CN105723578B - 具有片上光学增益测量结构的光子电路器件 - Google Patents

具有片上光学增益测量结构的光子电路器件 Download PDF

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Abstract

本发明显著地涉及用于光学增益测量的光子电路器件(100)，其包含：基板(10)，具有光子电路，该光子电路包含限定沿相同方向对准的两个波导部分的一个或多个波导(71、72)；有源增益区(62‑66)，位于该基板的顶部上且耦合在该器件中，以通过电泵送或光学泵送产生光；至少两个光耦合器(75、76)，经布置以使得该有源增益区的至少一部分位于该光耦合器之间，且配置为耦合位于该有源增益区与该波导部分之间的光；以及部分反射器(90)，布置为将沿该相同方向传播的光反射回该增益区的中心，且其中该器件不包含相对于该有源增益区与该部分反射器相对且配置为将光反射回该增益区的中心的任何其他反射器。本发明进一步涉及相关的增益测量方法。

Description

具有片上光学增益测量结构的光子电路器件
技术领域
本发明一般涉及光子电路器件的领域，特别是，涉及光学增益测量。
背景技术
硅光子涉及光子系统，这种情况下，由于材料的低损耗，硅用于光传播的介质。硅光子使用互补性金属氧化物半导体(CMOS)电子元件中利用的众所熟知的硅制造原理。通常以次微米精度将特征图案化至微光子部件中(以在红外光中操作)。绝缘体上硅(SOI)典型地用作选择的材料。硅光子器件的制造可另外涉及已知的半导体制造技术；因为大多数集成集成电路已将硅用作基板选择，创建混合式器件是可能的，在该混合式器件中将光学及电子部件集成至单芯片上。
为满足未来计算系统的要求，需要片上电互连件的高速及节能的替代器件。集成集成光学，特别是硅光子满足这样的要求。需要用于大规模制造低成本、高效能的基于CMOS的芯片的具有相容光源的集成光学互连件。由于硅的间接能带隙，无可用的硅基光源。有效光源典型地基于异质或混合集成于硅光子平台上的III-V族半导体。
迄今最有前景的方法诉诸于将基于III-V族的完全外延增益层堆叠或薄晶种层(可经受连续的再生长)接合至硅光子波导的顶部。在其中任一情况下，要测量、表征及评估激光结构或光源，则需要特殊的测试结构，以便了解关键器件参数。关键参数之一为光学增益。增益的计算并不非常精确，因此需要测量该增益，以模型化增益层，且因此最佳化有源光学器件，诸如激光或光学放大器。然而，对于片上应用(诸如硅光子)，增益测量非常具有挑战性。原因为现有技术及方法涉及裂开刻面或要求许多器件，这不为片上应用中的实现所需，因为该方法费时、具有破坏性和/或由于大量消耗占用面积。而且，这样的技术可能要求高解析度分光计，以便解析输出功率谱中的振荡。此外，大多数现有概念仅可提取阈值以下或阈值周围的光学增益，这对于激光器件的操作为常见模式。因此，在所感兴趣发光器件中使用的实际泵送条件(即泵送电流密度等于目标激光的操作条件)下，已知的标准技术并不可能表征增益材料的操作条件的增益性质。
总之，不存在允许简单测量片上光学器件的增益的适当器件，即，不制造多个器件，必须使器件裂开或研磨器件的刻面，以将多个接触应用至增益测量结构，或以在实际泵送/操作条件下精确测量阈值以上的增益。
发明内容
根据第一方面，本发明体现为一种用于光学增益测量的光子电路器件，该光子电路器件包含：
-基板，该基板具有光子电路，该光子电路包含一个或多个波导，该波导限定沿相同方向对准的两个波导部分；
-有源增益区，该有源增益区位于基板的顶部上，且耦合在器件中通过电泵送或光学泵送产生光；
-至少两个光耦合器，该耦合器经布置以使得该有源增益区的至少一部分位于该光耦合器之间，且配置为耦合有源增益区与该波导部分之间的光；以及
-部分反射器，该部分反射器经布置，以便将沿该相同方向传播的光反射回该增益区的中心，
且其中，该器件并不包含相对于该有源增益区与该部分反射器相对，且配置为将光反射回增益区的中心的任何其他反射器。
在实施例中，该光耦合器沿所述相同方向纵向延伸。
优选地，该光耦合器各自包含至少一个锥形部分，所述锥形部分终止波导部分或连接至有源增益区，且其中，优选地，该锥形部分实质上各自具有抛物线形状。
在优选实施例中，该光耦合器各自包含两个锥形部分，该锥形部分相反取向且重叠，其中该两个锥形部分的第一个终止各自的波导部分，该两个锥形部分的第二个连接至该有源增益区。
优选地，该波导部分的每个包含额外的光耦合器，部分反射器位于该光耦合器的一个与这样的额外的光耦合器之间，其中每个额外的光耦合器优选地位于波导部分的所述每个的一端，该一端与波导部分的所述每个的另一端(最接近该光耦合器的一端)相对。
在实施例中，额外的光耦合器为光栅耦合器，该光栅耦合器配置为能够垂直测量在所述额外的光耦合器处发射的光。
优选地，光子电路为硅光子电路，且更优选地，该基板进一步包含除光子电路之外的电路。
在优选实施例中，该波导部分各自直接在该器件的介电层上延伸，其中，优选地介电层位于该基板的顶部上，且该介电层的厚度超过1微米。
优选地，该一个或多个波导的每个与接合层接触，且各波导优选地部分嵌入该接合层中，且各波导更优选地具有与接合层表面齐平的一个表面，所述接合层优选为以下的一个：聚合物；SiO2；或Al2O3或它们的任意组合。
在实施例中，增益区包含以下的一个或多个：III-V族半导体材料、II-VI族半导体材料，诸如锗的半导体、诸如硅锗的半导体合金、聚合物、包含嵌入量子点及/或量子线的材料或量子阱材料。
优选地，该增益区为III-V族半导体材料增益区，该增益区包含：
-底部接触层，该底部接触层包含第一金属接触；及
-上部分，该上部分位于底部接触层的顶部，且包含第二金属接触。
在优选实施例中，该增益区包含外延层堆叠，该外延层堆叠包括n型掺杂半导体，该n型掺杂半导体的至少部分形成该底部接触的至少部分，且其中该外延层堆叠进一步包含上堆叠，该上堆叠形成III-V族半导体材料增益区的所述上部分的至少部分，且该上堆叠自身包含：
-第一本征半导体，该第一本征半导体位于该n型掺杂半导体的顶部上；
-多量子阱区，该多量子阱区位于该第一本征半导体的顶部上；
-第二本征半导体，该第二本征半导体位于该多量子阱区的顶部上；以及
-p型掺杂半导体，该p型掺杂半导体位于该第二本征半导体的顶部上。
在特定的优选实施例中，该光子电路包含两个波导，每个波导限定该波导部分的一个；以及该光耦合器配置为使该有源增益区(一方面)与该两个波导的每个(另一方面)之间的光能够耦合，其中该两个光耦合器的每个包含两个锥形部分，该锥形部分相反取向且重叠，且其中：
-该两个锥形部分的第一个形成该波导部分的一个的一端；以及
-该两个锥形部分的第二个连接至该有源增益区，且优选地形成该有源增益区的一部分。
在变型中，该光子电路仅包含限定该两个波导部分的一个波导，该波导优选地具有变化的横截面，该变化的横截面更优选地具有中间部分，该中间部分与该波导的外部分相比具有减小的宽度，其中外部分限定所述两个波导部分。
根据另一个方面，本发明可体现为一种光学增益测量的方法，该方法包含以下步骤：
提供根据以上实施例的任一个的器件，其中所述两个波导部分包含第一波导部分及第二波导部分；
通过电泵送或光学泵送激发该增益区，以在该增益区中产生光；
经由光耦合器使得所产生的光转移至两个波导部分中的每个，在该部分反射器处部分地反射该光；以及
感测从该第一波导部分发射的光的光功率及从该第二波导部分发射的光的光功率两者，以评估该有源增益区的光学增益，其中执行感测以使得：
从该第一波导部分发射的该光包含以下两者：
经产生且直接转移至该第一波导部分的光；以及
经产生、在部分反射器处经反射且随后转移至第一波导部分的光，以及
从该第二波导部分发射的所述光包含在该部分反射器处不反射的光。
在实施例中，所提供的器件的波导部分的每个包含额外光耦合器，该部分反射器位于该光耦合器的一个与这样的额外的光耦合器之间，该额外的耦合器优选地位于波导部分的所述每个的一端，该一端与波导部分的所述每个的另一端(最接近该光耦合器额一端)相对；以及在该额外的光耦合器处感测发射的光的光功率，以评估该有源增益区的光学增益。
优选地，经由位于该额外的光耦合器的每个附近的光纤或光检测器执行感测该光功率的步骤。
现将通过非限制性示例且参照附图描述的体现本发明的器件、设备及方法。在图中未按比例描绘技术特征。
附图说明
图1至图6、图7及图8A显示在光子电路器件制造的多种阶段及根据实施例的光子电路器件的简化表示的3D图。图1至图5描绘在该制造的中间阶段的器件；
图6B及图8B分别示意性地示出图6A及图8A的器件的俯视图；
图9显示与图8B中相同的俯视图，且根据本发明方法的实施例进一步示出如何在器件中产生、转移、传播及反射光；
图10为流程图，该流程图示出根据实施例的测量器件(诸如图1至图9及图11至图15中所描绘的器件)中光学增益的方法的高级步骤；
图11为诸如图8中描绘的器件的简化表示的横截面图；
图12为图8的器件的变型的简化表示的横截面图；
图13为图8的器件的另一变型的简化表示的横截面图；
图14为诸如图8中描绘的器件的简化表示的(纵向)侧视图；以及
图15为实施例中涉及的形成III-V族半导体材料增益区(的部分)的外延层堆叠的剖视图。
具体实施方式
本文描述结构如下。首先描述一般实施例及高级变型(第一部分)。接下来的部分讨论更具体的实施例及技术实现细节(第二部分)。
1、一般实施例及高级变型
参照图1至图9及图11至图15，首先描述本发明的一方面，该方面关于用于光学增益测量的光子电路器件100。此器件具备片上增益测量结构，该结构使得易于测量有源增益区的光学增益测量成为可能。
首先，器件100包含具有光子电路的基板10。基板优选为硅晶片，但也可由砷化镓(GaAs)或磷化铟(InP)制成。基板可显著地包含：硅光子电路；无源InP光子电路；或无源GaAs光子电路。为简单起见，下文将该基板称为“晶片”。但是，如该技术中的通常做法，典型的产品可涉及单个裸芯。
光子电路包含一个或多个波导71、72。在本文描述的大多数实施例中，光子电路包含两个波导，但参照图3描述的实施例除外。就所有情况而言，如在图1至图9中显而易见，一个或多个波导71、72限定两个波导部分(至少)，这些波导部分沿相同方向对准。“波导部分”意为波导核心部分，在集成光子器件或硅光子器件中常见。周围部件、层或材料等起包层的作用。为了简洁，附图中未表示光子电路的其他部件。
器件100进一步包含有源增益区62-66，该有源增益区62-66位于晶片顶部，且耦合在器件中以用于通过电泵送或光学泵送产生光。例如，有源增益区62-66可(直接地或间接地)接合在晶片的顶部上。在变型中，晶片与有源增益区之间可有界面。使用分子接合或聚合物层或SiO2或甚至Al2O3及SiO2的双层或它们的组合可直接接合有源增益区。然而，优选地使用Al2O3及SiO2双层，因为在CMOS工艺中SiO2为标准材料且Al2O3改进接合能。注意，在该技术中一致假定，“在顶部上”意为在上方(或下方)，且不一定“直接接触”。因此，若材料A的层a在材料B的层b的“顶部上”，则层a与层b之间至少有部分的重叠。
进一步提供至少两个光耦合器75、76，如在图6至图8中较佳可见，光耦合器75、76经布置以使得至少部分的有源增益区位于光耦合器之间。耦合器各自配置为耦合有源增益区与波导部分之间的光。因此，耦合器允许增益区中产生的光转移到波导部分71、72。如后文详细解释，例如，可将光耦合器75、76提供于波导部分71、72中和/或有源增益区中。即，通过图案化以下部分可获取耦合器：(i)光子电路的波导部分；(ii)增益区(例如III-V族材料)；或(iii)波导部分及增益区两者。可将光耦合器显著地放置于与晶片邻近的层的表面或晶片自身的表面的顶部上。优选地，耦合器75、76经成形及放置以便使有源增益区能够与波导部分之间的光的绝热耦合(绝热意为无实质性损失且无实质性背反射)。
最终，器件100包含反射器90，该反射器90经布置以将沿该相同方向传播的光反射回该增益区的中心。重要地是，器件100不包含位于增益区另一侧的任何其他反射器，即，相对于可能将光反射回增益区的中心的有源增益区，不存在与部分反射器90相对的额外反射器。换言之，相对于增益区的中心，部分反射器90仅非对称布置(及配置)，例如仅位于增益区的一侧上。另外，部分反射器90事实上可为有源增益区的部分，因为部分反射器90的功能为将产生的部分光仅从一侧反射回增益区的中心。
如本领域的技术人员已知的，反射器绝不会反射100％的光(因此在下文中将“部分反射器”简称为“反射器”)。如将在下文解释，在此明确地依靠此性质测量光学增益。原理上，本发明可由仅部分反射光的任何反射器体现。优选地，反射器90将反射击中该反射器90的10％与90％之间的光。更优选的范围在40％与60％之间(例如50％的反射)，这实际上允许实现每个波导71、72中光功率的更适合的不对称，以达到测量的目的。注意，一个以上反射器90可存在于中心的一侧上。另外，在本发明中，“光”必须理解为“电磁辐射”，即，尽管本文引用了一些应用，但不一定将光限制为可见光。例如，现有技术领域中常见的“红外光”。
如图1至图4所示，反射器90最方便地布置在波导部分72中。在变型中，可将反射器90布置在增益区的端部(接近耦合器76)，以便拦截光路径且将光反射回增益区的中心。甚至，反射器90优选为该反射器在由方向(波导部分71、72沿该方向对齐)限定的光径中与增益区产生的光相互作用的仅有的反射器(还有以下将讨论的额外的耦合器81、82)。
这样的器件避免了背景技术部分中所列的现有技术的缺点；该器件较好地适合于表示片上器件(诸如激光器件或光学放大器)的增益光谱的特征。相关增益测量方法的描述将使得以下情况变得显而易见：可易于直接在晶片上测量片上光学器件的增益，而不要求制造多个器件、裂开或研磨刻面、或甚至必须将多个接触施加至增益测量结构、或必须准确地测量低于实际偏压条件(即在激光器件的阈值之上)的增益。相反，本发明方法实质上要求感测从波导部分发射的光的光功率，接下来可从感测的光功率评估增益。随后将详细地描述这些方法。
已知若干耦合光的方式。光耦合器75、76优选为纵向耦合器，即，光耦合器75、76沿波导部分71、72的延伸方向纵向延伸，参见例如图6至图8。此方向对应于耦合器及波导部分中光的主要传播方向(光可沿所述方向以两种方式传播)。优选使用纵向光耦合器75、76，因为光耦合器75、76更易使波导部分能够与增益区之间的绝热耦合。
如图2、图2、图3、图4及图6至图8可见，光耦合器75、76各自可包含例如至少一个锥形部分752、762，其中锥形部分终止波导部分71、72或连接至有源增益区。锥形部分实质上可具有抛物线形状(即，锥形部分的侧边缘为抛物线)，且更一般地，锥形部分可为非线性的。锥形部分的适当设计允许光模式的更平滑的转换，确保散射至不需要的模式最小及锥形区长度较短。对此情况的进一步研究显示抛物线形状实际上不是最佳的几何形状。另外，可认为抛物线形状为近似的最佳几何形状，且至少可认为该形状比线性锥形更为近似。
使用单一非线性锥形截面或多个锥形截面(例如线性截面，该线性截面后为例如抛物线截面的非线性截面，该非线性截面自身之后为线性截面等)可获取非线性锥形。锥形的优选设计取决于耦合效率目标、波导的几何形状和折射率以及尺寸限制。根据可用的制造技，通过多个连续线性子部分，该形状可能更实际地接近非线性锥形部分。
若干研究报告中已研究用于实现锥形之间的绝热光耦合的条件。在文献中可发现描述具有最佳设计的锥形的解析公式。然而，可由求解时域中的Maxwell方程式的时域有限差分(FDTD)仿真来获得最佳的锥形参数(适合当前上下文)。此数值法允许待计算的锥形参数的非常准确的解。
优选地，如附图中所示出的，反射器90布置在波导部分之一的锥形部分的端部处，例如在锥形部分762的端部处(在那种情况下，反射器90集成在波导部分72中)。在变型中，反射器90可位于锥形部分761的端部(在那种情况下，反射器90集成在增益区中，位于增益区的周边)。反射器距离增益区周边越近，测量的损失越少且测量越准确。然而，在制造方面，更易于将反射器制造在波导部分之一中，因为波导的制造工艺更成熟，且可解析较小的特征。例如，硅为优选。因此，在锥形部分762的端部提供反射器提供了令人满意的折衷。更一般地，反射器可位于耦合器的开端，独立于耦合器的实际的实施例，例如反射器可在有源增益区中或耦合器(例如图中的耦合器76)的端部处。
现在参照图6至图8，在实施例中，光耦合器75、76的每个可包含两个锥形部分751、752；761、762。考虑光耦合器75，其可具有两个锥形部分751、752，锥形部分751、752相反取向且至少部分重叠。锥形部分752之一终止波导部分71，而另一个锥形部分751为有源增益区62-66的部分(或至少连接至有源增益区62-66)，以便将增益区光学有效地耦合至波导部分。
如图1至图8可见，器件100可包含直接整合在器件100中的额外的光耦合器81、82，以能够增益测量。即，额外的光耦合器81、82可被包含在波导部分71、72的每个中，以使得反射器定位于光耦合器之一76及这些额外耦合器82之一之间。每个额外的光耦合器81、82优选地位于波导部分的端部，即与最接近光耦合器75、76的那个端部相对。例如，额外的光耦合器81、82可为光栅耦合器，进而使得有可能垂直感测光(即感测在垂直于包含波导部分的表面的额外光耦合器处发射的光)。在变型中，额外的光耦合器可配置为所发射的光的横向测量。在其他变型中，额外的光耦合器可为感测器件的部分(外部耦合器，非器件100的部分)。读者可参考由StijnScheerlinck等人所写的论文“Flexible metal grating basedoptical fiber probe for photonic integrated circuits”，Appl.Phys.Lett.92，031104(2008)，其中，在探针与波导之间耦合光，而无需集成的耦合结构。
如前文所述，光子电路优选为硅光子电路。如在图2、图3中所示出的，晶片可进一步包含除光子电路之外的电路40。例如，所述电路40可为互补性金属氧化物半导体(CMOS)前端。更一般地，晶片可进一步包含电子器件。
如图1更较佳可见，波导部分71、72的每个可直接在介电层20上延伸。可在晶片的顶端上提供介电层。可将该介电层20称为埋入氧化物，例如SiO2。介电层20优选具有超过1微米的厚度。实际最小的厚度取决于所产生的光的波长：优选使用的光波长为，例如1.3微米至1.55微米。介电层为波导部分提供下包层，同时为该晶片提供热及机械界面。介电层20因此可有利地用于调谐器件的机械及热性质。
现在参照图4、图6至图8，波导70-72可与接合层50接触，接合层50典型地为聚合物、SiO2或Al2O3(或以上的任一组合)。另外，Al2O3及SiO2的双层可用作界面。如图11中所示出的，波导70、71、72可部分地浸入接合层50中，这使得通过调适接合层50的厚度调谐耦合器75、76的性质成为可能。但是，如图12所示出的，波导可具有与接合层50的表面齐平的一个表面，这减少了由接合层50的厚度变化所诱发的耦合器75、76的耦合性质的变化。如果接合层50与光子电路表面齐平，则光子电路非常准确地决定接合层50的高度或厚度。在其他变型中，如图13中所示出的，器件可经设计以使得空气部分地(横向)环绕波导70、71、72。这使得在晶片上能够更易接合增益材料，因为可通过空隙将光排出，减少接合增益材料的气泡及分层的风险。
可将增益材料接合于接合层50的顶部。在变型中，使用分子接合可将有源增益区(直接地或间接地)布置于波导部分的顶部上。
现在参照图6至图8及图11至图15，增益区62-66应优选地包含III-V族半导体材料。在变型中，增益区62-66可包含II-VI族半导体材料、锗、诸如硅锗的半导体合金或聚合物。必要时，所使用的半导体可经掺杂，且优选地结合应力，例如以直接产生能带隙而非间接产生能带隙(例如在使用锗时)。可进一步设想这样的材料的组合。可进一步包含材料，该材料包含嵌入量子点或量子阱材料。例如，增益区62-66可包含III-V族半导体材料，且可显著地包括底部接触层64(具有第一金属接触65)及位于底部接触层64的顶部上的上部分62(具有第二金属接触66)。在下文中这样做的原因将变得显而易见。
●如图15中所示出的，增益区62-66可包含外延层堆叠67。外延层堆叠67可包括n型掺杂半导体642，该n型掺杂半导体642的部分可形成(至少部分的)底部接触64。即，层64实质上可由层642形成(层642有剩余部分)，尤其在通过图案化外延层堆叠67(例如通过光刻及蚀刻)形成层642时。外延层堆叠67进一步包含上堆叠，该上堆叠形成III-V族半导体材料增益区的(至少部分的)上部分62。在图15中，上堆叠包含：
-第一本征半导体622，该第一本征半导体622布置在n型掺杂半导体642的顶部上；
-多量子阱区624，该多量子阱区624位于所述第一本征半导体的顶部上；
-第二本征半导体626，该第二本征半导体626位于该多量子阱区的顶部上；以及
-p型掺杂半导体628，该p型掺杂半导体628位于该第二本质半导体的顶部上。
通过分子束外延(MBE)或通过金属有机化学气相沉积(MOCVD)，前述的层堆叠易于生长。特别是，增益堆叠具有以下优势：n型掺杂区接近波导。这是特别有吸引力的，因为p型掺杂区典型地比分别存在于接触层628及642中的相同掺杂水平或浓度的掺杂剂具有高出十倍的光损耗。
在变型中，增益堆叠还可包括能够终止在两侧上均具有n型接触的器件的隧道结，以使得仅需要应用一种类型的接触金属，例如金、钨、钛等，应注意，正常的p型掺杂及n型掺杂区域使用不同类型的金属，以匹配费米能级(Fermi-levels)且减少接触电阻。
实现方式的优选的示例如下(图6至图9及图14中所示出)。首先，光子电路包含两个独立的波导71、72(该波导各自限定较早论述的波导部分)。其次，参见图9，光耦合器75、76耦合有源增益区与两个波导的每个之间的光。为了那个目标，如前面所讨论的，每个光耦合器75、76包含相反取向且重叠的两个锥形部分。即，锥形部分752、762之一形成波导部分的端部，而其他锥形部分751、761连接至有源增益区62-66(该锥形部分优选地形成有源增益区的部分)。锥形部分751、761朝向有源增益区的中心加宽，而锥形部分752、762(波导的锥形)朝向有源增益区的中心变窄。
如较早地论述，这样的配置已显示出改进耦合的绝热性。当由相同本征模式(即耦合波导系统的超级模式，例如基本偶数超级模式、基本奇数超级模式)限定光学分配时，在散射至其他超级模式或辐射模式最小的情况下实现遍及锥形的绝热性。但是，损失不完全为零。如该技术中已知的，绝热性为相对术语；当损耗低于预定水平时(例如小于15％，但典型地小于10％)，将耦合器视为绝热的。
图6至图9的实施例(总共)涉及四个锥形部分。在变型中，仅可提供(总共)两个锥形部分，例如每个锥形部分形成该有源增益区的部分。在其他变型中，仅提供两个锥形部分，将每个锥形部分提供于波导部分的各自一个中。
波导部分不一定由各自的、明确限定的波导限定。例如，在图3中，仅提供一个波导70，该波导70限定所述两个波导部分71、72(注意图3及更一般地，图1至图5描绘制造的中间阶段处的器件)。波导70可具有变化的横截面(未示出)。例如，变化的横截面可具有中间部分，该中间部分与外部分71、72相比具有减小的宽度，该中间部分限定两个波导部分71、72。
现在讨论光学增益测量的方法，该方法使用如上所述的器件。更特别地参照图9、图10，这样的方法基本包含以下步骤：
-首先，提供诸如本文讨论的器件100(S10)；
-其次，激发增益区62-66(S20)，以便在增益区62-66中产生光(S30)。根据如上所述的器件的说明，通过电泵送或光学泵送可激发增益区。
●例如，通过使用电探针、有线接合、倒装芯片接合或焊接等可电激发(电泵送)增益区。
●可通过光脉冲或通过使用连续波光光学激发(光学泵送)增益区。
●如图9中示意性示出，电子空穴对(例如在外延层堆叠67中创建的电子空穴对，特别是在图15的量子阱624中创建的电子空穴对)可在增益区中再结合以创建光子；
-再次，经由光耦合器75、76将所产生的光转移至波导部分71、72的每个(S40)；在反射器90处(至少部分地)反射该光(S45)，导致第一波导部分71与第二波导部分72中光功率之间的不对称；以及
-最后，感测从波导部分的每个发射的光的光功率(S60)，以评估有源增益区62-66的光学增益(S70)。
●即，感测从第一波导部分71发射的光的光功率及从第二波导部分72发射的光的光功率两者。
●以以下方式感测光功率：
◆从第一波导部分发射的光包含直接及间接转移至该第一波导的光，即：
-产生(S30)且随后直接转移(S40)至第一波导部分71的光；以及
-经产生(S30)且随后在反射器90处反射(S45)且随后转移(S40)至第一波导部分的光，然而
◆从第二波导部分72发射的光的光功率在反射器“之后”感测出，即，从第二波导部分72发射的光包含未在反射器90处反射的光，即，通过反射器的光的部分。换言之，在第二部分72处感测的光的光功率仅包括未在反射器90处反射的光(经受可忽略的损耗及来自第二部分72的环境的光污染影响)。
在那个方面，应理解可能发生剩余损耗，尤其当光转移至波导部分且在波导部分中传播、光在反射器处反射和/或光从额外的耦合器发射时。
因为不对称的反射器90，如多种宽度的曲线箭头所表示，图9的左手侧波导部分71中的光强度大于右手侧部分72中的光强度。待测量的增益基本上反射这些强度中的不对称。增益并非直接测量得出，而是计算得出。典型地，感测出光功率，以便测量强度(且随后测量发射率)，以最终获得光学增益。接下来的部分中将给出更明确的细节。
在优选实施例中，波导部分71、72的每个包含额外的光耦合器81、82(例如位于波导部分的对立端)。额外的光耦合器81、82处可因此感测(S60)发射的光的光功率(且显著地在反射器90之后，该反射器90涉及第二部分72)。步骤S60可显著地经由光纤201、202或放在额外的光耦合器81、82的附近的光检测器执行。器件100可包含(或不包含)这样的感测装置(means)，即光纤201、202或光检测器。
已参照附图简洁地描述以上实施例，且实施例可适应许多变型。可设想以上特征的若干组合。以下章节中将给出示例。
2、具体实施例/技术实现细节
现在描述更多具体实施例及实施例的变型。这样的实施例以器件为中心，该器件类似于用于测量芯片上的片上光学增益的测试结构，且该器件的关键优点在于可测量增益：
-通过使用电泵送；
-通过一次仅建立两个接触；
-通过使用垂直的光纤探测(因此能够进行晶片级测试)；
-无刻面研磨；
-无制造及测量许多测试结构(一个器件足够)；
-无需应用多个(＞2)接触；以及
-不要求高的光谱解析度。
本文公开了集成方案，其中由锗、GaAs、InP、InGaAs、InAlAs、InGaAsP、NAsP、GaSb、它们的合金的任意或任何其他适当的化合物半导体制成的基于光学活性的增益区短暂地耦合至波导，或与波导(优选由硅制成)形成混合模式。这通过将有源光学层(即增益区)直接接合在硅波导或接合层50的顶部上来实现，该接合层50可使用低指数材料，优选为二氧化硅、氮化硅、氧化铝或它们的组合制成。层50可进一步由粘合材料(诸如聚合物)制成，或由任何其他适当的固态材料或该材料的组合制成。
优选的集成方案是基于分子接合。基于III-V族材料生长于适当的基板(III-V族半导体、硅、锗等)上，且可选地通过分子束外延、分子气相外延、金属有机化学气相沉积、原子层外延、原子层沉积、溅射或任何其他适当的薄膜沉积技术在该材料上覆盖介电质。然后，将此层接合在电子晶片(包含前端电子器及光学器件)的顶部上。接合用作增益材料的完全III-V族层堆叠，或接合用于连续再生长的晶种层，或接合包含具有适当蚀刻终止的增益材料及晶种层两者的III-V族层堆叠。
优选地在存在于CMOS晶片10上的介电层20的顶部上执行接合。在当前最新技术的CMOS工艺中，此层为已通过化学机械研磨(CMP)研磨的硅氧化物层，以提供显示低表面粗糙度的平面。
因为使用基于晶片或晶片级接合的III-V族的层，提供集成方案自身用于大规模制造及与当前的后端制造方案进行容易的集成。
在这些后端制造方案期间，将电连接III-V层内的增益测试结构。以这种方式，可制造用于晶片级测试的增益测试结构。
此外，此测试结构可由电子器件驱动，且可耦合至存在于一个共有层(即顶部硅层)中的光学器件。通过光栅耦合器81、82将光信号向外耦合，这能够进行垂直探测且因此能够进行晶片级测试。
这样的器件的示例在图8中示出。
现在描述器件及制造方法的变型。
如图1所示(表示本发明的实施例的制造的早期、中间阶段)，该结构可经设计以使得活性材料(例如基于III-V族的材料)62-66接合至包含硅光子电路的晶片10的顶部上。硅光子电路包含位于波导部分71、72的任一端上的光栅耦合器81、82，具有反射率R的反射器90及锥形部分751、761。此外，硅光子电路存在于氧化层20(埋入氧化物)上，氧化层20又位于硅晶片10上，因此形成绝缘体上硅(SOI)结构。
如之前章节指出的，本发明的实施例涉及包含如前所述的硅光子电路的基板，及另外涉及CMOS或如图2所示的双极(Bi)CMOS前端制程(FEOL)20。此图显示包含电子器件40、无源光子器件、晶片10及埋入氧化物层20的优选实施例的堆叠；该图显示主基板，该主基板包含电子器件40及光学器件，包括额外的耦合装置(means)81、82(例如光栅耦合器)、锥形波导部分71、72及反射器90。晶体管以及光子器件经完全处理，即包含硅化、植入及退火步骤。
在图3的变型中，基板基本上与图2中的实施例一致，不同之处在于光栅耦合器81、82之间的波导70未经结构化，而不是两个绝热耦合区752、762未经结构化。
在硅光子器件70-72的制造及前端制程40之后，器件经进一步处理。接下来的制造步骤为沉积适合用于接合的层50。如图4所示，该层可为聚合物(用于粘接)或，在优选实施例中该层可为二氧化硅层。另外，层50可包含氧化铝、二氧化铪、五氧化钽、钛酸钡或钛酸锶或甚至氮化硅或氧氮化硅。此层还可以起额外(下)覆盖层的作用。
在优选实施例中，此层50类似于电子FEOL与后端制程(BEOL)之间的第一夹层(所谓的ILD1)。此外，二氧化硅层50优选具有10nm与2000nm之间的厚度及小于0.5nm的rms表面粗糙度。该表面粗糙度可通过专有沉积工艺实现。
优选地，二氧化硅层50通过等离子增强化学气相沉积(PECVD)沉积，且经受连续的化学机械研磨(CMP)。
已沉积及平坦化氧化物后，在晶片顶部上接合III-V族层60，其中层60经受进一步处理。III-V族晶片60包含活性III-V族量子阱(或QW)层或晶种层或以上两者。在接合III-V族层之后，通过研磨、湿式化学蚀刻或智能切割移除III-V族基板。在优选实施例中，通过含有HCI及水的湿式化学蚀刻剂移除III-V族材料。图5显示顶部上接合III-V族层60的制造的当前阶段。如之前章节所描述，III-V族层可为全层堆叠，该全层堆叠包含QW 624(图15)及用作激光材料的电接触。在变型中，III-V族层为晶片顶部上III-V族材料的连续生长的晶种层。值得注意的是，温度预算(450℃至650℃)足够执行含有电子器件的晶片的再生长。
此外，可在ILD1介电质的顶部上执行接合，ILD1介电质包括钨接触(未示出)。当钨接触比整体晶片区域小时，预期粘附力不会降低。作为材料钨优选用于接触，因为钨能够用作电子束(e-beam)工艺的对准标记，原因为钨具有大离子质量且因此使用电子束成像系统具有良好的对比度。
在真空或适当的气体环境下的熔炉中，在高温下执行III-V族层的接合，以建立分子接合。优选地，温度在200℃与600℃之间。然而，一般应在350℃与450℃之间的温度下获得较好的结果。适当的压力典型地在80kPa下。
注意，优选地，使得用于发射的外延层堆叠67(图15)适合电泵送，以实现所要的光学发射。在变型中，通过将高强度光脉冲施加至有源增益区620(通过自由空间传播)可使得外延层堆叠67适合光学泵送。外延层堆叠67(或堆叠67的简单的变型)可用于图6至图9所示的器件中。在那方面，图8至图9示意性地描绘主要经设计用于电泵送的器件，然而图7所示的器件用于光学泵送。另外，图15的堆叠可用于电泵送或光学泵送，但是光学泵送并不严格要求掺杂的区域628及642(仅电泵送要求)。因此，应理解图8、图9的器件也可用于光学泵送，但并非最佳的(图8及图9具有屏蔽来自顶部的泵送光的金属接触)。最终，可将图7的器件视为针对图8、图9的电子器件(电泵送)的中间步骤，或视为用于光学泵送的最终结构。
在制造的下一个步骤中，III-V族层60(包含来自接合或接合及随后的再生长的全外延层堆叠67)被结构化。通过湿式化学处理或干式化学处理，III-V族层60可经显著地结构化。在优选实施例中，使用感应耦合等离子(ICP)反应性离子刻蚀(RIE)系统可制造III-V族。III-V族增益区的制造遵守寻找光传播的对准；相对于硅波导或绝热锥形区对准增益区。这可经由对准标记完成。在FEOL的结构化期间，对准标记可例如由顶部硅层中的硅制成。在变型中，对准标记由钨制成，且在晶体管通道处理期间制造对准标记。
在实施例中，可制造结构100，以便适合于光学泵送。该器件的示例在图6A至图6B中示出。III-V族增益区在层50上延伸，波导部分浸入在层50中；III-V族增益区另外具有在该增益区任一端上的绝热耦合区75、76。因而，该增益区适合于光学泵送。该增益区可经设计诸如以具有低反射率及对波导部分71、72(优选为硅波导)的耦合的损耗。显然，图6A至图6B中示出的器件不一定为“最终”器件，因为可能需要在相同晶片裸芯上提供额外的部件(例如介电层及接触)。
在图7至图9的实施例中，相对于硅波导71、72或绝热耦合区75、76(如前所述)，III-V族区62-66经结构化，且此外，表现出底部接触层64。底部接触层64优选由n型重掺杂磷化铟(InP)制成，因为此材料表现出比p型掺杂InP低一个数量级的光损耗(例如低10倍)。然而，底部接触层64可包含砷化镓铟(InGaAs)或砷化铝铟(InAlAs)。
如前文所描述，可将图7视为适用于电泵送的器件制造的中间步骤，其中III-V增益层经结构化。在描绘的图中，III-V族增益区62-64具有位于任一端上的绝热耦合区75、76。这样的结构形成将适合于电泵送的器件的基础；底部接触区64随后将经受金属化。另外，所描绘的增益区的设计具有低反射率及对硅波导71、72的耦合的损耗。
如图8中所示，完成III-V增益层的结构化之后，将应用金属接触。接触65、66的目的为能够进行增益区的电泵送。电接触65、66可由钨、钛、氮化钛、硅化钴、硅化镍、多晶硅、金、钛、镍、铂、铝、铜或它们的组合制成。据前面给出的原因，接触优选由钨制成。
现在讨论额外的变型。
还可以设想将锗而非III-V族材料接合于电子前端40的顶部上，因为锗也表现出光学增益(或在中红外中为透明的)。以如上所述的类似的制造方法可以将绝缘体上锗(GOI)或硅晶片上锗(经由SiGe缓冲器)接合于ILD1的顶部上。另外，类似于图2中的基板移除，通过化学机械研磨、磨削、干式蚀刻、湿式化学方法或智能切割可移除该晶片。通过干式化学方法或湿式化学方法可移除二氧化硅层(基本上为晶片的埋入氧化物(BOX))。可替代地，还可将二氧化硅层保留于锗上用作介电或硬掩膜以用于进一步金属化步骤。
与所描绘的图相反，光栅耦合器还可经布置位于波导的一侧上，以使得光耦合器可在一列中，且具有某一间距(例如250微米)。以这个方式，商用光纤阵列而非单光纤可用于测量。另外，不要求双光纤对准而是仅需要单光纤，这显著地加速了测量过程。最后，共要求两个电接触(可使用单一电探针建立该电接触，见图9的步骤S20)及一个光纤阵列需要用于测量例如晶片100上的激光结构的增益。
通过单一器件上的单一测量，使用给定长度L及反射器的反射率R，由Ma等人在2013年Optics Express第21卷第8号第10335-10341页发表的论文中所给定的方程式可易于计算本发明中依赖波长的增益。
其中，P1及P2为分别在额外的耦合器81及82处所测量的光功率水平，及λ为实际波长。
如上所述的方法及器件可用于光子芯片的制造中。制造者可以原始晶片形式(即作为具有多个未封装的芯片的单一晶片)、作为裸芯或以封装形式分布所得的光子芯片。在以封装形式分散的情况下，芯片安装于单芯片封装(诸如塑胶载体，具有粘附于主板或其他更高级载体的引线)中或多芯片封装中(诸如具有表面互连或埋入互连或以上两者的陶瓷载体)。在任一情况下，随后可将芯片与其他芯片、离散电路元件和/或其他信号处理器件集成，作为(a)中间产品(诸如主板)或(b)终端产品的一部分。终端产品可为包括光子芯片的任何产品，例如收发机、集成激光器、光学放大器、发射器、接收器、有源光缆等。
尽管已参照有限数目的实施例、变型及附图描述本发明，但本领域的技术人员应理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下可做出多种改变，且可取代等效物。特别是，在不脱离本发明的范围的情况下，在给定实施例、变型中所叙述的或图中所显示的特征(类似器件或类似方法)可与另一个实施例、变型或图中的另一个特征组合，或可替换另一个实施例、变型或图中的另一个特征。因此可设想，所描述的关于以上实施例或变型的任何的特征的不同组合在所附权利要求的范围内。此外，在不脱离本发明的范围的情况下，可做出许多小修改以根据本发明的教导适应特定情况或材料。因此，本发明不限于所公开的特定实施例，而是本发明将包括所附权利要求的范围内的所有实施例。此外，可设想除以上明确提及的内容以外的许多其他变型。例如，可设想除明确提及的材料之外的其他材料(Si、SiO2、Al2O3、聚合物等)。另外，有源增益区、波导形状、锥形形状等可设想其他设计。
附图标记
10 晶片
20 介电层(埋入氧化物)
40 电子电路(CMOS前端)
50 接合层
62-66 有源增益区
62 增益区的上部分
64 底部接触层
65 第一金属接触
66 第二金属接触
67 外延层堆叠
70 单个波导
70、71、72 光子电路(的部分)
71、72 波导(波导部分)
75、76 光耦合器(相对的锥形体)
81、82 额外的(光栅)光耦合器
90 反射器
100 片上光学增益测量使能器件
201、202 感测装置(光纤或光探测器)
622 第一本征半导体
624 多量子阱区
626 第二本征半导体
628p型掺杂半导体
640n型掺杂半导体
642 第一本征半导体
642n型掺杂半导体
644 多量子阱区
646 第二本征半导体
648p型掺杂半导体
650 外延层堆叠
751、752 第一光耦合器75的锥形部分
761、762 第二光耦合器76的锥形部分

Claims (29)

1.一种用于光学增益测量的光子电路器件(100)，该光子电路器件(100)包含：
-基板(10)，该基板(10)具有光子电路，该光子电路包含一个或多个波导，该波导限定沿相同方向对准的两个波导部分；
-有源增益区(62-66)，该有源增益区(62-66)位于该基板的顶部上且耦合在该器件中以通过电泵送或光学泵送产生光；
-至少两个光耦合器(75、76)，该光耦合器(75、76)布置为该有源增益区的至少一部分位于该光耦合器之间，且该光耦合器(75、76)配置为耦合该有源增益区与所述波导部分之间的光，使得在该有源增益区中产生的光通过该光耦合器而转移到该波导部分；以及
-至少一个部分反射器(90)，该至少一个部分反射器(90)经布置在该波导部分中以便将沿所述相同方向传播的光反射回该增益区的中心，
且其中，该器件不包含相对于该有源增益区与所述至少一个部分反射器相对且配置为将光反射回该增益区的该中心的任何其他反射器。
2.如权利要求1所述的器件，其中该光耦合器(75、76)沿所述相同方向纵向延伸。
3.如权利要求1或2所述的器件，其中该光耦合器(75、76)各自包含至少一个锥形部分(752；762)，所述锥形部分终止波导部分或连接至该有源增益区。
4.如权利要求3所述的器件，其中该锥形部分实质上各自具有抛物线形状。
5.如权利要求3所述的器件，其中该光耦合器(75、76)各自包含两个锥形部分(751、752；761、762)，该锥形部分(751、752；761、762)相反取向且重叠，其中该两个锥形部分的第一个终止各自的波导部分，且该两个锥形部分的第二个连接至该有源增益区。
6.如权利要求1或2所述的器件，其中该波导部分的每个包含额外的光耦合器(81、82)，该部分反射器(90)位于该光耦合器的一个(76)与这样的额外的光耦合器(82)之间。
7.如权利要求6所述的器件，其中每个额外的光耦合器位于该波导部分的所述每个的一端，其与最接近该光耦合器(75、76)的该波导部分的所述每个的另一端相对。
8.如权利要求6所述的器件，其中该额外的光耦合器(81、82)为光栅耦合器，该光栅耦合器配置为能够垂直测量在所述额外的光耦合器处发射的光。
9.如权利要求1或2所述的器件，其中该光子电路为硅光子电路。
10.如权利要求9所述的器件，其中除该光子电路之外，该基板进一步包含一电路(40)。
11.如权利要求1或2所述的器件，其中该波导部分各自直接在该器件的介电层(20)上延伸。
12.如权利要求11所述的器件，其中该介电层位于该基板的顶部，且具有超过1微米的厚度。
13.如权利要求11所述的器件，其中该一个或多个波导的每个与接合层(50)接触。
14.如权利要求13所述的器件，其中所述接合层为以下的一个：聚合物；SiO2；或Al2O3或它们的任意组合。
15.如权利要求13所述的器件，其中该一个或多个波导的每个部分地嵌入该接合层中。
16.如权利要求13所述的器件，其中该一个或多个波导的每个具有与该接合层(50)的表面齐平的一个表面。
17.如权利要求1或2所述的器件，其中该增益区(62-66)包含以下的一个或多个：III-V族半导体材料、II-VI族半导体材料、半导体、半导体合金、聚合物、包含嵌入量子点和/或量子线的材料或量子阱材料。
18.如权利要求17所述的器件，其中该增益区(62-66)为III-V族半导体材料增益区，该增益区(62-66)包含：
-底部接触层(64)，该底部接触层(64)包含第一金属接触(65)；以及
-上部分(62)，该上部分(62)位于该底部接触层(64)的顶部，且包含第二金属接触(66)。
19.如权利要求17所述的器件，其中该半导体为锗。
20.如权利要求17所述的器件，其中该半导体合金为硅锗。
21.如权利要求18所述的器件，其中该增益区(62-66)包含外延层堆叠(67)，该外延层堆叠(67)包括n型掺杂半导体(642)，该n型掺杂半导体(642)的至少部分形成该底部接触层(64)的至少部分，且其中该外延层堆叠(67)进一步包含上堆叠体，该上堆叠体形成该III-V族半导体材料增益区的所述上部分(62)的至少部分，且其中该上堆叠体自身包含：
-第一本征半导体(622)，该第一本征半导体(622)位于该n型掺杂半导体(642)的顶部上；
-多量子阱区(624)，该多量子阱区(624)位于所述第一本征半导体的顶部上；
-第二本征半导体(626)，该第二本征半导体(626)位于该多量子阱区的顶部上；以及
-p型掺杂半导体(628)，该p型掺杂半导体(628)位于该第二本征半导体的顶部上。
22.如权利要求1或2所述的器件，其中：
-该光子电路包含两个波导，每个波导限定所述波导部分的一个；以及
-该光耦合器配置为使该有源增益区与该两个波导的每个之间的光能够耦合，其中该两个光耦合器(75、76)的每个包含相反取向且重叠的两个锥形部分(751、752；761、762)，且其中：
-该两个锥形部分的第一个(752、762)形成该波导部分的一个的一端；以及
-该两个锥形部分的第二个(751、761)连接至该有源增益区(62-66)。
23.如权利要求22所述的器件，其中该两个锥形部分的第二个(751、761)形成该有源增益区(62-66)的部分。
24.如权利要求1或2所述的器件，其中该光子电路仅包含一个波导(70)，该波导(70)限定该两个波导部分。
25.如权利要求24所述的器件，其中所述波导具有变化的横截面。
26.如权利要求25所述的器件，其中该变化的横截面具有中间部分，该中间部分相比于所述波导的外部分具有减小的宽度，该外部分限定所述两个波导部分。
27.一种光学增益测量的方法，该方法包含以下步骤：
提供(S10)根据权利要求1至26中任一项所述的器件(100)，其中所述两个波导部分包含第一波导部分及第二波导部分；
通过电泵送或光泵送激发(S20)该增益区(62-66)以在该增益区中产生(S30)光；
经由该光耦合器(75、76)使所产生的光转移(S40)至该两个波导部分(71、72)的每个，该光在该部分反射器(90)处部分地被反射(S45)；以及
感测(S60)从该第一波导部分发射的光的光功率及从该第二波导部分发射的光的光功率两者，以评估(S70)该有源增益区(62-66)的该光学增益，其中执行感测(S60)以使得：
从该第一波导部分发射的所述光包含以下两者：
产生(S30)且直接转移(S40)至第一波导部分的光；以及
产生(S30)、且随后在该部分反射器(90)处反射(S45)、且随后转移(S40)至该第一波导部分的光，以及
从该第二波导部分发射的所述光包含不在该部分反射器(90)处反射(S45)的光。
28.如权利要求27所述的光学增益测量的方法，其中：
-所提供的该器件(100)的该波导部分的每个包含额外的光耦合器(81、82)，该部分反射器(90)位于该光耦合器的一个(76)与该额外的光耦合器(82)之间；以及
-在该额外的光耦合器的每个处感测(S60)发射的光的该光功率，以评估(S70)该有源增益区(62-66)的该光学增益，
且其中，经由光纤(201、202)或位于该额外的光耦合器(81、82)的每个附近的光检测器执行感测(S60)该光功率的步骤。
29.如权利要求28所述的方法，其中每个额外的光耦合器(81、82)位于该波导部分的所述每个的一端，其与最接近该光耦合器的该波导部分的所述每个的另一端相对。
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