CN113454522A - 用于电光集成磷化铟基相位调制器的改进构建块 - Google Patents

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Abstract

一种光子集成电路PIC，其包括衬底上的多个半导体层，所述多个半导体层形成PIN或PN掺杂结构，所述PIC包括：波导，其被布置用于传导光波；光学元件，其连接到波导，其中所述光学元件在操作中处于反向偏置模式，并且其中光学元件包括被布置用于连接到电压源的接触层；其中波导包括靠近光学元件的导电触点，并且其中PIC还包括布置在光学元件和导电触点之间的至少一个隔离部分。本文还提出了此类PIC的对应操作方法。

Description

用于电光集成磷化铟基相位调制器的改进构建块
技术领域
本公开总体上涉及光子集成电路领域，并且具体地涉及一种在光子集成电路的不同部件之间具有降低的干扰水平的装置。
背景技术
光子集成电路PIC或集成光学电路是一种集成多种光子功能的装置。它与电子集成电路的主要区别在于，PIC为施加在可见或近红外光谱中的光波长上的信息信号提供功能。不同的部件(诸如低损耗互连波导、功率分配器、光放大器、光调制器、滤波器、激光器和探测器)形成PIC。一般来说，PIC包括有源部件以及无源部件两者。有源部件是例如半导体光放大器SOA、电折射调制器ERM，并且无源部件是例如波导。
PIC的示例包括单片可调谐激光器、宽可调谐激光器、外部调制激光器和发射器、集成接收器。在这样的PIC中，光的参数(诸如频率和相位)是重要的，并且信息可以根据这些属性中的一个的变化来传送。因此，期望能够精细地控制此类参数。
例如，光的相位通过采用ERM来调整。ERM通过调整材料的折射率来改变相位，而折射率进而可以通过影响施加在材料中的电场来控制。在正常实践中，通过调整偏置电压来精确控制电场。
经测试，有源部件之间似乎存在串扰，从而引入附加的电场，这进而影响通过有源部件的光的相位。这是不可取的。此外，在无源元件(诸如波导)上也观察到这种附加的电场。结果，通过的光的相位发生了超出预期的变化。
本发明人已经识别了标准相位调制器的问题，当在反向偏置中使用时，所述标准相位调制器是通用多项目晶圆MPW集成工艺中的ERM。这个问题引发了一项发现，该发现也解决了磷化铟InP MPW工艺中其他部件的类似问题，而不仅仅是相位调制器的问题。
该问题是在用滤波器基于三个串联的不对称马赫-曾德尔干涉仪AMZI表征可调谐激光器期间发现的。这种特定的装置是在n型掺杂衬底上并且以Technobis标准封装进行封装的智能光子学运行17、SP17的MPW运行中实现的。装置的布局示意性地描绘在图1中，并参考图1进一步阐述。
该装置1具有三个AMZI 10、20、30，每个AMZI具有两个ERM11、12；21、22；31、32；其长度为2.118mm，加上所谓的直列式ERM 40，以独立地调谐腔模。所有的ERM两端都有30微米(μm)长的隔离部分。ERM使用一定电压来操作，该电压将装置的pin结置于反向偏置下。
我们发现在这个电路中有两个相关的问题。第一个问题是，不同的ERM之间可能存在大量的电气串扰。与此直接相关的第二个问题是，两个ERM之间的无源波导由于周围ERM的偏置而被偏置，并充当相位调制器。这些问题在这里给出的激光测量的结果中变得显而易见。在该测量中，粗调谐(最小路径长度差)AMZI的长波导臂被电压Vset反向偏置。使用Keithley源表测量了其他无偏置ERM的电压水平。芯片在底部n触点处接地。测量结果在图2中呈现。呈现的是在ERM上记录的电压，在51中是粗调谐AMZI的短臂；在52中是中等AMZI的长臂；在53中是微调谐AMZI的长臂，作为电压Vset的函数。
对不同ERM的串扰清晰可见。这意味着ERM之间的无源波导和MMI在p型掺杂层上具有一定电压。因此，它们还将充当相位调制器。有更多关于AMZI的调谐的数据可用，这些数据也强调了无源波导的作用。
串扰的起因是隔离部分具有几兆欧(MΩ)的电阻，并且反向偏置pin二极管结构的电阻相似或更高。-4伏(V)下的反向偏置电流(在黑暗中)为80至100毫微安(nA)，这意味着大约40MΩ的电阻。请注意，当光穿过ERM时，它会影响通过ERM的电流，从而影响其有效电阻。这将影响到对无源波导部分和其他ERM的串扰。
发明内容
在本公开的第一方面，提出了一种光子集成电路PIC，其包括衬底上的多个半导体层，所述多个半导体层形成PIN或PN掺杂结构，所述PIC包括：波导，所述波导包括波导层并且被布置用于传导光波，所述波导层是所述多个半导体层中的一层；光学元件，所述光学元件包括波导层，所述波导层是所述多个半导体层中的一层，所述波导和所述光学元件的波导层彼此连接，其中所述光学元件在操作中处于反向偏置模式，并且其中所述光学元件包括被布置用于连接到电压源的接触层；
其中所述波导包括靠近所述光学元件的至少一个导电触点，并且其中所述PIC还包括布置在所述接触层和所述至少一个导电触点之间的至少一个隔离部分。
如本领域所理解的，光子集成电路PIC或集成光学电路是集成多个光子功能的装置。PIC进而可以由若干有源部件和/或无源部件组成。PIC通常通过在衬底上布置若干层半导体材料来形成。对这些层进行掺杂，以便形成PIN或PN掺杂结构。这种掺杂结构的示例在图3b中呈现，并在下面相应的部分中详细描述。
已经识别，在前面的部分中，发明人发现，尽管隔离部分包含在PIC的元件中，但是存在不良效果，诸如在部件或无源部件(诸如波导)之间出现串扰，从而引入了额外的相位调制。发明人发现，通过靠近接触层提供额外的至少一个导电触点，使得光学元件可以有效地与相邻光学元件的影响隔离。
根据一个实施方案，至少一个隔离部分布置在光学元件与导电触点之间。
例如，隔离部分可以确保光学元件的半导体层中的多个层和波导是隔离的，使得并非光学元件的所有半导体层也直接与波导的它们相应的对应半导体层连接。
根据一个实施方案，相对于光在波导中的方向，至少一个导电触点被配置在光学元件的两侧。这是确保所讨论的光学元件的改进隔离的优选配置。
根据一个实施方案，所述至少一个导电触点基本上在整个波导上延伸。发明人认为通过将至少一个导电接触件放置在基本上整个波导上来确保波导的有效隔离是有利的。通过这种方式，波导保持无源并且不会因相邻电场而偏置。
在示例性实施方案中，至少一个导电触点连接到电接地。这具有隔离变得更有效的优点。电接地可以借助于被布置为允许导电触点和n型掺杂层之间接触的接地孔来实现，其中接地孔的边缘和波导之间的距离至少为10μm，其中所述距离是在垂直于光在波导中传播的方向的方向上测量的。在优选实施方案中，在金属触点上保持特定电压可能是有利的。
如上所述，所述长度是在垂直于光的传播方向的方向上测量的。选择10μm的值，使得施加到导电触点的任何偏置都不会影响光在波导中的传播。当前的技术限制规定这样的距离目前至少为10μm。本领域技术人员理解，如果技术改进允许这种距离的减小，则该距离在未来可以进一步减小。决定因素是应该选择距离，使得施加到导电触点的偏置不会以不利于装置功能的方式影响光的传播。
优选地，接地孔在与光在波导中的传播方向平行的平面中的横截面的至少一个尺寸至少为20μm。这种限制也是当前使用的技术的结果。未来的技术可能允许更小尺寸的接地孔。
根据一个实施方案，在光的传播方向上测量的导电触点的长度至少为20μm。发明人认为，为了以更有效的方式实现隔离，需要确保导电触点延伸至少20μm，且更优选至少50μm。
根据任一实施方案，导电触点包括钛和/或金和/或铂中的任一种。发明人认识到这些是在制造此类PIC期间通常使用的金属。本领域技术人员还知道为了实现本公开中列出的目的可以采用的其他金属或具有合适导电性的材料。
根据本公开，光学元件是以下中的任一种：
-电折射调制器ERM，和
-光电探测器。
发明人认为这两种元件最容易受到周围电场的影响并且认为确保这两种元件的隔离是有利的。例如，ERM通过调整材料的折射率来调制光的相位。进而通过改变电场来调整折射率。因此，如果ERM未有效隔离，则会观察到不希望的或意外的相位输出。
根据一个实施方案，PIC包括多个导电触点，其中多个导电触点通过金属导电层彼此连接。在这样的实施方案中，靠近不同光学元件的所有导电物都彼此连接。这可能是有利的，因为可能只需要一个电接地。
在本发明的第二方面，提供了一种操作如上所述根据本公开的光子集成装置的方法，其中将反向偏置电压施加到导电触点。发明人认为将导电触点连接到电压源并向其施加反向偏置电压是有利的。这具有这样的效果，即它降低了传播损耗，并且将光路长度稳定到比当前情况更高的程度。当将所施加的反向偏置施加到无源部件(诸如波导)上的导电触点时，这尤其有用。
在本公开的第二方面的另一个实施方案中，提出了一种操作如上所述根据本公开的光子集成装置的方法，其中导电触点连接到电接地。除了将触点连接到反向偏置之外，导电触点也可以接地。参考附图及其描述可以更详细地理解本发明。
附图说明
图1示出了光子集成电路PIC中常用的可调谐激光器的示意性布局。
图2示出了在不同电折射调制器ERM上测得的电压水平与施加到粗调谐AMZI的长臂中的ERM的电压的函数关系。
图3a示出了根据本公开的装置的横截面。
图3b示出了根据本公开的装置的不同层。
图3c示出了根据本公开的装置的横截面。
图4示出了根据本公开的接地波导部分的横截面。
图5示出了具有两个隔离部分、一接地部分和通向衬底层的一开口的波导脊的三维草图。
具体实施方式
图1示出了光子集成电路PIC中常用的可调谐激光器的示意性布局。该装置1具有三个AMZI 10、20、30，每个AMZI具有两个ERM11、12；21、22；31、32；其长度为2.118mm，加上所谓的直列式ERM 40，以独立地调谐腔模。所有的ERM两端都有30μm长的隔离部分。ERM使用一定电压来操作，该电压将装置的pin结置于反向偏置下。该布局还包括半导体光放大器SOA41。
图2在50中示出了在不同电折射调制器ERM上测得的电压水平与施加到粗调谐AMZI的长臂中的ERM的电压的函数关系。呈现的是在ERM上记录的电压，在51中是粗调谐AMZI的短臂；在52中是中等AMZI的长臂；并且在53中是微调谐AMZI的长臂。在54中，呈现的是当空腔ERM和中等调谐AMZI中的两个ERM接地时在微调谐AMZI上的测量电压。这清楚地表明，通过将光学元件有效接地，可以有效减少其他相邻光学元件的干扰。后一个观察指出了ERM构建块的可能解决方案和改进。这在图3中进行了描绘。
图3a示出了根据本公开的光子集成电路的横截面。在ERM 11旁边将有在两侧的隔离部分72，并且在隔离部分72旁边将有另一个短ERM部分将连接到接地71。波导74包括波导层65，并且被布置用于传导光波。根据本公开，波导74还包括允许连接到电压源或电接地的导电触点69。
隔离部分的长度在很大程度上决定了ERM的暗电流。隔离部分72的典型长度目前是50μm。这个长度源于智能光子学工艺的当前设计规则。然而，如果该部分的蚀刻深度(下降到大约中间层III-1)相似并且如果应用允许增加ERM上的暗电流，则该长度原则上可以缩短至大约20μm。20μm的限制源于当前使用的金属化工艺(剥离工艺)的制造工艺。
接地部分的长度也将是由当前设计规则确定的50μm。其可以更短。估计将流动的电流至多为微安的数量级。因此，即使是20μm长的接地触点(当前技术的实际限制)预计也不会具有过大的电阻。对于蚀刻深度，重要的是高度掺杂层III-2被完全蚀刻掉。用于隔离的波导中蚀刻的深度较小是可能的，但从ERM到接地触点的电流水平将开始上升。这是否可以容忍取决于电路和电子设备的应用。用于接地触点的金属化可以与用于相位调制器的金属化相同。例如，触点由钛/铂/金(Ti/Pt/Au)中的任一种制成，触点具有300纳米(nm)的通过蒸发沉积的金的厚度。
应该注意的是，这里描述的是InP上的光子集成装置，但原则上使用类似脊形波导技术的其他集成方案和其他半导体系统也会有类似的问题。然而，我们不知道有其他材料系统商业上用于此目的。
在当前的智能光子学集成方案中，如图3a中的额外的接地触点71都使用芯片表面上的金属布线来接触。这将导致芯片上出现大量金属连接。在图3b的帮助下进一步阐述了不同的层。
图3b示出了根据本公开的装置的不同层。图3b和相应的描述应被理解为示例。本公开的特征不限于这里呈现的精确值。标示为61的层III-3是具有大约1.5E19的高掺杂浓度的p型掺杂接触层。所采用的典型材料可以是p型掺杂的InGaAs。层61厚300nm。标示为62的层III-2也是p型掺杂的，但具有大约每立方厘米(cm-3)1E18的较低掺杂浓度。层62由InP制成并且具有1000nm的厚度。
标示为63的层III-1是由InP制成的p型掺杂层，其厚约300nm。该层具有大约1E17cm-3的较低掺杂浓度。标示为64的层II-2是由InP制成的n型掺杂层，其厚约200nm。掺杂浓度为大约1E16 cm-3的。标示为65的层II-1是n-Q1.25波导层。波导层65具有约1E16 cm-3的掺杂浓度并且为500nm厚。
分别标示为66和67的层I-2和I-1都是n型掺杂的并且分别具有1E17 cm-3的和1E18cm-3的掺杂浓度。它们均由InP制成并且各自具有500nm厚度。层68是其上组装所有后续层的衬底。它也被称为I-0，并且通常是掺杂浓度为1E18 cm-3至4E18 cm-3的n型掺杂InP。如前所述，这些值仅是示例性的而非限制性的。
图3c示出了根据本公开的装置的横截面。有许多问题需要考虑。可能需要考虑波导垂直方向上的隔离。无源波导旁边的沟槽宽20μm，如图3c所示。蚀刻比隔离蚀刻更深，但距离通常是三到五倍，也许更多、更小。
图4在100中示出了根据本公开的接地波导部分的横截面。本发明更普遍的是在相位调制器上提供触点。它也适用于其他反向偏置部件，诸如探测器中以及无源部件中使用的放大器。另一点是，接触所有无源部件并将它们保持在大约3到4伏的反向偏置电压下可能是明智的。想要这样做的原因有很多。在所有无源装置上具有触点102使用少得多的所需触点(在不改变技术的情况下)解决了电隔离问题。无源部件的触点设计可能与图4略有不同。
波导的横截面将类似于图4中的横截面。如果想要接触诸如多模干涉耦合器的无源装置，波导部分将变得明显更宽(例如8μm，而不是2μm)。这种更宽结构的金属化可能会在制造中造成问题。施加电压还降低了波导中的自由载流子浓度，从而降低了每厘米多达0.5dB的传播损耗。它还清除了通过波导的光(这会导致吸收增加)在无源波导中产生的自由载流子。无源波导的最大功率容量也可能增加，但这需要研究。第三个优点是光感应出的载流子在光信号上产生相位噪声。这在非常窄的线宽CW激光器中可能是一个问题，并且在锁模激光器中肯定会起作用。由于热效应，自由载流子浓度会随时间变化，而且PIN结构的内置电位会使波导以一种难以预测的方式正向偏置自身(如太阳能电池)。这种光产生的电流可以进入p型掺杂层的任何地方，并流向强度较低的波导部分。目前正在研究无源波导中的自由载流子效应。
图5示出了具有两个隔离部分112、一接地部分113和通向衬底层111的一开口114的波导脊的三维草图110。避免这种情况的一种可能方法是对衬底中的n型掺杂层进行局部接触，如图4中示意性描绘的。这将需要改变现有的处理方案。必须在波导旁边在与波导取得接触的地方将孔蚀刻到高掺杂层I-0。
可以使用金属化方案，诸如当前使用的Ti-Pt-Au层系统(典型的厚度分别为60-75-500nm)和接触退火，因为它将在n型掺杂InP和p型掺杂InGaAs上提供良好的欧姆接触。朝向层I-0的开口114的尺寸116可以与接地触点一样长，并且估计它将需要最小20μm宽。在图5中，按比例绘制了在应用平面化和金属化之前的2μm宽的脊形波导以示出结构体，该脊形波导具有两个20μm的隔离部分、中间有一个20μm长的接地部分和用于通向层I-0的开口。开口114距波导10μm远115，以便不影响光在波导中的传播。
由于电流水平预计被限制在1μA或更小，因此触点的电阻值可能相对较高(例如几百Ω)。蚀刻孔的深度可能与深度蚀刻脊形波导的深度相同，在这种情况下，金属将与较低掺杂的InP层接触。这需要更多的研究和试验。
在半绝缘衬底技术中，波导的p侧的接地将更容易实现。在顶部n接触层已经可用的这种技术方案中，这可用于连接接地的波导部分的顶部p触点。
两个隔离部分和一个接地部分的这些组合也可以与其他反向偏置部件一起使用。具体的示例是光电探测器，其中它将防止泄漏电流和暗电流水平到其他探测器或偏置部件以及由于连接到光电探测器的其他无源波导部件中的光生电流而导致的暗电流。
需要解决智能光子学平台中相位调制器构建块的电隔离。可能的解决方案是在由隔离部分隔开的相位调制器附近添加接地触点。接地触点原则上可以通过在芯片的n侧局部形成触点来实现。有争议的是，让所有无源部件接触并保持在连接到n侧的接地电压，或几伏的反向偏置电压，以减少传播损耗，并可能在比当前情况更高的程度上稳定光路径长度。
总体上，本发明包括使用接地触点和隔离部分以防止智能光子学平台中的任何元件(包括有源和无源)之间的串扰。电光相位调制器的应用只是有源部件的一个示例。

Claims (13)

1.一种光子集成电路PIC(60)，其包括衬底(68)上的多个半导体层(62，63，64，65，66，67)，所述多个半导体层(62，63，64，65，66，67)形成PIN或PN掺杂结构，所述PIC(60)包括：
-波导(74)，其被布置用于传导光波，所述波导包括波导层(65)，所述波导层是所述多个半导体层(62，63，64，65，66，67)中的一层；
-光学元件(10，20，30)，其包括波导层(65)，所述波导层是所述多个半导体层(62，63，64，65，66，67)中的一层，所述波导(74)和所述光学元件(10，20，30)的波导层(65)彼此连接，其中所述光学元件(10，20，30)在操作中被配置处于反向偏置模式，并且其中所述光学元件(10，20，30)包括被布置用于连接到电压源的接触层(61)；其中所述波导(74)包括靠近所述光学元件(10，20，30)的至少一个导电触点(69)，并且其中所述PIC(60)还包括：
-至少一个隔离部分(72)，其布置在所述接触层(61)和所述至少一个导电触点(69)之间。
2.根据权利要求1所述的光子集成电路，其中所述至少一个隔离部分布置在所述光学元件和所述导电触点之间。
3.根据前述权利要求中任一项所述的光子集成电路，其中相对于所述光波在所述波导中的方向，所述至少一个导电触点被配置在所述光学元件的两侧。
4.根据前述权利要求中任一项所述的光子集成电路，其中所述至少一个导电触点基本上在整个波导上延伸。
5.根据前述权利要求中任一项所述的光子集成电路，其中所述至少一个导电触点连接到电接地。
6.根据权利要求5所述的光子集成电路，其中所述PIC还包括接地孔，所述接地孔被布置用于允许导电触点和n型掺杂层之间的接触，其中所述接地孔的边缘和所述波导之间的距离至少为10μm，所述距离是在垂直于光在所述波导层中的传播的方向的方向上测量的。
7.根据权利要求6所述的光子集成电路，其中所述接地孔在与光在所述波导层中的传播的方向平行的平面中的横截面的至少一个尺寸为至少20μm。
8.根据前述权利要求中任一项所述的光子集成电路，其中在光在所述波导层中的传播的方向上测量的所述导电触点的长度为至少20μm。
9.根据前述权利要求中任一项所述的光子集成电路，其中所述至少一个导电触点包括钛和/或金和/或铂中的任一种。
10.根据前述权利要求中任一项所述的光子集成电路，其中所述光学元件是以下中的任一种：
-电折射调制器ERM，和
-光电探测器。
11.根据前述权利要求中任一项所述的光子集成电路，其包括多个导电触点，其中所述多个导电触点通过金属导电层相互连接。
12.一种操作前述权利要求中任一项所述的光子集成电路的方法，其中将反向偏置电压施加到所述至少一个导电触点。
13.一种操作权利要求1至11中任一项所述的光子集成电路的方法，其中所述至少一个导电触点连接到电接地。
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