CN114365039A - 集成等离子体激元调制器 - Google Patents
集成等离子体激元调制器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114365039A CN114365039A CN201980097294.5A CN201980097294A CN114365039A CN 114365039 A CN114365039 A CN 114365039A CN 201980097294 A CN201980097294 A CN 201980097294A CN 114365039 A CN114365039 A CN 114365039A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- modulator
- layer
- modulator layer
- electrodes
- light
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 32
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 29
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 29
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims abstract description 21
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 12
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 claims abstract description 5
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 claims abstract description 5
- 230000004044 response Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 13
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 7
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 6
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 6
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 4
- 238000000059 patterning Methods 0.000 claims description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 4
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 3
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 3
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 3
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 239000000382 optic material Substances 0.000 description 3
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 3
- LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N silicon monoxide Chemical compound [Si-]#[O+] LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 239000000872 buffer Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- JRPBQTZRNDNNOP-UHFFFAOYSA-N barium titanate Chemical compound [Ba+2].[Ba+2].[O-][Ti]([O-])([O-])[O-] JRPBQTZRNDNNOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002113 barium titanate Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N indium;oxotin Chemical compound [In].[Sn]=O AMGQUBHHOARCQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000000427 thin-film deposition Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/015—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/21—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour by interference
- G02F1/225—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour by interference in an optical waveguide structure
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/015—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction
- G02F1/025—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on semiconductor elements having potential barriers, e.g. having a PN or PIN junction in an optical waveguide structure
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/21—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour by interference
- G02F1/212—Mach-Zehnder type
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F2203/00—Function characteristic
- G02F2203/10—Function characteristic plasmon
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/70—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components formed in or on a common substrate or of parts thereof; Manufacture of integrated circuit devices or of parts thereof
- H01L21/71—Manufacture of specific parts of devices defined in group H01L21/70
- H01L21/768—Applying interconnections to be used for carrying current between separate components within a device comprising conductors and dielectrics
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
一种光电子装置（20）包括薄膜结构（56），所述薄膜结构（56）设置在半导体衬底（54）上并且被图案化，以便限定集成驱动电路的部件，所述集成驱动电路被配置为生成驱动信号。交替的金属层（44，46）和介电层（50）的后端线（BEOL）堆叠（42）设置在所述薄膜结构上方。所述金属层包括调制器层（48），所述调制器层（48）包含等离子体激元波导（36，99，105）和多个电极（30，32，34，96，98，106），所述多个电极（30，32，34，96，98，106）响应于所述驱动信号而对所述等离子体激元波导中传播的表面等离子体激元极化子（SPP）施加调制。多个互连层被图案化以将所述薄膜结构耦合到所述电极。光输入耦合器（38，82）被配置为将光耦合到所述调制器层中，由此通过所述SPP的所述调制来调制所述光，并且光输出耦合器（38，82）被配置为将所述调制光耦合出所述调制器层。
Description
技术领域
本发明总体上涉及光通信，尤其涉及用于光信号的高速调制的装置和方法。
背景技术
高速光通信需要以非常高的频率调制光源。迄今为止实现的最快的光互连能够以每通道100Gb/s的速度操作，更高的速度正处于规划阶段。
已经提出等离子体激元调制器作为对更高调制速度的需求的可能解决方案。此种类调制器基于表面等离子体激元极化子(SPP)和外部施加的电场之间的相互作用。表面等离子体激元极化子在介电材料和金属之间的接口处生成，并且可以被光束直接激发。对金属施加快速变化的电场会导致对应的SPP的调制，这又转化为等离子体激元区端部处光束的调制。在本说明书和权利要求书中使用的术语″等离子体激元调制器″是指施加电场来调制表面等离子体激元极化子的装置，所述表面等离子体激元极化子然后在等离子体激元状态结束时被转换回光束。术语″光″在本文中用于可见、红外和紫外范围的任何光辐射。
基于上述原理的等离子体激元调制器已经通过实验证明并且在专利文献中进行了描述，但距离商业部署还很远。例如，PCT国际公开WO 2011/162719描述了一种金属氧化物半导体等离子体激元狭槽波导，其包括硅层、横向设置在硅层的第一侧壁旁边的氧化硅层、横向设置在氧化硅层旁边的第一金属层以及横向设置在硅层的第二侧壁旁边的第二金属层，其中第二侧壁与第一侧壁相对。等离子体激元模式可以沿着狭槽波导传播，并且传播特性可以通过施加在金属层上的电压来调整。一种金属氧化物半导体等离子体激元调制器，其包括此种类的第一金属氧化物半导体等离子体激元狭槽波导和第二金属氧化物半导体等离子体激元狭槽波导。
发明内容
下文描述的本发明的实施方式提供用于光束的高速调制的改善的装置和方法。
因此，根据本发明的实施方式，提供一种光电子装置，其包括半导体衬底和薄膜结构，所述薄膜结构设置在衬底上并且被图案化以限定集成驱动电路的部件，所述集成驱动电路被配置为生成驱动信号。交替的金属层和介电层的后端线(BEOL)堆叠设置在薄膜结构上方。金属层包括调制器层，所述调制器层包含等离子体激元波导并且被图案化以限定多个电极，所述多个电极被配置为响应于施加到电极的驱动信号而对等离子体激元波导中传播的表面等离子体激元极化子(SPP)施加调制。多个互连层被图案化以限定电迹线，电迹线通过通孔连接到衬底上的薄膜结构和调制器层中的电极，以便互连集成驱动电路的部件并且将由此生成的驱动信号施加到电极。光输入耦合器被配置为将光耦合到调制器层中，由此通过SPP的调制来调制光。光输出耦合器被配置为将调制光耦合出调制器层。
在一个实施方式中，等离子体激元波导被配置为马赫-曾德尔干涉仪，其具有第一平行腿部和第二平行腿部，并且所述电极包括至少第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极被配置为将具有不同的相应相位的SPP的调制施加到所述第一平行腿部和第二平行腿部。
在另一实施方式中，电极被图案化以限定环形调制器。
在一些实施方式中，光耦合器中的至少一个设置在调制器层的平面中。替代地或另外地，光耦合器中的至少一个形成在所述调制器层上，并且被配置为在所述调制器层和不平行于所述调制器层的平面的传播方向之间耦合所述光。
在公开的实施方式中，调制器层是BEOL堆叠的最终外层。
在一些实施方式中，所述装置包括设置在调制器层上方和等离子体激元波导内的电光层。另外地或替代地，透明导电氧化物设置在调制器层上方和等离子体激元波导内。
根据本发明的实施方式，还提供一种制造光电子装置的方法。所述方法包括在半导体衬底上形成和图案化薄膜结构，以便限定集成驱动电路的部件，所述集成驱动电路被配置为生成驱动信号。交替的金属层和介电层的后端线(BEOL)堆叠被沉积并且图案化在薄膜结构上方。金属层包括调制器层，所述调制器层包含等离子体激元波导并且被图案化以限定多个电极，所述多个电极被配置为响应于施加到电极的驱动信号而对等离子体激元波导中传播的表面等离子体激元极化子(SPP)施加调制。多个互连层被图案化以限定电迹线，电迹线通过通孔连接到衬底上的薄膜结构和调制器层中的电极，以便互连集成驱动电路的部件并且将由此生成的驱动信号施加到电极。光被耦合到调制器层中，由此通过SPP的调制来调制光，并且被调制的光被耦合出调制器层。
从下面结合附图对本发明实施方式的详细描述中，将更全面地理解本发明，在附图中：
附图说明
图1A是根据本发明实施方式的集成等离子体激元调制装置的示意性俯视图；
图1B是示出图1A的装置的细节的示意性图示；
图1C是图1A装置的示意性侧视图；
图2是根据本发明的另一实施方式的集成等离子体激元调制装置的示意性图示；
图3是根据本发明的又一实施方式的集成等离子体激元调制装置的示意性图示；
图4是根据本发明的又一实施方式的等离子体激元调制器的示意性详细视图；
图5是根据本发明的又一实施方式的等离子体激元调制器的示意性详细视图；以及
图6是根据本发明实施方式的用于等离子体激元调制装置中的集成驱动电路的电气示意图。
具体实施方式
等离子体激元调制器在物理上能够以远超过100Gb/s的速率调制光。此外，由于表面等离子体激元极化子(SPP)表现出增加的光-物质相互作用，等离子体激元装置可在非常短的相互作用长度上方对入射光束施加深度调制，同时只需要中等的激发电压。然而，为了在实际装置中实现这些优点，还需要通过尽可能短的链路高效地生成所需的高速电驱动信号并且将其施加到等离子体激元调制器，同时最小化寄生电容和功率损耗。
本文所描述的本发明的实施方式通过将等离子体激元调制器集成到生成驱动信号的同一集成电路(IC)装置的后端线(BEOL)堆叠中来解决此需求。如本领域中众所周知的，IC制造从前端线(FEOL)步骤开始，其中薄膜结构沉积在半导体衬底上，诸如硅晶片，并且被图案化以限定IC的部件，诸如晶体管、二极管、电容器和电阻器。然后通过在薄膜结构上方沉积交替的金属层和介电层来形成BEOL堆叠。金属层被图案化以限定电迹线，所述电迹线通过通孔连接到衬底上的薄膜结构，以便互连IC的部件，并且因此形成功能装置。
在本实施方式中，BEOL层中的一个用作调制器层。光输入耦合器将光耦合到调制器层中。此层包含等离子体激元波导，其中金属被图案化以限定与波导接触的电极。FEOL和BEOL堆叠的其余互连层形成高速集成驱动电路，所述高速集成驱动电路为调制器生成驱动信号。互连层和调制器层之间的通孔将此驱动信号供应给电极，从而调制波导中的等离子体激元。当等离子体激元在等离子体激元调制器的输出端被转换回光时，此调制被转换为光调制。光输出耦合器将调制光耦合出调制器层。
使用BEOL层作为光调制器不同于通常的IC制造实践，在通常的IC制造实践中，IC的有源元件在FEOL层中，而BEOL只提供无源互连。然而，BEOL工艺非常适合于蚀刻调制器的电结构和等离子体激元波导，并且可以适用于使用本领域已知的光耦合技术来接收和传输要调制的光束。由本实施方式提供的调制器及其驱动电路在同一IC芯片中的三维集成实现了驱动电路和调制器之间的高集成密度以及具有低寄生电容的非常短的互连。因此，根据本实施方式的调制器能够以高电效率和低热耗散进行超高速调制。
现在参考图1A至图1C，其示意性地绘示了根据本发明实施方式的集成等离子体激元调制装置20。图1A是俯视图，而图1B和图1C是图示和侧视图，相应地是示出了装置内部结构的细节。装置20的上层包括等离子体激元调制器26，所述等离子体激元调制器26经由输入光波导22接收输入光束，并且将调制光束输出到输出光波导24。例如，波导22和24可以包括光纤。替代地，调制器26可以通过自由空间接收和传输光束。
此实施方式中的调制器26具有马赫-曾德尔干涉仪的形式，其包括用于金属调制器层48内的表面等离子体激元极化子(SPP)的狭槽波导36。波导36在调制器26一端的Y形结处分成两个平行的支路，然后在另一端部的另一Y形结处重新接合。波导36的狭槽由调制器的相对侧上的公共中心电极30和激励电极32和34限定。在典型的实现方式中，狭槽约100nm至200nm深，75nm至100nm宽和10μm至25μm长；但是这些尺寸仅是作为示例给出的，并且可以替代地使用更大或更小的尺寸。例如，电极30可以接地，而电极32和34由具有不同相应相位的信号(诸如，电极32上的驱动信号S和电极34上的反信号
)驱动。驱动信号通常在几伏的峰值到峰值范围内，但是根据应用要求，也可以使用更大或更小的电压。如图1C中所示，电光层52沉积在调制器层48上方，并且填充波导36的狭槽。层52可以包括任何合适种类的电光材料，诸如单片发色团，诸如DLD164，或合适的陶瓷，诸如钛酸钡(BaTiO3)。
平行于调制器层48的平面的光耦合器38将光耦合进和耦合出调制器26。在绘示的示例中，耦合器38包括锥形介电波导(例如，SiN波导)，所述锥形介电波导通过在调制器26下方的介电层50中沉积和蚀刻形成。替代地，耦合器38可以包括其他合适的光学材料(诸如，硅)，并且可以形成在调制器26的平面中或上方。本示例中的耦合器38绝热地逐渐变细，使得光以单个模式传播进和传播出波导36，而没有显著的反射或能量转移到更高阶的模式，因此表现出低的光损耗。替代地，可以使用其他合适种类的耦合器。尽管调制器层48在图1A至图1C中示出为装置20中的顶部金属层，但是调制器层也可以是IC装置内的内层。
如图1B和图1C中所示，装置20包括FEOL层40，所述FEOL层40由包括调制器层48的BEOL堆叠42覆盖。FEOL层40通常包括半导体衬底54，诸如硅晶片衬底。薄膜结构56通过例如掺杂、薄膜沉积和蚀刻的工艺形成在衬底54上，覆盖有例如包含SiO2的介电层58。BEOL堆叠42包括下金属层44，随后是交替的介电层50和金属互连层46。下金属层44和互连层46被图案化以限定电迹线，所述电迹线经由穿过介电层50的通孔62和穿过介电层58的通孔60互连到薄膜结构56。
图案化的金属层44、46和通孔60、62因此互连FEOL层40的部件以形成集成驱动电路，并且也可以包括相关联的逻辑电路。本领域已知的任何合适的IC技术都可以用于此目的。例如，驱动电路可以使用标准互补金属氧化物半导体(CMOS)技术来实现。替代地，为了更高的速度，可以使用结合了CMOS晶体管和双极结型晶体管的BiCMOS技术来实现驱动电路。
在任何情况下，由此驱动电路生成的驱动信号通过通孔62施加在电极30、32和34之间，通孔62将调制器层48连接到BEOL堆叠42下面的下一个金属层46。(在图中未示出的替代实施方式中，如前所述，调制器层可以位于中间水平，在上面和下面具有互连通孔)。层48可以包括任何合适的金属，并且不一定是通常用于驱动电路的IC技术的金属中的一种。
图2是根据本发明的另一个实施方式的集成等离子体激元调制装置70的示意性图示。如上所描述的，装置70基本上类似于装置20，除了在装置70中，电光层72仅沉积在调制器层的实际需要的部分上方，例如波导36的平行支路上方。此类方法使装置上表面的其余部分对其他特征(诸如，光耦合器(图中未示出))开放。替代地，电光材料可以仅沉积在波导的狭槽内，特别是当调制器层不是BEOL堆叠的外层时。
图3是根据本发明的又一实施方式的集成等离子体激元调制装置80的示意性图示。装置80也类似于装置20，调制器26在BEOL堆叠42的最终外层。然而，代替装置20中的面内光耦合，装置80包括面外光耦合器82，例如如本领域已知的光栅耦合器。耦合器82形成在调制器层上，并且将光从不平行于调制器层的平面的传播方向耦合进和耦合出波导36。光可以通过自由空间或通过波导(诸如适当定位的光纤)，传输到耦合器82和从耦合器82传输。
尽管装置80在图3中被示出为包括此种类的输入和输出耦合器82，但是在替代实施方式中，调制器装置可以包括一个面内耦合器和一个面外耦合器。
图4是根据本发明的又一实施方式的等离子体激元环形调制器90的示意性详细视图。经过必要的修改，环形调制器90可以用在上述种类的等离子体激元调制装置中，以代替马赫-曾德尔调制器26。替代地，也可以使用适合集成在BEOL堆叠中的其他等离子体激元调制器配置(图中未示出)。
在图4示出的示例中，其包括例如SiN的介电波导92沉积在BEOL堆叠中的介电(通常是SiO2)层94上方或形成在BEOL堆叠中的介电(通常是SiO2)层94内。替代地，可以使用其他类型的波导，诸如硅波导。盘状电极96和周围的环形电极98在覆盖的金属层中被图案化，以限定环形调制器，在电极之间具有圆形狭槽波导99。所述狭槽通常为约100nm至200nm深，75nm至100nm宽，直径为6μm，并且填充有电光材料，如前面的实施方式。(这些尺寸再次仅以示例的方式呈现，并且可以替代地使用更大或更小的尺寸)。通常作为BEOL金属化的一部分形成的电触点100和102在电极之间跨越波导99施加驱动信号，从而调制通过波导92的光。尽管触点100在图4中示出为在环形电极98上方延伸的桥，但是此触点可以替代地在BEOL堆叠内从盘状电极96下方制成。
图5是根据本发明的又一实施方式的等离子体激元狭槽调制器103的示意性详细视图。经过必要的修改，狭槽调制器103可以用在上述种类的等离子体激元调制装置中，以代替马赫-曾德尔调制器26。
在图5示出的示例中，狭槽105被蚀刻穿过BEOL堆叠的金属层，从而在狭槽的一侧或两侧上限定电极106。金属层可以包括具有诸如200nm厚度(并且因此狭槽深度)的金，所述其沉积在介电层107(诸如SiO2)上方。例如，狭槽的宽度通常在300nm的范围内。在电极106上方沉积厚度约为5nm的薄介电层108，例如Al2O3。然后将透明导电氧化物(TCO)层104(诸如氧化铟锡(ITO))沉积在狭槽105上方和之内。
向电极106施加电压V导致电荷109在狭槽105中积累，从而改变介电常数，并且因此改变狭槽内TCO中等离子体激元的吸收。调制电压导致对应的吸收调制。调制器103因此能够通过电吸收进行高频等离子体激元调制，而不需要在前述实施方式中使用的那种干涉结构。
图6是根据本发明实施方式的用于等离子体激元调制装置中的集成驱动电路110的电气示意图。此种类的驱动电路可在上述等离子体激元调制装置的FEOL层40中实现，具有通过BEOL堆叠42的互连。驱动电路110适于使用BiCMOS技术实现，以便达到充分利用等离子体激元调制器26的可用调制带宽的驱动带宽。
驱动电路110使用功率多路复用器(PMUX)方法，其中多个低速支路通过多个多路复用级组合以形成高速信号。换句话说，驱动电路110经由相应的缓冲放大器112接收若干输入数据信号(在图示示例中是四个信号)。时钟分频器116将期望驱动频率为f的输入时钟分成频率为f/2的分量时钟，相位相差90°。单独的时钟分频器114再次将这些时钟信号分成频率为f/4的四个输入时钟，并且四个输入数据通道的相应相位不同。两个多路复用器118各自组合一对输入信号，并且多路复用器120组合这些成对的信号以便以驱动时钟速率f生成到调制器26的驱动信号，所述驱动时钟速率f是四个数据通道中每一个的输入时钟速率的四倍。
替代地，可以使用更少或更多数量的数据输入和多路复用级，以更小或更大倍数的输入时钟速率生成驱动信号。例如，具有图6示出的拓扑结构的两个4∶1多路复用器的输出可以以不同的相应相位多路复用在一起，以便将八个数据通道多路复用为单个输出。
最终多路复用器120在不需要另外的缓冲器或驱动放大器的情况下直接驱动等离子体激元调制器26。图6示出的实施方式中的信号调制格式是不归零(NRZ)，但是替代地，驱动电路可以适用于其他调制方案，诸如四电平脉冲幅度调制(PAM4)。
在替代实施方式中，根据本实施方式，可以使用其他种类的驱动电路来驱动等离子体激元调制器，即使不是以调制器支持的最大数据速率。例如，等离子体激元调制器26可以集成在诸如CMOS开关电路的CMOS IC的BEOL堆叠中。在此情况下，调制器的″驱动电路″可以只是开关电路输出端的SerDes(串行器/解串器)。
在任一上述实施方式中，由于等离子体激元调制器的小尺寸，调制器被驱动电路视为小的集总电容负载，通常在几飞法的数量级。因为调制器与IC的FEOL层紧密耦合，所以电路中几乎没有或没有寄生电容或电感损耗，并且也不需要50欧姆的端接。因此，等离子体激元调制器可以充分利用驱动电路的可用数据速率和驱动功率，而不考虑IC技术--无论是图5所示的高速BiCMOS、CMOS或任何其他合适的IC类型。
应理解，上述实施方式是通过示例的方式引用的，并且本发明不限于已经在上文中具体示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括上文描述的各种特征的组合和子组合，以及本领域技术人员在阅读前述描述后会想到的并且在现有技术中没有公开的其变化和修改。
Claims (16)
1.一种光电装置，包括：
半导体衬底；
薄膜结构，所述薄膜结构设置在所述衬底上并且被图案化以限定集成驱动电路的部件，所述集成驱动电路被配置为生成驱动信号；
交替的金属层和介电层的后端线（BEOL）堆叠，其设置在所述薄膜结构上方，所述金属层包括：
调制器层，所述调制器层包含等离子体激元波导，并且被图案化以限定多个电极，所述多个电极被配置为响应于施加到所述电极的所述驱动信号而对所述等离子体激元波导中传播的表面等离子体激元极化子（SPP）施加调制；以及
多个互连层，所述多个互连层被图案化以限定电迹线，所述电迹线通过通孔连接到所述衬底上的所述薄膜结构和所述调制器层中的所述电极，以便互连所述集成驱动电路的所述部件并且将由此生成的所述驱动信号施加到所述电极；
光输入耦合器，所述光输入耦合器被配置为将光耦合到所述调制器层中，由此通过所述SPP的所述调所述制来调制所述光；以及
光输出耦合器，所述光输出耦合器被配置为将所述调制光耦合出所述调制器层。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述等离子体激元波导被配置为马赫-曾德尔干涉仪，其具有第一平行腿部和第二平行腿部，并且其中所述电极包括至少第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极被配置为将具有不同的相应相位的所述SPP的所述调制施加到所述第一平行腿部和第二平行腿部。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述电极被图案化以限定环形调制器。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中所述光耦合器中的至少一个设置在所述调制器层的平面中。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中所述光耦合器中的至少一个形成在所述调制器层上，并且被配置为在所述调制器层和不平行于所述调制器层的平面的传播方向之间耦合所述光。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中所述调制器层是所述BEOL堆叠的最终外层。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，并且包括电光层，所述电光层设置在所述调制器层上方和所述等离子体激元波导内。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，并且包括透明导电氧化物，所述透明导电氧化物设置在所述调制器层上方和所述等离子体激元波导内。
9.一种制造光电装置的方法，包括：
在半导体衬底上形成并且图案化薄膜结构，以便限定集成驱动电路的部件，所述集成驱动电路被配置为生成驱动信号；
在所述薄膜结构上方沉积和图案化交替的金属层和介电层的后端线（BEOL）堆叠，所述金属层包括：
调制器层，所述调制器层包含等离子体激元波导，并且被图案化以限定多个电极，所述多个电极被配置为响应于施加到所述电极的所述驱动信号而对所述等离子体激元波导中传播的表面等离子体激元极化子（SPP）施加调制；以及
多个互连层，所述多个互连层被图案化以限定电迹线，所述电迹线通过通孔连接到所述衬底上的所述薄膜结构和所述调制器层中的所述电极，以便互连所述集成驱动电路的所述部件并且将由此生成的所述驱动信号施加到所述电极；
将光耦合到所述调制器层中，由此通过所述SPP的所述调制来调制所述光；以及
将所述调制光耦合出所述调制器层。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述等离子体激元波导被配置为马赫-曾德尔干涉仪，其具有第一平行腿部和第二平行腿部，并且其中所述电极包括至少第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极被配置为将具有不同的相应相位的所述SPP的所述调制施加到所述第一平行腿部和第二平行腿部。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述电极被图案化以限定环形调制器。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中耦合所述光包括将光耦合器放置在所述调制器层的平面中以将所述光耦合进或耦合出所述调制器层。
13.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中耦合所述光包括在所述调制器层上放置光耦合器，用于在所述调制器层和不平行于所述调制器层的平面的传播方向之间耦合所述光。
14.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中沉积和图案化所述BEOL堆叠包括在所述BEOL堆叠的最终外层中形成所述调制器层。
15.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，并且包括在所述调制器层上方和所述等离子体激元波导内沉积电光层。
16.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，并且包括在所述调制器层上方和所述等离子体激元波导内沉积透明导电氧化物。
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/GR2019/000039 WO2020249984A1 (en) | 2019-06-10 | 2019-06-10 | Integrated plasmonic modulator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114365039A true CN114365039A (zh) | 2022-04-15 |
Family
ID=67180811
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201980097294.5A Pending CN114365039A (zh) | 2019-06-10 | 2019-06-10 | 集成等离子体激元调制器 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20220236619A1 (zh) |
| EP (1) | EP3980845A1 (zh) |
| CN (1) | CN114365039A (zh) |
| WO (1) | WO2020249984A1 (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11886055B2 (en) | 2019-12-22 | 2024-01-30 | Mellanox Technologies, Ltd. | Low voltage modulator |
| US11855700B2 (en) | 2021-12-16 | 2023-12-26 | Mellanox Technologies, Ltd. | High bandwidth optical modulator |
| US11906873B2 (en) | 2022-01-05 | 2024-02-20 | Mellanox Technologies, Ltd. | Serial data conversion redundancy using optical modulators |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6522793B1 (en) * | 2001-11-21 | 2003-02-18 | Andrei Szilagyi | Low voltage electro-optic modulator with integrated driver |
| JPWO2008136479A1 (ja) * | 2007-05-01 | 2010-07-29 | 日本電気株式会社 | 導波路結合型フォトダイオード |
| EP2375242A1 (en) * | 2010-04-06 | 2011-10-12 | FOM Institute for Atomic and Moleculair Physics | Integrated plasmonic nanocavity sensing device |
| WO2011162719A1 (en) | 2010-06-24 | 2011-12-29 | Agency For Science, Technology And Research | Arrangement for electro-optic modulation, plasmonic slot waveguide, plasmonic modulator, splitter and combiner |
| JP2014035546A (ja) * | 2012-08-07 | 2014-02-24 | Luxtera Inc | 光通信システムのハイブリッド集積のための方法及びシステム |
| CN105122106B (zh) * | 2013-04-04 | 2019-02-01 | 加州理工学院 | 纳米级等离子体激元场效应调制器 |
| US20170365563A1 (en) * | 2014-09-11 | 2017-12-21 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited | Multiband QAM Interface for Slab Waveguide |
-
2019
- 2019-06-10 CN CN201980097294.5A patent/CN114365039A/zh active Pending
- 2019-06-10 US US17/617,603 patent/US20220236619A1/en active Pending
- 2019-06-10 WO PCT/GR2019/000039 patent/WO2020249984A1/en unknown
- 2019-06-10 EP EP19736481.3A patent/EP3980845A1/en active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2020249984A1 (en) | 2020-12-17 |
| EP3980845A1 (en) | 2022-04-13 |
| US20220236619A1 (en) | 2022-07-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105044931B (zh) | 硅基集成化的差分电光调制器及其制备方法 | |
| US7536066B2 (en) | Semiconductor chip module | |
| US8796811B2 (en) | Hybrid substrateless device with enhanced tuning efficiency | |
| JP3244205B2 (ja) | 半導体装置 | |
| US6587605B2 (en) | Method and apparatus for providing optical interconnection | |
| CN114365039A (zh) | 集成等离子体激元调制器 | |
| Cignoli et al. | 22.9 A 1310nm 3D-integrated silicon photonics Mach-Zehnder-based transmitter with 275mW multistage CMOS driver achieving 6dB extinction ratio at 25Gb/s | |
| US20060210215A1 (en) | Optical transceiver array | |
| US20060177173A1 (en) | Vertical stacking of multiple integrated circuits including SOI-based optical components | |
| CN103975262B (zh) | 倒置的无衬底芯片上的光学器件 | |
| US6600864B2 (en) | Method and apparatus for switching an optical beam using an optical rib waveguide | |
| WO2023179336A1 (zh) | 电光调制器及其制造方法 | |
| US8121446B2 (en) | Macro-chip including a surface-normal device | |
| CN110275365B (zh) | 一种二进制全光四选一数据选择器 | |
| US6463193B2 (en) | Method and apparatus for switching an optical beam using a phase array disposed in a higher doped well region | |
| Miller | Optical interconnects | |
| CN102918448B (zh) | 光控制元件 | |
| JP2004163675A (ja) | モニタ付有機導波路型光変調器および光変調装置および光集積回路 | |
| JP2002258080A (ja) | 光・電気複合回路 | |
| JPH04172316A (ja) | 導波型光制御デバイス | |
| Zortman et al. | Monolithic and two-dimensional integration of silicon photonic microdisks with microelectronics | |
| Block et al. | A low power electro-optic polymer clad Mach-Zehnder modulator for high speed optical interconnects | |
| Maram et al. | Silicon microring modulator with a pin-diode-loaded multimode interferometer coupler | |
| JPH02170142A (ja) | 導波形光制御デバイス及びその駆動方法 | |
| US20230205042A1 (en) | Rf delay line for segmented optical waveguide modulator |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |