CN109690375A - 具有背侧凹部的光学环形谐振器结构 - Google Patents

具有背侧凹部的光学环形谐振器结构 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种在装置上设置有背侧凹部的光学环形谐振器结构。该装置包括：基板，具有装置侧和与装置侧相对的背侧；光学环形谐振器，位于该基板的该装置侧；加热器，其形状与光学环形谐振器互补，加热器定位成用于加热光学环形谐振器；一条或多条金属走线，至少连接到加热器，该一条或多条金属走线构造成向加热器提供能量并从加热器向外延伸。该装置还包括在该基板背侧上的凹部，该凹部以该光学环形谐振器为中心，并且其直径分别大于该光学环形谐振器和该加热器的外径，该凹部进一步横向延伸进入该一条或多条金属走线的区域中。

Description

具有背侧凹部的光学环形谐振器结构
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年9月9日提交的、申请号为No.62/385,498的美国临时申请的优先权，其内容通过引用结合于此。
发明领域
本申请一般涉及电信装置，具体地，涉及具有背侧凹部的光学环形谐振器结构。
背景技术
光学环形谐振器的谐振频率通过使用集成加热器来实现稳定，其中该集成加热器将光学环形谐振器加热到给定温度。然而，各种机构导致热量流出光学环形谐振器的区域，包括流入基板的热量，其通过沿着金属走线向加热器和用于控制光学环形谐振器处的调制的任何电压控制装置的热流而进一步加剧。已经使用各种技术来定位在光学环形谐振器处由加热器产生的热量，例如沿着装置的侧面蚀刻到基板中，以及在装置下面，然而这种技术难以实现，并且其需要掩蔽光学环形谐振器、相关装置和金属走线，以及对光学环形谐振器下蚀刻非常小心的控制，以便确保足够的产量。
发明内容
本申请提供了一种装置，其包括：在基板的装置侧上的光学环形谐振器结构，具有在装置的背侧上的相应的凹部，凹部以光学环形谐振器为中心，并且具有比光学环形谐振器的外径和加热器的外径更大的直径，凹部进一步横向延伸进入至少连接到加热器的一条或多条金属走线的区域中。因此，在光学环形谐振器结构的区域中，在凹部的与基板的装置侧相邻的一侧之间存在材料层，并且光学环形谐振器结构位于其上。该材料层可以包括基板上的绝缘体(例如氧化物)和/或基板材料。因此，至少与缺少这种凹部的光学环形谐振器结构相比，光学环形结构借助于该凹部与基板热隔离，并且其中基板用作散热器。此外，凹部比光学环形谐振器结构周围的侧蚀刻更容易实现，并且可以造成相对较少的蚀刻错误，这可以使得产量整体增加。可以使用与穿硅通孔相关的技术来蚀刻凹部，但是凹部不是穿过基板，并且基板不是必须为硅。通常，凹部的直径可以比光学环形谐振器的外径和加热器的外径都大至少50微米，并且凹部的直径还可以进行选择从而使得连接到加热器的一条或多条金属走线的分数热提取贡献(fraction heat extraction contribution)低于约10％；然而，凹部的直径可以比这个小，只要凹部横向延伸进入至少连接到加热器的一条或多条金属走线的区域中即可。换句话说，热量通过金属走线可以流出光学环形谐振器结构，金属走线由于其下方的凹部也至少部分地隔热，通过金属走线的热提取总贡献可以减少。
在本说明书中，各元件可被描述为“被配置为”执行一个或多个功能或“被配置用于”这样的功能。通常，被配置为执行或配置用于执行功能的元件使得能够执行该功能，或者适合于执行该功能，或者适用于执行该功能，或者可操作以执行该功能，或者能够执行该功能。
此外，应当理解的是，在本说明书中，根据上下文，某些元件可被描述为物理地、电子地或其任何组合的连接。通常，电连接的组件被配置为通过电信号进行通信(即，它们能够通信)。根据上下文，物理耦合和/或物理连接的两个组件可以表现为单个元件。在一些情况下，物理连接的元件可以整体形成，例如，可以共享结构和材料的单件制品的一部分。在其他情况下，物理连接的元件可以包括能够以任何方式紧固在一起的分立部件。物理连接还可以包括紧固在一起的分立部件的组合，以及形成为单件的各部件。
应当理解，为了本说明书的目的，“X，Y和Z中的至少一个”和“X，Y和Z中的一个或多个”的语言可以被解释为仅X、仅Y、仅Z，或者X，Y和Z的两个或更多个的任意组合(例如，XYZ，XY，YZ，XZ等)。任何出现的“至少一个......”和“一个或多个......”表述中，类似的逻辑可以应用于两个或更多个项目。
术语“约”、“大概”、“基本上”、“近似”等被定义为“接近”，例如，如本领域技术人员所理解的。在一些实施方式中，该术语被理解为“在10％以内”，在其它实施方式中，该术语被理解为“在5％以内”，在又一些实施方式中，该术语被理解为“在1％以内”，并且在又进一步的实施方式中，该术语被理解为“在0.5％以内”。
本申请的一方面提供了一种装置，包括：基板，具有装置侧和与装置侧相对的背侧；光学环形谐振器，位于该基板的该装置侧；加热器，其形状与光学环形谐振器互补，加热器定位成用于加热光学环形谐振器；一条或多条金属走线，至少连接到加热器，该一条或多条金属走线构造成向加热器提供能量并从加热器向外延伸；和，在该基板背侧上的凹部，该凹部以该光学环形谐振器为中心，并且其直径分别大于该光学环形谐振器的外径和该加热器的外径，该凹部进一步横向延伸进入该一条或多条金属走线的区域中。
该装置还可以包括：一个或多个电极，被配置为向该光学环形谐振器提供电压，该一个或多个电极具有比该光学环形谐振器更大的外径；和一条或多条另外的金属走线，其连接到该一个或多个电极并从该一个或多个电极向外延伸，该凹部的直径比该一个或多个电极的外径更大，并且该凹部进一步横向延伸进入该一条或多条另外的金属走线的区域中。
该基板可以包括硅基板。
该加热器可以具有与光学环形谐振器互补的形状。
该装置还可以包括：封装该光学环形谐振器和该加热器的绝缘体材料。
该装置还可以包括：材料层，位于该凹部的邻近该基板的该装置侧的一侧。该材料层的厚度可以在约2微米至约3微米的范围内。该材料层可以包括绝缘体材料。该材料层可以包括氧化物材料。
该凹部的直径可以比光学环形谐振器的外径和该加热器的外径大至少50微米。
该凹部的直径可以使得该一条或多条金属走线的分数热提取贡献低于10％。
该光学环形谐振器可以位于该基板的装置侧与该加热器之间。
该凹部可以包括部分穿硅通孔。
该装置还可以包括：多个光学环形谐振器，多个加热器，和多条金属走线，所有这些都成一一对应的关系，并且设置在该设基板的该装置侧；和，在该基板的该背侧的多个凹部，其与该多个光学环形谐振器成一一对应的关系。该装置还可以包括：该多个光学环形谐振器之间的间隔，使其间的热流最小化。
附图说明
为了更好地理解本文所述的各种实施方式并且更清楚地展示它们如何实施生效，下面将通过实例的方式来参照附图进行说明，其中：
图1示出了根据非限制性实施方式的装置的装置侧透视图，其中该装置包括具有背侧凹部的光学环形谐振器结构。
图2示出了图1的装置通过线A-A的横截面，然而根据非限制性实施方式，金属走线的描绘与图1不同，以展示其不同的配置。
图3示出了根据非限制性实施方式的图1和2的装置的简化热模型。
图4示出了根据非限制性实施方式的装置的部分横截面，其中该装置包括多个光学环形谐振器结构和一一对应的多个相关联的背侧凹部。
具体实施方式
如图1和图2所示，其分别示出了装置101的示意性装置侧视图，以及装置101通过线A-A的示意性横截面。装置101包括：具有装置侧105和与装置侧105相对的背侧107的基板103；位于基板103的装置侧105上的光学环形谐振器109；定位成用于加热光学环形谐振器109的加热器111；至少连接到加热器111的一个或多个金属走线113，其构造成向加热器111提供能量并从加热器111向外延伸；以及，在基板103的背侧107上的凹部117，凹部117以光学环形谐振器109为中心，且其具有比光学环形谐振器109和加热器111的各自外径更大的直径，凹部117进一步横向延伸进入一个或多个金属走线113的区域。如图所示，装置101还包括一个或多个电极119，其被配置为向光学环形谐振器109提供电压，并且一个或多个电极119具有比光学环形谐振器109更大的外径；以及，一个或多个另外的金属走线121，其连接到一个或多个电极119并从一个或多个电极119向外延伸，凹部117具有比一个或多个电极119外径更大的直径，且凹部117进一步横向延伸进入一个或多个另外的金属走线121的区域。
如图所示，装置101还包括绝缘体材料123，例如氧化物材料，封装装置101，包括光学环形谐振器109、加热器111、以及一个或多个电极119和金属走线113，121。另外，绝缘体材料的层125通常位于光学环形谐振器109和凹部117和/或基板103之间。例如，在一些实施方式中，基板103可以包括硅基板，且绝缘体材料123可以包括氧化硅，其中光学环形谐振器109和基板103之间的绝缘体的至少层125是热氧化硅，而绝缘体材料123的其余部分可以使用任何合适的沉积技术进行沉积，包括但不限于物理气相沉积技术、化学气相沉积技术以及其组合等。实际上，任何合适的制造装置101的方法都在本实施方式的范围内。例如，在一些实施方式中，装置101可以由绝缘体上硅(SOI)基板制造，其中光学环形谐振器109由SOI基板的硅层形成，并且绝缘体的层125包括SOI基板的绝缘体层。然而，在形成装置101的其他部件之前，可以将层125沉积在基板103上。
加热器111和一个或多个电极119均被示意性地示出；例如，加热器111和一个或多个电极119被示出为相对于光学环形谐振器109位于特定位置和/或位于相应光学环形谐振器109的所示平面附近的一个或多个平面中。例如，加热器111被示出为在光学环形谐振器109“之上”(例如，在图2的页面之外)，并且一个或多个电极119被示出为在光学环形谐振器109之外，但是它们的实际位置可以改变。
实际上，可以理解，加热器111和一个或多个电极119都是包括光学环形谐振器109的光学环形谐振结构的组件；通常，加热器111用于将光学环形谐振器109调谐到给定的相应频率，而一个或多个电极119用于在两个不同值之间改变光学环形谐振器109的光学特性，以进而调制由光学环形谐振器109调谐的各个光学信号。如图所示，加热器111具有与光学环形谐振器109互补的形状：两者都是环形的，用于均匀加热光学环形谐振器109。此外，如图所示，一个或多个电极119通过使用一条或多条走线126与光学环形谐振器109电连通，其中一条或多条走线126可以包括类似于光学环形谐振器109和/或一个或多个电极119的材料。特别地，当光学环形谐振器109包括硅时，一条或多条走线126中的每一条也可以包括硅。在一些实施方式中，光学环形谐振器109可以为约220nm厚，而一条或多条走线126可以为约90nm厚；实际上，一条或多条走线126的尺寸选择为其不会在光学上干扰光学环形谐振器109的功能。
然而，在一些实施方式中，一个或多个电极119(以及，类似地，一条或多条走线126)可以为可选的，例如在一些实施方式中仅使用加热器111来调谐和/或控制光学环形谐振器109。
无论哪种方式，金属走线113，121从装置101延伸到电接口(未示出)，在该电接口处金属走线113，121可以与电驱动器芯片等连接，其提供电力和/或电信号至金属走线113，121，并随后至加热器111和一个或多个电极119。
此外，图1和图2中示出的金属走线113，121的位置仅仅是示例性的，并且为清楚起见，其在图1和图2中的每一个中以不同方式示出，展示以不同的配置。例如，在图1中，金属走线113，121彼此并排示出，在图2中，金属走线113，121彼此叠加示出，以表示它们分别存在。在实际中，可以使用这两种配置以及其他配置。金属走线113，121也被示出为从装置101的相对侧延伸，然而，在一些实施方式中，金属走线113，121也可以仅从装置101的一侧延伸。金属走线113，121的配置通常兼容于加热器111和一个或多个电极119的配置。例如，为了清楚起见，虽然仅示出了一个电极119，但是可以使用两个电极来控制光学环形谐振器109上的电压，因此可以以一一对应的关系为两个电极中的每一个提供金属走线113。
还应该注意到，如图1是装置101的装置侧透视图，并且光学环形谐振器109位于加热器111和基板103之间，在图1中，光学环形谐振器109的轮廓描绘为表示光学环形谐振器109位于加热器111“下方”。
另外，在图2中，基板103的侧面被描绘为断开以表明基板103可以横向向外延伸。
可以使用任何合适的技术形成凹部117，例如在制造装置101的其余部分之后。应当理解，如图所示，凹部117不穿过基板103，但是凹部117可以包括部分穿硅通孔，假设基板103包括硅。换句话说，与穿硅通孔相关的蚀刻技术可用于形成凹部117；当基板103包括硅以外的其他材料时，可以使用类似的蚀刻技术来形成针对基板103的材料调整的凹部117。
此外，应当理解，凹部117指的是在基板103的背侧107处不存在材料，并且术语凹部可以与腔、凹口、中空、槽、凹陷、凹槽等中的一个或多个互换。无论如何，从背侧107移除基板103的一部分以形成凹部117，在凹部117的邻近基板103的装置侧105的侧面127处留出材料的层125。
特别地，层125可以用作这种蚀刻的蚀刻停止处；特别地，可以使用光刻技术等来选择基板103的背侧107的区域以用于蚀刻，并且层125用作蚀刻停止处。通常，层125可以在约2微米至约3微米厚的范围内，使得装置101的其他部件位于约2微米至约3微米的绝缘体材料层上，例如氧化物。在特定实施方式中，可以通过抛光基板103的背侧107将基板103变薄至约500微米。可以使用光刻技术来在背侧107上的掩模层中形成孔，并且可以使用蚀刻工艺(其可包括但不限于可以使用化学蚀刻、干等离子体蚀刻等)来蚀刻凹部117至层125，层125用作蚀刻停止处。在这些实施方式中，装置101的组件的其余组件位于绝缘体材料的约2微米至约3微米的层上，而下面没有其他基板材料。由于绝缘体材料123的其余部分也可以在约2微米至约3微米的范围内，绝缘体材料123的总厚度可以在约4微米至约6微米的范围内。虽然层125可以是与绝缘体材料123的其余部分类似的材料，但是层125由图2中的点画线表示，以示出层125的位置并将层125与绝缘体材料123的其余部分区分开。
然而，在其他实施方式中，可以在到达绝缘体层125之前停止蚀刻凹部117，例如通过控制蚀刻时间；因此，可以选择层125的厚度(在这些实施方式中，其可以包括基板材料的层)，使其可以平衡光学环形谐振器109的热隔离和装置101的物理完整性。
此外，凹部117可以具有与光学环形谐振器109互补的形状。例如，当光学环形谐振器109为环形时，凹部117的横截面可以是圆形的(例如圆柱形的)。无论哪种方式，凹部117至少部分地延伸进入金属走线113的区域中，并且如果存在的话，延伸进入金属走线121的区域中。在一些实施方式中，凹部117的直径比光学环形谐振器109和加热器111的各自外径都大至少50微米，和/或其直径比一个或多个电极119的相应外径大至少50微米。具体地，凹部117的直径可以比光学环形谐振器109、加热器111和一个或多个电极119(若存在的话)的最大外径大至少50微米，以确保所有光学环形谐振器109、加热器111和一个或多个电极119(若存在的话)的热隔离。然而，凹部117不一定必须是圆柱形的，只要凹部117横向延伸进入一个或多个金属走线113,121的区域中即可。
实际上，使用热建模技术和/或启发式技术和/或通过实验，选择凹部117的直径和/或尺寸，使得一个或多个金属走线113,121的分数热提取贡献低于约10％。
例如，如图3所示，其示出了装置101的简化热模型300。图3中示出的电阻被认为是热阻。加热器111、光学环形谐振器109和一个或多个电极119中的每一个在热模型300中的位置由其温度表示。例如，温度THeater对应于加热器111的温度和模型300内的加热器111的位置，TRing对应于光学环形谐振器109的温度和模型300内的光学环形谐振器109的位置，以及温度TElectrode对应于一个或多个电极119的温度和模型300内的一个或多个电极119的位置。一个或多个电极119表示为散热器302，因为与加热器111和/或光学环形谐振器109相比，一个或多个电极119可以在热方面是“大”的。此外，基板103由热接地304表示。
特别地，例如在控制器(未示出)的控制下，通过能源/热源QT向加热器111供热，以将加热器111加热到温度THeater。来自加热器111的热量流向光学环形谐振器109，使光学环形谐振器109的温度达到TRing，热量流过分离加热器111和光学环形谐振器109的绝缘体材料123；因此，其间的绝缘体材料123的热阻在热模型300中表示为热阻305。然而，一些来自加热器111的热量和来自光学环形谐振器109的热量也经由分离加热器111和一个或多个电极119的绝缘体材料123流入一个或多个电极119中；因此，分离光学环形谐振器109和一个或多个电极119的绝缘体材料123分别由热阻器307,309表示。此外，例如通过层125，如热阻311所示，热量从光学环形谐振器103流入基板103；并且，通过金属走线113,121，热量从加热器111流出并从一个或多个电极119流出，然后流入基板103，如热阻313所示。
在一些实施方式中，装置101中不存在一个或多个电极119，此时，移除和/或减少散热器302，并且热阻307,309和313彼此短路。
无论哪种方式，在装置101中，凹部117(由热阻311表示)减少了从光学环形谐振器109进入基板103的热流。例如，在现有技术中，在不存在凹部117的情况下，热阻311由短路至热接地304来代替，使得热量从光学环形谐振器109直接流入热接地304。因此，通过在基板103的背侧107上形成凹部117，可以将热量定位在光学环形谐振器109处，其可以减少装置101中使用的总能量以使光学环形谐振器109达到给定温度。
当一些热量继续经由金属导线113,121流入基板103时，凹部117也横向地延伸进入金属走线113,121的区域中，以增加金属走线113,121和基板103之间的热阻。换句话说，凹部117越是延伸进入金属走线113,121的区域中，热阻313便越大。因此，可以选择凹部117的直径等，以使一个或多个金属走线的分数热提取贡献低于约10％。
在一些实施方式中，装置101可以为共同基板上的多个类似装置中的一者。例如，如图4所示，其示出了包括多个装置401的装置400的部分横截面，其中每个装置401类似于装置101，且每个装置401包括在基板403的装置侧405的光学环形谐振器结构(如所示的环形所示)以及在基板403的背侧407中的相关联的凹部417。虽然未示出每个装置401的细节，但是每个装置401包括光学环形谐振器、加热器、金属走线、相关联的凹部417、以及可选的一个或多个电极。因此，装置400包括：多个光学环形谐振器、多个加热器、以及多条金属走线，所有这些都是一一对应的关系，并且设置在基板403的装置侧405上；以及，在基板背侧407中的多个凹部417，其与多个光学环形谐振器成一一对应的关系。装置401以部分横截面示出，以示出凹部417的一般圆柱形状，但是应当注意，凹部417还可以是除圆柱形之外的形状。
此外，选择装置401中的多个光学环形谐振器之间的间隔，使其间的热流最小化，以在各个光学环形谐振器处将来自各个加热器的热量进行定位。例如，在装置401的热模型中，每个装置401可以表示为类似于热模型300，其中在每个装置401之间具有附加的热阻；选择装置401中的多个光学环形谐振器之间的间隔，以该热阻最大化，同时还可以利用基板403上可用的物理空间。
虽然装置401表示为沿着基板403上的线间隔开，但是，装置401也可以以任何图案来布置，例如以网格、沿光学总线和/或波导等来布置。虽然示出了四个装置401，但是，装置400也可以包括少于四个装置401(类似于装置101)和多于四个装置401，这取决于装置401的整体功能。
例如，装置101和/或装置401可以是光学电信系统(例如，光学电信发射机)中的发射机的组件，其被配置为以一个或多个给定光学频率以及一个或多个给定数据速率来产生和发送多路复用调制光学信号，其中被调制的光学信号具有使用装置101,401的光学环形谐振器(例如光学环形谐振器109)在其中进行编码的数据。这样，一个或多个给定的光学频率可以包括一个或多个给定的载波光学频率，其包括但不限于光学通信中使用的光学频率，范围约为184.5-238THz；然而，其它光学频率也在本实施方式的范围内。因此，许多装置401可以取决于被调制和/或多路复用的多个频率。
由于光学电信发射机可以使用大量能量来维持光学环形谐振器的温度，和/或其包括许多光学环形谐振器结构(例如，每个被调制频率有一个)，因此，与缺少当前所述背侧凹部的发射器相比，根据本实施方式来降低能量将形成更有效的发射器，此外，与使用侧面蚀刻在装置侧产生凹部的装置相比，背侧凹部的简单性可以提高整体产量。
本领域技术人员应当理解，还可以存在更多的替代实施方式和修改，并且，上述实例仅是一个或多个实施方式的说明。因此，本申请的范围仅由所附权利要求所限制。

Claims (15)

1.一种装置，包括：
基板，所述基板具有装置侧和与装置侧相对的背侧；
光学环形谐振器，所述光学环形谐振器位于所述基板的所述装置侧上；
加热器，所述加热器的形状与所述光学环形谐振器互补，并且所述加热器定位成用于加热所述光学环形谐振器；
一条或多条金属走线，所述一条或多条金属走线至少连接到所述加热器，并且构造成向所述加热器提供能量并从所述加热器向外延伸；和
在所述基板的所述背侧上的凹部，所述凹部以所述光学环形谐振器为中心，并且其直径分别大于所述光学环形谐振器的外径和所述加热器的外径，所述凹部进一步横向地延伸到所述一条或多条金属走线的区域中。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括：
一个或多个电极，所述一个或多个电极被配置为向所述光学环形谐振器提供电压，所述一个或多个电极具有比所述光学环形谐振器更大的外径；和
一条或多条另外的金属走线，所述一条或多条另外的金属走线连接到所述一个或多个电极并从所述一个或多个电极向外延伸，所述凹部的直径比所述一个或多个电极的外径更大，并且所述凹部进一步横向地延伸到所述一条或多条另外的金属走线的区域中。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述基板包括硅基板。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述加热器具有与所述光学环形谐振器互补的形状。
5.根据权利要求1所述的装置，还包括：封装所述光学环形谐振器和所述加热器的绝缘体材料。
6.根据权利要求1所述的装置，还包括：材料层，所述材料层位于所述凹部的邻近所述基板的所述装置侧的一侧。
7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述材料层的厚度在约2微米至约3微米的范围内。
8.根据权利要求6所述的装置，其中，所述材料层包括绝缘体材料。
9.根据权利要求6所述的装置，其中，所述材料层包括氧化物材料。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述凹部具有的直径比所述光学环形谐振器的外径和所述加热器的外径大至少50微米。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述凹部具有的直径使得所述一条或多条金属走线的分数热提取贡献低于10％。
12.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光学环形谐振器位于所述基板的装置侧与所述加热器之间。
13.根据权利要求1所述的装置，其中，所述凹部包括部分穿硅通孔。
14.根据权利要求1所述的装置，还包括：多个光学环形谐振器、多个加热器和多条金属走线，所述多个光学环形谐振器、所述多个加热器和所述多条金属走线成一一对应的关系并且设置在所述设基板的所述装置侧；和，在所述基板的所述背侧的多个凹部，所述多个凹部与所述多个光学环形谐振器成一一对应的关系。
15.根据权利要求14所述的装置，还包括：所述多个光学环形谐振器之间的间隔，使其间的热流最小化。
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