Beispielen können die ersten Breiten der Wellenleiter-Metamaterialsegmente zu einem zentralen Wellenleiter größer werden und dann von dem zentralen Wellenleiter kleiner werden (in einem Vergleich der Breiten entlang der ersten Linie). In anderen Optionen kann die zweite Verjüngung entlang der zweiten Linie von der Mitte des Koppleraufbaus zu den Enden des Koppleraufbaus kleiner werden.
In anderen Aufbauten können eines oder mehrere der Enden des Wellenleiters einen kontinuierlichen, nicht-segmentierten Aufbau aufweisen. In anderen Ausführungsformen wird der Abstand zwischen den Wellenleiter-Metamaterialsegmenten kleiner, je näher die Wellenleiter-Metamaterialsegmente einem derartigen nicht-segmentierten Aufbau sind. Entsprechend können eines oder mehrere der Enden des Koppleraufbaus einen kontinuierlichen, nicht-segmentierten Aufbau aufweisen. Dabei kann der Abstand zwischen den Koppler-Metamaterialsegmenten auch kleiner werden, je näher die Koppler-Metamaterialsegmente dem nicht-segmentierten Aufbau sind.
Ein Metamaterial ist ein Material mit einem Brechungsindex, dessen Wert im Wesentlichen gleich oder kleiner als 1,0 ist. Insbesondere ist ein Metamaterial ein Material, das seine Eigenschaften aus dem Aufbau des Materials und nicht direkt aus seiner Zusammensetzung erhält. Ein Metamaterial kann von den enthaltenen Materialien aufgrund der in dem Metamaterial vorhandenen Eigenschaften unterschieden werden. Wie weiter unten genannt, kann das Metamaterial aus einem Siliziumnitrid, einem Aluminiumnitrid usw. bestehen. Eine Reduktion des kritischen Innenwinkels für eine TIR des Lichts in dem Wellenleiter wird erzielt, indem das Metamaterial neben dem Wellenleiter platziert wird. Mit dem benachbarten Metamaterial kann mehr Licht durch eine TIR in dem Wellenleiter gehalten und entlang des Wellenleiters gerichtet/geführt werden.
1A ist eine schematische Querschnittansicht, die einen optischen Koppleraufbau 100 gemäß Ausführungsformen zeigt. 1B ist ebenfalls eine schematische Querschnittansicht, die den gleichen optischen Koppleraufbau 100 entlang der Linie A-A von 1A zeigt. 1C-1E sind schematische Draufsichten, die Aufbauten aus einem Wellenleiter 110 und einem Metamaterial 116 gemäß Ausführungsformen entlang der Referenzebene von 1B zeigen. Dabei ist 1A ein Querschnitt entlang der in 1B gezeigten Ebene.
1A-1 B zeigen, dass optische Koppleraufbauten 100 neben anderen Komponenten ein Substrat 102 (z.B. aus Silizium), eine untere Isolatorschicht 106 (z.B. ein vergrabenes Oxid (BOX)) auf dem Substrat 100 und einen ersten Isolator 120 (z.B. aus einem Flachgrabenisolation (STI)-Material usw.) auf der unteren Isolatorschicht 106 umfassen. Das Substrat 102 ist derart gemustert, dass es eine Nut 104 enthält, in dem ein Lichtwellenleiter 122 angeordnet werden kann. Die untere Isolatorschicht 106 ist zwischen dem ersten Isolator 120 und dem Substrat 102 angeordnet. Eine erste Isolatorschicht 120 (z.B. nicht-dotiertes Silikatglas (USG) usw.) ist auf der unteren Isolatorschicht 106 angeordnet. Eine Trennschicht 112 ist auf der ersten Isolatorschicht 120 angeordnet.
Dieser Aufbau umfasst auch einen Wellenleiter 108 und einen Koppleraufbau 114 wie deutlicher in den separaten Ansichten von 1C-1E gezeigt. 1A-1B zeigen, dass der Wellenleiter 108 in der ersten Isolatorschicht 120 angeordnet ist und der Koppleraufbau 114 in einem dritten Isolator 118 angeordnet ist. Der Wellenleiter 108 kann aus einem beliebigen, geeigneten Material wie etwa Silizium, Aluminiumnitrid usw. ausgebildet sein. Und auch der Koppleraufbau 114 kann aus einem beliebigen, geeigneten Material wie etwa Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid usw. ausgebildet sein. Weiterhin überlappt wie in 1A und 1C gezeigt wenigstens ein Teil des Wellenleiters 108 wenigstens einen Teil des Koppleraufbaus 114.
1A-1C zeigen, dass der Wellenleiter 108 wenigstens teilweise in Segmenten 110 in der ersten Isolatorschicht 120 („Wellenleiter-Metamaterialsegmente“) vorgesehen sein kann. 1C-1D zeigen, dass die Wellenleiter-Metamaterialsegmente 110 zueinander benachbart, voneinander beabstandet und entlang einer einzelnen Linie („erste Linie“) aufgereiht sind. Auch die erste Isolatorschicht 120 ist an diesen Wellenleiter-Metamaterialsegmenten 110 vorgesehen. 1A-1C zeigen, dass der Koppleraufbau 114 ebenfalls wenigstens teilweise in Segmenten in der ersten Isolatorschicht 120 („Metamaterialsegmente 160“) vorgesehen sein kann. 1C und 1E zeigen, dass die Metamaterialsegmente 116 zueinander benachbart, voneinander beabstandet und entlang einer einzelnen Linie („zweite Linie“) aufgereiht sind.
Die ersten und zweiten Linien erstrecken sich parallel zueinander und in der gleichen Ebene (z.B. in einer beliebigen Referenzebene, die in 1B vertikal gezeigt ist), sodass also der Wellenleiter 108 und der Koppleraufbau 114 entlang der gleichen Ebene (der vertikalen Ebene in den Zeichnungen) und parallel zueinander angeordnet sind. Die Wellenleiter-Metamaterialsegmente 110 kreuzen die gleiche Ebene und weisen mehrere erste Breiten W1-W4 auf (wobei sich diese Breiten W1-W4 in einer Richtung senkrecht zu der Ebene erstrecken). Auch die Metamaterialsegmente 116 kreuzen die gleiche vertikale Ebene und weisen zweite Breiten W11-W14 (wiederum in der Richtung senkrecht zu der Ebene) auf.
Die ersten Breiten W1-W4 der Wellenleiter-Metamaterialsegmente 110 können eine erste Verjüngung (wobei unter einer Verjüngung eine kontinuierliche Änderung in der Breite zwischen benachbarten Segmenten zu verstehen ist) entlang der ersten Linie aufweisen. Deshalb ist W2 breite als W1 und ist W3 breiter als W2, weil sich die Breiten (Verjüngung) in diesem Teil der Wellenleiter-Metamaterialsegmente 110 vergrößern, aber ist W3 breiter als W4, weil sich die Breiten in diesem Teil der Wellenleiter-Metamaterialsegmente 110 verkleinern. Entsprechend können die zweiten Breiten W11-W14 eine zweite Verjüngung entlang der zweiten Linie aufweisen, die verschieden ist von der ersten Verjüngung der ersten Breiten W1-W4 (wenigstens entlang des überlappenden Teils des Wellenleiters 108 und des Koppleraufbaus 114). Deshalb ist W12 breiter als W1, weil die Breiten (Verjüngung) in diesem Teil der Metamaterialsegmente 116 größer werden, aber ist W12 breiter als W13 und ist W13 breiter als W14, weil die Breiten in diesem Teil der Metamaterialsegmente 116 kleiner werden.
Allgemein bestimmt die Beziehung zwischen den ersten und zweiten Verjüngungen die Lichtübertragungsmenge (Energieaustausch) zwischen dem Wellenleiter 108 und dem Koppleraufbau 114 durch das Abstimmen der Modenindizes des Lichts in dem Wellenleiter 108 und dem Koppleraufbau 114. Insbesondere ändern die Verjüngungen den Brechungsindex des Wellenleiters 108. Dabei erlaubt die sich zu Beginn vergrößernde Verjüngung (von dem Eingang zu dem Ausgang) des Koppleraufbaus 114, dass der Koppleraufbau 114 zu Beginn mehr Lichtenergie einer Mode erhält. Die anschließend sich verkleinernde Verjüngung des Koppleraufbaus 114 in Kombination mit der sich vergrößernden Verjüngung des Wellenleiters 108 veranlasst, dass Lichtenergie aus dem Koppleraufbau 114 entweicht und in dem Wellenleiter 108 empfangen wird. Deshalb kann die Beziehung zwischen den ersten und zweiten Verjüngungen der Wellenleiter-Metamaterialsegmente 110 und der Koppler-Metamaterialsegmente 116 entsprechend gewählt und relativ zueinander vorgesehen werden, um viele verschiedene Lichtübertragungsmengen (Kopplungseffizienz) zwischen dem Lichtwellenleiter 122 und dem Wellenleiter 108 für viele verschiedene Moden zu erzielen. Mit anderen Worten können die Größe (Grad oder Abruptheit) der Verjüngung des Wellenleiters 108 und/oder des Koppleraufbaus 114 (oder ob eine Verjüngung in einem oder beiden derselben vorgesehen ist), die Länge der überlappenden Teile des Wellenleiters 108 und des Koppleraufbaus 114, die sich jeweils verjüngen, die Dicke des dritten Isolators 118 zwischen dem Wellenleiter 108 und dem Koppleraufbau 114 usw. alle eingestellt werden. Deshalb kann die Beziehung zwischen dem Abstand und der Verjüngung der Metamaterialteile des Wellenleiters 108 und des Koppleraufbaus 114 spezifische Anforderungen an den Koppleraufbau erfüllen und kann ein Ausgleich zwischen der Kopplereffizienz und einer Toleranz für eine Fehlausrichtung und für Produktionsvariationen erzielt werden.
In den hier beschriebenen Aufbauten können die ersten Breiten W1-W4 der Wellenleiter-Metamaterialsegmente 110 zu einem zentralen Wellenleiter größer werden und dann von dem zentralen Wellenleiter kleiner werden (in einem Vergleich der Breiten entlang der ersten Linie). Entsprechend können die zweiten Breiten W11-W14 der Metamaterialsegmente 116 zu einem zentralen Koppleraufbau größer werden und dann von dem zentralen Koppleraufbau kleiner werden (in einem Vergleich der Breiten W11-W14 entlang der zweiten Linie). In anderen Optionen kann die zweite Verjüngung entlang der zweiten Linie von der Mitte des Koppleraufbaus 114 zu den Enden des Koppleraufbaus 114 kleiner werden.
In anderen Beispielen kann die zweite Verjüngung der zweiten Breiten W11-W14 entlang der zweiten Linie entgegengesetzt oder umgekehrt zu der ersten Verjüngung der ersten Breiten W1-W4 entlang der ersten Linie sein. Die ersten Breiten W1-W4 der Wellenleiter-Metamaterialsegmente 110 können also größer werden, während die zweiten Breiten W11-W14 der Metamaterialsegmente 116 kleiner werden (z.B. entlang des überlappenden Teils des Wellenleiters 116 und des Koppleraufbaus 114) in zum Beispiel einer Übertragungsrichtung. Die Übertragungsrichtung erstreckt sich in der Ebene und parallel zu der ersten Linie und der zweiten Linie.
1C zeigt, dass die oben genannte vertikale Referenzebene ein „Eingangsende“, das dem Lichtwellenleiter 122 benachbart ist, und ein „Ausgangsende“, das dem Eingangsende gegenüberliegt, aufweist. 1D zeigt, dass der (gleiche, aber separat gezeigte) Wellenleiter 108 entsprechende Enden aufweist, nämlich ein „Eingangsende“, das relativ näher zu dem Eingangsende der Ebene ist, und ein „Ausgangsende“, das relativ näher zu dem Ausgangsende der Ebene ist. 1E zeigt, dass auch der (gleiche, aber separat gezeigte) Koppleraufbau 114 entsprechende Enden aufweist, nämlich ein „Eingangsende“, das relativ näher zu dem Eingangsende der Ebene ist, und ein „Ausgangsende“, das relativ näher zu dem Ausgangsende der Ebene ist.
Weil bei einer derartigen Nomenklatur der Wellenleiter 108 und der Koppleraufbau 114 nur teilweise überlappen können, kann das Eingangsende des Koppleraufbaus 114 näher zu dem Eingangsende der Ebene sein als das Eingangsende des Wellenleiters 108 zu dem Eingangsende der Ebene ist. Entsprechend kann das Ausgangsende des Wellenleiters 108 näher zu dem Ausgangsende der Ebene sein als das Ausgangsende des Koppleraufbaus 114 zu dem Ausgangsende der Ebene ist. Auf diese Weise kann der Wellenleiter 108 nur den Koppleraufbau 114 von dem Eingangsende des Wellenleiters 108 zu dem Ausgangsende des Koppleraufbaus 114 überlappen.
Es können viele verschiedene Herstellungsprozesse für das Ausbilden des in 1A-1E gezeigten Aufbaus verwendet werden. Zum Beispiel kann ein Silizium-auf-Isolator (SOI)-Wafer vorgesehen oder hergestellt werden, um das Substrat 102 und die untere Isolatorschicht 106 vorzusehen. Eine Materialschicht (z.B. aus Silizium, Aluminiumnitrid) kann auf der unteren Isolatorschicht 106 aufgetragen und dann gemustert werden, um den Wellenleiter 108 auszubilden. Die erste Isolatorschicht 120 kann dann auf dem Wellenleiter 108 ausgebildet (abgeschieden, gezüchtet usw.) werden, und die Trennschicht 112 kann entsprechend auf der ersten Isolatorschicht 120 aufgetragen und gemustert werden. Anschließend kann eine Schicht aus einem zusätzlichen Material (z.B. Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid) auf der ersten Isolatorschicht 120 aufgetragen und dann zu dem Koppleraufbau 114 gemustert werden. Dann können die zweite Isolatorschicht 118 und verschiedene BEOL (Back-End-Of-Line)-Strukturen, die Verdrahtungsverbindungen für die verschiedenen Schaltungselemente enthalten, ausgebildet werden. Die BEOL-Strukturen können entfernt und durch einen Isolator (z.B. eine thermische Oxidation von Silizium (TEOS)) ersetzt werden, es können Vertiefungen nach unten zu dem Substrat 102 ausgebildet werden und es kann ein Unterschnitt durchgeführt werden, um die Nut 104 zu erzeugen.
2A-2E zeigen alternative optische Koppler aus den gleichen Perspektiven wie in 1A-1E, wobei gleiche Elemente durch gleiche Bezugszeichen identifiziert werden und hier der Kürze halber auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird. 2A-2E zeigen, dass alternativ dazu alle oder ein Teil der Wellenleiter-Metamaterialsegmente 110 auch keine Verjüngung (alle die gleiche Breite W23-W24) aufweisen können, während die zweiten Breiten W11-W14 der Metamaterialsegmente 116 mehrere Verjüngungen aufweisen können. Während also W22 breiter ist als W21 und W23 breiter ist als W22, ist ab diesem Punkt die gleiche Breite W23 bis zu dem Ausgangsende der ersten Leitung hin vorgesehen. In diesem Beispiel hilft die Verwendung einer abrupteren Verjüngung mit einer nur größer werdenden Breite für die Wellenleiter-Metamaterialsegmente 110 wie in 2A-2E gezeigt dabei, dass der Wellenleiter 108 mehr Lichtenergie empfängt als mit den größer werdenden und kleiner werdenden Verjüngungen der Wellenleiter-Metamaterialsegmente 110 von 1A-1E (auf Kosten einer möglichen Modenunterscheidung). In einigen Ausführungsformen kann der Abstand zwischen den Wellenleiter-Metamaterialsegmenten 110 wie in 2C-2D gezeigt kleiner werden, je näher die Wellenleiter-Metamaterialsegmente 110 zu dem Ausgangsende der ersten Linie sind.
3A-3E zeigen alternative Optikkoppler aus den gleichen Perspektiven wie in 1A-1E, wobei gleiche Elemente durch gleiche Bezugszeichen identifiziert werden und hier der Kürze halber auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird. In den in 1A-1E gezeigten Aufbauten können eines oder mehrere der Enden des Wellenleiters 108 einen kontinuierlichen, nicht-segmentierten Aufbau aufweisen. Im Gegensatz dazu kann in den Aufbauten von 3A-3E der gesamte Wellenleiter 108 einen kontinuierlichen, nicht-segmentierten Aufbau aufweisen. In diesem Beispiel kann eine Vermeidung von Wellenleiter-Metamaterialsegmenten 110 wie in 3A-3E gezeigt auch dabei helfen, dass der Wellenleiter 108 mehr Lichtenergie empfängt als mit den größer werdenden und kleiner werdenden Verjüngungen der Wellenleiter-Metamaterialsegmente 110 von 1A-1E (auf Kosten einer möglichen Modenunterscheidung). Deshalb kann der Wellenleiter 108 wie in 3C-3D gezeigt einen kontinuierlichen, nicht-segmentierten Aufbau mit konstant größer werdenden Breiten W31-W34 aufweisen.
4A-4E zeigen alternative optische Koppler aus gleichen Perspektiven wie in 1A-1E, wobei gleiche Elemente durch gleiche Bezugszeichen identifiziert werden und hier der Kürze halber auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird. In den in 4A-4E gezeigten Aufbauten kann der gesamte Koppleraufbau 114 einen kontinuierlichen, nicht-segmentierten Aufbau aufweisen. Dabei werden die Breiten W41, W42 von dem Eingangsende zu der Mitte des Koppleraufbaus 114 größer und werden dann die Breiten W43, W44 von der Mitte zu dem Ausgangsende hin kleiner. In diesem Beispiel hilft die Verwendung eines nicht-segmentierten Koppleraufbaus 114 wie in 4A-4E gezeigt dabei, dass der Koppleraufbau mehr Lichtenergie empfängt als mit dem Metamaterialsegmenten 116 von 1A-1E (auf Kosten einer möglichen Modenunterscheidung).
5A-5E zeigen alternative optische Koppler aus gleichen Perspektiven wie in 3A-3E, wobei gleiche Elemente durch gleiche Bezugszeichen identifiziert werden und hier der Kürze halber auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird. Während 3A-3E den Koppleraufbau 114 mit nicht-linearen Verjüngungen zeigt, weist in den Aufbauten von 5A-5E der Koppleraufbau 114 größer werdende und kleiner werdende lineare Verjüngungen und größere Segmente (die z.B. länger in der Übertragungsrichtung von dem Eingangsende zu dem Ausgangsende entlang der vertikalen Referenzebene sind) auf. Deshalb werden die größer werdenden Breiten (z.B. W51 und W52) mit gleichen Breiteninkrementen zwischen benachbarten Metamaterialsegmenten 116 größer und werden entsprechend die kleiner werdenden Breiten (z.B. W53 und W54) mit gleichen Breiteninkrementen zwischen benachbarten Metamaterialsegmenten 116 kleiner. In diesem Beispiel können größere Koppler-Metamaterialsegmente 116 und/oder sich regelmäßiger verändernde Breiten wie in 5A-5E gezeigt auch dabei helfen, dass der Koppleraufbau mehr Lichtenergie empfängt als mit den kleineren, sich stärker verjüngenden Metamaterialsegmenten 116 von 1A-1E (auf Kosten einer möglichen Modenunterscheidung).
1B, 2B, 3B, 4B und 5B zeigen, dass die Nut 104 eine V-Form aufweisen kann. Im Gegensatz dazu zeigt 6A, dass die Nut 124 eine regelmäßige Form aufweisen kann, und zeigt 6B, dass die Nut 134 eine U-Form aufweisen kann. Diese verschiedenen Nutformen können bei einer korrekten physikalischen Platzierung und Ausrichtung des Lichtwellenleiters 122 helfen.
7 ist eine schematische Ansicht, die einen derartigen optischen Koppleraufbau 100 und einen Schaltungsaufbau 146 zeigt. Der Lichtwellenleiter 122 ist in 7 in der Nut 104 enthalten. Außerdem überträgt der Koppleraufbau 100 das Licht von dem Lichtwellenleiter 122 in einen Wellenleiter 142, der das Licht zu der Lichtverarbeitungsschaltung 146 an der integrierten Schaltungseinrichtung 144 überträgt.
„Implantationsprozesse‟ können verschiedene (jetzt bekannte oder in der Zukunft entwickelte) Formen annehmen und können zum Beispiel eine Ionenimplantation usw. sein. Ein Epitaxialwachstum findet in einer erwärmten (und gelegentlich auch unter Druck) gesetzten Umgebung statt, die mit einem Gas des zu züchtenden Materials angereichert ist.
Bei der Musterung des Materials kann das zu musternde Material auf bekannte Weise gezüchtet oder abgeschieden werden und kann eine Musterungsschicht (wie etwa ein organischer Fotolack) über dem Material ausgebildet werden. Die Musterungsschicht (Fotolack) kann einer gemusterten Lichtstrahlung (z.B. einer gemusterten Belichtung, einer Laserbelichtung usw.) mit einem Belichtungsmuster ausgesetzt werden, wobei der Fotolack dann unter Verwendung eines chemischen Mittels entwickelt wird. Dieser Prozess verändert die physikalischen Eigenschaften des dem Licht ausgesetzten Teils des Fotolacks. Dieser Teil des Fotolacks kann dann abgewaschen werden, während der andere Teil des Fotolacks bleibt und das zu musternde Material weiterhin schützt (welcher Teil des Fotolacks abgewaschen wird, hängt davon ab, ob der Fotolack ein negativer Fotolack (die belichteten Teile bleiben) oder ein positiver Fotolack (die belichteten Teile werden abgewaschen) ist. Dann wird ein Materialentfernungsprozess (z.B. ein Nassätzen, ein anisotropisches Ätzen (ein von der Ausrichtung abhängiges Ätzen), ein Plasmaätzen (ein reaktives lonenätzen (RIE)) durchgeführt, um die ungeschützten Teile des Materials unter dem Fotolack für eine Musterung zu entfernen. Der Fotolack wird anschließend entfernt, wobei das darunterliegende Material in Entsprechung zu dem Belichtungsmuster (oder einem negativen Bild desselben) gelassen wird.
Die hier verwendete Terminologie dient lediglich dazu, bestimmte Ausführungsformen zu verdeutlichen, und schränkt die Erfindung in keiner Weise ein. Bei Formulierungen im Singular kann es sich tatsächlich auch jeweils um mehrere Einheiten handeln. Und verwendete Richtungsangaben wie etwa „rechts“, „links“, „vertikal“, „horizontal“, „oben“, „unten“, „darüber“, „darunter“, „darunterliegend“, „darüberliegend“, „parallel“, „senkrecht“ usw. dienen lediglich dazu, die in den Zeichnungen gezeigten relativen Anordnungen und Ausrichtungen zu beschreiben. Formulierungen mit „berühren“, „in direktem Kontakt“, „anstoßend“ sind derart zu verstehen, dass wenigstens ein Element ein anderes Element physikalisch kontaktiert (ohne dass dazwischen andere Elemente angeordnet sind). Mit „lateral“ wird eine relative Anordnung von in den Zeichnungen gezeigten Elementen und insbesondere die Positionierung eines Elements seitlich zu einem anderen Element und nicht über oder unter dem anderen Element beschrieben. Zum Beispiel ist ein lateral neben einem anderen Element angeordnetes Element neben diesem Element vorgesehen, ist ein unmittelbar lateral zu einem anderen Element angeordnetes Element direkt neben dem anderen Element vorgesehen und ist ein lateral ein anderes Element umgebendes Element in Nachbarschaft zu den äußeren Seitenwänden des anderen Elements vorgesehen.
Die Figuren zeigen nicht nur die Verfahren und die Funktionen der Ausführungsformen in verschiedenen Phasen, sondern auch die Logik des vollständig oder teilweise durch eine oder mehrere Einrichtungen oder Aufbauten implementierten Verfahrens. Derartige Einrichtungen oder Aufbauten sind konfiguriert (d.h. enthalten eine oder mehrere Komponenten wie etwa Widerstände, Kondensatoren, Transistoren oder ähnliches, die miteinander verbunden sind, um die Durchführung eines Prozesses zu ermöglichen), um das beschriebene Verfahren zu implementieren. Mit anderen Worten können eine oder mehrere Computerhardwareeinrichtungen erzeugt werden, die konfiguriert sind, um das hier mit Bezug auf die Figuren beschriebene Verfahren oder entsprechende Prozesse zu implementieren.
Die hier beschriebenen Ausführungsformen können in verschiedenen elektronischen Anwendungen wie etwa für Sensoren, Datenspeicher, Halbleiter, Mikroprozessoren oder in anderen Anwendungen verwendet werden. Eine resultierende Einrichtung und ein entsprechender Aufbau wie etwa eine integrierte Schaltung (IC-Chip) kann durch den Hersteller in der Form eines Rohwafers (d.h. als ein einzelner Wafer, der mehrere ungepackte Chips umfasst), als ein Bare-Die oder in einer gepackten Form distribuiert werden. In diesem letzteren Fall ist der Chip in einer einzelnen Chippackung (wie etwa einem Kunststoffträger mit Anschlüssen, die an einem Motherboard oder einem anderen Träger einer höheren Ebene angebracht sind) oder in einer Multichippackung (wie etwa einem keramischen Träger, der Oberflächenverbindungen oder vergrabene Verbindungen aufweist) montiert. In jedem Fall wird der Chip dann mit anderen Chips, diskreten Schaltungselementen und/oder anderen Signalverarbeitungseinrichtungen als Teil (a) eines Zwischenprodukts wie etwa eines Motherboards oder (b) eines Endprodukts integriert. Das Endprodukt kann ein beliebiges Produkt mit darin enthaltenen Schaltungschips sein, das von einem Spielzeug und anderen Lowend-Anwendungen zu einem hochentwickelten Computerprodukt mit einem Display, einer Tastatur oder einer anderen Zeigeeinrichtung und einem zentralen Prozessor reichen kann.
Die entsprechenden Aufbauten, Materialien Schritte und Entsprechungen zu Einrichtungen oder Schritten plus Funktionselementen in den folgenden Ansprüchen umfassen beliebige Aufbauten, Materialien oder Schritte für das Durchführen der Funktion in Kombination mit anderen hier beanspruchten Elementen. Die gegebene Beschreibung der Ausführungsformen soll die Erfindung verdeutlichen, wobei die Erfindung jedoch nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Der Fachmann kann zahlreiche Modifikationen und Variationen vornehmen, ohne dass deshalb der Erfindungsumfang verlassen wird. Die Ausführungsformen verdeutlichen die Prinzipien der Erfindung, sodass der Fachmann die beschriebenen Ausführungsformen auf der Grundlage der erläuterten Prinzipien an jeweils spezielle Anforderungen anpassen kann.
Vorstehend wurde lediglich eine beschränkte Anzahl von Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, wobei die Erfindung nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Die beschriebenen Elemente können durch verschiedene Änderungen, Ersetzungen oder Hinzufügungen modifiziert werden, ohne dass deshalb der Erfindungsumfang verlassen wird. Außerdem ist zu beachten, dass bestimmte der hier beschriebenen Aspekte nur in einigen der beschriebenen Ausführungsformen enthalten sein können. Die folgenden Ansprüche werden nicht durch die vorstehende Beschreibung eingeschränkt. Bezugnahmen auf ein Element im Singular sind derart zu verstehen, dass es sich nicht „um ein und nur ein“ sondern „um ein oder mehrere“ Elemente handeln kann. Es können derzeit bekannte oder erst in Zukunft entwickelte strukturelle oder funktionelle Äquivalente anstelle der Elemente der verschiedenen Ausführungsformen verwendet werden. Die hier beschriebenen Ausführungsformen können also verändert werden, ohne dass deshalb der in den Ansprüchen definierte Erfindungsumfang verlassen wird.

Claims

Optischer Koppleraufbau, umfassend: einen Wellenleiter, der in einem ersten Isolator angeordnet ist und Wellenleiter-Metamaterialsegmente umfasst, die voneinander getrennt sind und entlang einer ersten Linie aufgereiht sind, einen zweiten Isolator, der auf dem ersten Isolator und den Wellenleiter-Metamaterialsegmenten angeordnet ist, und einen Koppleraufbau, der in dem zweiten Isolator angeordnet ist und Koppler-Metamaterialsegmente umfasst, die voneinander getrennt sind und entlang einer zweiten Linie aufgereiht sind, wobei sich die erste Linie und die zweite Linie parallel zueinander und innerhalb einer Ebene erstrecken, wobei ein Teil des Wellenleiters einen Teil des Koppleraufbaus überlappt, wobei die Wellenleiter-Metamaterialsegmente die Ebene kreuzen und erste Breiten in einer Richtung senkrecht zu der Ebene aufweisen, wobei die ersten Breiten eine erste Verjüngung entlang der ersten Linie aufweisen, und wobei die Koppler-Metamaterialsegmente die Ebene kreuzen und zweite Breiten in der Richtung senkrecht zu der Ebene aufweisen, wobei die zweiten Breiten eine zweite Verjüngung entlang der zweiten Linie, die verschieden von der ersten Verjüngung der ersten Breiten ist, aufweisen.
Optischer Koppleraufbau nach Anspruch 1, wobei entlang eines überlappenden Teils des Wellenleiters und des Koppleraufbaus in einer Übertragungsrichtung innerhalb der Ebene und parallel zu der ersten Linie und der zweiten Linie die ersten Breiten der Wellenleiter-Metamaterialsegmente größer werden und die zweiten Breiten der Koppler-Metamaterialsegmente kleiner werden.
Optischer Koppleraufbau nach Anspruch 1, wobei entlang der ersten Linie die ersten Breiten der Wellenleiter-Metamaterialsegmente zu einem zentralen Wellenleiter größer werden und von dem zentralen Wellenleiter kleiner werden und wobei entlang der zweiten Linie die zweiten Breiten der Koppler-Metamaterialsegmente zu einem zentralen Koppleraufbau größer werden und von dem zentralen Koppleraufbau kleiner werden.
Optischer Koppleraufbau nach Anspruch 1, der weiterhin umfasst: eine untere Isolatorschicht, die den ersten Isolator kontaktiert, und ein Substrat, das die untere Isolatorschicht kontaktiert, wobei die untere Isolatorschicht zwischen dem ersten Isolator und dem Substrat angeordnet ist, wobei das Substrat eine Nut aufweist, die durch die Ebene zweigeteilt wird und sich parallel zu der ersten Linie und der zweiten Linie erstreckt, und wobei die Nut einen Querschnitt mit einer V-Form, einer U-Form oder einer rechteckigen Form aufweist.
Optischer Koppleraufbau nach Anspruch 1, wobei ein Ende des Wellenleiters einen kontinuierlichen, nicht-segmentierten Aufbau aufweist, wobei der Abstand zwischen den Wellenleiter-Metamaterialsegmenten kleiner wird, je näher die Wellenleiter-Metamaterialsegmente zu dem nicht-segmentierten Aufbau sind, wobei ein Ende des Koppleraufbaus einen kontinuierlichen, nicht-segmentierten Aufbau aufweist, und wobei der Abstand zwischen den Koppler-Metamaterialsegmenten kleiner wird, je näher die Koppler-Metamaterialsegmente dem nicht-segmentierten Aufbau sind.
Optischer Koppleraufbau nach Anspruch 1, wobei die Ebene ein Eingangsende und ein gegenüberliegendes Ausgangsende aufweist, wobei der Wellenleiter ein Eingangsende, das relativ näher zu dem Eingangsende der Ebene ist, und ein Ausgangsende, das relativ näher zu dem Ausgangsende der Ebene ist, aufweist, wobei der Koppleraufbau ein Eingangsende, das relativ näher zu dem Eingangsende der Ebene ist, und ein Ausgangsende, das relativ näher zu dem Ausgangsende der Ebene ist, aufweist, wobei das Eingangsende des Koppleraufbaus näher zu dem Eingangsende der Ebene ist als das Eingangsende des Wellenleiters zu dem Eingangsende der Ebene ist, wobei das Ausgangsende des Wellenleiters näher zu dem Ausgangsende der Ebene ist als das Ausgangsende des Koppleraufbaus zu dem Ausgangsende der Ebene ist, und wobei der Wellenleiter mit dem Koppleraufbau von dem Eingangsende des Wellenleiters zu dem Ausgangsende des Koppleraufbaus überlappt.
Optischer Koppleraufbau nach Anspruch 1, wobei der Wellenleiter aus Silizium oder Aluminiumnitrid besteht und wobei der Koppleraufbau aus Siliziumnitrid oder Aluminiumnitrid besteht.
Optischer Koppleraufbau, der umfasst: einen Wellenleiter, der in einem ersten Isolator entlang einer ersten Linie angeordnet ist, einen zweiten Isolator, der auf dem ersten Isolator und dem Wellenleiter angeordnet ist, und einen Koppleraufbau, der in dem zweiten Isolator angeordnet ist und Koppler-Metamaterialsegmente umfasst, die voneinander getrennt sind und entlang einer zweiten Linie aufgereiht sind, wobei sich die erste Linie und die zweite Linie parallel zueinander und innerhalb einer Ebene erstrecken, wobei ein Teil des Wellenleiters einen Teil des Koppleraufbaus überlappt, wobei die Koppler-Metamaterialsegmente die Ebene kreuzen und zweite Breiten in der Richtung senkrecht zu der Ebene aufweisen, und wobei die zweiten Breiten mehrere Verjüngungen aufweisen, die entlang der zweiten Linie von einer Mitte des Koppleraufbaus zu Enden des Koppleraufbaus hin kleiner werden.
Optischer Koppleraufbau nach Anspruch 8, wobei entlang eines überlappenden Teils des Wellenleiters und des Koppleraufbaus in einer Übertragungsrichtung innerhalb der Ebene und parallel zu der zweiten Linie die zweiten Breiten der Koppler-Metamaterialsegmente zuerst größer werden und dann kleiner werden.
Optischer Koppleraufbau nach Anspruch 8, wobei entlang der zweiten Linie die zweiten Breiten der Koppler-Metamaterialsegmente zu einem zentralen Koppleraufbau größer werden und von dem zentralen Koppleraufbau kleiner werden.
Optischer Koppleraufbau nach Anspruch 8, der weiterhin umfasst: eine untere Isolatorschicht, die den ersten Isolator kontaktiert, und ein Substrat, das die untere Isolatorschicht kontaktiert, wobei die untere Isolatorschicht zwischen dem ersten Isolator und dem Substrat angeordnet ist, wobei das Substrat eine Nut aufweist, die durch die Ebene zweigeteilt wird und sich parallel zu der ersten Linie und der zweiten Linie erstreckt, und wobei die Nut einen Querschnitt mit einer V-Form, einer U-Form oder einer rechteckigen Form aufweist.
Optischer Koppleraufbau nach Anspruch 8, wobei ein Ende des Koppleraufbaus einen kontinuierlichen, nicht-segmentierten Aufbau aufweist, und wobei der Abstand zwischen den Koppler-Metamaterialsegmenten kleiner wird, je näher die Koppler-Metamaterialsegmente zu dem nicht-segmentierten Aufbau sind.
Optischer Koppleraufbau nach Anspruch 8, wobei die Ebene ein Eingangsende und ein gegenüberliegendes Ausgangsende aufweist, wobei der Wellenleiter ein Eingangsende, das relativ näher zu dem Eingangsende der Ebene ist, und ein Ausgangsende, das relativ näher zu dem Ausgangsende der Ebene ist, aufweist, wobei der Koppleraufbau ein Eingangsende, das relativ näher zu dem Eingangsende der Ebene ist, und ein Ausgangsende, das relativ näher zu dem Ausgangsende der Ebene ist, aufweist, wobei das Eingangsende des Koppleraufbaus näher zu dem Eingangsende der Ebene ist als das Eingangsende des Wellenleiters zu dem Eingangsende der Ebene ist, wobei das Ausgangsende des Wellenleiters näher zu dem Ausgangsende der Ebene ist als das Ausgangsende des Koppleraufbaus zu dem Ausgangsende der Ebene ist, und wobei der Wellenleiter mit dem Koppleraufbau von dem Eingangsende des Wellenleiters zu dem Ausgangsende des Koppleraufbaus überlappt.
Optischer Koppleraufbau nach Anspruch 8, wobei der Wellenleiter aus Silizium oder Aluminiumnitrid besteht und wobei der Koppleraufbau aus Siliziumnitrid oder Aluminiumnitrid besteht.
Optischer Koppleraufbau, der umfasst: einen Wellenleiter, der in einem ersten Isolator angeordnet ist und Wellenleiter-Metamaterialsegmente umfasst, die voneinander getrennt sind und entlang einer ersten Linie aufgereiht sind, einen zweiten Isolator, der auf dem ersten Isolator und den Wellenleiter-Metamaterialsegmenten aufgereiht ist, und einen Koppleraufbau, der in dem zweiten Isolator angeordnet ist und Koppler-Metamaterialsegmente umfasst, die voneinander getrennt sind und entlang einer zweiten Linie aufgereiht sind, wobei sich die erste Linie und die zweite Linie parallel zueinander und innerhalb einer Ebene erstrecken, wobei ein Teil des Wellenleiters einen Teil des Koppleraufbaus überlappt, wobei die Wellenleiter-Metamaterialsegmente die Ebene kreuzen und erste Breiten in der Richtung senkrecht zu der Ebene aufweisen, wobei die ersten Breiten eine erste Verjüngung entlang der ersten Linie aufweisen, wobei die Koppler-Metamaterialsegmente die Ebene kreuzen und zweite Breiten in der Richtung senkrecht zu der Ebene aufweisen, wobei die zweiten Breiten eine zweite Verjüngung entlang der zweiten Linie, die verschieden von der ersten Verjüngung der ersten Breiten ist, entlang eines überlappenden Teils des Wellenleiters und des Koppleraufbaus aufweisen, und wobei die Beziehung zwischen der ersten Verjüngung und der zweiten Verjüngung den Energieaustausch zwischen dem Wellenleiter und dem Koppleraufbau bestimmt.
Optischer Koppleraufbau nach Anspruch 15, wobei entlang eines überlappenden Teils des Wellenleiters und des Koppleraufbaus in einer Übertragungsrichtung innerhalb der Ebene und parallel zu der ersten Linie und der zweiten Linie die ersten Breiten der Wellenleiter-Metamaterialsegmente größer werden und die zweiten Breiten der Koppler-Metamaterialsegmente kleiner werden.
Optischer Koppleraufbau nach Anspruch 15, wobei entlang der ersten Linie die ersten Breiten der Wellenleiter-Metamaterialsegmente zu einem zentralen Wellenleiter größer werden und von dem zentralen Wellenleiter kleiner werden und wobei entlang der zweiten Linie die zweiten Breiten der Koppler-Metamaterialsegmente zu einem zentralen Koppleraufbau größer werden und von dem zentralen Koppleraufbau kleiner werden.
Optischer Koppleraufbau nach Anspruch 15, der weiterhin umfasst: eine untere Isolatorschicht, die den ersten Isolator kontaktiert, und ein Substrat, das die untere Isolatorschicht kontaktiert, wobei die untere Isolatorschicht zwischen dem ersten Isolator und dem Substrat angeordnet ist, wobei das Substrat eine Nut aufweist, die durch die Ebene zweigeteilt wird und sich parallel zu der ersten Linie und der zweiten Linie erstreckt, und wobei die Nut einen Querschnitt mit einer V-Form, einer U-Form oder einer rechteckigen Form aufweist.
Optischer Koppleraufbau nach Anspruch 15, wobei ein Ende des Wellenleiters einen kontinuierlichen, nicht-segmentierten Aufbau aufweist, wobei der Abstand zwischen den Wellenleiter-Metamaterialsegmenten kleiner wird, je näher die Wellenleiter-Metamaterialsegmente zu dem nicht-segmentierten Aufbau sind, wobei ein Ende des Koppleraufbaus einen kontinuierlichen, nicht-segmentierten Aufbau aufweist, und wobei der Abstand zwischen den Koppler-Metamaterialsegmenten kleiner wird, je näher die Koppler-Metamaterialsegmente dem nicht-segmentierten Aufbau sind.
Optischer Koppleraufbau nach Anspruch 15, wobei die Ebene ein Eingangsende und ein gegenüberliegendes Ausgangsende aufweist, wobei der Wellenleiter ein Eingangsende, das relativ näher zu dem Eingangsende der Ebene ist, und ein Ausgangsende, das relativ näher zu dem Ausgangsende der Ebene ist, aufweist, wobei der Koppleraufbau ein Eingangsende, das relativ näher zu dem Eingangsende der Ebene ist, und ein Ausgangsende, das relativ näher zu dem Ausgangsende der Ebene ist, aufweist, wobei das Eingangsende des Koppleraufbaus näher zu dem Eingangsende der Ebene ist als das Eingangsende des Wellenleiters zu dem Eingangsende der Ebene ist, wobei das Ausgangsende des Wellenleiters näher zu dem Ausgangsende der Ebene ist als das Ausgangsende des Koppleraufbaus zu dem Ausgangsende der Ebene ist, und wobei der Wellenleiter mit dem Koppleraufbau von dem Eingangsende des Wellenleiters zu dem Ausgangsende des Koppleraufbaus überlappt.