CN108459372B - 具有宽带宽和降低的功率损耗的光耦合设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有宽带宽和降低的功率损耗的光耦合设备。光子集成电路包括位于两个连续互连金属层之间的光耦合设备。光耦合设备包括第一光学部分，第一光学部分接收具有横向磁分量和在基模中的横向电分量的光学信号。第二光学部分将光信号的横向磁分量转换成处于高阶模中的转换的横向电分量。第三光学部分将横向电分量与转换的横向电分量分离，并将高阶模切换到基模。第四光学部分将横向电分量传输到一个波导，并将转换的横向电分量传输到另一波导。

Description

具有宽带宽和降低的功率损耗的光耦合设备

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年2月20日提交的法国专利申请No.1751328的优先权权益，其公开内容通过引用以其整体在法律允许的最大程度上并入本文。

技术领域

实现方式和实施例涉及集成光子电路，具体涉及诸如光纤的输入设备与这种类型的电路的耦合，最具体地涉及用于长距离传输信号的光纤的耦合。

背景技术

基于光纤的收发机允许长距离传输信号。它们通常使用频率复用，以便能够利用单个光纤传输/接收多个信号。因此，它们在宽频带中传输信号。

然而，现今的耦合设备通常是为适应受限的频率范围而定制的。

此外，在常规光纤中行进的光信号以随机的方式偏振，即，其电场的取向是随机的。此外，在集成电路的常规波导(即，矩形横截面的波导)中行进的光信号仅允许光信号在两个方向上的偏振。称为横向电(TE偏振)的第一方向被定义为与集成电路的层平行，例如在绝缘体上硅类型的技术中与掩埋绝缘层平行。称为横向磁(TM偏振)的第二方向被定义为与第一方向正交。某些光子硬件部件特别适合于以横向电方式偏振的信号，而其他光子硬件部件特别适合于以横向磁方式偏振的信号。其他硬件部件可以接收以任一方式偏振的信号。

存在用于将输入/输出设备耦合到集成电路的各种手段。

第一种解决方案在于将输入/输出设备耦合在集成电路的上表面上，并通过光栅型耦合器将信号传输到波导。

这种解决方案使得可以传输光信号的横向电分量以及经转换变为横向电分量的横向磁分量。然而，这种传输仅在非常小的光学带宽上实现。因此，可能会损耗光功率的不可忽略的部分(有时大于50％)。

第二种解决方案在于将输入/输出设备耦合在集成电路的侧面上，并且使得可以传输在横向电方向和横向磁方向上偏振的信号。

然而，现有的解决方案是昂贵的，因为它们需要实现特定的制作方法，并且它们不允许横向磁分量的足够限制，从而导致信号扩散到集成电路的载体衬底中并因此导致光功率损耗。

因此，期望限制横向磁分量扩散到载体衬底中。

发明内容

因此，根据一个实施例，提出了一种用于将输入设备耦合到集成电路并且允许传输宽带宽的信号的设备，其光功率损耗降低并且独立于信号的波长。

此外，该耦合设备可以通过常规制作方法生产。

根据一个方面，提出了一种光子集成电路，该光子集成电路包括：由包括多个金属层的互连区域覆盖的衬底，至少两个波导，以及位于所述互连区域的两个连续的金属层之间的至少一个耦合设备，并且该至少一个耦合设备包括：第一部分，被耦合到光子集成电路的侧面并被配置为接收入射光信号，所述信号包括横向磁分量和处于基模中的横向电分量；第二部分，被耦合到第一部分并被配置为将入射信号的横向磁分量转换成处于高阶模中的转换的横向电分量；第三部分，被配置为将此时处于基模中的横向电分量和此时处于高阶模中的转换的横向电分量分离，以便将转换的横向电分量切换到基模中；以及第四部分，被配置为将横向电分量和转换的横向电分量传输到所述至少两个波导。

因此，通过转换横向磁分量，避免了当集成电路的衬底是绝缘体上硅(SOI)类型的衬底时，由横向磁分量特别是在集成电路的掩埋绝缘层中的扩散引起的损耗，同时以转换的形式保持对应的功率。

此外，将转换的横向电分量切换到与基模不同的模式中，使得特别是可以防止信号的两个分量彼此干涉，这将导致功率损耗，或者甚至在最不利的情况下信号的抵消。

根据一个实施例，第一部分包括沟槽波导，沟道波导包括具有第一光学指数的第一上带、第一下带以及位于第一上带与第一下带之间的第一中间带，并且第一中间带具有比第一光学指数低的第二光学指数。

这使得可以有利地将横向磁分量限制在耦合设备的第一部分中，以便降低由信号在掩埋绝缘层中的扩散引起的功率损耗。

根据一个实施例，第一部分包括位于所述侧面的层级处的第一端部，并且第一下带和第一中间带具有比第一上带的长度大的长度，并且从第一端部延伸。第一上带从第一端部向前延伸非零的距离。

第一部分可以具有增加的宽度，并且可以包括位于所述侧面的层级处并具有第一宽度的第一端部，以及具有第二宽度的第二端部，第一宽度小于第二宽度。

这使得可以有利地以这样的方式渐进地定制光学指数，以便限制例如由信号的反射引起的光功率损耗。

根据一个实施例，第二部分包括偏振旋转器，该偏振旋转器包括第二上带、第二下带和第二中间带，第二上带和第二中间带形成第一上带和第一中间带从第一部分的第二端部的延长部分，并且具有减小的宽度，以便在第二部分的端部处获得比第二宽度小的宽度，并且第二下带形成第一下带从第一部分的第二端部的延长部分并且具有增加的宽度，以便在第二部分的端部处获得第三宽度。

可以选择第三宽度，使得转换的横向电分量处于一阶光学模式中。

根据一个实施例，第三部分包括并排制造的第三下带和侧带，第三下带形成第二下带的延长部分，并且包括宽度恒定的第一子部分，侧带具有恒定的宽度，第三部分被配置为实现转换的横向电分量的定向耦合，以便将转换的横向电分量切换到基模中。

根据一个变型，第三部分可以包括并排制造的第三下带和侧带，第三下带形成第二下带的延长部分并且包括宽度减小的第二子部分，侧带能够包括宽度增加的第三子部分，第二子部分和第三子部分彼此相对，并且第三部分被配置为实现转换的横向电分量的绝热耦合，以便将转换的横向电分量切换到基模中。

因此，对于宽频率范围内的信号而言，绝热耦合是可能的，从而使得可以独立于它们的频率而耦合光信号。

侧带的宽度可以被选择，使得转换的横向电分量可以在侧带中以基模行进。

第四部分可以被配置为将横向电分量传输到第一波导并将转换的横向电分量传输到第二波导。

这使得可以有利地保持两个分量的功率，特别是在其组合将产生干涉的情况下。

第四部分可以包括：第三下带的第一延长部分，平行于第一波导并且位于第一波导的上方，使得所述第一延长部分和第一波导适合于实现绝热耦合；以及侧带的第二延长部分，平行于第二波导并且位于第二波导的上方，使得所述第二延长部分和第二波导适合于实现绝热耦合。

中间带可以由氮化硅、二氧化硅或氮化铝制成，而其他带可以由非晶硅制成。

由于非晶硅支持高达500度的温度，并且由于在生产互连部分期间使用的温度不超过450度，这呈现允许将设备集成到互连部分中的优点。

此外，由于非晶硅的高的光学指数，这允许光学信号在设备中的更显著的限制。

附图说明

在细阅完全非限制的本发明的实施例的详细描述和所附附图后，本发明的其他优点和特征将变得明显，在附图中：

图1是光子集成电路的横截面图；

图2示意性地图示了根据一个实施例的耦合设备；

图3是沿着图2的截面线III-III的截面图；

图4是沿着图2的截面线IV-IV的截面图；

图5是沿着图2的截面线V-V的截面图；以及

图6图示了根据另一实施例的耦合设备。

具体实施方式

图1是根据一个实施例的光子集成电路的横截面图。

集成电路包括半导衬底或膜5，其包括各种有源硬件部件51和无源硬件部件50，半导衬底或膜5被制造在掩埋绝缘层9上，掩埋绝缘层9通常由本领域技术人员通过首字母缩略词BOX(“掩埋氧化物”)来指代，掩埋绝缘层9本身被制造在载体衬底(未表示)上。

半导衬底5被互连区域6覆盖(或BEOL，根据本领域技术人员众所周知的首字母缩略词的“后道工艺”)，互连区域6包括多个金属层60、61、62、63。

每个金属层包括被包封在绝缘材料或金属间介质(IMD)(在此是二氧化硅)中的一个或多个金属轨道601。金属轨道通过过孔602连接在一起并连接到有源硬件部件，并且使得可以确保衬底5中制造出各种有源硬件部件51之间的连接。

此外，每个金属层通过氮化硅保护层在其上表面和下表面的层级处被定界，使得可以避免金属轨道的金属在金属轨道制造期间扩散到二氧化硅中。

每个金属层在这里通常具有接近三百五十纳米的高度。

互连部分6包括在第一层60上的第一波导GO1和第二波导GO2(未在图1中表示)，第一波导GO1和第二波导GO2被制造在互连部分没有金属的区域RG1中。

第二金属层61在这里包括被制造在两个金属层61与62之间并从集成电路CI的侧面7延伸的耦合设备DIS。

术语“两个金属层之间”在本文中应当被理解为“位于包含连续的两个金属层的金属轨道的下表面的平面之间”。

因此，设备DIS在这里位于金属层61与金属层62之间。在一个变型中，它同样可以适当地被制造在所有其他连续的金属层之间，而不影响操作。

应当注意，尽管为了简化起见，第一波导GO1被表示为垂直于图1的平面延伸，而设备DIS被表示为平行于图1的平面延伸，但是实际上这两个元件可以沿着平行的方向延伸。

耦合设备DIS被配置为接收例如起源于输入/输出设备(例如光纤)的光信号SIG，并将其传输到波导GO1和GO2。

图2以示意性的方式图示了根据一个实施例的耦合设备DIS。

设备DIS包括：

-第一部分P1，被配置为接收信号SIG，

-第二部分P2，被配置为将信号SIG的横向磁分量转换成转换的横向电分量，

-第三部分P3，被配置为将横向电分量和转换的横向电分量分离，以便将转换的横向电分量切换到基模中，

-第四部分P4，被配置为将横向电分量和转换的横向电分量传输到两个波导GO1和GO2。

图3是图2沿着截面轴线III-III的截面图，如图2和图3所示，设备DIS的第一部分P1包括沟道波导1，即，包括第一下带12、第一中间带11和第一上带10的堆叠的波导。

第一下带12和第一上带10在这里是各具有80纳米厚度的非晶硅的带。

第一中间带11在这里是具有40纳米的厚度的氮化硅带。作为变型，可以具有由二氧化硅或氮化铝制成的中间带。

第一中间带11与第一上带10和第一下带12之间的厚度差以及非晶硅与氮化硅之间的光学指数之差允许行进在沟道波导1中的光信号SIG的横向磁分量比信号行进在常规波导中更为受限。

这使得可以有利地限制光信号向掩埋绝缘层的扩散，并且因此限制光学损耗。

该第一部分P1的配置通过指示的方式给出，第一上带10和第一下带12的厚度能够处于15纳米与一百二十纳米之间，而第一中间带11的厚度能够处于二十纳米与八十纳米之间。

然而，为了优化光信号在沟道波导中的限制，中间带层的厚度与上带层和下带层的厚度之间遵从一定比率是有利的。本领域技术人员将知道根据所设想的应用来选择这一比率。也就是说，通过指示的方式，这一比率可以是0.5的量级。

第一下带12在这里包括在集成电路CI的侧面7的层级处的第一端部23，而上带10和中间带11相对于第一下带12呈现偏移D，并且因此不具有在侧面7的层级处的端部。

在这里，偏移D是二十五微米，但是作为变型可以处于零与五十微米之间。

偏移的存在使得可以有利地改善光耦合。

在该实施例中，沟道波导1的宽度在增加。

波导1在第一部分的第一端部13处具有等于八十纳米的第一宽度W1，并且在第一部分的第二端部14处具有等于五百纳米的第二宽度W2，第一端部13位于集成电路的侧面7的层级处。

这种结构允许将光信号更好地传输到耦合设备DIS，并因此限制光学损耗。

通过指示的方式，第一宽度W1可以处于六十纳米与二百纳米之间，而第二宽度W2可以处于二百纳米与一千五百纳米之间。

在特定情况下，设备2的第一部分的宽度可以是恒定的，那么第一宽度W1和第二宽度W2等于二百纳米。

图4是第二部分沿着图2的截面线IV-IV的截面图，第二部分包括偏振旋转器2，偏振旋转器2被配置为将光信号SIG的横向磁分量转换成转换的横向电分量。

旋转器2包括第二上带20、第二中间带21和第二下带22，它们分别是第一上带10、第一中间带11和第一下带12的延长部分。

因此，第一部分的第二端部14和第二部分的第一端部融合，并且在附图中由相同的附图标记14表示。

第二上带20和第二中间带21具有减小的宽度，以便在第二部分P2的第二端部23处获得八十纳米的宽度。通过指示的方式，这一宽度可以处于六十纳米与二百纳米之间。

第二下带22具有增加的宽度，以便在第二部分P2的第二端部23处获得第三宽度W3，例如在这里一微米的宽度。通过指示的方式，第三宽度W3可以处于二百纳米与一千五百纳米之间。

因此，有效光学指数，即，设备DIS的光信号SIG在其中行进的那个区域的平均光学指数(换言之，由信号SIG看到的光学指数)沿着第二部分P2变化，使得信号的横向磁分量进行旋转以便被转换成横向电分量。

因此，避免了横向磁分量在集成电路中的传播，并且因此也避免了由其在掩埋绝缘层中的扩散而引起的损耗，同时由于它以转换的横向电形式传播而保留了对应的光功率。

在这里，第二部分P2的尺寸被选择使得转换的横向电分量不处于其基模中，以便不与初始的横向电分量互相干涉。在这里，转换的横向电分量处于一阶模中。

更准确地说，为了将信号从其基模切换到高阶模，传播信号的波导的几何形状需要沿着波导变化，使得在该波导中的信号的基模和高阶模的有效指数相对应。

第三部分P3包括形成第二下带22的延长部分的第三下带32，以及在这里在四百纳米的距离处被制造在第三下带旁边的侧带30。

第三下带32包括宽度恒定的第一子部分33和宽度减小的中间子部分36，以便获得四百五十五纳米的第四宽度W4。该中间部分36使得可以回到更适于信号传播的宽度。

侧带30的宽度是恒定的并且等于第四宽度W4。

因此，第一部分33和侧带被配置为实现定向耦合。

在这里，第一子部分33的长度被选择为足够短，从而能够从第三下带32到侧带30发生一次定向耦合，而不能够在相反的方向上再发生一次定向耦合。

因此，第三部分被配置为实现转换的横向电分量在第三下带32与侧带30之间的定向耦合。

侧带的尺寸使得转换后的横向电分量在侧带中以其基模行进。

图5图示了第四部分P4沿着图2的截面线V-V的截面图，第四部分P4包括侧带30和第三下带32延长到第四部分中的延长部分，其分别形成各自部分地在不同的波导上方延伸的第一延长部分41和第二延长部分42。

在这里，第二延长部分42在第二波导GO2上方在第四部分P4中延伸，并且第一延伸部分41在第一波导GO1上方在第四部分P4中延伸，例如在二百微米的长度上延伸。

因此，可以将横向电分量传输到第一波导GO1，并且将转换的横向电分量传输到第二波导GO2，并且在不同的光子电路中使用这些光功率。

因此规避了横向电分量和转换的横向电分量的组合，由于两个分量之间的干涉，两个分量的组合可以导致光功率损失。

分隔延长部分41和42与两个波导GO1和GO2的垂直距离在这里是二百六十纳米，而分隔两个延长部分的水平距离在十微米的量级。

选择这两个距离，以便能够实现在延长部分41和42中行进的信号向波导GO1和GO2的绝热耦合。

此外，为此，延长部分41和42呈现减小的宽度，以便在其相应的端部43和44处各自具有八十纳米的宽度。

因此，耦合设备使得可以最小化光损耗，并且耦合设备可以通过常规方法来生产，因为其尺寸(在这里为二百纳米的高度)不涉及修改电路的其他元件的尺寸，特别是金属层的尺寸。

此外，通过将磁分量转换成横向电分量，规避了在保全两个分量的功率的同时生产与每个分量兼容的硬件部件的需要。

图6图示了第三下带不包括中间子部分而包括宽度减小的第二子部分34的实施例，并且第三部分P3的侧带30包括宽度增加的第三子部分35，第三子部分35位于与第二子部分34相对的位置。在这里，第三子部分35从80纳米的初始宽度W5变化到第四宽度W4。

有利地，这允许在比先前结合图2所描述的定向耦合的情况下更宽的频带中实现信号在第三下带与侧带之间的绝热耦合。

实际上，根据光信号的频率，耦合或早或晚都将在第三部分P3中发生，并且将仅能够只在一个方向上发生。

因此，耦合设备独立于信号的频率。

Claims (13)

1.一种光子集成电路，包括：

衬底，由包括多个金属层的互连区域覆盖；

至少两个波导；以及

至少一个耦合设备，位于所述互连区域的两个连续的金属层之间；

其中所述至少一个耦合设备包括：

第一部分，被耦合到所述光子集成电路的侧面并且被配置为接收入射光信号，所述入射光信号包括横向磁分量和处于基模中的横向电分量，其中所述第一部分包括沟道波导，所述沟道波导包括：均具有第一光学指数的第一上带和第一下带，以及第一中间带，所述第一中间带位于所述第一上带与所述第一下带之间并且具有比所述第一光学指数低的第二光学指数，其中所述第一部分包括位于所述侧面的层级处的第一端部，并且所述第一下带和所述第一中间带具有比所述第一上带的长度大的长度并且从所述第一端部延伸，所述第一上带从所述第一端部进一步延伸非零的距离，

第二部分，被耦合到所述第一部分并且被配置为将所述入射光信号的所述横向磁分量转换成处于高阶模中的转换的横向电分量，

第三部分，被配置为将所述横向电分量和所述转换的横向电分量分离，以便将所述转换的横向电分量切换到基模中，以及

第四部分，被配置为将所述横向电分量和所述转换的横向电分量传输到所述至少两个波导。

2.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述第一部分具有增加的宽度，并且包括位于所述侧面的层级处并具有第一宽度的第一端部，以及具有第二宽度的第二端部，所述第一宽度小于所述第二宽度。

3.根据权利要求2所述的集成电路，其中所述第二部分包括偏振旋转器，所述偏振旋转器包括第二上带、第二下带和第二中间带，所述第二上带和所述第二中间带形成所述第一上带和所述第一中间带从所述第一部分的所述第二端部的延长部分，并且具有减小的宽度，以便在所述第二部分的端部处获得比所述第二宽度小的宽度，并且所述第二下带形成所述第一下带从所述第一部分的所述第二端部的延长部分并具有增加的宽度，以便在所述第二部分的所述端部处获得第三宽度。

4.根据权利要求3所述的集成电路，其中所述第三宽度的值使得所述转换的横向电分量处于一阶光学模式中。

5.根据权利要求3所述的集成电路，其中所述第三部分包括并排制造的第三下带和侧带，所述第三下带形成所述第二下带的延长部分并且包括宽度恒定的第一子部分，所述侧带具有恒定的宽度，所述第三部分被配置为实现所述转换的横向电分量的定向耦合，以便将所述转换的横向电分量切换到基模中。

6.根据权利要求3所述的集成电路，其中所述第三部分包括并排制造的第三下带和侧带，所述第三下带形成所述第二下带的延长部分并且包括宽度减小的第二子部分，所述侧带包括宽度增加的第三子部分，所述第二子部分和所述第三子部分彼此相对，并且所述第三部分被配置为实现所述转换的横向电分量的绝热耦合，以便将所述转换的横向电分量切换到所述基模中。

7.根据权利要求6所述的集成电路，其中所述侧带的宽度允许所述转换的横向电分量在所述侧带中以所述基模行进。

8.根据权利要求5所述的集成电路，其中所述第四部分被配置为将所述横向电分量传输到第一波导，并且将所述转换的横向电分量传输到第二波导。

9.根据权利要求8所述的集成电路，其中所述第四部分包括：

所述第三下带的第一延长部分，平行于所述第一波导并且位于所述第一波导的上方，使得绝热耦合发生在所述第一延长部分与所述第一波导之间；以及

所述侧带的第二延长部分，平行于所述第二波导并且位于所述第二波导的上方，使得绝热耦合发生在所述第二延长部分与所述第二波导之间。

10.根据权利要求9所述的集成电路，其中中间带由选自由氮化硅、二氧化硅或氮化铝组成的组中的材料制成，并且其中其他带由非晶硅制成。

11.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述第一部分包括沟槽波导。

12.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述第二部分包括偏振旋转器。

13.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述第三部分包括定向耦合器。

Images