CN105829929A - 单块物理可移位光波导 - Google Patents

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Abstract

在光子集成电路(PIC)芯片内侧向延伸的光波导的一部分至少部分地摆脱基板而允许释放的波导端相对于基板以及相对于也制作在基板中的相邻的光子器件的物理移位。释放的波导端可以移位以调制光子器件与波导所传播的光模态之间的相互作用。在光子器件是光耦合器的实施例中，采用例如中阶梯光栅或阵列化波导光栅(AWG)，通过耦合器的模态传播可以经由释放的波导端的物理移位来调制。在一个这样的实施例中，通过以抵消光耦合器的温度相关性的方式使释放的波导端相对于耦合器移位，来降低集成光波分复用器(WDM)的热敏感度。

Description

单块物理可移位光波导
背景技术
光子集成电路(PIC)包括单块集成光子器件或元件并且在诸如光通信和/或高性能计算的应用中可用作光数据链路。同样对于移动计算平台，PIC提供了用于快速更新或者使移动设备与主机设备和/或云服务同步的有前途的I/O。这种光链路使用光学I/O接口，其包括光发射器和/或光接收器，光发射器和/或光接收器包括一个或多个传播光通过一个或多个被动或主动光子器件的光波导。
由于它们紧凑的尺寸、较低的成本和提高的功能和/或性能，PIC具有优于置有离散光学组件的光学系统的优点。然而，许多集成光子器件是温度敏感的，并且较高实现单块集成的材料经常遭遇更大的温度敏感性。例如，硅光子(SiPh)技术在制造性和扩展性方面具有明显的优点，但是面临高的温度敏感性的挑战(例如，相比于硅土，硅具有温度敏感性大了约10倍的折射率(RI))。
光复用器(mux)和解复用器(de-mux)是用于光通信和互连的波分复用(WDM)网络中的重要组件。为了顺着单根光纤向下发送多个波长(通道)，则波长必须通过位于纤维一端的mux进行复用(组合)且通过接收纤维端的de-mux进行解复用(分离)。光学mux和de-mux元件，诸如中阶梯光栅或阵列波导(AWG)，可以与其它光学组件如激光器和检测器良好地集成而形成高度集成的单块PIC。然而，这两个WDM元件是温度敏感光子器件的良好示例。
设计成减小PIC温度敏感度的许多技术，诸如提供热源来稳定温度的主动温度稳定，不利地耗费了额外的电力且增加系统复杂度。因此，替选方案可能是有利的。
附图说明
本文所描述的材料仅通过示例的方式而不是通过限制的方式图示在附图中。为说明的简化和清晰起见，图中所示的要素不一定是按比例绘制。例如，为清晰起见，一些要素的尺寸可相对于其它要素扩大。此外，在认为适当的情况下，附图标记在图中重复以指示对应或类似的要素。在图中：
图1A是根据实施例的将邻近光子器件的物理可移位光波导集成到单个基板上的PIC的平面图；
图1B是根据实施例的沿着图1A所示的b-b’线的图1A所描绘的PIC的横断面视图；
图1C是根据实施例的沿着图1A所示的c-c’线的图1A所描绘的PIC的横断面视图；
图2是示出根据实施例的自由空间间隙尺寸对光模式传输的影响的图；
图3A,3B是示出根据实施例的用于可移位光波导的释放的端的背反射减少的平面图；
图4A是根据实施例的具有单个可移位端口的中阶梯光栅mux/de-mux的平面图；
图4B是根据实施例的具有多个可移位端口的中阶梯光栅mux/de-mux的平面图；
图5是根据实施例的具有单个可移位端口的AWGmux/de-mux的平面图；
图6A是根据实施例的具有被动可移位端口的中阶梯光栅mux/de-mux的平面图；
图6B和6C是根据实施例的沿着图6A所示的c-c’线的图6A所示的被动可移位波导的横断面视图；
图7A是根据实施例的具有主动可移位端口的中阶梯光栅mux/de-mux的平面图；
图7B是根据实施例的基于MEMS的光波导致动系统的功能框图；
图8A是示出根据实施例的操作PIC的方法的流程图，PIC包括单块物理可移位光波导和邻近的光子器件；
图8B是根据实施例的制作PIC的方法的流程图，PIC包括单块物理可移位光波导和邻近的光子器件；
图9示出了根据实施例的移动计算平台和采用了包括PIC的光接收机模块的数据服务器机器，其中PIC具有非热WDM接收机；以及
图10是根据实施例的电子计算设备的功能框图。
具体实施方式
参考附图来描述实施例。虽然详细描绘和论述了具体的配置和布置，但是应当理解这仅为了示例的目的而进行。相关领域的技术人员将认识到其它配置和布置是可能的，而不偏离说明书的精神和范围。相关领域技术人员易于理解的是，除了在本文详述的之外，本文所描述的技术和/或布置可用于各种其它系统和应用中。
下面的具体实施方式参考附图，附图构成具体实施方式的部分且图示说明了示范性的实施例。此外，应当理解的是，可使用其它实施例，并且可以进行结构和/或逻辑变化，而不偏离权利要求主题的范围。还应当注意，例如上、下、顶、底等的方向和指代可仅用来方便附图中的特征的描述，不意图限制权利要求主题的应用。因此，下面的具体实施方式不应在限制的含义上被考虑，权利要求主题的范围仅由随附权利要求及其等同内容来限定。
在下面的说明中，阐述了数个细节，然而，本领域技术人员显而易见的是，实施例可以在没有这些具体细节的情况来实施。在一些实例中，以框图形式来显示公知的方法和设备，并没有详细示出，以免使得示例性实施例的发明的方面不清晰。在整篇说明书中提到“实施例”或“一个实施例”意指结合实施例所描述的特定的特征、结构、功能或特性包含在至少一个实施例中。因此，在本说明书各处出现短语“在实施例中”或“在一个实施例中”不一定是指相同的实施例。此外，特定的特征、结构、功能或特性可以用任何适合的方式组合在一个或多个实施例中。例如，在与第一实施例和第二实施例相关联的特定特征、结构、功能或特性不相互排斥的任何情况下，第一实施例可以与第二实施例组合。
如在示例性实施例和随附的权利要求的说明中所使用的，除非上下文明确表明其他，否则单数形式“一(a)”、“一个(an)”和“该(the)”意在同样包含复数形式。还将理解的是，本文所使用的术语“和/或”是指并且涵盖一个或多个相关联的罗列项的任何以及所有可能的组合。如在该说明书中和权利要求中通篇使用的，通过术语“至少一个”或“一个或多个”接合的项的列表可以表示所列项的任意组合。例如，短语“A，B或C中的至少一个”可以是指A；B；C；A和B；A和C；B和C；或者A，B和C。
术语“耦合”和“连接”及其衍生词，可以在本文中用来描述组件之间的功能或结构关系。应当理解的是，这些术语不打算作为彼此的同义词。相反，在特定实施例中，“连接”可用来表示两个以上的要素彼此直接物理、光或电接触。“耦合”可用于指示两个以上要素彼此直接或间接(在它们之间有其它中间要素)物理、光或电接触，和/或两个以上要素彼此协作或交互(例如，如因果关系中)。
本文所使用的术语“上方”、“下方”、“之间”和“在…上”是指一个组件或材料层相对于其他组件或层的相对位置，其中这样的物理关系是值得注意的。例如，在材料层的上下文中，布置在另一层上方或下方的一层可以直接接触另一层或者可以具有一个或多个中间层。而且，布置在两层之间的一层可以直接接触两层或者可以具有一个或多个中间层。相反，第一层在第二层“上”是与该第二层直接接触。在组件组装件的上下文下应做类似的区分。
如下文更详细描述的，在实施例中，光波导的在光子集成电路(PIC)芯片内的基板上侧向地延伸的至少一部分至少部分摆脱基板，以允许释放的波导端相对于基板以及相对于也制作在该基板上的相邻光子器件有物理移位。释放的波导端可以物理地移位，例如，作为内膜应力的函数，和/或作为通过机电驱动器的主动致动的结果，以调制光子器件与波导所传播的光模态之间的相互作用。在光子器件是光耦合器的实施例中，采用例如中阶梯光栅或AWGmux/de-mux元件，通过耦合器的模态传播可以经由释放的波导端的机械移位来调制，从而重定位光端口发射点。在一个这样的实施例中，通过以遇到耦合器/WDM元件的温度相关性的方式使释放的波导端相对于耦合器移位，降低集成的光WDM元件的热灵敏度。
在实施例中，PIC是单块器件，包括至少光波导和布置在同一基板上的光子器件。光学器件光耦合到波导，波导或光学器件的一部分物理地摆脱基板达到容许相对于基板足以调制光子器件与在波导中传播的模态之间的相互作用的物理移位的程度。图1A是根据实施例将邻近物理地锚定的光子器件120的物理可移位光波导110集成到单个基板105上的PIC101的平面图。光子器件120布置在基板105的第一区域上方并且可以是任何被动或主动光学元件，诸如但不限于n端口光耦合器、光调制器、光检测器或激光器。光波导110布置在基板105的第二区域上方且大致是平面的，在基板105的平面中以及与光子器件120共平面(即，在相同的平面中)。条或肋侧壁115B限定了波导110的横向或侧向宽度W。宽度W可以随着材料系统和波长而变化，但是对于一个示范性的硅实施例，对于具有1310nm中心波长的传播光而言，波导宽度W有利地位于3μm与6μm之间。类似的范围也适用于波导110的z高度。
光波导110是这样一种材料：其关于周围材料具有足够的指标对比度，以通过在沿着纵向波导长度L的光谱(hv)中的总内反射(TIR)电磁波来引导。在实施例中，光波导110包括：至少一个锚定波导部分111，其沿着锚定纵向长度LA物理地锚定到基板105上；以及至少一个释放的波导部分112，其沿着释放的纵向长度LR从基板105物理地释放。
如图1A中进一步图示的，释放的波导部分112也物理地与光子器件120分开，波导端面115A接近光子器件120。波导端面115A与光子器件端面120A分开自由空间间隙G。波导110跨自由空间间隙G与光子器件120光耦合，光模态因此横越自由空间间隙G且在发射点151耦合到光子器件120中(或者耦合出)。发射点151能够通过释放的波导部分112在相对于基板105的一个或多个维度上的移位而物理地移位。在有利的实施例中，通过控制释放的波导部分112的物理移位，能够调制光子器件120与波导110中传播的模态之间的相互作用。在光波导110从基板105上远离光子器件120的固定锚定点悬臂连接的实施例中，发射点151能够通过释放的波导部分112在相对于基板105的一个或多个维度上的弹性挠曲(elasticdeflection)而物理地移位。
在实施例中，光波导端的释放的部分能够自波导的锚定部分在基板的xy平面内侧向地移位。如图1A中进一步示出，锚定波导部分111的纵轴线与横断平面b-b’对齐。释放的波导部分112具有这样的长度：基于波导材料的弹性模量以及波导的惯量的面积矩而足以实现自锚定点130A的挠曲角，从而释放的波导部分112的纵轴线跟随虚线150且发射点151侧向地移位端面移位距离D，到达发射点152。
图1B是根据实施例的沿着图1A所示的b-b’线的PIC101的横断面视图。如图所示，光波导110包括布置在基板105上方的器件层。基板105可以是本领域已知适合于形成IC的任何基板，诸如但不限于半导体基板、绝缘体上半导体(SOI)基板、绝缘体基板(例如，蓝宝石)、或类似物，和/或其组合。在有利的实施例中，光波导110是晶体(例如，基本上单晶)半导体层，诸如硅。诸如锗的替选半导体，SiGe，以及诸如InP的其它化合物半导体，也是可能的。光波导110通过与波导材料具有充分高的指标对比度的中间材料130与基板105分开。在光波导110和基板105两者都是晶体硅的示范性的实施例中，中间材料130是硅土。在一个这样的实施例中，基板105是硅SOI基板，硅光波导110构图成基板105的硅器件层。光子器件120与波导110共面(即，具有相同的z高度)并且在与波导110相同的器件层内。如图1B进一步示出的，具有释放的纵向长度LR的底部空隙140在波导110下方且接近光子器件120，中间材料层130作为沿着锚定纵向长度LA的锚定件而存在。类似地，顶部空隙190沿着至少释放的纵向长度LR存在于波导110上方，并且可任选地进一步延伸。布置在波导110上方是本领域已知的任何材料的外壳192，以为这种类型的单块释放的结构提供适当的保护。图1C是沿着图1A所示的c-c’线的PIC101的横断面视图，并且进一步示出了波导110如何从周围材料完全释放。图1C还描绘了，在波导110在沿着释放的纵向长度LR在x维度上传播时，波导110包含了在z维度和y维度上的光模态170。
随着波导110从光子器件120物理地拆除，有利的是设计自由空间间隙G的尺寸和/或设计端面115A，120A以便最大化在那之间的光传输。虽然波导110与光子器件120之间的光耦合可能预期随着较大的子空间间隙G而衰减，但是在一些有利的实施例中，释放的第二波导长度的端面和相邻光学器件的端面形成法布里-珀罗(FP)谐振腔。对应于谐振波长的高传输峰值能够通过对波导端面115A与光子器件端面120A之间的切口定尺寸以提供FP谐振腔来实现。该效果显示在图2中，图2是在1310nm波长的光在5μmx5μm硅波导110与硅光子器件120之间传播的示范性实施例中对自由空间间隙尺寸对跨间隙的光模态传输的影响进行建模的曲线图。在点215，传输达到至少99％，其中自由空间间隙G等于中心波长(即，1310nm)，在±50nm处传输滚降达到约90％。如果期望更松弛的构图/制作规则，则还可以对于任何具有波长的一半(λ/2)的整数倍的自由空间间隙G实现可接受的传输水平。例如，假设如图2建模的5μmx5μm硅波导110和硅光子器件120，1310nm中心波长跨1965nm(3/2λ)的自由空间间隙G的传输至少是97％。
在替选实施例中，FP谐振腔不设在相邻的波导与光子器件端面之间，通过减小自由空间间隙G的尺寸来改善传输。在一个有利的实施例中，自由空间间隙G不大于近似λ/2(例如，660nm)。该尺寸的间隙对应于，对于示范性的5μm高的硅波导，小于8：1的纵横比，这是通过当前等离子体蚀刻系统轻易可实现的。在实施例中，波导端面和/或相邻的光子器件面由防反射涂层包覆，和/或这些面中的至少一个面非正交地成角度以减小背反射和/或提高谱平坦度。图3A和图3B是示出根据实施例的具有背反射减少的可移位光波导的端的平面图。如图3A所示，波导110的在空隙140上方延伸的端部具有非正交于波导侧向侧壁115B(或者非正交于波导110的纵轴线)的侧向成角度的端面415。波导端面在z维度上的非正交角度(即，端面斜坡)也是可能的，但是这些实施例缺少侧向成角度端面的光刻构图简易性。光子器件端面120A还可以例如在z维度上成角度。
在进一步的实施例中，如图3B所示，波导110包括具有防反射涂层(ARC)371的端面包覆层。任何常规的ARC可以基于选定的波长和材料系统来使用，并且实施例不限于这方面。示范性的材料包括一层或多层有机或无机(基于Si)材料。在另外的实施例中，邻近释放的波导端面的光子器件端面由ARC包覆。如图3B所示，例如光子器件120包括邻近波导110的ARC372。在有利的实施例中，ARC371和372由相同的材料制成。在另外的实施例中，如图3A所示的端面成角度以及如图3B所示的端面的ARC涂层可以组合。
在实施例中，释放的波导部分光耦合到n端口光耦合器中，光模态穿过(traversal)耦合器取决于释放的波导部分的端相对于耦合器的物理位置。对于WDM实施例，光耦合器可以是1对n耦合器或者具有任意数量的输入端口和输出端口的星形耦合器。充当耦合器端口的至少一个光波导具有释放的波导部分。释放的波导端相对于基板和光耦合器的物理移位则可能影响光穿过耦合器，例如，改变在耦合器内的传播长度和/或衍射或反射角。例如，与一个或多个耦合器端口相关联的中心频率可以根据释放的波导端的移位而变化。该能力可涉及到多种PIC设计和应用。在第一实施例中，如下文在WDM的上下文中进一步详述的，耦合器光学参数变化由释放的波导的物理移位来补偿。通过控制释放的波导的移位，mux和de-mux功能空间可以增加。然而，值得注意的是，类似的策略可以更一般地应用于受制于光学参数不稳定性的任何光子元件。
图4A是根据四通道实施例的具有单个可移位波导410的中阶梯光栅WDM401的平面视图。如图所示，可移位波导端口410至少部分地在物理上摆脱基板105，例如，基本上如图1A-1C所示。波导端面115A至少能够在距离D上侧向地移动且与耦合器端面420A分开自由空间间隙G。波导端口410和光耦合器420可以各自由硅制成，例如，具有在图1B和图1C的上下文中描述的材料层叠结构。光耦合器420包括中阶梯光栅421以及多个物理上锚定或者固定的波导端口430A，430B，430C和430D。虽然示出了四个通道，但是可以提供更多或更少的端口。在WDMde-mux操作期间，具有中心频率λc(例如，1310nm)的光的光模态在可移位波导端口410与耦合器420之间传播，通过波导端面115，穿过自由空间间隙G，通过耦合器端面420A，以及在中阶梯光栅421处反射。相长干涉波长传播到相应的波长端口(例如，在430A处的λ1，在430B处的λ2，等等，标准的20nm通道间距)。相反，在mux操作期间，各种通道中心频率(例如，λ1＝1350nm)的光穿过耦合器420到耦合器端面420A，穿过自由空间间隙G，并且进入可移位波导端口410。WDM401的工作中心频率与固定波导端口430A-430D的位置和耦合器的发射点以及光栅421的参数和耦合器420的折射率相关联。在耦合器420是硅制成且耦合器RI随温度大幅变化的情况下，如果在工作期间PIC温度变化，则会发生显著的中心频率(波长)偏移。
在一些光耦合器实施例中，可移位波导端口包括释放的波导部分，该释放的波导部分自由地经历相对于基板(以及相对于耦合器)的足以改变耦合器的一个或多个其它端口之间的光模态的耦合的移位。在一些这样的实施例中，第一波导的释放的部分自由地经历足以改变第二波导之间的光模态耦合的弹性挠曲。在耦合器RI温度相关的实施例中，释放的波导部分可以经过相对于基板105和耦合器420的一定程度的挠曲以便至少部分地补偿该温度相关性，使WDM401的中心频率更加不热敏感，或者“非热化”。假设工作温度范围40℃(例如，±20℃)，以及WDM通道间距Δλ为20nm，如果端口430A-430D具有近似20μm的节距(pitch)p，则硅耦合器420会经历近似10GHz/℃的中心频率偏移。因此，要在40°范围上非热化，输出波长需要可以由对应于耦合器发射点的2.4μm的物理偏移的近似2.4nm的δλ来调谐。通过足够长的释放的长度，利用被动和/或主动微机电系统(MEMS)致动器技术，波导端口410可以在几微米的距离上轻易地移位，并且事实上在甚至数十微米的距离上轻易地移位，诸如下文进一步描述的那些。
显然，实施例不限于一个可移位波导，在PIC内多于一个的波导可以被释放和物理地移位。图4B例如是根据实施例的具有多个可移位光波导端口431的中阶梯光栅WDM402的平面图。在该实施例中，每个端口431能够相对于基板105和耦合器420在移位距离D上移位，而波导端口411锚定到基板105上。如关于图4A中示出的单个可移位波导端口所描述的，每个光波导端口431具有与耦合器面420A分开自由空间间隙G的端面432A。WDM402可以是例如通过在维持设计节距的同时使得端口431在移位距离D上统一地移动而进行温度补偿。
在另外的实施例中，光耦合器的全部波导端口能够相对于锚定有耦合器的基板移位。例如，图4A和图4B所示的实施例可组合而使得波导端口410以及每个波导端口431是可移位的。在该实施例中，波导端口431可以作为独立于波导端口410的群组而被物理地移位，例如实现超过仅在耦合器的一端处所能实现的总有效移位距离D。在另外的实施例中，甚至光耦合器可以从基板释放从而允许相对于基板的移位，在该情况下耦合器的波导端口还可以从基板释放，或者完全锚定到基板上。
可移位波导可以类似地耦合到采用其它WDM元件的光耦合器上。例如，在图5所示的实施例中，阵列波导光栅(AWG)WDM501包括光耦合到第一(例如，输入)耦合器522中的物理上可移位波导端口410。AWG524光耦合第一耦合器522与第二(例如，输出)耦合器523。在AWG524内的路径长度的变化导致波导端口430处的波长相关相长干涉。波导端口410相对于基板105的移位又改变了耦合器522的发射位置(在该示例中，耦合器522锚定到基板105上)。对于那些AWGWDM501的一个或多个光学参数(例如，RI)具有温度相关性的实施例，物理波导端口移位可以使能在取决于各种器件设计参数的某一预定温度范围上的非热操作。
在实施例中，可移位光波导将相对于基板被动地移位。被动移位可以通过在波导本身的释放的长度和/或释放的波导长度上的包覆层的释放的长度内的非均匀或非对称应力。释放的部件可预期地应变以松弛释放的部件中的应力。对于非热化实施例，释放的波导和/或绕其的包覆层中的应变ε能够设计成具有期望的温度相关性其补偿光耦合器的波长相关性从而抵消热漂移。图6A是根据实施例的具有与耦合器420光学耦合的被动可移位波导410的中阶梯光栅mux/de-mux601的平面图。WDM601可以包括之前所描述的WDM401的全部的属性和特征。如进一步示出的，波导410由第一材料制成，由一个或多个组成上有区别的包覆材料625非对称地包覆以根据第一和第二材料温度在释放的波导长度LR中诱发挠曲。包覆材料625可以具有不同于波导材料的体积热膨胀系数(CTE)。例如，在波导410为硅的情况下，包覆材料625可以为除了硅之外的材料，例如，但不限于铝、或者另一具有充分不同于硅的CTE的金属。如图6A中进一步示出的，波导410和包覆材料625从基板105释放，蚀刻空隙140在它们的侧向宽度下方延伸。
图6B是根据可侧向移位的波导实施例的沿着图6A所示的c-c’线的被动可移位波导410的横断面视图。对于该实施例，释放的波导长度的至少部分的侧向侧壁由包覆材料625覆盖达到比相对的侧壁更大的程度。更具体地，第一侧向波导侧壁615D具有比相对侧壁615E显著更大的包覆材料625的厚度。许多用于这种各向异性沉积的技术是已知的，实施例不限于这方面。显然，随着光模态通过波导410传播的额外约束，在有利的实施例中，非对称包覆层是多层层叠物。在图6C所示的示例性实施例中，包覆材料625包括外包覆材料629，其与光波导410分开中间内包覆材料627。内包覆材料627提供与波导材料的指标对比度并且减少如果外包覆材料629布置为直接接触波导410则可能发生的光模态170的散射。在波导410是硅的一个这样的实施例中，内包覆层627可以是二氧化硅或氮化硅，外包覆层627也是铝，或者其它适合的金属。氮化硅特别有利作为内包覆层627，其中波导410是SOI基板的硅器件层，因为各向同性硅蚀刻然后可用来选择性地释放包覆的波导结构，而对多层包覆层无害。
要在上文描述为具有1310nmλc、通道间距Δλ为20nm且端口节距p为近似20μm的中阶梯光栅WDM中在示范性的40℃范围上实现非热操作，需要近似0.6μm/℃的波导端面移位率。该挠曲率可以通过具有5μm宽度W和5μmz高度的硅波导的被动移位来实现，例如使用近似0.5μm厚的氮化硅内包覆层627以及沿着200-250μm的释放的纵向长度LR布置的近似2μm厚的铝外包覆层629。
在实施例中，可移位光波导将相对于基板主动地被移位。主动移位可以为通过布置在基板上方且与光波导机械或电耦合的微机电致动器。图7A是根据实施例的具有主动可移位波导410的中阶梯光栅WDM701的平面图。WDM701可以包括之前所描述的WDM401的全部属性和特征。WDM701进一步包括MEMS致动器725，其包括与波导410的释放的部分物理耦合的可移动梭776。除了选定锚定点765之外，梭774脱离基板101(例如，从其释放)，而侧向弹簧耦合器布置在那里之间。如图7A所示，蚀刻空隙140在梭747和波导410的释放的区域下方延伸。梭774进一步包括可移动电容驱动部件780，其配置为与锚定到基板105的对应的固定电容驱动部件静电耦合。虽然因为该MEMS致动器已知易于实现微米以及甚至数十微米的侧向梭移位，致动器725示例为静电梳状驱动，其它致动器设计也是可能的(例如，采用可变电容间隙或者甚至电感驱动器)。
对于MEMS致动器，例如，包括分开足够小以便根据施加驱动电压与释放的电容部件静电耦合的距离的释放的电容驱动部件，驱动电压可以在WDM701工作期间实时地被主动修改，例如，改变波导230之间光模态的耦合。图7B是根据在某温度范围上(例如，对于WDM201描述的40℃的范围)非热化WDM701的示例性实施例的基于MEMS的光波导致动系统702的功能框图。系统702包括温度传感器783，温度传感器783例如可以连同WDM701一起集成到基板105上。来自温度传感器783的输出被输入到控制器780，例如，作为前馈控制环的部分。至少基于温度，控制器780输出MEMS致动器驱动信号(例如，电压电平)到MEMS致动器725，例如，以补偿与温度相关联的已知光耦合器波长偏移。MEMS致动器725基于MEMS致动器驱动信号来移位波导710，从而重定位耦合器的模态发射位置。在另外的实施例中，系统702可进一步包括WDM701与控制器780之间的反馈控制环。例如，光电转换器可以将波导端口430的光输出与控制器780通信耦合。
在另外的实施例中，如上文所描述的波导的物理移位可以用在单块光滤波器设计中。例如，独立于热漂移，通过上述结构来移位PIC波导的能力可用于调制单块光滤波器的通带。MEMS致动器可随着系统702驱动，例如，通过基于任意命令信号输入的控制，该任意命令信号输入要变换成使光滤波器通带从与第一波导物理位置相关联的第一中心波长偏移到与第二波导物理位置相关联的第二中心波长所要求的致动器驱动信号。因此，虽然上文已经在光学参数漂移补偿的背景下描述了许多结构和技术(例如，非热WDM操作)，使得这些补偿可行的相同的物理光变换器架构易于适合其它PIC应用。
图8A是示出根据实施例的操作PIC的方法801的流程图，PIC包括单块物理可移位光波导和相邻的光子器件。方法801开始于操作804，光波导端处于相对于基板以及相对于集成到基板上的光子器件的第一位置。在操作806中，光模态传播通过光波导，而波导处于第一位置。模态穿过自由空间间隙并且以第一方式与光子器件相互作用。例如，第一中心波长的光耦合至光子器件中且沿着与第一发射点和诸如第一输出波导端口的第一目的地相关联的第一路径穿过光子器件。在操作808中，通过使光波导相对于基板以及相对于光子器件物理地移位到第二位置，来调制光子器件与光模态之间的相互作用。在该第二位置，传播通过波导的光模态穿过自由空间间隙且以第二方式与光子器件相互作用。例如，耦合到光子器件的第一中心波长的光沿着与第二发射点相关联的第二通路穿过光子器件。根据光子器件的状态，第二通路可以进一步与第一目的地相关联，或者与诸如第二输出波导端口的第二目的地相关联。
图8B是示出制作PIC的方法802的流程图，PIC包括单块物理可移位光波导和相邻的光子器件。方法802可以执行以形成在示范性的WDM401、501、601和701结构中的上述特征。在操作801中，方法802开始于接收SOI基板，诸如硅SOI基板。在操作820中，半导体器件层构图成光子器件，诸如光耦合器，与也构图成半导体器件层的光波导有关(要么与光子器件同时，要么在光子器件构图之前，要么在光子器件构图之后)。光子器件可以通过任何常规的光刻和各向异性蚀刻工艺构图。
在操作830中，沟槽形成为通过波导的端与光子器件之间的半导体器件层。沟槽形成可以与光子器件的一个或多个波导构图同时执行(即，具有相同的蚀刻掩膜)，或者可以在波导和光子器件构图之后作为单独的掩膜蚀刻来执行。在操作840中，SOI介电层的一部分被去除(蚀刻)，部分底切器件层以释放波导的接近光子器件的端。在示范性的实施例中，底切蚀刻操作140通过暴露波导的接近在操作830处蚀刻的沟槽的端长度的掩膜来执行，掩膜开口与沟槽重叠。在另外的实施例中，方法801包括制作被动地和/或主动地挠曲释放的波导的结构。在一个实施例中，具有不同于波导的CTE的材料在波导被构图之后非对称地沉积在波导上方。在一个这样的实施例中，金属定向地沉积成在波导的一个侧向侧壁上比在另一侧向侧壁上厚。在另一实施例中，介电层沉积在金属层与波导侧向侧壁之间。在另一实施例中，半导体器件层进一步构图成与波导物理耦合的MEMS致动器，例如，通过用来构图波导和/或光子器件的相同的掩膜。在另外的实施例中，MEMS致动器的至少一部分在操作840中与波导端面的释放同时释放。在另外的实施例中，钝化层在释放操作840之前沉积在波导和光子器件上，释放操作840对于钝化层有选择性以形成封装释放的波导端的外壳。
图9示出了根据实施例的移动计算平台和采用光接收机模块的数据服务器机器，该光接收机模块包括PIC，PIC具有带有物理可移位输入波导的单块WDM接收机。服务器机器906可以是任何商用服务器，例如包括任意数量的布置在机柜内且联网在一起用于电子数据处理的高性能计算平台，在示范性的实施例中该高性能计算平台包括集成系统910。移动计算平台905可以是配置为用于电子数据显示器、电子数据处理、无线电子数据传输等中的每一个的任何便携设备。例如，移动计算平台905可以是平板设备、智能电话、膝上型计算机等中的任一种，并且可以包括显示屏(例如，电容、电感、电阻、触摸屏)、芯片级或封装级集成系统910以及电池915。
无论是扩展视图920中进一步示出的布置在集成系统910内，或者是布置为独立的封装芯片，封装单块PIC904包括根据实施例的物理可移位输入波导。在另外的实施例中，可移位波导能够根据温度移位从而在至少20℃的温度范围上以及有利地在近似40℃或者更高温度提供非热WDM操作。光线缆953将单光束输入单块集成光波导210中，例如通过顶侧耦合或边缘耦合。随后，选定的波长根据光波导210的释放的端的物理位置，借助光解复用器918分开，来输出到也布置在基板105上的多个输出光波导905A-905N。输出光波导905A-905N各自进一步耦合到低压光检测器901A-901N中，每个低压光检测器包括例如MSM或p-i-n光电二极管结构。光检测器901A-901N与下游集成电路系统999电耦合，下游集成电路系统999可以例如进一步包括电压源和感测电路系统。在一些实施例中，电压源和感测电路系统通过也布置在基板105上且以不小于光检测器工作的电压电平供给动力的CMOS晶体管来实现。在光检测器901A-901N采用本文所描述的GeAPD架构的实施例中，光检测器901A-901N和电路系统999均以相同的工作电压(例如，不大于3.3V)供给动力。在实施例中，解复用器918包括对于如本文其它地方所描述的中阶梯光栅WDM201或501或AWGWDM301等的一个或多个实施例所描述的一个或多个特征。
图10是根据本公开的至少一些实现方式布置的计算设备1000的功能框图。计算设备1000可以见于例如平台1005或服务器机器1006内，且进一步包括托管多个组件的主板1002，诸如但不限于处理器1004(例如，应用处理器)，其可以并入本文所论述的本地层级间互连，以及至少一个通信芯片1006。在实施例中，处理器1004、一个或多个通信芯片1006等中的至少一个。处理器1004可以物理地和/或电耦合到主板1002。在一些示例中，处理器1004包括封装在处理器1004内的集成电路管芯。一般地，术语“处理器”或“微处理器”可以指处理来自寄存器和/或存储器的电子数据以将该电子数据变换成可存储在寄存器和/或存储器中的其它电子数据的任何设备或设备的部分。
在各个示例中，一个或多个通信芯片1006还可以物理地和/或电耦合到主板1002。在另外的实现方式中，通信芯片1006可以是处理器1004的部分。根据其应用，计算设备1000可以包括可以或者可以不物理地且电耦合到主板1002的其它组件。这些其它组件包括但不限于易失性存储器(例如，DRAM)、非易失性存储器(例如，ROM)、闪存、图形处理器、数字信号处理器、密码处理器、芯片组、天线、触摸屏显示器、触摸屏控制器、电池、音频编码译码器、视频编码译码器、功率放大器、全球定位系统(GPS)设备、罗盘、加速度计、陀螺仪、扬声器、照相机和大容量存储设备(诸如硬盘驱动器、固态驱动器(SSD)、压缩盘(CD)、数字多功能盘(DVD)等)，或类似物。
通信芯片1006可以使能自计算设备1000传输数据以及将数据传输到计算设备1000的无线通信。术语“无线”及其衍生词可以用于描述可以通过非固态介质通过使用调制的电磁辐射来传送数据的电路、设备、系统、方法、技术、通信信道等。术语不暗示相关联的设备不包含任何线缆，虽然在一些实施例中，它们可以不包含线缆。通信芯片1006可以实现多种无线标准或协议中的任一种，包括但不限于那些在本文其它地方所描述的。如所论述的，计算设备1000可以包括多个通信芯片1006。例如，第一通信芯片可以专用于较短程无线通信，诸如Wi-Fi和蓝牙，并且第二通信芯片可专用于较长程无线通信，诸如GPS、EDGE、GPRS、CDMA、WiMAX、LTE、Ev-DO以及其它。
虽然已经参考各实现方式描述了本文阐述的一些特征，本说明书不意图在限制的含义上进行解释。因此，本文所描述的实现方式的各种修改以及本公开所属领域的技术人员显而易见的其它实现方式被视为落入本公开的精神和范围内。
下面的示例有关于特定的示例性实施例。
在一个或多个第一实施例中，单块光子集成电路(PIC)包括：基板；布置在基板的第一区域上的光子器件；以及布置在基板的第二区域上的光波导。波导的远离光子器件的第一部分物理地锚定到基板，并且波导的接近光子器件的第二部分从基板物理地释放且从光子器件物理地释放。
在一个或多个第一实施例的进一步方案中，光子器件包括光耦合器，并且模态穿过耦合器取决于释放的第二波导部分的端相对于耦合器的物理位置。
在一个或多个第一实施例的进一步方案中，光子器件包括光耦合器和多个第二波导。释放的第二波导部分经历相对于基板和耦合器的足以改变第二波导之间的模态耦合的物理移位。
在一个或多个第一实施例的进一步方案中，光子器件具有温度相关性。释放的第二波导长度经历相对于基板和光子器件的一定程度的挠曲以便至少部分地补偿温度相关性。
在一个或多个第一实施例的进一步方案中，光子器件包括光耦合器和多个第二波导，所述光耦合器具有与第二波导和耦合器的发射点相关联的温度相关中心频率。释放的第二波导长度经历相对于基板的足以通过根据温度重定位发射点来补偿给定温度范围上的温度相关性的一定程度的移位。
在一个或多个第一实施例的进一步方案中，释放的第二波导长度包括第一材料。释放的第二波导长度的至少一部分由一种或多种第二材料非对称地包覆以在释放的第二波导长度中根据第一和第二材料温度诱发相对于基板和光子器件的挠曲；或者释放的第二波导长度进一步与布置在基板的第三区域上的微机电致动器耦合。
在一个或多个第一实施例的进一步方案中，释放的第二波导长度包括第一材料；并且其中释放的第二波导长度的至少一部分的侧向侧壁由一种或多种第二材料包覆。
在一个或多个第一实施例的进一步方案中，PIC进一步包括布置在基板的第三区域上的微机电致动器。致动器进一步包括附着到释放的第二波导长度的释放的电容部件，以及附着到基板且与释放的电容部件相隔足够小的距离以响应于驱动电压而与释放的电容部件静电耦合的锚定电容部件。
在一个或多个第一实施例的进一步方案中，释放的第二波导长度的端与所述光子器件分开自由空间间隙，所述自由空间间隙具有待由输入光波导传播的中心频率的一半的整数倍。
在一个或多个第一实施例的进一步方案中，如下至少之一：释放的第二波导长度或光子器件中的至少一个的端面非正交地成角度；或者防反射涂层(ARC)布置在释放的第二波导的端；或者释放的第二波导长度的端上的点与光耦合器的相邻侧壁上的点相隔小于1.0μm。
在一个或多个第二实施例中，单块光波分复用器/解复用器(WDM)包括：基板；布置在基板的第一区域上的光耦合器；以及布置在基板的第二区域上的第一光波导。第一波导的第一端与光耦合器的第一端光耦合，并且多个第二光波导布置在基板的第三区域上，其中多个第二光波导中的每一个具有与光耦合器的第二端光耦合的第一端。至少一个第一波导端是与基板以及与光耦合器分开自由空间间隙的释放端。
在一个或多个第二实施例的进一步方案中，光耦合器、第一光波导和第二光波导是晶体硅。光耦合器包括平面波导和中阶梯光栅或阵列波导光栅(AWG)。波导的具有释放的端的第一长度机械地锚定到基板上，波导的具有释放的端的第二长度从基板物理地释放并且与光耦合器分开自由空间间隙。
在一个或多个第二实施例的进一步方案中，第二长度的至少一部分由一种或多种第二材料非对称地包覆以根据第二材料的热膨胀系数与硅波导之间的差异，沿着相对于基板和光耦合器的第二长度，诱发机械挠曲。
在一个或多个第二实施例的进一步方案中，第二长度进一步与布置在基板的第四区域上的微机电致动器耦合。
在一个或多个第二实施例的进一步方案中，如下至少之一：释放端和光耦合器的最近端面限定了法布里-珀罗谐振腔，该法布里-珀罗谐振腔尺寸被定为待由第一光波导传播的中心频率的一半的整数倍；或者释放的端的端面或光耦合器的端面非正交地成角度；或者防反射涂层(ARC)布置在释放的端上；或者释放端上的点与光耦合器的最近端面相隔小于1.0μm。
在一个或多个第三实施例中，PIC包括如一个或多个第二实施例中的光WDM，以及布置在基板上且与第二光波导的第二端光耦合的多个光检测器或多个激光器。
在一个或多个第四实施例中，电子设备包括处理器、存储器以及与处理器和存储器中的至少一个通信地耦合的光接收机模块芯片。光接收机模块进一步包括一个或多个第三实施例的PIC。
在一个或多个第五实施例中，制作光子集成电路的方法包括：接收基板，该基板具有布置在介电材料层上的半导体器件层。该方法包括：将器件层构图成与光波导交叉的光子器件。该方法包括在波导的端与光子器件之间形成通过器件层的沟槽。该方法包括：去除介电材料层的一部分，以沿着纵向长度的端部，全底切横向宽度，且机械地释放波导的接近光子器件的端。
在一个或多个第五实施例的进一步方案中，该方法进一步包括：关于端部非对称地形成包覆材料。包覆材料具有不同于器件层的热膨胀系数，以在波导的释放的端中诱发温度相关挠曲。
在一个或多个第五实施例的进一步方案中，形成包覆材料进一步包括：将比端部的与第一侧向侧壁相对的第二侧向侧壁上厚度更大的金属层沉积在端部的第一侧向侧壁上。
在一个或多个第五实施例的进一步方案中，形成包覆材料进一步包括将介电层沉积在金属层与第一侧向侧壁之间。
在一个或多个第五实施例的进一步方案中，该方法进一步包括：将器件层构图成物理地耦合纵向长度的端部的静电致动器。
将认识到，本发明的实施例不限于此处所描述的示例性实施例，而是能够通过修改和变型来实现，而不偏离随附权利要求的范围。例如，上述实施例可以包括特征的具体组合。然而，上述实施例不限于这方面，在各种实现方式中，上述实施例可以包括仅承担这些特征的子集，承担这些特征的不同次序，承担这些特征的不同组合，和/或承担除了那些显式列出的特征之外的额外特征。因此，应当参考随附的权利要求以及这些权利要求赋予权利的等同方案的整个范围来确定范围。

Claims (22)

1.一种单块光子集成电路(PIC)，包括：
基板；
布置在所述基板的第一区域上的光子器件；以及
布置在所述基板的第二区域上的光波导，其中：
所述波导的基板锚定部分远离所述光子器件，并且
接近所述光子器件的所述波导的释放的部分在物理上摆脱所述基板以及在物理上摆脱所述光子器件。
2.如权利要求1所述的单块PIC，其中，所述光子器件包括光耦合器，并且模态穿过所述耦合器取决于释放的波导部分的端相对于所述耦合器的物理位置。
3.如权利要求1所述的单块PIC，其中：
所述光子器件包括光耦合器和多个第二波导；以及
释放的波导部分要经历相对于所述基板和耦合器的足以改变所述第二波导之间的所述模态的耦合的物理移位。
4.如权利要求1所述的单块PIC，其中：
所述光子器件具有温度相关性；以及
释放的波导部分要经历相对于所述基板和光子器件的一定程度的挠曲以便至少部分地补偿所述温度相关性。
5.如权利要求1所述的单块PIC，其中：
所述光子器件包括光耦合器和多个第二波导，所述光耦合器具有与所述第二波导和所述耦合器的发射点相关联的温度相关的中心频率；以及
释放的波导部分要经历相对于所述基板的足以通过根据温度将所述发射点重定位来补偿给定温度范围上的所述温度相关性的一定程度的移位。
6.如权利要求1所述的单块PIC，其中，释放的波导部分包括第一材料；并且其中：
所述释放的波导部分的长度由一个或多个第二材料不对称地包覆，以在所述释放的波导部分中根据第一材料温度和第二材料温度诱发相对于所述基板和所述光子器件的挠曲；或者
所述释放的波导部分进一步与布置在所述基板的第三区域上的微机电致动器耦合。
7.如权利要求1所述的PIC，其中，所述释放的波导部分包括第一材料；并且其中所述释放的波导部分的侧向侧壁由一个或多个第二材料包覆。
8.如权利要求1所述的PIC，进一步包括布置在所述基板的第三区域上的微机电致动器，其中，所述致动器进一步包括：
释放的电容部件，其附着到所述释放的波导部分；以及
锚定电容部件，其附着到所述基板且与所述释放的电容部件间隔开足够小的距离从而响应于驱动电压而与所述释放的电容部件静电耦合。
9.如权利要求1所述的PIC，其中，释放的波导部分的端与所述光子器件分开自由空间间隙，所述自由空间间隙具有待由所述输入光波导传播的中心频率的一半的整数倍。
10.如权利要求1所述的PIC，其中，如下至少之一：
释放的波导部分或所述光子器件中的至少一个的端面是非正交地成角度的；或者
防反射涂层(ARC)布置在所述释放的波导部分的端；或者
所述释放的波导部分的端上的点与所述光耦合器的邻近侧壁上的点相隔小于1.0μm。
11.一种单块光波分复用器/解复用器(WDM)，包括：
基板；
布置在所述基板的第一区域上的光耦合器；
布置在所述基板的第二区域上的第一光波导，其中，所述第一波导的第一端与所述光耦合器的第一端光耦合，
布置在所述基板的第三区域上的多个第二光波导，其中，所述多个第二光波导中的每一个具有与所述光耦合器的第二端光耦合的第一端；并且
其中：
所述第一波导端中的至少一个是与所述光耦合器间隔开自由空间间隙的释放的端。
12.如权利要求11所述的单块WDM，其中：
所述光耦合器、第一光波导以及第二光波导是晶体硅；
所述光耦合器包括平面波导和中阶梯光栅或者阵列波导光栅(AWG)；
具有所述释放的端的所述波导的第一长度是机械地锚定到所述基板上的，以及
具有所述释放的端的所述波导的第二长度是以悬臂式位于所述基板上方且与所述光耦合器相隔所述自由空间间隙的。
13.如权利要求12所述的单块WDM，其中：
所述第二长度的至少一部分是由一个或多个第二材料非对称包覆的，以根据所述第二材料的热膨胀系数与所述硅波导之间的差异沿着相对于所述基板和所述光耦合器的所述第二长度诱发机械挠曲。
14.如权利要求12所述的单块WDM，其中：
所述第二长度进一步与布置在所述基板的第四区域上的微机电致动器耦合。
15.如权利要求12所述的WDM，其中，如下至少之一：
所述光耦合器的所述释放的端和最近端面限定了法布里-珀罗谐振腔,所述法布里-珀罗谐振腔尺寸被定为待由所述第一光波导传播的中心频率的一半的整数倍；或者
所述释放的端的端面或所述光耦合器的端面是非正交地成角度的；或者
防反射涂层(ARC)布置在所述释放的端上；或者
所述释放的端上的点与所述光耦合器的最近端面相隔小于1.0μm。
16.一种PIC，包括：
如权利要求11所述的光WDM；以及
多个光检测器或者多个激光器，布置在所述基板上且与所述第二光波导的第二端光耦合。
17.一种电子设备，包括：
处理器；
存储器；以及
光接收机模块芯片，其与所述处理器和所述存储器中的至少一个通信地耦合，其中，所述光接收机模块进一步包括如权利要求16所述的PIC。
18.一种用于制作光子集成电路的方法，所述方法包括：
接收基板，所述基板具有布置在介电材料层上的半导体器件层；
将所述器件层构图成与所述光波导交叉的光子器件；
在所述波导的端与所述光子器件之间形成通过所述器件层的沟槽；
去除所述介电材料层的一部分，以沿着所述纵向长度的端部，全底切所述横向宽度，以及机械地释放所述波导的接近所述光子器件的端。
19.如权利要求18所述的方法，进一步包括关于所述端部非对称地形成包覆材料，所述包覆材料具有不同于所述器件层的热膨胀系数的热膨胀系数，以在所述波导的释放的端中诱发温度相关的挠曲。
20.如权利要求19所述的方法，其中，形成所述包覆材料进一步包括在所述端部的第一侧向侧壁上沉积比与所述第一侧向侧壁相对的所述端部的第二侧向侧壁上厚度更大的金属层。
21.如权利要求20所述的方法，其中，形成所述包覆材料进一步包括将介电层沉积在所述金属层与所述第一侧向侧壁之间。
22.如权利要求18所述的方法，进一步包括将所述器件层构图成与所述纵向长度的端部物理地耦合的静电致动器。
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