CN111624704A - 光子集成电路 - Google Patents

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Abstract

公开了一种光子集成电路，包括：介质基片(110)；介质基片(110)上用于引导太赫兹(THz)波的介质波导装置(120)；以及在介质波导装置(120)的表面区域中具有金属化部分的局部功能化部分(130)。金属化部分沿着THz波的传播方向局部化，以允许THz波在局部功能化部分之外进行无金属化传播。

Description

光子集成电路
技术领域
本发明涉及一种光子集成电路及其制造或使用方法。
背景技术
波导结构，尤其是功能化的波导是高度相关的结构，可用于许多频率范围(从太赫兹(100GHz-10THz)以上的微波辐射到可见光)。金属空心波导用于微波范围，部分也用于太赫兹范围。波导由金属块组成，在金属块中通常具有矩形横截面的波导被铣出，并且通常填充有空气。
空心波导的宽度至少应为λ/2(λ是相应波的波长)，以便能够引导模式。这定义了给定几何形状的频率下限。低于此频率时，任何模式都无法传播，或者波以指数衰减。频率上限是由不希望的高次传播模式的振荡产生的。尽管这些模式可以传播，但是集成到波导中的组件(例如倍频器或分束器)适用于地面模式，并且在高次模下效率较低。
典型的功能化是开关、分束器、具有集成倍频器或中频(IF)混频器的微带转换、用于辐射的喇叭天线等等。
空心波导的缺点是在THz频率下的损耗增加和生产成本，因为空心波导通常通过铣削等方法机械制造。这种工艺是不可扩展的，并且随着频率的提高(尺寸越来越小)，其需要越来越好的制造精度，该制造精度应为工作波长λ的几分之一。频率为10GHz时，波长为3cm，制造公差尚有余地；而频率为1THz时，波长仅为300μm，因此需要很高的制造精度。
空心波导的另一个缺点是损耗，损耗会随着工作频率的增加而急剧增加。除了纯线路损耗，表面粗糙度的增加和趋肤效应也起着重要作用。在较低频率下，损耗可比具有理想结构的纯金属线路损耗高几个数量级。
诸如微带线和共面波导之类的平面波导在较高的THz频率下损耗也很高。
因此，需要能够用于THz范围(100GHz-10THz)并克服至少一些上述问题的功能化波导结构。
发明内容
通过根据权利要求1的光子集成电路和根据权利要求6或8的制造或利用该光子集成电路的方法解决了至少部分上述问题。从属权利要求涉及独立权利要求目的的有利其它实施例。
本发明涉及一种光子集成电路，该光子集成电路具有介质基片、位于该基片上的用于引导太赫兹(THz)波的介质波导装置，以及在介质波导装置的表面区域中具有金属化部分的局部功能化部分。金属化部分沿着THz波的传播方向局部化，以允许THz波在局部功能化部分之外进行无金属化传播。术语“无金属化”是指迫使电场强度为零的其他结构(例如金属或具有足够数量的自由电荷载流子的其他材料)足够远，以使其不会影响THz波。
术语“光子的”应表示信号传播基于光子，尤其是使用THz范围(100GHz-10THz)内的频率。其也是电力线路的分界线。为了使介质波导装置有效地引导这些THz波，介质波导装置尤其是在垂直于THz波传播方向具有延伸部分，该延伸部分在诸如从10μm至300μm或从30μm至100μm(或大约50μm)的范围内。此外，可以为波导装置选择折射率至少是(相邻)介质基片折射率的1.5倍的材料。可以将诸如折射率n(PE)＝1.4-1.6的PE(聚乙烯)或石英(n＝2.15)等材料用于介质基片，而将诸如折射率n(Si)＝3.416的硅用作波导装置的材料。
根据实施例，波导上或其附近没有沿着标准波导布置的连续金属层，否则将对波传播产生负面影响。根据实施例，仅在期望某种功能化的地方形成金属化。尤其是，只能在波导结构的一侧形成金属化，以使THz波偏移。进一步的功能化尤其涉及波导的弯曲表面区域，因为模式通常受到抑制或者THz波的模式转换将在该处执行。这种弯曲可以伴随垂直于传播方向的横截面的变化(例如减小)。
根据实施例，局部功能化可以指一个或多个以下要素：具有修改的模式结构的波导、开关、分束器、偏振器、到中空波导的转换、微带线或具有集成倍频器或中频(IF)混频器的共面波导、用于辐射的喇叭天线等。在这些要素的实现中，局部功能化可导致例如：THz波的高次模抑制、THz波模式的耦合或解耦合或去耦合、THz波模式到另一模式的转换等。
例如，波导装置可以可选地具有含分支点的分叉(例如分束器)，并且局部功能化部分的表面区域可以由与分支点相邻的相对表面形成。
光子集成电路还可以具有用于产生和/或接收THz振荡的器件(例如二极管或另一有源元件)，并且波导装置可以具有诸如耦合到该器件的维瓦尔第天线，并且从二极管开始，具有用于辐射耦合的THz波的加宽开口部分。在该实施例中，可以在加宽开口部分的两侧形成金属化部分，以支持将THz振荡从器件耦合到维瓦尔第天线并最终耦合到介质波导中。该器件(例如二极管或另一有源元件)可以作为THz振荡的源和/或检测器。
光子集成电路还可以具有至少一个THz谐振器，该谐振器具有介质材料，并且其沿着基片从波导装置横向偏移地布置。尤其是，它们之间可以形成间隙。可选地，基片的与THz谐振器相对的一侧还布置有底层或屏蔽层(例如由金属制成)。谐振器的材料也具有比基片更高的折射数，并且可选地由与波导装置相同的材料形成。在该实施例中，金属化可以局部地形成在波导装置和THz谐振器之间的距离最小的区域中，即在波导装置的与基片或THz谐振器相对的表面上。因此，有助于将THz波耦合到谐振器中。
可选地，在电路中形成另一个介质基片，其中介质波导装置布置在该介质基片和另一介质基片之间。另一介质基片的折射率可以比介质波导装置的折射率低至少1.5倍。
实施例还涉及一种制造光子集成电路的方法。该方法包括以下步骤：
-提供介质基片；
-在基片上形成用于引导THz波的介质波导装置；以及
-通过在局部表面区域上形成金属化来对介质波导装置的局部受限表面区域进行功能化。
该制造尤其可以通过使用用于进行结构化的光刻和/或蚀刻工艺或激光切割工艺和/或粘合介质层或蒸发金属或通过增材制造涂覆导电层来进行。因此可以使制造小尺寸(30至70μm)的波导成为可能。
进一步的实施例还涉及一种使用如上所述的光子集成电路来引导THz波的方法，其中通过金属化进行局部功能化来至少实现以下效果之一：
-抑制THz波的高次模；
-将THz波的模式进行耦合或解耦合或去耦合；
-将THz波的模式转换到另一模式。
实施例通过使用仅具有局部金属化的介质波导解决了开头提到的传统空心波导的问题。与由玻璃纤维制成的传统波导的情况一样，波导材料(优选地)具有高折射数nK和低介质损耗，而周围的材料(例如用作护套的基片)(优选地)具有较低的折射数nM，从而通过全反射来引导波。理想地，折射数之差尽可能大，并且高折射数至少比低折射数大50％以上或100％以上或150％以上。
根据实施例，可以使用单峰(主要是一种模式被引导)和多峰(多于一种模式被引导)波导。可以以平面几何形状产生功能化区，然后将其耦合到波导。在制造期间，为了实现期望的功能，可以根据实施例通过光刻进行波导的结构化和/或金属化。
在另外的实施例中，通过表面改性而不是高折射率的材料(波导材料)来局部地提高基片材料的折射率。这也可以通过光刻技术来实现。
实施例可以以许多不同的方式使用。因此，通过局部功能化，可以将以下组件集成到给定的电路中：无源构件，例如分束器、延迟部分、干涉仪、滤波器或谐振器，以及有源组件，例如相移激光器或放大器等。
附图说明
通过以下详细描述和不同实施例的附图，将更好地理解本发明的实施例，然而，这些实施例仅用于解释和理解的目的，并不旨在以任何方式限制本公开的范围。
图1示出了光子集成电路的实施例。
图2示出了耦合有示例性二极管的光子集成电路的另一实施例。
图3示出了耦合有示例性THz谐振器的光子集成电路的另一实施例。
具体实施方式
根据实施例，通过光刻等方式来构造不同的波导结构，并且通过金属化来进行局部功能化。例如，在低损耗基片介质(例如聚乙烯或石英)的接地结构(基片)上，结构化的波导(波导装置)可以由较高折射数的低损耗介质形成。诸如高阻硅(HRFZSi)、碳化硅、砷化镓、氧化铝等可以用作波导的材料。基片也只需要分段使用，并且可以与其他结构结合。还可以创建被覆盖的基本结构，其中波导装置布置在两个基片(例如相同材料的基片)之间，其中可以局部地在基片之一和波导之间形成功能化。
图1示出了根据本发明实施例的光子集成电路。该电路包括：介质基片110；和基片110上用于引导太赫兹(THz)波的介质波导装置120和在介质波导装置120的表面区域中具有金属化部分的局部功能化部分130。金属化部分130沿着THz波的传播方向定位，以允许THz波在局部功能化部分之外进行无金属化传播。
在图1的实施例中，波导装置120包括具有分支点123的分叉，并且局部功能化部分130的表面区域由与分支点123相邻的相对表面形成。该结构可用作例如分束器，其中金属结构130改善了分束特性并使得分束器宽带化，同时保持分束因子尽可能恒定。
此外，此处以及在其他实施例中，介质波导装置120可具有垂直于THz波的传播方向的延伸部分d，该延伸部分d在10μm至300μm或30μm至100μm的范围内。例如，波导120的材料的折射率(折射数)至少是介质基片110的折射率的1.5倍，以便在波导120中有效地保持THz波。
根据实施例，波导120及其周围应该主要是纯介质。该电路当然可以具有更远的金属结构。但是，期望的无金属化传播应该意味着THz波不受自由电荷载流子的影响，因为自由电荷载流子会出现在金属以及其他波导中。由于大量存在于金属中的自由、易移动的电荷载流子迫使电场强度为零(内部没有电场)，所以高次模受到金属化的抑制或至少被金属化移动(远离金属化)。此外，金属化将偶模设置为零，而奇模随着高度的增加而受到抑制，因为它们的最大值越来越接近金属化。所有这些效应都会导致实施方案不能实施或专门用于功能化的损耗。
图2示出了光子集成电路的另一实施例，其具有用于产生THz振荡的示例性二极管140。在该实施例中，波导装置120形成耦合到二极管140的维瓦尔第天线，该维瓦尔第天线从二极管140开始，具有用于辐射耦合的THz波的加宽开口部分125。这里，金属化部分130形成于加宽开口部分125的两侧，以支持将THz振荡从二极管140耦合到维瓦尔第天线。
该实施例仅作为示例示出了作为可能的有源元件的THz发射二极管，其利用维瓦尔第天线将功率耦合到下面的介质波导中。根据进一步的实施例，其他有源元件也可以通过局部功能化部分130有效地耦合到波导装置110。
因此，图3示出了光子集成电路的另一实施例，其具有至少一个THz谐振器150。谐振器150还具有折射数比基片110更高的介质材料，并且其沿着基片110从波导装置120横向偏移地布置。例如，可以在谐振器150和波导装置120之间形成间隙135，使得两个组件之间没有直接接触。此外，谐振器150可用例如与波导120相同的材料制成。
在该实施例中，可选的底层160也形成在基片110的背面(基片110的与THz谐振器150相对的一侧)。这种底层160不仅提供机械支撑或保持，而且还可以提供屏蔽，以防止可能干扰光子信号的外部影响。这种底层/屏蔽层也可以在图1或图2的实施例中形成。例如，该屏蔽层/底层可以具有金属，其中到波导的距离应该选择得足够大(至少是多个THz波长的距离)，使得对THz波的影响由于指数衰减而可以忽略不计。
继而仅在区域135中局部地形成金属化部分130，即在该区域中波导装置120与THz谐振器150之间的距离最小。可以再次在波导装置120的与基片110和/或THz谐振器150相对的表面上形成金属化部分130。继而通过该金属化部分130，特定地抑制了THz波的某些模式，或者以使得波向谐振器150迁移的方式形成该波，这样有利于耦合。
因此，通过金属化部分130局部功能化的纯介质谐振器150有效地耦合到介质波导120，波导120上的金属化层130将模式推向谐振器150以改善耦合。
与传统电路相比，这些实施例具有许多优点。尤其是，这些实施例是基于类似于光学光子集成电路的介质波导结构120和可以通过接触光刻或类似光刻技术制造的金属结构130的组合。因此给出了相当大的可扩展性。
另外的优点是，波的传导主要发生在低损耗介质(波导120)中，而金属添加剂(作为功能化部分的金属化部分130)可减少损耗(例如以弯曲结构，如图1所示)，抑制不期望的模式或允许与其他组件对接(如图2或图3所示)。其中包括GSG(接地-信号-接地)探头或其他金属导体结构。
金属和介质结构的混合也具有改善辐射的优点。本发明不需要在波导120上的任何地方都存在金属结构130。诸如集成到波导结构120中的组件主要是用于改善期望的特性。
根据这些实施例，功能化部分130(例如金属化部分)可以位于介质波导装置120的两侧。然而，有利的是，功能化部分130直接形成在介质波导装置120的表面上(例如通过在波导装置120上蒸发)。由于金属表面将电场设置为零，直接在波导装置120上的金属化部分将通过波导120中的电磁波与波导120的表面的相互作用产生期望的功能化部分130。
根据实施例，与受穿过波导的外加电场影响的具有非线性光学特性(例如磁化率)的非线性波导相比，示例性金属化部分130可能不会在介质波导装置120中产生电场强度。换句话说，根据实施例，不在金属化部分130的组件上或组件之间施加电压，但是可选地，可以将电压设置在公共电压电平上(例如接地)，或者使其电势电平自由浮动。根据进一步的实施例，介质波导装置120包括折射率不受外部电场(直流或交流)影响的材料。
然而，根据又一实施例，可以在直接在介质波导装置120的表面上形成的功能化部分130的金属组件上或组件之间施加直流和/或交流电压。
与传统的波导装置相比，这些实施例的优点可总结如下：
-如果选择合适的材料，则在高频率下，尤其是在高于1THz的频率下，介质结构110、120的损耗要比金属结构低得多，因此可以借助光子电路开发更高的THz范围。
-波导主要发生在低损耗介质120中，金属结构通常仅在局部应用或者在波导120的接地模式具有低电场的区域中应用。例如，后者有利于抑制高次模。
-波导结构120以及金属结构130可以通过光刻来制造，如果需要也可以通过激光加工进行制造。尤其是光刻制造几乎不需要任何额外的努力就可以实现样品的规模化，因此当大批量生产时，比空心波导便宜得多。
-平面结构和采用光刻技术的制造允许使用各种组件，例如在光学光子集成电路中使用的组件。
-由于载体基片110(例如，n(PE)＝1.4-1.6)和波导材料120(例如，n(Si)＝3.416)之间有非常大的折射率差，所以可以实现非常大的带宽。测试表明，在实施例的电路中，下限和上限频率之间的带宽因子可以至少是2或甚至是4。如果介质波导上的金属结构130合适，甚至可以实现更大的单模带宽，从而可以防止耦合到高次模。
结构的制造可以采用多种方法来进行，例如紫外接触光刻、紫外投影光刻、紫外激光光刻、激光烧蚀、电子束光刻，甚至如果可以打印低损耗介质，还可以采用增材制造的方法。
在下文中，仅以紫外接触光刻法制造为例：
-具有较高折射数的材料(波导120)粘合到具有较低折射数的材料(基片110)上。如果需要的话，可以将诸如金属的刚性底层160粘合到材料下面以确保机械稳定性。可以选择介质材料的厚度，使得较低折射数的材料中的指数衰减波充分衰减。替代地，出于制造原因，可以选择较薄的具有低折射数的材料，并且在完成光刻后，将其粘合到具有相同或光学相似材料的较厚基片上。
-可以通过旋转涂布机将紫外线敏感涂料涂布到叠层上。也可以采用普通的紫外线涂料，如SU8、AZ 6632或更厚的涂料及种种其他涂料。
-可以使金属结构130暴露或蒸发。
-涂料和多余的金属可以通过剥离的方式去除。
-然后可以重新涂覆样品。
-可以通过光刻来限定要蚀刻的结构。
-例如，可以蚀刻高折射率材料(波导120)，例如通过反应离子蚀刻(RIE)/电感耦合等离子体工艺(ICP)，或者采用Bosch工艺蚀刻硅等。
-最后可以通过溶剂或氧等离子体等除去涂料残留物。
可选地，类似于具有较低折射数的材料(基片110)的另一种材料可以应用于结构化样品。因此，波导装置120可以布置在具有低折射数(例如，小于波导材料120的折射数的一半)的两个介质基片之间。
类似地，可以可选地将另外的金属结构应用于基片120(具有较低折射数的材料)。
上层和下层可以由具有相同或非常相似折射数的材料组成，而中间材料应具有明显更高的折射数。由于基片模受到抑制，可以使带宽显著增加。
说明书、权利要求书和附图中公开的本发明的特征对于单独或以任何组合实现本发明可能是必不可少的。
附图标记列表
110 介质基片
120 介质波导装置
123 分束器的分支点
125 维瓦尔迪天线的开口部分
130 局部功能化(金属化)部分
135 间隙
140 有源元件(例如二极管)
150 谐振器
160 底层；屏蔽层
d 波导的宽度和高度

Claims (9)

1.光子集成电路，具有：
介质基片(110)；
介质波导装置(120)，位于所述介质基片(110)上，用于引导太赫兹(THz)波；以及
局部功能化部分(130)，包括在所述介质波导装置(120)的表面区域中的金属化部分，其中，所述金属化部分沿着所述THz波的传播方向局部化，以使得所述THz波能够在所述局部功能化部分之外进行无金属化传播。
2.根据权利要求1所述的光子集成电路，其中，所述介质波导装置(120)包括垂直于THz波传播方向的延伸部分(d)，所述延伸部分在10μm至300μm或30μm至100μm的范围内，并且所述介质波导装置(120)的材料的折射率至少是所述介质基片(110)的折射率的1.5倍。
3.根据权利要求1或2所述的光子集成电路，其中，所述介质波导装置(120)包括具有分支点(123)的分叉，并且所述局部功能化部分(130)的表面区域由与所述分支点(123)相邻的相对表面形成。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的光子集成电路，还包括用于产生THz振荡的二极管(140)，
其中，所述介质波导装置(120)形成耦合到所述二极管(140)的维瓦尔第天线，并且从所述二极管(140)开始，具有用于辐射THz波的加宽开口部分(125)，且
其中，所述金属化部分(130)形成在所述加宽开口部分(125)的两侧，以支持将所述THz振荡从所述二极管(140)耦合到所述维瓦尔第天线。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的光子集成电路，还包括：
至少一个THz谐振器(150)和底层(160)，其中，所述THz谐振器(150)包括折射率比所述介质基片(110)更高的介质材料，并且沿着所述介质基片(110)从所述介质波导装置(120)横向偏移布置，所述底层(160)布置在所述介质基片(110)的与所述THz谐振器(150)相对的一侧，
其中所述金属化部分(130)局部地形成在所述介质波导装置(120)和所述THz谐振器(150)之间的距离最小的区域中，即在所述介质波导装置(120)的与所述介质基片(110)和/或所述THz谐振器(150)相对的表面上。
6.根据前述权利要求中任一项所述的光子集成电路，还包括：
另一介质基片，其中，所述介质波导装置(120)布置在所述介质基片(110)和所述另一介质基片之间，且其中所述另一介质基片的折射率至少比所述介质波导装置(120)的折射率小1.5倍。
7.光子集成电路的制造方法，包括以下步骤：
提供介质基片(110)；
在所述介质基片(110)上形成用于引导THz波的介质波导装置(120)；以及
通过在局部受限表面区域(130)上形成金属化来对所述介质波导装置(120)的局部表面区域(130)进行功能化。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，形成所述介质波导装置(120)和形成所述金属化部分(130)包括以下过程之一：
-光刻结构化；
-蚀刻过程；
-粘合介质层；以及
-蒸发金属。
9.使用根据权利要求1至6中任一项所述的光子集成电路来引导THz波的方法，其中，通过所述金属化部分(130)进行所述局部功能化，至少实现以下效果之一：
抑制所述THz波的高次模；
将所述THz波的模式进行耦合或解耦合或去耦合；
将所述THz波的模式转换到另一模式。
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