CN106990562A - 制造光调制器的方法 - Google Patents
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Abstract
制造光调制器的方法。制造根据本发明的光电耦合开关的方法需要半导体材料层的一系列重新构形。首先，建立基础构件，其中半导体层被安置在绝缘体材料层上，所述绝缘体材料层被安置在半导体层和半导体衬底之间。按次序，利用第一蚀刻，所述半导体层被蚀刻以在狭槽的两侧建立波导。在第二蚀刻中，所述狭槽被加深以在狭槽中暴露绝缘体材料层。利用第三接触垫掺杂处理，垫可以被安置在绝缘体材料层上使得与所述相应波导电接触，金属接触器可以随后被置于接触垫上，所述狭槽可由光电聚合物填充，并且在需要时所述聚合物可以被极化。
Description
本申请是于2015年4月15日提交的待审查的美国专利申请No.14/687,726的部分继续申请。该申请No.14/687,726的内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明一般涉及在光信号经光波导传输期间采用开关和调制器的系统和方法。更具体地，本发明涉及采用交叉耦合材料的光开关和调制器，所述交叉耦合材料夹在两个波导之间，其中两个波导彼此平行对准。并且电场E被用于改变交叉耦合材料的折射率nc，以从一个波导向另一个波导传输光信号。本发明特别地但不排它地用作光电耦合开关，其中交叉耦合材料被构造成薄的扁平层，并且电场E强且均匀，其通量线的取向基本垂直于交叉耦合材料整个层，并且被限制在两个波导之间。
背景技术
众所周知，光波导是一种物理结构，引导电磁波(如光)经过该结构。波导对光的引导或限制是波导中内反射的结果。作为物理现象，当波导材料的折射率nwg和周围环境的折射率ne之间的差异具有特定值时，这些内反射发生。否则，波导中的光可能不存在限制或者限制低效。
还众所周知，施加的电场通过线性或者非线性的光电效应——如普尔克斯效应(线性)或克尔效应(非线性)——能够改变材料的折射率。具体地，普尔克斯光电效应是施加在材料上的电压影响将改变材料的折射率n达Δn的量的情况，其可以数学表示为：
Δn＝-rn3E/2
其中r是普尔克斯常数，并且E是电场强度。
在平面的波导耦合器开关的情况下，电场E被施加在两个交叉耦合光波导之间，所述光波导被具有折射率neo的光电材料分开。当被施加时，电场E改变交叉耦合材料的折射率neo，以改变两个光波导之间的交叉耦合性质。因此，沿着一个波导行进的光移动到另一个波导。
考虑上述内容，如本发明所设想的垂直的波导光开关的设计涉及几个特别重要的相互影响的因素。这些因素包括：波导之间的间距d(即交叉耦合材料的厚度)；交叉耦合材料的折射率nc(有时也指本文的neo)；以及电场E的设计(即配置)。
具体地，只要电场的设计被考虑，设备(即光电开关)相对于交叉耦合材料配置以及限制电场E的能力是最重要的。具体地，这里考虑的电场E的设计分三部分。第一：穿过交叉耦合材料的电场E应该均匀(即电场的通量线彼此平行)。第二：电场E的通量线应该被限制于交叉耦合材料。以及第三：电场E的通量线应该与交叉耦合材料的偏振方向对准(即垂直于波导中的光束通路)。协调这些因素的目的是为了优化设备的光电调制效率。
在本发明的另一方面中，光电耦合开关(调制器)的结构出于可操作地调节光信号的目的加以考虑。这里的目的是优化针对穿过在波导之间的光信号的交叉耦合材料的光信号的电场的取向(orientation)。这要求由交叉耦合材料的光电系数建立的取向与光信号的电场取向基本平行(即在同一方向)或者几乎是这样。
众所周知，激光光束(即光信号)的电场和磁场取向在相互垂直的平面中，这样，波导将强加条件于光信号，使其表现横切模式。具体地，这些模式是TM(横切磁场)模式，其中电场是垂直的并且磁场是水平的；或者是TE(横切电场)模式，其中电场是水平的并且磁场是垂直的。同样众所周知，布置在两个波导之间的光电交叉耦合材料会表现出独特的偏振面，所述偏振面主要响应于穿过交叉耦合材料的光信号的电场。
因此，在考虑交叉耦合材料中的响应平面与外部施加电场E的通量线的对准时，该响应平面的取向是重要的。为了说明，应当注意，波导材料的光电系数是交叉耦合材料中的响应平面取向的指示。
在聚合物用作交叉耦合材料的情况中，众所周知，聚合物中的由其光电系数建立的响应平面的取向能够被称为“极化”的过程影响(即取向能够被改变，至少在一定程度上)。然而对其他材料而言，光电系数和其响应平面导致的取向是材料的固定属性。在任何情况中，无论波导是否由聚合物、氮氧化硅(SiON)/二氧化硅材料或者其他本领域熟知的材料做成，光电系数都是重要的考虑。
考虑到上述内容，交叉耦合材料中的光电耦合系数取向，与光信号穿过波导(例如TM模式)之间的交叉耦合材料时的电场之间的相互作用，需要以某种方式加以考虑。为了这个目的，为了优化开关设备(调制器)的光电调制效率，有必要使交叉耦合材料的响应平面对准，使得与交叉耦合材料中的外部施加的电场E尽可能平行。为此，交叉耦合材料中的光电系数取向应被对准，尽可能平行于外部施加的电场的通量线。
作为涉及上述应用的示例，首先考虑聚合物被用作交叉耦合材料的情况。在这个情况中，交叉耦合材料的光电系数取向相对于施加电场E的通量线优选地彼此平行(例如TM模式)。另一方面，在大多数量子阱的情况中，外部施加的电场E垂直于交叉耦合材料的光电系数(例如TM模式)。因此，在这些示例中，优选地使外部施加的电场和光电系数具有不同的对准取向。
根据上述，本发明的目的是提供具有折射率为nc的交叉耦合材料的光电耦合开关，以确保两个波导之间良好的光限制。本发明的另一目的是提供具有折射率为nc的交叉耦合材料的光电耦合开关，以建立强光电调制系数。本发明的又一目的是为具有适当波导分离的光电开关设计结构，以实现强波导交叉耦合；同时通过在促进光传输进入或离开波导的交叉耦合材料中提供良好的光限制，使装置的光电效率最大化。本发明的还一目的是使交叉耦合材料(由交叉耦合材料的光电系数决定)的响应平面对准，使得尽可能平行于外部施加的电场E的通量线，从而优化设备的光电调制系数。本发明的另一目的是为光电耦合开关的制造提供多步过程。本发明的另一目的是提供光电耦合开关，其中均匀电场E通过夹在两个光波导之间的交叉耦合材料层限制并引导，并且其中电场强度正交于交叉材料层。本发明的另一目的是提供制造简单的易于使用以及相对成本有效的光电耦合开关
发明内容
根据本发明，垂直光电耦合开关包括第一波导和第二波导以及位于波导之间的交叉耦合材料层。第一波导和第二波导与位于其间的交叉耦合材料一起组合创建了下文有时被称为波导堆叠的构造。总之，电场E经交叉耦合材料建立。可进行E的改变(即切换电压Vπ)以改变交叉耦合材料的折射率nc(即:nc≡neo)。这里期望的结果是将光信号λ的传输从一个波导转换至另一个波导。交叉耦合材料的多个结构方面以及电场E的功能方面尤其重要。
为了本发明的目的，交叉耦合材料层应具有厚度d，且应该与波导的长度L延伸同样范围(coextensive)。如本发明设想的，第一波导的折射率nwg1等于或几乎等于第二波导的折射率nwg2(即nwg1≈nwg2)。通常，波导之间的距离d小于λ/nwg值(即d＜λ/nwg)。此外，波导宽度W被优化以改善光限制并减少光损失。
关于电场E，如上所述，它必须是强并且均匀的。此外，电场E的通量线被取向为基本垂直于位于波导之间的交叉耦合材料层。此外，电场E应该跨整个交叉耦合材料层被限制在波导之间，为此，具有折射率nf的填充材料被布置贴着波导之间的交叉耦合材料。
对于本发明的构造，交叉耦合材料的深度d、波导的长度L以及折射率nwg1、nwg2和nc，以及E的场强都需要被选择并且基于待传输的光信号的波长λ。如本发明设想的，当第一波导和第二波导也是聚合物时，交叉耦合材料可以是聚合物。当波导是氮氧化硅/二氧化硅材料时，交叉耦合材料可以也是聚合物。另一方面，如果波导是掺杂材料，那么，取决于使用的掺杂材料，交叉耦合材料可以是聚合物、PIN平面二极管结构半导体或PIN多量子阱半导体。
电压源连接到波导堆叠用于穿过交叉耦合材料选择性地建立均匀电场E。优选地，电场E通过填充材料被限制在交叉耦合材料中，所述填充材料包围第一波导和第二波导之间的交叉耦合材料。此外，且最重要的，电场E在交叉耦合材料各处取向使得垂直于交叉材料层。
电压源结合有电开关。具体地，这个开关是用于将切换电压Vπ施加至波导堆叠的装置。具体地，切换电压Vπ被用于选择性地改变交叉耦合材料的折射率nc。
在本发明的波导堆叠的优选实施例中，第一波导和第二波导由氮氧化硅/二氧化硅材料制成，并且交叉耦合材料是聚合物。对于此实施例，将电压Vπ施加到波导堆叠上的装置包括第一透明电接触器，所述第一透明电接触器与电压源连接且被位于第一波导和交叉耦合材料之间。也包括第二透明电接触器，所述第二透明电接触器与电压源连接且被位于第二波导和交叉耦合材料之间。在优选的实施例的变化中，第一波导、第二波导以及交叉耦合材料可以都由聚合物制成。
在本发明的第一可替代的实施例中，第一波导和第二波导每个都是由相同的、轻掺杂的导电材料制成，并且这两个波导分别地被定位为与电压源接触。具体地，第一波导和第二波导两者都是N掺杂的。将切换电压Vπ施加到波导堆叠的装置从而包括第一N+掺杂层，所述第一N+掺杂层被定位在第一N掺杂波导和电压源之间的电接触器中。类似地，第二N+掺杂层被定位在第二N掺杂波导和电压源之间的电接触器中，对于本发明的这个实施例，交叉耦合材料优选地是聚合物。
在本发明的第二可替代的实施例中，第一波导是P掺杂并且第二波导是N掺杂的。在这种情况中，将Vπ施加到波导堆叠的装置包括第一P+掺杂层，所述第一P+掺杂层被定位在第一P掺杂波导和电压源之间的电接触器中。此外，第二N+掺杂层被定位在第二N掺杂波导和电压源之间的电接触器中。对于这个第二可替代的实施例，交叉耦合材料可以是PIN平面二极管结构半导体或PIN多量子阱半导体。
为了本发明的操作，开关可以包括在第一波导的上游端处的第一输入端口，以及在第一波导的下游端处的第一输出端口。此外，开关可以包括在第二波导的下游端处的第二输出端口。利用这种布置，当输入光信号λ在第一输入端口处被接收时，其可以被通过切换电压Vπ选择性地路由到第二输出端口。作为本发明的附加功能，第二输入端口能够在第二波导上游端被使用。在这种情况中，当输入光信号λ′在第二输入端口处被接收时，其能够通过切换电压Vπ选择性地路由到第一输出端口。
根据本发明制造光电耦合开关的方法需要创建基础构件。具体地，基础构件将优选地是具有长度L，宽度Ws厚度T的矩形块。此外，基础构件限定了等距地位于基础构件的相对的两侧面之间并且沿着基础构件长度L方向的中分面。对于其构造，基础构件包括半导体衬底和轻掺杂的半导体材料层，绝缘体材料层位于半导体衬底和半导体材料层之间。
根据本发明的开关的制造，初始使用第一掩模在半导体层上执行第一蚀刻。结构上，第一掩模形成有中央切口以及彼此分离地位于中央切口两侧的一对矩形侧切口。中央切口和侧切口一起建立了一对平行的带条。在尺寸上，每个带条具有长度L以及同样的宽度Xw，这两个带条之间的距离是Xc。
在使用中，第一掩模被对准以覆盖基础构件的半导体层，两个平行的带条在中分面两侧对称地安置。当第一掩模就位，执行第一蚀刻以在三个不同区域从半导体材料层去除材料。具体地，一个区域沿长度L的方向并且经过关于中分面中央对称的距离Xc延伸。另外两个区域分别在第一区域两侧距第一区域Xw处。在这两个区域中，蚀刻沿着长度L的方向并且经过从基础构件的每个侧面朝向中分面延伸的距离Xe而进行。在所有3个区域中，蚀刻完成至同样的深度d1。
接下来，使用第二掩模以进一步蚀刻基础构件。具体地，第二掩模形成具有长度L和宽度Wc的单个矩形切口(其中Xc＜Wc＜Xc+2Xw)。在使用中，第二掩模被对准以覆盖基础构件，使得相对于中分面对称地安置该矩形切口。沿着长度L的方向经过距离Xc执行第二蚀刻，从基础构件上的半导体材料层去除材料至深度d2。该蚀刻有效地创建了狭槽，该狭槽暴露了由第一蚀刻和第二蚀刻创建的相对的两个波导之间的狭槽中的绝缘体材料。如本发明所期待的，每个波导具有至少Xw的宽度以及长度L。对于第一蚀刻和第二蚀刻，尺寸的考虑是d2＞d1，且Ws＝2Xe+2Xw+Xc。
使用第三掩模用于在每个波导以及其最终金属接触器之间的重半导体掺杂以降低开关串联电阻。具体地，第三掩模大致是一个具有长度L和宽度Ws-2Xd的面板。在使用中，第三掩模在基础构件上对称对准，以暴露基础构件的侧面部分，其中每个侧面部分具有宽度Xd(其中Xd＜Xe)并且分别距离狭槽相同的距离。第三掩模从而被使用以限定用于在半导体材料层中沉积重半导体掺杂物的区域。这个沉积在掩模后面的整个被暴露的半导体材料层并且在侧面部分中的基础构件的绝缘体材料之上进行。
一旦完成第一和第二蚀刻以及掺杂过程，重掺杂的半导体材料被制备在侧面部分中的绝缘体材料上，以创建相应的接触垫。在这种情况中，用于接触垫的重掺杂的半导体材料优选地是N+掺杂的并且半导体波导层优选地是轻N掺杂的。电极从而与每个接触垫连接。此外，波导之间的狭槽由聚合物材料填充，并且，如果需要，狭槽中的聚合物材料被极化以建立狭槽中的交叉耦合材料的可操作的光电系数。
如本发明所设想的，第一掩模、第二掩模和第三掩模每个都用光刻工艺制成。此外，第一蚀刻、第二蚀刻以及重掺杂沉积物每个都用本领域熟知的化学或者物理过程完成。
附图说明
本发明的新颖功能，以及本发明本身，两者无论是其结构还是其操作，将根据附图，连同所附的描述得到最好的理解，其中类似的参考符号指的是类似的部分，并且其中：
图1是用于传输光信号的系统的透视示意图，所述系统包括根据本发明的光电耦合开关；
图2是本发明的光电耦合开关的实施例沿图1中的线2-2观察的横截面视图；
图3是根据本发明的示意性开关沿图1中的线3-3观察的、示出本发明开关/调制功能的横截面视图；
图4是本发明的光电耦合开关的另一实施例沿图1中的线4-4观察的横截面视图；
图5是本发明的光电耦合开关的又一实施例沿图1中的线5-5观察的横截面视图；
图6是用于制造本发明的光电耦合开关的工作件的透视图；
图7A是图6中的工作件沿线7-7观察时的横截面，具有工作件在制造过程期间的配置；
图7B是图7中看到的工作件在制造之后并且为在可操作开关中后续的组装做好准备的视图；
图8是图7A和7B中看到涉及的工作件的交叉部分的顺序，所述顺序示出八个不同的制造步骤，在本发明的制造中分别从(1)编号至(8)；
图9A是用在本发明的制造中的第一掩模的俯视图；
图9B是用在本发明的制造中的第二掩模的俯视图；以及
图9C是用在本发明的制造中的第三掩模的俯视图。
具体实施方式
首先参照图1，根据本发明所示的光电耦合开关被示出并且一般地标记为10。如所示，开关10包括外壳12，所述外壳12用于保持和保护开关10的光电部件。此外，接入连接器14被提供以用于将光电部件(图1中未示出)与外部电压源16连接。队列控制18和路由控制20包括在电压源16中以当光信号λ穿过光电耦合开关10时，分别提供光信号λ的排序、路由以及调制。
再参照图1，可以看出外壳12包括输入端口22，所述输入端口22用于将光波导24与开关10光连接。相似地，输入端口26通过外壳12被提供，以用于将波导28与开关10光连接。应当理解光波导30和32将类似地与外壳12连接。
图2中，示出开关10的优选实施例的内部光电部件。将可看出，开关10包括波导34和波导36，所述波导34和波导36分别被包层38和包层40保护。更具体地，每个波导34和36都具有宽度W和长度L，并且它们彼此平行地垂直对准。此外，如所示的，开关10包括金属连接器42(例如：+V)和金属连接器44(例如：-V)，所述金属连接器42和金属连接器44分别与透明电接触器46和透明电接触器48相连。此外，交叉耦合材料50位于透明电接触器46和48之间。根据本发明，透明电接触器46和48与交叉耦合材料50直接接触，并且在各处彼此间隔距离d。此外，透明电接触器46和48被定位从交叉耦合材料50彼此相对。并且，它们每个都被定位在交叉耦合材料50和相应的波导34和36之间。此外，填充材料52被提供以电限制在透明电接触器46和48之间的交叉耦合材料50。
图2中示出的开关10的部件的组合中，所使用的多种材料的折射率差别是重要的。具体地，波导34(第一波导)的折射率nwg1等于或几乎等于波导36(第二波导)的折射率nwg2。对于本发明的目的，波导34和36的折射率将是一样的，或者几乎一样，nwg1≈nwg2。重要地，交叉耦合材料50的折射率nc(有时这里指的neo)需要远大于第一和第二波导34和36的各自的折射率nwg1和nwg2(即：nwg1＜＜nc＞＞nwg2)。如上所述，这个布置被做出以实现交叉耦合材料中的强波导交叉耦合，良好的光限制以及有效的光电调制，具有适当的波导分隔距离d。例如nc＝1.7，nwg＝1.57，并且d＝0.5μm，此外，填充材料52的折射率nf需要小于所有其他的(即nc＞＞nwg1,nwg2＞＞nf且nwg1≈nwg2)。
如所示，金属连接器42和金属连接器44分别与电压源16相连。因此，+V可以通过电压源16被提供到金属连接器42，以及-V可以被提供到金属连接器44。结果是切换电压ΔVπ可以被施加通过将改变其折射率nc的交叉耦合材料50。如本发明所期待的，当波导34和36也是聚合物时，或者当波导34和36由氮氧化硅/二氧化硅材料制成时，交叉耦合材料50可以是聚合物。
参照图3，开关10的操作应被最好的理解。可以看到：取决于切换电压Vπ的影响，光信号λ可以被引导到通路54(实箭头)或者通路56(虚箭头)上。这样的结果是切换电压Vπ可以被用于引导光信号λ，所述光信号λ通过输入端口22进入开关10，从波导36的输出端口58或者波导34的输出端口60离开开关10。
考虑到上述内容，通过返回图1，应当理解：路由控制20可以影响电压源16以选择性地建立切换电压Vπ。并从而产生电场E。重要地，当产生时，电场E是均匀的，场的通量线取向为基本垂直于波导34和36的长度L。如上所述，这里的目的是影响通过开关10的光信号λ的传输。
对于开关10的操作的示意性操作，返回参照图1。在这个示例中，认为光信号λIN-a是来自光波导24的输入，经由输入端口22进入波导36。也认为光信号λI′N-b是来自光波导28的输入，经由输入端口26进入波导38。对于本示例的目的，下标a指波导36，下标b指波导34。
交叉参照图1和图3，并且首先只考虑光信号λ。应当理解：没有切换电压Vπ就没有通过交叉耦合材料50的电场E，相应地，光波导24中的光信号λIN-a将经由输入端口22进入开关10，经过通路54上的开关10，并经由输出端口58(图3)离开开关10并作为光信号λOUT-a进入光波导30。另一方面，切换电压Vπ施加在交叉耦合材料50上，电场E穿过交叉耦合材料50被产生以改变交叉耦合材料的折射率nc(neo)。在这种情况中，光信号λIN-a将经过通路56上的开关10，并经由输出端口60(图3)离开开关10，并作为光信号λOUT-a进入光波导32。
类似地，当考虑光信号λ′时，应当理解没有切换电压Vπ，光信号λ′IN-b将从光波导28经由输入端口26进入开关10。光信号λ′IN-b将然后经过开关10并经由输出端口60(图3)离开开关10，并进入光波导32作为光信号λ′OUT-b。切换电压Vπ施加在交叉耦合材料50上，然而，光信号λ′IN-b将经过开关10以经由输出端口58(图3)离开开关10并进入光波导30作为光信号λ′OUT-a。
再参照图1，应当理解：开关10可以被用作开关或者调制器。此外，应当理解，队列控制18可以被用作选通以提供到开关10的光信号λ和λ′的交替或者顺序接入。应当被本领域技术人员理解，当开关10被用作调制器时，只需要一个连续波(CW)光输入端口22以及一个光输出端口(例如：输出端口58，图3)。
图4示出本发明的可替代的实施例，其中波导34和波导36每个都由相同的轻掺杂导电材料制成。如所示的，波导34和36各自被定位为与电压源16接触。对于本发明的一个可替代的实施例，波导34和波导36两者都是N掺杂的。相应地，施加切换电压Vπ的装置包括N+掺杂层62，所述N+掺杂层62被布置在N掺杂波导34与金属连接器44之间的电接触器中。类似地，N+掺杂层64被布置在N掺杂波导36与金属连接器42之间的电接触器中。优选地，对于本发明的这个可替代的实施例，交叉耦合材料50是聚合物。
图5示出本发明的另一可替代的实施例。其中波导34是P掺杂，并且波导36是N掺杂的。在这种情况中，施加Vπ的装置包括P+掺杂层66，所述P+掺杂层66被定位在P掺杂波导34和金属连接器44之间的电接触器中。此外，也包括N+掺杂层68，所述N+掺杂层68被定位在N掺杂波导36和金属连接器42之间的电接触器中。在这种情况中，交叉耦合材料50可以是PIN平面二极管结构半导体或PIN多量子阱半导体。
现在参照图6，描述制造根据本发明的光电耦合开关的方法。在图6中，应当理解：所述方法首先需要提供一般地标记为80的基础构件。如所示的，基础构件80包括半导体材料层82。此外，基础构件80包括绝缘体材料层84，所述绝缘体材料层84位于半导体材料层82和衬底86之间，所述衬底86也由半导体材料制成。为本发明的目的，用于层82的半导体材料可以是本领域熟知的任何种类，如硅或如InP、GaAs、GaN的化合物半导体，以及各种化合物半导体的量子阱组分。
在构造时，基础构件80具有长度L、宽度Ws和厚度T。基础构件80还有相对的侧面88a和88b，在基础构件80限定的中分面90的两侧。
作为本发明的方法概述，图7A示出半导体层82被重新构形以形成狭槽92，该狭槽92沿相对的波导94a和94b之间的中分面90被设置。注意，狭槽92的深度经半导体层82延伸以暴露绝缘体材料层84。再参照图7A，应理解，沿狭槽92的长度L，狭槽92具有宽度Xc，并且，波导94a和94b每个都有临近狭槽92的可操作地度Xw，以及从波导94a和94b向衬底构件80的侧面88a和88b延伸的延伸宽度Xe。
图7B示出半导体层82将被进一步配置以在基础构件80的侧面88a和88b处形成接触垫96a和96b。此外，金属电极98a和98b从而被布置为与相应的接触垫96a和96b电接触。此外，图7B示出狭槽92被交叉耦合材料100填充。为本发明的目的，交叉耦合材料100可以是对于本发明的具体目的的本领域熟知的任何种类的材料。优选地，交叉耦合材料100将是聚合物。考虑到上述内容，本发明的方法可以参照图8、图9A、9B和9C被最好地理解。
图8示出制造光电耦合开关的方法大体上是8个步骤的过程。在图8中，这些步骤被顺序地编号成(1)、(2)、(3)…(8)。如图8中所示，首先，基础构件80如上述被构造。然后，如图9A所示，第一掩模102被布置在半导体材料层82上，并且在层82上相对于中分面90基本对准。图9A中可最好的看出，第一掩模102形成有中央切口104和一对侧切口106a和106b，在中央切口104以及侧切口106a和侧切口106b之间是彼此间隔距离为Xc的两个平行带条108a和108b，图8(2)示出，第一掩模在层82上的位置示出，在第一蚀刻中，层82中的半导体材料被蚀刻至深度d1。这样创建了重新构形的形成有狭槽92的层82'。
图8(3)示出第一蚀刻之后，第二掩模110被布置在第一掩模102上。图9B示出此第二掩模110只形成有中央切口104'，对于本发明的目的，中央切口104'可以形成为具有宽度Wc，其中Xc＜Wc＜Xc+2Xw。在任何情况中，第二掩模110都旨在掩盖除了狭槽92的整个层82'。相应地，在第二蚀刻中，第二掩模110就位后，半导体材料层82'可以被进一步重新构形。具体地，如图8(3)所示，狭槽92中的半导体材料可以被去除达深度d2以暴露层84中的绝缘体材料。第二掩模110和第一掩模102可以从而被移除。
在下面的顺序步骤中，图8(4)示出第三掩模112被定位在半导体材料层82上以覆盖狭槽92和波导94a和94b的部分。对于本发明，第三掩模112大致是固体面板114(见图9C)。这有效地暴露了图8(4)中示出的侧面部分116a和116b。因此，层82的侧面部分116a和116b中的半导体材料可以在该处理中被重度地掺杂。如图8(5)所示，在侧面部分116a和116b掺杂之后，可以形成相应的接触垫96a和96b。如上所述，接触垫96a和96b优选地通过N+掺杂的半导体材料形成。
根据上述，随后如图8(6)所示，金属电极98a和98b可以被布置在相应的接触垫96a和96b上。图8(7)然后指示方法中的下一步骤是用诸如光电聚合物的交叉耦合材料100填充狭槽92。可理解，图8(8)所示的最后步骤为交叉耦合材料100(即光电聚合物)在狭槽92中被极化，使得以当光信号穿过波导94a和94b时优化交叉耦合光信号的电磁系数。
虽然本文示出的和详细描述的构造光调制器的具体的方法完全能够实现目的并且提供本文之前所述的优点，但是应当理解，其只是说明了本发明的优选的实施例并且除了在权利要求以外，本文示出的构造和设计的细节没有限制。
Claims (20)
1.一种光电耦合开关，包括：
基础构件，所述基础构件具有长度L、宽度Ws和厚度T，其中所述基础构件限定了中分面，所述中分面等距地位于所述基础构件的相对的侧面之间，并且其中所述基础构件包括半导体材料层和硅层，二氧化硅绝缘体层位于所述半导体材料层和所述硅层之间，以及，其中所述半导体材料被挖改，沿着所述长度L经过从所述基础构件的每个侧面向所述中分面延伸的距离Xe，从所述半导体材料挖去材料至深度d1，并且其中所述半导体材料还被挖改，沿着所述长度L经过关于所述中分面中央对称的距离Xc，从所述半导体材料挖去材料至深度d2，使得在所述半导体材料中形成的相对的波导之间建立经过所述半导体材料的狭槽，其中每个波导具有宽度Xw以及长度L，其中d2＞d1，并且Ws＝2Xe+2Xw+Xc；
聚合物交叉耦合材料，所述聚合物交叉耦合材料填充所述狭槽；
一对接触垫，其中每个接触垫从所述基础构件的每个侧面延伸经过距离Xd使得与相应波导连接，其中Xd＜Xe；以及
与相应接触垫连接的相应金属电极，用于选择性地为所述光电耦合开关提供来自电压源的切换电压Vπ。
2.根据权利要求1所述的开关，进一步包括电压源，所述电压源与所述金属电极和相应的接触垫连接，以选择性地为所述光电耦合开关提供切换电压Vπ。
3.根据权利要求1所述的开关，其中所述接触垫是重掺杂的(N+)，并且所述波导是轻掺杂的(N-)。
4.一种制造光电耦合开关的方法，包括步骤：
创建具有长度L、宽度Ws以及厚度T的基础构件，其中所述基础构件限定了等距地位于所述基础构件的相对的侧面之间的中分面，并且其中所述基础构件包括半导体衬底层和半导体材料层，绝缘体材料层位于所述半导体衬底层和所述半导体材料之间，以及；
执行第一蚀刻，其中沿着所述长度L经过从所述基础构件的每个侧面向所述中分面延伸的距离Xe，以及沿着所述长度L经过关于所述中分面中央对称的距离Xc，从所述基础构件上的所述半导体材料去除材料至深度d1；
执行第二蚀刻，其中沿着所述长度L经过所述距离Xc，从所述基础构件上的所述半导体材料去除材料至深度d2，使得在相对的波导之间建立狭槽以在该狭槽中暴露所述绝缘体材料，其中，每个波导具有至少Xw的宽度和长度L，其中d2＞d1，并且Ws＝2Xe+2Xw+Xc；
利用作为交叉耦合材料的聚合物填充所述狭槽；
从所述基础构件的每个侧面经过距离Xd掺杂所述半导体材料，使得沿所述基础构件的每个侧面建立相应的接触垫，用于每个接触垫与相应波导的连接，其中Xd＜Xe；以及
使金属电极与相应的接触垫互相连接，以选择性地为所述光电耦合开关提供来自电压源的切换电压Vπ。
5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括步骤：极化所述狭槽中的所述聚合物以优化所述交叉耦合材料的光电系数，使得适应穿过所述光电耦合开关的光信号。
6.根据权利要求5所述的方法，其中该极化步骤优化具有所述光信号的TE模式的所述光电系数的取向。
7.根据权利要求4所述的方法，进一步包括步骤：钝化所述半导体材料层。
8.根据权利要求4所述的方法，其中所述半导体材料选自下述：硅，化合物半导体InP、GaAs、GaN，和量子阱半导体。
9.根据权利要求4所述的方法，其中所述掺杂步骤进一步包括步骤：
在所述基础构件的每个侧面的相应侧面部分，沿着所述长度L经过所述距离xd至所述深度d2，在所述半导体材料层中执行第三掺杂过程，以创建与金属电极连接的相应接触垫；以及
N+掺杂所述接触垫以减小开关串联电阻。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括步骤：
提供用于所述第一蚀刻的第一掩模，其中所述第一掩模形成有中央切口和一对矩形侧切口，所述一对矩形侧切口分别位于所述中央切口的两侧，使得限定一对平行的带条，每个带条具有所述长度L和宽度Xw，这两个带条之间的距离为Xc；
对准所述第一掩模以覆盖所述基础构件，所述平行的带条被对称地安置以分别位于所述中分面的两侧；
提供用于所述第二蚀刻的第二掩模，其中所述第二掩模形成有单个矩形切口，所述单个矩形切口具有长度L，宽度Wc，其中Xc＜Wc＜Xc+2Xw；
对准第二掩模以覆盖所述基础构件，相对于所述中分面对称安置所述矩形切口；
提供用于所述重掺杂区域以减小开关串联电阻的第三掩模，其中所述第三掩模是具有长度L和宽度Ws-2Xd的面板；以及
在所述基础构件上对称地对准所述第三掩模以掺杂所述基础构件的所述侧面部分。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一掩模、所述第二掩模和所述第三掩模用光刻工艺制造。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一蚀刻和所述第二蚀刻用化学/物理过程实现。
13.一种制造光电耦合开关的方法，包括步骤：
提供基础构件，该基础构件具有半导材衬底和半导体材料层，绝缘体材料层位于所述半导材衬底和所述半导体材料层之间；
贴着所述半导体材料层安置第一掩模；
蚀刻在所述第一掩模后面的所述半导体材料层以去除所述半导体材料层至深度d1并且形成狭槽，相对的波导位于该狭槽两侧。
贴着所述相对的波导安置第二掩模；
蚀刻所述相对的波导之间的所述狭槽中的所述半导体材料层至深度d2以在该狭槽中暴露绝缘体材料，其中d2＞d1；
在所述狭槽上以及所述相对的波导上安置第三掩模，以暴露每个波导的侧面部分，其中每个侧面部分分别距所述狭槽相同的距离；
从所述狭槽掺杂所述半导体材料层中的每个波导的暴露部分至深度d2并且至所述波导外的侧面部分，以创建相应的接触垫；
将电极与每个接触垫连接；
利用聚合物材料填充所述狭槽；以及
极化所述狭槽中的所述聚合物材料。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述半导体材料层选自下述：硅，化合物半导体如InP、GaAs、GaN，和量子阱化合物半导体材料。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述半导体材料层是轻掺杂的N-材料并且所述接触垫是重N+掺杂材料以减小所述开关串联电阻。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述绝缘体材料是二氧化硅。
17.根据权利要求13所述的方法，其中在所述极化步骤中使用的所述聚合物材料是光电交叉耦合聚合物，并且所述极化步骤被实现以优化所述聚合物材料的所述光电系数的对准。
18.根据权利要求13所述的方法，其中所述基础构件是具有长度L、宽度Ws的矩形形状，并且其中所述基础构件限定了等距地位于所述基础构件的相对的侧面之间的中分面，所述方法进一步包括步骤：
形成第一掩模，其中所述第一掩模形成有中央切口以及一对矩形侧切口，其中所述侧切口分别位于所述中央切口的两侧，以限定一对平行的带条，每个带条具有所述长度L和宽度Xw，这两个带条之间的距离为Xc；
对准所述第一掩模以覆盖所述基础构件，所述平行的带条被对称地安置以分别位于所述中分面的两侧；并且
对准第一掩模以覆盖所述基础构件，所述平行的带条关于所述中分面对称地安置。
19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括步骤：
形成用于所述第二蚀刻的第二掩模，其中所述第二掩模形成有单个矩形切口，所述单个矩形切口具有长度L和宽度Wc，其中Xc＜Wc＜Xc+2Xw；以及
对准所述第二掩模以覆盖所述基础构件，所述矩形切口关于所述中分面对称地安置。
20.根据权利要求19所述的方法，进一步包括步骤：
形成第三掩模以重掺杂成所述接触垫，其中所述第三掩模是具有长度L和宽度Ws-2Xd的面板，以及
在所述基础构件上对称地对准所述第三掩模，以暴露所述基础构件的侧面部分。
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Cited By (1)
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| CN110865470A (zh) * | 2018-08-27 | 2020-03-06 | 日本朗美通株式会社 | 电光波导元件以及光模块 |
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2016
- 2016-09-08 CN CN201610811383.XA patent/CN106990562A/zh active Pending
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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