CN112444373A - 一种片上波导损耗测量方法、测量装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种片上波导损耗测量方法、测量装置及其制造方法。该片上波导损耗测量装置具有至少一个片上波导损耗测量单元，其中，各所述片上波导损耗测量单元包括：形成于绝缘体上的硅(SOI)衬底的顶层硅中的光耦合器；位于所述光耦合器的光出射端一侧的分束器，所述分束器接收所述光耦合器的光出射端射出的光；形成于所述顶层硅中的波导组，所述波导组具有两个以上的波导，各所述波导分别接收所述分束器射出的光，并且，各波导的长度均不相等；以及形成于所述顶层硅上的两个以上的光电探测器，各所述波导的光输出端所输出的光被一个所述光电探测器探测，所述光电探测器生成与探测到的光对应的电流。

Description

一种片上波导损耗测量方法、测量装置及其制造方法

技术领域

本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种硅基片上波导损耗测量方法、测量装置及其制造方法。

背景技术

伴随着通信技术的快速发展,小到芯片间,大到数据中心间，基站间的大规模数据交换处理,都迫切需求高速、可靠、低成本、低功耗的互联。

硅光子是一种基于硅和硅基衬底材料(如SiGe/Si、SOI等)，利用现有CMOS工艺进行光器件开发和集成的新一代技术，其结合了集成电路技术的超大规模、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势。硅光子不仅在现阶段的光通信、光互连领域有迫切的应用需求，也是未来实现芯片内光互连和光计算机的潜在技术。

尽管硅光芯片制造工艺与CMOS工艺兼容，硅光模块的封装测量成本却难以有效降低，这也使得硅光芯片的成本优势不能完全展现。硅波导的传输损耗是硅光晶圆的重要表征参数之一。现有技术中，通常采用截断法(cut-back)测量波导损耗。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

本申请的发明人发现，采用现有的截断法(cut-back)测量波导损耗时，需要将光耦合进多段不同长度的波导，光纤/耦合器性能的不一致，耦合对准精度的不一致都会影响测量准确性。为了实现相对准确的测量，需要将光纤与耦合器进行精确的对准，这极大的增加了测试的成本；此外，输出光需要通过耦合结构进入外接的探测器进行输出功率的测量，进一步提高了测量的误差与成本。

本申请实施例提供一种片上波导损耗测量方法、片上波导损耗测量装置及其制造方法，该片上波导损耗测量装置中集成有光耦合器、分束器、多个波导以及光电探测器，所以，无需考虑外界的光纤与光耦合器之间的耦合效率的问题，从而有效降低光纤-芯片对准精度要求，实现高效快速的波导损耗测量。

根据本申请实施例的一个方面，提供一种片上波导损耗测量装置，该片上波导损耗测量装置，具有至少一个片上波导损耗测量单元，其中，各所述片上波导损耗测量单元包括：

形成于绝缘体上的硅(SOI)衬底的顶层硅中的光耦合器；

位于所述光耦合器的光出射端一侧的分束器，所述分束器接收所述光耦合器的光出射端射出的光；

形成于所述顶层硅中的波导组，所述波导组具有两个以上的波导，各所述波导分别接收所述分束器射出的光，并且，各波导的长度均不相等；以及

形成于所述顶层硅上的两个以上的光电探测器，各所述波导的光输出端所输出的光被一个所述光电探测器探测，所述光电探测器生成与探测到的光对应的电流。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述片上波导损耗测量单元还包括：

覆盖层，其覆盖所述光耦合器，所述分束器，所述波导组以及所述光电探测器。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述覆盖层具有开口，所述光耦合器位于所述开口下方。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述光耦合器为端面耦合器或光栅耦合器。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述光电探测器是锗(Ge)探测器或锗锡(GeSn)探测器。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，片上波导损耗测量装置具有两个以上所述片上波导损耗测量单元，任一个所述片上波导损耗测量单元的波导组中波导的长度至少部分不同于其他片上波导损耗测量单元的波导组中波导的长度，所述两个以上所述片上波导损耗测量单元被设置于同一个绝缘体上的硅(SOI)衬底上，并且，至少两个所述片上波导损耗测量单元共用至少一个所述光电探测器。

根据本申请实施例的另一个方面，提供一种片上波导损耗的测量方法，使用上述任一方面所述的片上波导损耗测量装置对片上波导损耗进行测量，所述测量方法包括：

向光耦合器照射光；

测量各所述光电探测器输出的光电流值；

根据所述光电探测器输出的光电流值，计算片上波导的损耗。

根据本申请实施例的另一个方面，提供一种片上波导损耗测量装置的制造方法，所述片上波导损耗测量装置具有至少一个片上波导损耗测量单元，其中，各所述片上波导损耗测量单元的制造方法包括：

在绝缘体上的硅(SOI)衬底的顶层硅中形成光耦合器；

在所述光耦合器的光出射端一侧形成分束器，所述分束器接收所述光耦合器的光出射端射出的光；

在所述顶层硅中形成波导组，所述波导组具有2个以上的波导，各所述波导分别接收所述分束器射出的光，并且，各波导的长度均不相等；以及

在所述顶层硅上形成两个以上的光电探测器，各所述波导的光输出端所输出的光被一个所述光电探测器探测，所述光电探测器生成与探测到的光对应的电流。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，各所述片上波导损耗测量单元的制造方法还包括：

形成覆盖层，所述覆盖层覆盖所述光耦合器，所述分束器，所述波导组以及所述光电探测器。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，各所述片上波导损耗测量单元的制造方法还包括：

在所述覆盖层中形成开口，所述光耦合器位于所述开口下方。

本申请的有益效果在于：本申请的片上波导损耗测量装置中集成有光耦合器、分束器、多个波导以及光电探测器，所以，无需考虑外界的光纤与光耦合器之间的耦合效率的问题，从而有效降低光纤-芯片对准精度要求，实现高效快速的波导损耗测量。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1是本申请实施例1的片上波导损耗测量装置在横向上的一个示意图；

图2是本申请实施例1的片上波导损耗测量装置剖面在纵向上的一个示意图；

图3是本申请实施例1的片上波导损耗测量装置的横向上的另一个示意图；

图4是使用图1的片上波导损耗测量装置10计算波导损耗的方法的一个示意图；

图5是本实施例的片上波导损耗测量装置的制造方法的一个示意图。

具体实施方式

参照附图，通过下面的说明书，本申请的前述以及其它特征将变得明显。在说明书和附图中，具体公开了本申请的特定实施方式，其表明了其中可以采用本申请的原则的部分实施方式，应了解的是，本申请不限于所描述的实施方式，相反，本申请包括落入所附权利要求的范围内的全部修改、变型以及等同物。

在本申请各实施例的说明中，为描述方便，将平行于衬底的表面的方向称为“横向”，将垂直于衬底的表面的方向称为“纵向”，其中，各部件的“厚度”是指该部件在“纵向”的尺寸，在“纵向”上，从衬底的埋氧层指向顶层硅的方向称为“上”方向，与“上”方向相反的为“下”方向。

实施例1

本申请实施例提供一种片上波导损耗测量装置。该片上波导损耗测量装置可以具有至少一个片上波导损耗测量单元。

图1是本申请实施例1的片上波导损耗测量装置在横向上的一个示意图，图2是本申请实施例1的片上波导损耗测量装置剖面在纵向上的一个示意图。

在图1和图2中，示出了片上波导损耗测量装置10中的一个片上波导损耗测量单元1。

如图1和图2所示，片上波导损耗测量单元1包括：光耦合器102、分束器103、波导组104和光电探测器105。

如图2所示，光耦合器102形成于绝缘体上的硅(SOI)衬底100的顶层硅101中；分束器103位于光耦合器102的光出射端一侧，分束器103接收光耦合器102的光出射端1022射出的光，例如，分束器103是50/50分束器；波导组104具有两个以上的波导，例如波导1041和波导1042(如图1所示)，波导组104中的各波导形成于顶层硅101中，即，各波导1041、1042均为硅波导，并且，各波导1041、1042的长度均不相等，各波导1041、1042分别接收分束器103射出的光，即，分束器103将接收到的光分为多束并分别入射各波导1041、1042；光电探测器105形成于顶层硅101上，用于对波导组中各波导输出的光进行探测，并生成电流，光电探测器105的数量也可以是两个以上，例如光电探测器1051、1052(如图1所示)，其中，光电探测器1051、1052分别探测波导1041、1042输出的光。

在本实施例中，片上波导损耗测量单元1中集成有光耦合器102，分束器103，多个波导1041、1042以及多个光电探测器1051、1052。进入光耦合器102的光出射到分束器103，被分束器103分为多个光束，该多个光束进入长度不同的多个波导1041、1042，光电探测器1051、1052对多个波导1041、1042射出的光进行检测，生成与检测到的光对应的电流，根据该电流的电流值可以计算衬底的顶层硅中形成的波导的波导损耗。所以，在使用本实施例的片上波导损耗测量装置检测片上波导损耗时，无需考虑外界的光纤与光耦合器之间的耦合效率的问题，能有效降低光纤-芯片对准精度要求，实现高效快速的波导损耗测量。

在本实施例中，如图1所示，绝缘体上的硅(SOI)衬底100可以包括：衬底硅层108、埋氧层109以及顶层硅101。其中，衬底硅108的材料为单晶硅，顶层硅101的材料为单晶硅，埋氧层109的材料为二氧化硅。

在本实施例中，光耦合器102可以具有光入射端1021和光出射端1022。光入射端1021可以接收入射到光耦合器102的光，光出射端1022可以使入射到光耦合器102的光沿横向射出。

如图1和图2所示，光耦合器102可以是光栅耦合器102a，即，光入射端1021可以是光栅结构，该光栅结构沿横向分布，由此，该光栅结构可以接收沿纵向入到该光耦合器的光线。此外，本实施例可以不限于此，光耦合器102也可以是端面耦合器102b(如图1)，即，光入射端1021也可以是端面耦合的结构。在图1中，片上波导损耗测量单元1可以具有光栅耦合器102a与102b二者，也可以具有光栅耦合器102a与102b中的一者。

在本实施例中，各波导1041、1042的光入射端可以与分束器103的光出射端在横向上对置，由此，从分束器103的光出射端沿横向射出的光能够入射到各波导1041、1042。各波导1041、1042由顶层硅101制作而成。

如图2所示，光电探测器105形成于顶层硅101上，由各波导的光出射端出射的光可以进入与光出射端对置的顶层硅101中。顶层硅101可以将入射光导入到光电探测器105中，由此，光电探测器105可以检测到进入顶层硅101中的光，并输出与入射光量相对应的电流信号。

在本实施例中，光电探测器105可以是锗(Ge)探测器或锗锡(GeSn)探测器。此外，本实施例可以不限于此，光电探测器105也可以是其它种类的光电探测器。

在本实施例中，如图2所示，片上波导损耗测量单元1还包括：覆盖层107。覆盖层107可以覆盖光耦合器102，直分束器103，波导组104以及各光电探测器105。由此，覆盖层107能够对被覆盖的结构进行保护。该覆盖层107的材料可以是绝缘材料，例如二氧化硅。

如图2所示，覆盖层107可以具有开口1071，光耦合器102可以位于开口1071下方。例如，光耦合器102的作为光栅结构的光入射端1021可以位于开口1071下方，由此，光可以经过开口1071入射到光入射端1021。

此外，如图1所示，光耦合器102和分束器103之间还可以具有由顶层硅101形成的波导110，波导110将光从光耦合器102引导到分束器103。

图3是本申请实施例1的片上波导损耗测量装置的横向上的另一个示意图，如图3所示，片上波导损耗测量装置10a具有2个片上波导损耗测量单元，例如波导损耗测量单元1和1’；并且，该两个以上片上波导损耗测量单元被设置于同一个绝缘体上的硅(SOI)衬底上。

如图3所示，片上波导损耗测量单元1的结构如图1所示，片上波导损耗测量单元1’包括：光耦合器102’、分束器103’、波导组104’和光电探测器105’。

其中，波导组104’具有波导1041’和1042’，光电探测器105’具有光电探测器1051’和光电探测器1052’。光电探测器1051’与光电探测器1051可以是同一个光电探测器，光电探测器1052’与光电探测器1052可以是同一个光电探测器。

关于片上波导损耗测量单元1’的详细说明可以参考上述对片上波导损耗测量单元1的说明。

在本实施例中，在片上波导损耗测量装置具有2个以上片上波导损耗测量单元的情况下，任一个片上波导损耗测量单元的波导组中波导的长度至少部分不同于其他片上波导损耗测量单元的波导组中波导的长度。

例如，在图3中，波导1041长度为100微米，波导1042长度为2厘米，波导1041’长度为100微米，波导1042’长度为4厘米。

图4是使用图1的片上波导损耗测量装置10计算波导损耗的方法的一个示意图，如图4所示，基于片上波导损耗测量装置10中的一个波导损耗测量单元来计算波导损耗的方法包括：

步骤401、向光耦合器102照射光；

步骤402、测量各光电探测器输出的光电流值；

步骤403、根据光电探测器输出的光电流的电流值，计算片上波导的损耗。

在本实施例中，在步骤401中，可以通过光纤从开口1071向光耦合器102的光入射端1021照射光。

此外，在片上波导损耗测量装置中具有两个以上的片上波导损耗测量单元时，可以对各片上波导损耗测量单元都执行上述步骤401和402，并根据对各片上波导损耗测量单元的光电流值的测量结果来计算片上波导的损耗。

例如，对于图3所示的片上波导损耗测量装置10a具有波导损耗测量单元1和1’的情况，可以根据下述步骤计算片上波导的损耗：

步骤401a、向光耦合器102照射光；

步骤402a、测量光电探测器1051和1052输出的光电流值，例如，光电探测器1051输出的光电流值为I1安培，光电探测器1052输出的光电流值为I2安培；

步骤401b、向光耦合器102’照射光；

步骤402b、测量光电探测器1051和1052输出的光电流值，例如，光电探测器1051输出的光电流值为I3安培，光电探测器1052输出的光电流值为I4安培。

步骤403a、根据各光电探测器前后两侧输出的光电流的电流值(例如，I1、I2、I3、I4)，计算片上波导的损耗。

其中，在步骤403a中，可以根据下式计算片上波导的损耗：

在本实施例中，片上波导损耗测量单元1中集成有光耦合器102，分束器103，多个波导1041、1042以及多个光电探测器1051、1052。在使用本实施例的片上波导损耗测量装置检测片上波导损耗时，无需考虑外界的光纤与光耦合器之间的耦合效率的问题，能有效降低光纤-芯片对准精度要求，实现高效快速的波导损耗测量。

实施例2

实施例2提供一种片上波导损耗测量装置的制造方法，用于制造实施例1所述的片上波导损耗测量装置。该片上波导损耗测量装置具有至少一个片上波导损耗测量单元。

图5是本实施例的片上波导损耗测量装置中各片上波导损耗测量单元的制造方法的一个示意图。如图5所示，在本实施例中，该制造方法可以包括：

步骤501、在绝缘体上的硅(SOI)衬底100的顶层硅101中形成光耦合器102；

步骤502、在光耦合器102的光出射端一侧形成分束器103，分束器103接收光耦合器102的光出射端射出的光；

步骤503、在顶层硅101中形成波导组104，所述波导组104具有2个以上的波导，各所述波导分别接收所述分束器射出的光，并且，各波导的长度均不相等；以及

步骤504、在所述顶层硅101上形成两个以上的光电探测器105，各所述波导的光输出端所输出的光被一个所述光电探测器105探测，所述光电探测器105生成与探测到的光对应的电流。

如图5所示，该制造方法还包括：

步骤505、形成覆盖层107，该覆盖层107覆盖所述光耦合器，所述分束器，所述波导组以及所述光电探测器。

在本实施例中，如图5所示，该制造方法还包括：

步骤506、在覆盖层107中形成开口1071，光耦合器102位于开口1071下方。

此外，在步骤503中，在形成波导组104的同时，还可以在顶层硅101中形成波导110，波导110位于光耦合器102和分束器103之间，能够将光从光耦合器102引导入分束器103。

根据本实施例，在本实施例中，片上波导损耗测量单元1中集成有光耦合器102，分束器103，多个波导1041、1042以及多个光电探测器1051、1052。在使用本实施例的片上波导损耗测量装置检测片上波导损耗时，无需考虑外界的光纤与光耦合器之间的耦合效率的问题，能有效降低光纤-芯片对准精度要求，实现高效快速的波导损耗测量。

以上结合具体的实施方式对本申请进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本申请保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本申请的精神和原理对本申请做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本申请的范围内。

Claims (10)

1.一种片上波导损耗测量装置，具有至少一个片上波导损耗测量单元，其中，各所述片上波导损耗测量单元包括：

形成于绝缘体上的硅(SOI)衬底的顶层硅中的光耦合器；

位于所述光耦合器的光出射端一侧的分束器，所述分束器接收所述光耦合器的光出射端射出的光；

形成于所述顶层硅中的波导组，所述波导组具有两个以上的波导，各所述波导分别接收所述分束器射出的光，并且，各波导的长度均不相等；以及

形成于所述顶层硅上的两个以上的光电探测器，各所述波导的光输出端所输出的光被一个所述光电探测器探测，所述光电探测器生成与探测到的光对应的电流。

2.如权利要求1所述的片上波导损耗测量装置，其中，所述片上波导损耗测量单元还包括：

覆盖层，其覆盖所述光耦合器，所述分束器，所述波导组以及所述光电探测器。

3.如权利要求2所述的片上波导损耗测量装置，其中，

所述覆盖层具有开口，所述光耦合器位于所述开口下方。

4.如权利要求3所述的片上波导损耗测量装置，其中，

所述光耦合器为端面耦合器或光栅耦合器。

5.如权利要求3所述的片上波导损耗测量装置，其中，

所述光电探测器是锗(Ge)探测器或锗锡(GeSn)探测器。

6.如权利要求1-5中任一项所述的片上波导损耗测量装置，其中，

片上波导损耗测量装置具有两个以上所述片上波导损耗测量单元，

任一个所述片上波导损耗测量单元的波导组中波导的长度至少部分不同于其他片上波导损耗测量单元的波导组中波导的长度，

所述两个以上所述片上波导损耗测量单元被设置于同一个绝缘体上的硅(SOI)衬底上，并且，至少两个所述片上波导损耗测量单元共用至少一个所述光电探测器。

7.一种片上波导损耗的测量方法，使用权利要求1-6中任一项所述的片上波导损耗测量装置对片上波导损耗进行测量，所述测量方法包括：

向光耦合器照射光；

测量各所述光电探测器输出的光电流值；

根据所述光电探测器输出的光电流值，计算片上波导的损耗。

8.一种片上波导损耗测量装置的制造方法，所述片上波导损耗测量装置具有至少一个片上波导损耗测量单元，其中，各所述片上波导损耗测量单元的制造方法包括：

在绝缘体上的硅(SOI)衬底的顶层硅中形成光耦合器；

在所述光耦合器的光出射端一侧形成分束器，所述分束器接收所述光耦合器的光出射端射出的光；

在所述顶层硅中形成波导组，所述波导组具有2个以上的波导，各所述波导分别接收所述分束器射出的光，并且，各波导的长度均不相等；以及

在所述顶层硅上形成两个以上的光电探测器，各所述波导的光输出端所输出的光被一个所述光电探测器探测，所述光电探测器生成与探测到的光对应的电流。

9.如权利要求8所述的片上波导损耗测量装置的制造方法，其中，各所述片上波导损耗测量单元的制造方法还包括：

形成覆盖层，所述覆盖层覆盖所述光耦合器，所述分束器，所述波导组以及所述光电探测器。

10.如权利要求9所述的片上波导损耗测量装置的制造方法，其中，各所述片上波导损耗测量单元的制造方法还包括：

在所述覆盖层中形成开口，所述光耦合器位于所述开口下方。

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