CN114252954B - 异质光功率分配器/组合器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及异质光功率分配器/组合器，揭示了光功率分配器/组合器的结构以及形成光功率分配器/组合器的结构的方法。第一波导芯位于邻近第二波导芯。该第一波导芯包括第一端面以及向该第一端面锥形化的第一锥形段。该第二波导芯包括第二端面以及向该第二端面锥形化的第二锥形段。第三波导芯位于与该第一波导芯及该第二波导芯不同的层级中。该第三波导芯包括第三端面以及向该第三端面锥形化的第三锥形段。该第三锥形段包括横向位于该第一波导芯的该第一锥形段与该第二波导芯的该第二锥形段之间的部分。
Description
技术领域
本发明涉及光子芯片，尤其涉及光功率分配器/组合器的结构以及形成光功率分配器/组合器的结构的方法。
背景技术
光子芯片用于许多应用及系统中，例如数据通信系统及数据计算系统。光子芯片将光学组件(例如波导、光学开关，以及光学耦合器)与电子组件(例如场效应晶体管)集成于统一的平台中。除其它因素以外，布局面积、成本以及操作开销可通过集成两种类型的组件来减小。
光功率分配器是一种常用于光子芯片中的光学组件，用以以所需的耦合比(coupling ratio)在多个波导之间分配光功率。可将同一结构用作光功率组合器，以组合自多个波导接收的光功率。传统的光功率分配器/组合器往往具有大于预期的足印(footprint)，且此外，可能呈现高于预期的插入损耗(insertion loss)。
需要改进的光功率分配器/组合器的结构以及形成光功率分配器/组合器的结构的方法。
发明内容
在本发明的一个实施例中，提供一种光功率分配器/组合器的结构。该结构包括第一波导芯以及位于邻近该第一波导芯的第二波导芯。该第一波导芯包括第一端面以及向该第一端面锥形化的第一锥形段。该第二波导芯包括第二端面以及向该第二端面锥形化的第二锥形段。该结构包括位于与该第一波导芯及该第二波导芯不同的层级中的第三波导芯。该第三波导芯包括第三端面以及向该第三端面锥形化的第三锥形段。该第三锥形段包括横向位于该第一波导芯的该第一锥形段与该第二波导芯的该第二锥形段之间的部分。
在本发明的一个实施例中，提供一种形成光功率分配器/组合器的结构的方法。该方法包括：形成第一波导芯以及位于邻近该第一波导芯的第二波导芯；以及形成位于与该第一波导芯及该第二波导芯不同的层级中的第三波导芯。该第一波导芯包括第一端面以及向该第一端面锥形化的第一锥形段。该第二波导芯包括第二端面以及向该第二端面锥形化的第二锥形段。该第三波导芯包括第三端面以及向该第三端面锥形化的第三锥形段。该第三锥形段包括横向位于该第一波导芯的该第一锥形段与该第二波导芯的该第二锥形段之间的部分。
附图说明
包含于并构成本说明书的一部分的附图示例说明本发明的各种实施例，并与上面所作的有关本发明的概括说明以及下面所作的有关这些实施例的详细说明一起用以解释本发明的这些实施例。在这些附图中，类似的附图标记表示不同视图中类似的特征。
图1显示包括依据本发明的实施例处于处理方法的初始制造阶段的结构的光子芯片的俯视图。
图2显示大体沿图1中的线2-2所作的剖视图。
图3显示处于图1之后的该处理方法的制造阶段的该结构的俯视图。
图4显示大体沿图3中的线4-4所作的剖视图。
图5显示处于图4之后的该处理方法的制造阶段的该结构的剖视图。
图6显示依据本发明的替代实施例的结构的剖视图。
图7显示依据本发明的替代实施例的结构的俯视图。
图8显示大体沿图7中的线8-8所作的剖视图。
图9显示依据本发明的替代实施例的结构的俯视图。
图10显示大体沿图9中的线10-10所作的剖视图。
图11-12显示依据本发明的替代实施例的结构的俯视图。
具体实施方式
请参照图1、图2并依据本发明的实施例，光功率分配器/组合器的结构10包括位于介电层21上方的波导芯12。波导芯12可具有端面20、纵轴14，以及沿平行于纵轴14的方向成锥形而终止于端面20的锥形段15。与端面20相对，波导芯12远离参与结构10的锥形段15延伸。在一个实施例中，波导芯12被端面20截断，以提供钝端壁，且因此，波导芯12在端面20没有由相交的侧壁定义的尖端。
波导芯12可由单晶半导体材料例如单晶硅组成。在一个实施例中，该单晶半导体材料可源自绝缘体上硅(silicon-on-insulator；SOI)晶圆的装置层，该晶圆还包括提供介电层21的埋置氧化物层，以及由单晶半导体材料例如单晶硅组成的衬底22。可通过光刻及蚀刻工艺自该单晶半导体材料层图案化波导芯12。该单晶半导体材料层可被完全蚀刻，以将波导芯12定义为如图所示的脊形波导，或者，仅被部分蚀刻，以在介电层21上定义包括薄化残余层或板的肋形波导。波导芯12可在锥形段15内具有共面或基本上共面的顶部及底部表面。
波导芯12具有终止于端面20的不相交的相对侧表面或侧壁16、18，以及在锥形段15中变化的在侧壁16与侧壁18之间的宽度尺寸。波导芯12的宽度尺寸从端面20处的宽度W1沿锥形段15的长度变化至大于宽度W1的宽度W2。在一个实施例中，宽度W1可在从值0.05*λ至值0.18*λ的范围内变化，且宽度W2可在从值0.2*λ至值5*λ的范围内变化，其中，λ是由结构10分配或组合的激光的波长。在一个实施例中，波导芯12的锥形段15的宽度尺寸可基于线性函数沿其长度线性变化。在一个替代实施例中，波导芯12的锥形段15的宽度尺寸可基于非线性函数(例如二次、抛物线，或指数函数)沿其长度非线性变化。
请参照图3、图4，其中，类似的附图标记表示图1、图2中类似的特征，且在下一制造阶段，在波导芯12上方形成介电层23。介电层23可由介电材料例如二氧化硅组成，通过化学气相沉积来沉积并利用例如化学机械抛光平坦化，以移除形貌。波导芯12嵌入或埋入于介电层23的该介电材料中，该介电材料为具有较高折射率的波导芯12提供低折射率包覆。额外介电层24、25可形成于介电层23上方，并可分别由氮化硅及二氧化硅组成。在一个替代实施例中，可省略含有氮化硅的介电层24。
在介电层25上形成波导芯26及波导芯28。波导芯26的锥形段27与波导芯28的锥形段29以并列、间隔布置的方式定位。波导芯26、28与波导芯12位于不同的层或层级中。具体而言，波导芯26、28所处的层级或层沿垂直方向位于与波导芯12的层级或层不同的平面内。波导芯26、28可通过在介电层25上沉积其构成材料层并利用光刻及蚀刻工艺图案化该沉积层来形成。该沉积层可被完全蚀刻，以定义如图所示的波导芯26、28，或者仅被部分蚀刻，以在介电层25上定义薄化残余层或板。在一个实施例中，波导芯26、28由具有与波导芯12中所包含的材料不同组成的材料组成。在一个实施例中，波导芯26、28可由氮化硅组成。在替代实施例中，波导芯26、28可由不同的介电材料组成，例如氮氧化硅或氮化铝，或由III-V族半导体材料组成。
波导芯26沿纵轴31延伸，且波导芯26的锥形段27沿平行于其纵轴31的方向锥形化而终止于端面34。波导芯28沿纵轴33延伸，且波导芯28的锥形段29沿平行于其纵轴33的方向锥形化而终止于端面40。与端面34、40相对，波导芯26、28可包括相应弯曲部，这些弯曲部岔开以增加波导芯26、28之间的间距并发送所分配的激光离开结构10。在一个实施例中，波导芯26、28被相应的端面34、40截断，以提供钝端壁，且因此，波导芯26、28在端面34、40处没有由相交的侧壁定义的尖端。
波导芯26、28的锥形段27、29分别沿与波导芯12的锥形段15的纵向锥形化方向相反的方向纵向锥形化(也就是，宽度变窄)。在一个实施例中，纵轴31可平行或基本上平行于纵轴33布置。在一个实施例中，纵轴31、33可平行于或基本上平行于波导芯12的纵轴14布置。
波导芯26具有终止于端面34的不相交的相对侧表面或侧壁30、32，以及在锥形段27中变化的在侧壁30与侧壁32之间的宽度尺寸。波导芯26的宽度尺寸从宽度W3沿锥形段27的长度变化至小于宽度W3的端面34处的宽度W4。波导芯28具有终止于端面40的不相交的相对侧表面或侧壁36、38，以及在锥形段29中变化的在侧壁36与侧壁38之间的宽度尺寸。波导芯28的宽度尺寸从宽度W5沿锥形段29的长度变化至小于宽度W5的端面40处的宽度W6。在一个实施例中，宽度W4及宽度W6可在从值0.05*λ至值0.48*λ的范围内变化，且宽度W3及宽度W5可在从值0.5*λ至值5*λ的范围内变化。在一个实施例中，锥形段27、29的宽度尺寸可基于线性函数线性变化。在一个替代实施例中，锥形段27、29的宽度尺寸可沿其长度基于非线性函数(例如二次、抛物线或指数函数)非线性变化。
在结构10的区域42中，波导芯12的锥形段15的部分在波导芯26的锥形段27的部分与波导芯28的锥形段29的部分之间以并列布置横向设置。区域42具有从波导芯12的端面20至波导芯26、28的端面34、40测量的长度。在一个实施例中，波导芯12的锥形段15的该部分以及波导芯26、28的锥形段27、29的该相邻部分在区域42中可具有相等或基本上相等的长度。在区域42中，波导芯12的锥形段15垂直位于波导芯26、28的锥形段27、29下方，且横向位于波导芯26的侧壁30与波导芯28的侧壁36之间。
波导芯26的锥形段27的侧壁30以耦合间距G1与区域42中的波导芯12的锥形段15的侧壁16横向隔开。波导芯28的锥形段29的侧壁36以耦合间隙G2与区域42中的波导芯12的锥形段15的侧壁18横向隔开。在一个实施例中，锥形段27、29可相对于波导芯12对称布置，以使从波导芯12至波导芯26、28的分配比为50:50。在波导芯26、28相对于波导芯12对称布置的一个实施例中，在区域42内任意给定的纵向位置，耦合间隙G1可等于耦合间隙G2，以使波导芯12相对于波导芯26、28居中。在一个实施例中，锥形段27，29可相对于波导芯12不对称布置，以使从波导芯12至波导芯26、28的分配比不同于50:50。在波导芯26、28相对于波导芯12不对称布置的一个实施例中，在区域42内任意给定的纵向位置，耦合间隙G1可不同于耦合间隙G2。在一个实施例中，耦合间隙G1的尺寸及耦合间隙G2的尺寸可在从值0.03*λ至值1.0*λ的范围内变化。
除该耦合间隙的尺寸以外，还可调整波导芯12的锥形段15及波导芯26、28的锥形段27、29的尺寸，以及它们在区域42中的重叠程度，以影响耦合效率及/或改变结构10的耦合比。
请参照图5，其中，类似的附图标记表示图4中类似的特征，且在下一制造阶段，在波导芯26、28上方及周围形成介电层44。介电层44可由介电材料例如二氧化硅组成，通过化学气相沉积来沉积并利用例如化学机械抛光平坦化，以移除形貌。波导芯26、28嵌入或埋入于介电层44的介电材料中，该介电材料提供低折射率包覆。
在介电层44上方形成后端工艺堆叠46。后端工艺堆叠46包括可由介电材料例如二氧化硅组成的一个或多个介电层，且可包括布置于一个或多个层间介电层中的由例如铜或铝组成的金属化层。
在本文中所述的任意实施例中，结构10可被集成于包括电子组件及额外光学组件的光子芯片48中。例如，该电子组件可包括通过CMOS前端工艺(front-end-of-line；FEOL)处理制造的场效应晶体管。
在使用期间，可通过波导芯12从例如光纤耦合器或激光耦合器向结构10在光子芯片48上引导激光。该激光从含有波导芯12的下方层级传输至含有波导芯26、28的上方层级。该激光的光功率被结构10分为从波导芯12传输至波导芯26的一部分或百分比，以及从波导芯12传输至波导芯28的另一部分或百分比。若波导芯26、28相对于波导芯12对称布置，则该激光可被均等分配(也就是，50％:50％的耦合比)或基本上均等分配(也就是，约50％:50％的耦合比)。或者，通过相对于波导芯12不对称地布置波导芯26、28，可定制耦合比，以不同于均等或基本上均等的分配。波导芯26及波导芯28分别引导所分配的激光离开结构10。波导芯26、28之间的间距自结构10沿下游方向增加，以消除相互作用及串扰。或者，可使用结构10组合自波导芯26、28接收的激光的光功率，从而由波导芯12输出至例如光检测器或调制器。
结构10提供占用足印小于传统光功率分配器/组合器的足印的多层级异质光功率分配器/组合器。除了更加紧凑以外，该多层级异质光功率分配器/组合器所呈现的插入损耗小于传统光功率分配器/组合器所呈现的插入损耗。
请参照图6，其中，类似的附图标记表示图5中类似的特征，且依据本发明的替代实施例，用以构造波导芯12及波导芯26、28的材料可与各自所处的层级的变化一起互换。形成于介电层25上的波导芯12布置于波导芯26与波导芯28上方及之间。波导芯26、28可由单晶半导体材料例如单晶硅组成。波导芯12可由介电材料例如氮化硅组成，或者，波导芯12可由不同的介电材料组成，例如氮氧化硅或氮化铝，或由III-V族半导体材料组成。
请参照图7、图8，其中，类似的附图标记表示图1、图2中类似的特征，且依据本发明的替代实施例，波导芯12可包括位于介电层21上及之上的板层50。为形成板层50，可在形成波导芯12时部分蚀刻该单晶半导体材料层，并接着利用光刻及蚀刻工艺图案化该部分蚀刻层，以提供给定的形状。在该代表性实施例中，板层50可经图案化而具有梯形形状，其沿与波导芯12的锥形化相同的方向而锥形化。在一个替代实施例中，板层50可经图案化而具有矩形形状，没有锥形化。在一个实施例中，板层50可终止于或大约终止于波导芯12的端面20的位置。
请参照图9、图10，其中，类似的附图标记表示图3、图4中类似的特征，且依据本发明的替代实施例，波导芯26、28可包括位于介电层25之上及上的板层52。为形成板层52，可在形成波导芯26、28时部分蚀刻沉积于介电层25上的该材料层，并接着利用光刻及蚀刻工艺图案化该部分蚀刻层，以提供给定的形状。在该代表性实施例中，板层52可经图案化而具有矩形形状。在一个替代实施例中，板层52可经图案化而具有沿与波导芯26、28的锥形化相同的方向锥形化的形状。板层52可终止于或大约终止于波导芯26、28的端面34、40的位置，且板层52的部分可位于波导芯26与波导芯28之间的空间中。在一个替代实施例中，除板层52外，结构10还可包括板层50(图7、8)。
请参照图11，其中，类似的附图标记表示图3中类似的特征，且依据本发明的替代实施例，可修改结构10，以添加与波导芯26、28类似或相同的波导芯56、58。波导芯56、58布置于与波导芯26、28相同的层级中，且波导芯26、28横向位于波导芯56与波导芯58之间。波导芯56包括锥形段60，该锥形段60具有布置于区域42中并终止于端面62的部分。波导芯58包括锥形段64，该锥形段64具有布置于区域42中并终止于端面66的部分。在一个实施例中，波导芯26、28可相同且相对于波导芯12对称地布置，并且波导芯56、58可相同且相对于波导芯12对称地布置。
通过结构10的操作将光功率从波导芯12分配至各波导芯26、28、56、58，耦合比由相对于波导芯12的布置(例如，对称布置或不对称布置)以及潜在地由锥形段27、29、60、64之间的锥形化差异确定。可将与波导芯26、28、56、58类似或相同的额外波导芯(未显示)添加至该布置，以增加结构10中的分配输出通道的数目。在一个实施例中，波导芯的数量可为偶数。在一个替代实施例中，可修改结构10，以仅添加波导芯56、58的其中一个或另一个，从而提供奇数波导芯而不是偶数波导芯。在一个替代实施例中，波导芯12可位于波导芯26、28、56、58之上及上方，如结合图6所述。
请参照图12且依据本发明的替代实施例，在沉积介电层25之前，可在结构10的附近图案化介电层24。在此方面，介电层24可自区域42移除，还可经成形以例如在结构10的局部附近的波导芯12上方形成锥形，并且还从结构10的附近的后续形成的波导芯26、28的下方移除。
上述方法用于集成电路芯片的制造。制造者可以原始晶圆形式(例如，作为具有多个未封装芯片的单个晶圆)、作为裸芯片、或者以封装形式分配所得的集成电路芯片。可将该芯片与其它芯片、分立电路元件和/或其它信号处理装置集成，作为中间产品或最终产品的部分。该最终产品可为包括集成电路芯片的任意产品，例如具有中央处理器的计算机产品或智能手机。
本文中引用的由近似语言例如“大约”、“大致”及“基本上”所修饰的术语不限于所指定的精确值。该近似语言可对应于用以测量该值的仪器的精度，且除非另外依赖于该仪器的精度，否则可表示所述值的+/-10％。
本文中引用术语例如“垂直”、“水平”等作为示例来建立参考框架，并非限制。本文中所使用的术语“水平”被定义为与半导体衬底的传统平面平行的平面，而不论其实际的三维空间取向。术语“垂直”及“正交”是指垂直于如刚刚所定义的层级的方向。术语“横向”是指在该水平平面内的方向。
与另一个特征“连接”或“耦接”的特征可与该另一个特征直接连接或耦接，或者可存在一个或多个中间特征。如果不存在中间特征，则特征可与另一个特征“直接连接”或“直接耦接”。如存在至少一个中间特征，则特征可与另一个特征“非直接连接”或“非直接耦接”。在另一个特征“上”或与其“接触”的特征可直接在该另一个特征上或与其直接接触，或者可存在一个或多个中间特征。如果不存在中间特征，则特征可直接在另一个特征“上”或与其“直接接触”。如存在至少一个中间特征，则特征可“不直接”在另一个特征“上”或与其“不直接接触”。
对本发明的各种实施例所作的说明是出于示例说明的目的，而非意图详尽无遗或限于所揭示的实施例。许多修改及变更对于本领域的普通技术人员将显而易见，而不背离所述实施例的范围及精神。本文中所使用的术语经选择以最佳解释实施例的原理、实际应用或在市场已知技术上的技术改进，或者使本领域的普通技术人员能够理解本文中所揭示的实施例。
Claims (20)
1.一种光功率分配器/组合器的结构，该结构包括：
第一波导芯，包括第一端面、向该第一端面锥形化的第一锥形段、以及第一弯曲部，该第一锥形段纵向设置在该第一端面与该第一弯曲部之间；
第二波导芯，位于邻近该第一波导芯，该第二波导芯包括第二端面、向该第二端面锥形化的第二锥形段、以及第二弯曲部，该第二锥形段纵向设置在该第二端面与该第二弯曲部之间，且该第二弯曲部相对于该第一弯曲部岔开以增加该第一波导芯与该第二波导芯之间的间距；以及
第三波导芯，位于与该第一波导芯及该第二波导芯不同的层级中，该第三波导芯包括第三端面以及向该第三端面锥形化的第三锥形段，且该第三锥形段包括横向位于该第一波导芯的该第一锥形段与该第二波导芯的该第二锥形段之间的第一部分。
2.如权利要求1所述的结构，其中，该第一锥形段及该第二锥形段分别沿第一方向纵向锥形化，且该第三锥形段沿与该第一方向相反的第二方向纵向锥形化。
3.如权利要求1所述的结构，其中，该第三波导芯位于该第一波导芯及该第二波导芯下方。
4.如权利要求3所述的结构，其中，该第三波导芯包括第一材料，且该第一波导芯及该第二波导芯包括具有与该第一材料不同组成的第二材料。
5.如权利要求1所述的结构，其中，该第三波导芯位于该第一波导芯及该第二波导芯之上。
6.如权利要求5所述的结构，其中，该第三波导芯包括第一材料，且该第一波导芯及该第二波导芯包括具有与该第一材料不同组成的第二材料。
7.如权利要求1所述的结构，还包括：
介电层，部分位于该第三波导芯与该第一波导芯之间且部分位于该第二波导芯与该第一波导芯之间。
8.如权利要求1所述的结构，其中，该第一锥形段包括终止于该第一端面的部分，该第二锥形段包括终止于该第二端面的部分，该第三锥形段的该第一部分终止于该第三端面，且该第三锥形段的该第一部分横向位于该第一锥形段的该部分与该第二锥形段的该部分之间。
9.如权利要求8所述的结构，其中，该第一锥形段的该部分与该第二锥形段的该部分相对于该第三锥形段的该第一部分对称布置。
10.如权利要求8所述的结构，其中，该第一锥形段的该部分与该第二锥形段的该部分相对于该第三锥形段的该第一部分不对称布置。
11.如权利要求1所述的结构，还包括：
第四波导芯，包括第四端面以及向该第四端面锥形化的第四锥形段，该第四锥形段位于邻近该第一锥形段。
12.如权利要求11所述的结构，还包括：
第五波导芯，包括第五端面以及向该第五端面锥形化的第五锥形段，该第五锥形段位于邻近该第二锥形段，该第一锥形段及该第二锥形段横向位于该第四锥形段与该第五锥形段之间。
13.如权利要求1所述的结构，其中，该第三波导芯包括第二部分，该第一部分纵向位于该第一端面与该第二部分之间，且还包括：
锥形介电层，仅位于该第三波导芯的该第二部分上方。
14.一种形成光功率分配器/组合器的结构的方法，该方法包括：
形成第一波导芯，该第一波导芯包括第一端面、向该第一端面锥形化的第一锥形段、以及第一弯曲部，其中，该第一锥形段纵向设置在该第一端面与该第一弯曲部之间；
形成第二波导芯，该第二波导芯位于邻近该第一波导芯，其中，该第二波导芯包括第二端面、向该第二端面锥形化的第二锥形段、以及第二弯曲部，其中，该第二锥形段纵向设置在该第二端面与该第二弯曲部之间，且该第二弯曲部相对于该第一弯曲部岔开以增加该第一波导芯与该第二波导芯之间的间距；以及
形成第三波导芯，该第三波导芯位于与该第一波导芯及该第二波导芯不同的层级中，且包括第三端面以及向该第三端面锥形化的第三锥形段，其中，该第三锥形段包括横向位于该第一波导芯的该第一锥形段与该第二波导芯的该第二锥形段之间的部分。
15.如权利要求14所述的方法，其中，该第一锥形段及该第二锥形段沿第一方向纵向锥形化，且该第三锥形段沿与该第一方向相反的第二方向纵向锥形化。
16.如权利要求14所述的方法，其中，该第三波导芯位于该第一波导芯及该第二波导芯下方，该第三波导芯自第一材料层图案化，且该第一波导芯及该第二波导芯自具有与该第一材料不同组成的第二材料层图案化。
17.如权利要求14所述的方法，其中，该第三波导芯位于该第一波导芯及该第二波导芯之上，该第三波导芯自第一材料层图案化，且该第一波导芯及该第二波导芯自具有与该第一材料不同组成的第二材料层图案化。
18.如权利要求14所述的方法，还包括：
沉积介电层，该介电层部分位于该第三波导芯与该第一波导芯之间且部分位于该第二波导芯与该第一波导芯之间。
19.如权利要求14所述的方法，其中，该第一锥形段包括终止于该第一端面的部分，该第二锥形段包括终止于该第二端面的部分，该第三锥形段的该部分终止于该第三端面，且该第三锥形段的该部分横向位于该第一锥形段的该部分与该第二锥形段的该部分之间。
20.如权利要求14所述的方法，还包括：
形成第四波导芯，该第四波导芯包括第四端面以及向该第四端面锥形化的第四锥形段，
其中，该第四锥形段位于邻近该第一锥形段。
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