CN1143146C - 吸收集成光学回路杂散光的方法和具有杂散光吸收装置的集成光学回路 - Google Patents

吸收集成光学回路杂散光的方法和具有杂散光吸收装置的集成光学回路 Download PDF

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Abstract

一种制作于导光基底上的集成光学回路，具有光吸收的装置，包含基底上的一个或多个掺杂区(1)，其掺杂浓度比形成光学回路(2)的基底区高，用于吸收基底中没有被光学回路元件传导的杂散光。

Description

吸收集成光学回路杂散光的方法和 具有杂散光吸收装置的集成光学回路
本发明涉及光学回路中杂散光的吸收方法，也涉及包含吸收杂散光的装置的集成光学回路。
在集成光学回路的设计中，经常需要处理没有被组成回路的元件传导的光。这些杂散光能由许多来源引起，如光纤或激光耦合器，从波导耦合器和波导弯头的散射，或从束流收集器的散射，杂散光能对使用这些元件的器件性能产生严重的影响。光学芯片上的杂散光能进入芯片上的器件和输出光纤中，并且可能严重限制这些器件的性能。
处理这个问题的传统方法包括从物理角度在集成光路芯片上安排器件，以使杂散光不能进入芯片的敏感部分，并且使用隔离槽保持杂散光与芯片的特定部分隔开。
这些方法的局限性在于它们不能从集成光路芯片上去除杂散光，而只是企图使芯片内杂散光的问题最小化。
按照本发明的第一个方面，提供一种吸收集成光学回路内的杂散光的方法，所述集成光学回路制作于导光基底上，包括在基底上选定区域内掺杂的步骤，以提高在那些区域对没有被光回路元件传导的光的吸收。
按照本发明的第二个方面，提供一种制作于导光基底上的集成光学回路，它包含吸收基底中的杂散光的装置，杂散光吸收装置包含基底的一个或多个掺杂区，其中掺杂浓度比形成光回路的基底区的大，用于吸收基底中没有被光回路元件传导的杂散光。
本发明的其他特征将出现在下面的描述和补充的详细说明中。
本发明通过例子参考伴随的图来进一步描述，其中：
图1是示意图，描述按照本发明在波导的Y-结附近掺杂区的使用；
图2是示意图，描述按照本发明在激光二极管和波导之间的耦合区附近掺杂区的使用；
图3是描述按照本发明在光源和光探测器之间使用掺杂区的示意图；
图4表示对于两个给定波长和特定的n型掺杂浓度，掺杂区的长度与吸收损耗的关系；和
图5表示对于两个给定波长和特定的p型掺杂浓度，掺杂区的长度与吸收损耗的关系。
众所周知，自由电荷载流子来自离子化的杂质原子(例如掺杂原子)，对于通信中通常使用的波长，如1310nm和1550nm，改变了硅的折射率和增加了线性光吸收系数。对于一般的杂质原子如硼(p型掺杂)和磷(n型掺杂)，详细的测量已经在文献中出版(见R.A.Sorefand B.R.Bennett“硅的电光效应”，IEEE量子电子学进展QE-23(1)p.123 1987(“Electro-optical Effects in Silicon″.IEEE Journal ofQuantum Electronics QE-23(1)p.123 1987)。通过在波导横向加上电压来设置将被注入到波导中的自由电荷载流子，这些效应可用于集成光学开关和光学换能器。
在本发明中，这个效应用于在光学芯片中提供光吸收装置，以吸收芯片中的杂散光。
通过在芯片的选定区域内掺杂，芯片中的杂散光能利用自由电荷载流子的吸收过程而被去除，以直接解决杂散光的问题，和除掉对器件性能的限制。
掺杂区可以制作在不同的位置上，如邻近于光源或光纤与波导之间的耦合区，邻近于波导的弯曲部分，邻近于波导结或波导之间的耦合区，邻近于光源与光探测器之间的束流收集器。一般来说，掺杂区的位置应能防止任何杂散光源来的光到达回路中易受杂散光影响的其他元件。
图1描述一个波导中Y型结2邻近的掺杂区1的使用。掺杂区1最好位于能吸收从结发出的绝大部分的杂散光的位置，例如邻近于Y型结的臂状部分的外边缘和臂状部分之间的区域。
图2描述在激光二极管3和波导4之间耦合区附近使用掺杂区1。激光二极管3与波导4对准，以使二极管发出的光的大部分进入波导。然而，一定数量的从激光二极管发出的光不能进入波导4，并在光学芯片中产生杂散光。掺杂区1制作于波导的两边它们能截取和吸收足够比例的杂散光的位置。类似的安排可以用在光源是光纤而不是激光二极管3的情况。
显示于图1和2中的掺杂区1可能典型地为大约20微米宽，100微米长。
图3描述在激光二极管5和光电二极管6之间的掺杂区1，例如在收发器芯片中。掺杂区1置于能截取杂散光的位置，否则杂散光可能从激光二极管5到达光电二极管6。掺杂区1制作成环绕或包围激光二极管5和/或光电二极管6，除了使从二极管发出的光直接进入波导7或被其接收的部分，使得二极管与指定的光出口光学隔离。通过用这种方法隔离光电二极管6和激光二极管5，灵敏度提高了。另一种可替换的方案中(未示出)，掺杂区可以只包含在激光二极管5和光电二极管6之间的细长带。图3中掺杂区1的不同部分可能也典型地为大约20微米宽和100微米长。
需要的掺杂浓度和掺杂区的大小取决于许多因素，如使用的基底类型，使用的掺杂类型和器件所要求的性能。
图4表示对于磷原子浓度为1.6×1020cm-3的p型掺杂硅基底，杂散光通过的掺杂区长度和对1310nm和1550nm两种波长的吸收损耗之间的关系。该图已经用上面参考的文献中出版的数据计算。该图表示掺杂长度7微米(用于1310nm波长的情况)和10微米(外推法，用于1550nm波长的情况)，能产生显著的吸收(超过60dB)。
该图也表示即使短的掺杂长度，如大约1微米，也能产生有用的吸收(大约10dB)。
图5表示类似的图表，使用硼原子的较低的掺杂浓度1.6×1019cm-3。这个例子没有提供像图4中那样的有效吸收(因为掺杂浓度低，并且硼与磷相比，单位体积的吸收率低)。但是表示了有用的量吸收级，例如10dB或更高，能利用长度在20微米到40微米之间的掺杂区来实现。
其他n和p型掺杂剂可以用来代替或补充磷或硼。
上面给出的例子是硅基底的，例如硅绝缘体(SOI)芯片。这样的芯片按给定规范制造，硅的纯度应使能在其上制作有效的器件。在这样的器件中，硅的‘背景’杂质浓度典型地在1015cm-3量级。掺杂区1的掺杂浓度应至少1016cm-3，最好是至少1019或1020cm-3。
使用的掺杂级别最好是利用少于200微米长，优选为40微米或更短，最好少于20微米的掺杂区，能足够产生在至少10dB，优选为50dB或更多的吸收。
对于硅绝缘体芯片，硅层厚度典型为2-8微米，肋形波导管典型宽度大约4微米，通过在硅层上的肋形的每一边刻蚀凹槽制作波导。通过将掺杂剂扩散到在肋形任一边的凹槽中，掺杂区1可在肋形的任一边制作，例如图1和图2所示。另外的情况下，例如当掺杂区邻近光电二极管时，例如图3所示，则通过在二极管邻近的硅层上扩散来制作，没有事先形成凹槽。
掺杂区的典型制作是使相关区域在高温环境下处在包含掺杂剂原子的气体中。这之后，器件再在氧气中加热，使掺杂剂进一步扩散到芯片中并在芯片上形成氧化层。很显然需要使掺杂剂扩展进入光学层的整个深度，光学层例如为SOI基底中的硅层，以避免杂散光从下面的掺杂区内逸出的可能性。掺杂剂的浓度一般随光学层的深度变化，例如系数为10/微米(深度)，在优选方案中最小的掺杂级别(通常在层1的底部)应是能提供需要的吸收程度的足够浓度。
在许多情况下，掺杂区可以形成于与杂散光源很近的地方，使得光的吸收最大化。该区域可以形成于离相关光源不足5微米处，例如图1和2所示的肋形波导，但不应该太近以致于干扰相关元件的工作。
这样的掺杂区能方便的与其他回路上的元件例如调制器同时制作，并且它们的位置能用标准的光刻技术准确决定。
在一些应用中，可能在芯片上被集成光学回路占用的整个区域上制作掺杂区，除了光回路元件本身是为了最大化杂散光的吸收的区域以外。然而掺杂区将提高芯片的电导率，因此在不需要在光学回路的元件之间建立电气路径的情况下，应使用上面所描述的隔离的掺杂区。
掺杂区最好都包括同样类型的掺杂剂，例如n型，或者p型，以避免在n型和p型区之间形成不想要的二极管。基于同样的理由，用于吸收的掺杂区，不应该离为了其他目的的n型和p型掺杂区太近。
由于采用掺杂区作为光吸收装置，如上所述，使光学芯片中的杂散光引起的问题能大大减少。这使光回路能在设计时不用考虑杂散光，并使芯片的空间能更有效地利用，使能制作更紧凑的器件。

Claims (15)

1.一种减少形成在导光衬底上的光学回路内的杂散光的方法，包括：
确定杂散光通过其传播的光学回路外部的衬底区域；以及
使用从n型掺杂剂和p型掺杂剂中选择的掺杂剂来掺杂所确定的衬底区域以便形成掺杂确定的区域，其中所述掺杂确定的区域影响无载波散射，以产生无载波吸收，以便增加在掺杂确定的区域内的杂散光的吸收。
2.权利要求1的方法，其中所述基底由硅组成。
3.权利要求1的方法，其中掺杂剂扩散或注入到硅基底中，以使掺杂剂的浓度在基底的厚度范围内超过1016cm-3，优选超过1019cm-3。
4.权利要求1、2或3的方法，其中选定区域包含一个或多个下列区域：光源或光纤与波导之间的耦合区附近，波导中的弯曲部分附近，波导结或波导之间的耦合区附近，束流收集器附近，在光源周围，和在光源与光探测器之间。
5.一种光学设备，包括：
导光衬底；
制作于导光衬底上的光学回路；以及
位于导光衬底上用于吸收光学回路外部传播的杂散光的光吸收掺杂区域，其中所述光吸收掺杂区域使用从n型掺杂剂和p型掺杂剂中选出的掺杂剂，并且其中光吸收掺杂区域影响无载波散射，以执行在光吸收掺杂区域中的掺杂光的吸收。
6.权利要求5的集成光学回路，其中使用n型掺杂剂，最好是磷。
7.权利要求5的集成光学回路，其中使用p型掺杂剂，最好是硼。
8.权利要求5，6或7的集成光学回路，其中掺杂区在一个或多个下面的位置上形成：光源或光纤与波导之间的耦合区附近，波导中的弯曲部分附近，波导结或波导之间的耦合区附近，束流收集器附近，在光源周围和在光源与光探测器之间。
9.权利要求5到8中任一项的集成光学回路，其中掺杂区长度至少1微米，优选是至少7微米。
10.权利要求5到9中任一项的集成光学回路，其中掺杂区扩展穿过导光基底的深度。
11.权利要求5到10中任一项的集成光学回路，在硅绝缘体(SOI)芯片上制作。
12.权利要求11的集成光学回路，其中所说的一个或多个掺杂区是用磷作为掺杂剂制作的。
13.权利要求12的集成光学回路，其中掺杂剂浓度超过1016cm-3，优选是至少1020cm-3。
14.权利要求11的集成光学回路，其中所说的一个或多个掺杂区是用硼作为掺杂剂制作的。
15.权利要求14的集成光学回路，  其中掺杂剂浓度超过1016cm-3，优选是至少1019cm-3。
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