CN114442342A - 光学移相器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种光学移相器。光学移相器包括衬底、第一波导层、第二波导层、金属层以及第三波导层。第一波导层位于衬底之上。第二波导层位于第一波导层之上。金属层位于第二波导层之上，被配置为接收控制电压。第三波导层位于金属层之上。第二波导层和第三波导层共同构成的波导结构接收从第一波导层耦出的光。光在第三波导层中形成光场限制。第三波导层具有随控制电压变化的折射率，以对光的相位进行调制。

Description

光学移相器及其制造方法
技术领域
本公开涉及集成光子学技术领域，尤其涉及光学相控阵技术领域，具体涉及一种光学移相器及其制造方法。
背景技术
光学移相器是光学相控阵的核心器件。随着硅基集成光学相控阵技术的蓬勃发展，高性能光学相控阵的阵列规模已扩大到具有几百至几千通道。超低插入损耗、低功耗的光学移相器可大幅提升光学相控阵的出射光功率且降低总驱动功耗，因此已成为硅基集成光学相控阵产业化的核心技术。
目前，硅基平台的常用移相器可分为两种：基于热光效应的热调移相器、基于载流子色散的PN反偏移相器。热调移相器通过加热硅波导实现相位调制，其插入损耗可以忽略不计，但移相器的功耗较大。PN反偏移相器虽然功耗很低，但是光场经过载流子分布的区域将引入较大的插入损耗。这两种移相器因其各自在功耗或插入损耗上的缺点可能难以应用于超大规模的集成，进而可能难以满足对于高性能硅基集成光学相控阵的需求。针对能够提供超低插入损耗、低功耗以及高集成度的光学移相器的研究仍是目前的热点之一。
发明内容
本公开提供了一种光学移相器及其制造方法。
根据本公开的一方面，提供了一种光学移相器。所述光学移相器包括衬底、第一波导层、第二波导层、金属层以及第三波导层。第一波导层位于衬底之上。第二波导层位于第一波导层之上。金属层位于第二波导层之上，被配置为接收控制电压。第三波导层位于金属层之上。第二波导层和第三波导层共同构成的波导结构接收从第一波导层耦出的光。光在第三波导层中形成光场限制。第三波导层具有随控制电压变化的折射率，以对光的相位进行调制。
根据本公开的另一方面，提供了一种制造光学移相器的方法。所述方法包括：在衬底之上形成第一波导层；在第一波导层之上形成第二波导层；在第二波导层之上形成金属层，金属层被配置为接收控制电压；以及在金属层之上形成第三波导层。第二波导层和第三波导层共同构成的波导结构接收从第一波导层耦出的光。光在第三波导层中形成光场限制。第三波导层具有随控制电压变化的折射率，以对光的相位进行调制。
根据本公开的一个或多个实施例，可以提供与CMOS工艺兼容且具有低插入损耗的光学相移器。
根据在下文中所描述的实施例，本公开的这些和其他方面将是清楚明白的，并且将参考在下文中所描述的实施例而被阐明。
附图说明
在下面结合附图对于示例性实施例的描述中，本公开的更多细节、特征和优点被公开，在附图中：
图1示出根据本公开示例性实施例的光学移相器沿第一方向的截面图。
图2A和图2B分别示出根据示例性实施例的光学移相器沿第二方向的截面图，其中图2A示出沿着图1的线AA’截取的截面图，且图2B示出沿着图1的线BB’截取的截面图。
图3A至3D示出根据本公开示例性实施例的制造光学移相器的方法。
图4A至4C分别示出根据另一示例性实施例的光学移相器沿第一方向、第二方向的截面图及俯视图，其中结合俯视图示出模场分布图。
图5示出根据示例性实施例的插入损耗模拟结果的曲线图。
具体实施方式
将理解的是，尽管术语第一、第二、第三等等在本文中可以用来描述各种元件、部件、区、层和/或部分，但是这些元件、部件、区、层和/或部分不应当由这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分相区分。因此，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可以被称为第二元件、部件、区、层或部分而不偏离本公开的教导。
诸如“在…下面”、“在…之下”、“较下”、“在…下方”、“在…之上”、“较上”等等之类的空间相对术语在本文中可以为了便于描述而用来描述如图中所图示的一个元件或特征与另一个(些)元件或特征的关系。将理解的是，这些空间相对术语意图涵盖除了图中描绘的取向之外在使用或操作中的器件的不同取向。例如，如果翻转图中的器件，那么被描述为“在其他元件或特征之下”或“在其他元件或特征下面”或“在其他元件或特征下方”的元件将取向为“在其他元件或特征之上”。因此，示例性术语“在…之下”和“在…下方”可以涵盖在…之上和在…之下的取向两者。诸如“在…之前”或“在…前”和“在…之后”或“接着是”之类的术语可以类似地例如用来指示光穿过元件所依的次序。器件可以取向为其他方式(旋转90度或以其他取向)并且相应地解释本文中使用的空间相对描述符。另外，还将理解的是，当层被称为“在两个层之间”时，其可以是在该两个层之间的唯一的层，或者也可以存在一个或多个中间层。
本文中使用的术语仅出于描述特定实施例的目的并且不意图限制本公开。如本文中使用的，单数形式“一个”、“一”和“该”意图也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。将进一步理解的是，术语“包括”和/或“包含”当在本说明书中使用时指定所述及特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。如本文中使用的，术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或多个的任意和全部组合，并且短语“A和B中的至少一个”是指仅A、仅B、或A和B两者。
将理解的是，当元件或层被称为“在另一个元件或层上”、“连接到另一个元件或层”、“耦合到另一个元件或层”或“邻近另一个元件或层”时，其可以直接在另一个元件或层上、直接连接到另一个元件或层、直接耦合到另一个元件或层或者直接邻近另一个元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接在另一个元件或层上”、“直接连接到另一个元件或层”、“直接耦合到另一个元件或层”、“直接邻近另一个元件或层”时，没有中间元件或层存在。然而，在任何情况下“在…上”或“直接在…上”都不应当被解释为要求一个层完全覆盖下面的层。
本文中参考本公开的理想化实施例的示意性图示(以及中间结构)描述本公开的实施例。正因为如此，应预期例如作为制造技术和/或公差的结果而对于图示形状的变化。因此，本公开的实施例不应当被解释为限于本文中图示的区的特定形状，而应包括例如由于制造导致的形状偏差。因此，图中图示的区本质上是示意性的，并且其形状不意图图示器件的区的实际形状并且不意图限制本公开的范围。
除非另有定义，本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员所通常理解的相同含义。将进一步理解的是，诸如那些在通常使用的字典中定义的之类的术语应当被解释为具有与其在相关领域和/或本说明书上下文中的含义相一致的含义，并且将不在理想化或过于正式的意义上进行解释，除非本文中明确地如此定义。
如本文使用的，术语“衬底”可以表示经切割的晶圆的衬底，或者可以指示未经切割的晶圆的衬底。类似地，术语芯片和裸片(die)可以互换使用，除非这种互换会引起冲突。应当理解，术语“层”包括薄膜，除非另有说明，否则不应当解释为指示垂直或水平厚度。
在相关技术中，已利用具有电光效应的晶体(诸如铌酸锂等)作为波导，基于电光调制实现对光的相位调制。然而，对于硅基平台而言，在诸如硅的硅基波导上集成这种异质波导可能存在工艺兼容和复杂度的问题。例如，这种异质波导的刻蚀、键合工艺以及后续用于制造金属电极的工艺与硅基平台中使用的CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺并不兼容，且这种异质波导的刻蚀工艺本身难度也较大。此外，在考虑锗硅光电探测器(其可与光学相控阵结合使用以用于将光信号转换为电信号)的情况下，如何兼容锗硅光电探测器的制作也是亟待考虑的问题。
针对以上技术问题中的至少一个，根据本公开实施例的一方面，提出了一种光学移相器及其制造方法。下面将结合附图详细描述本公开的实施例。
图1示出根据本公开示例性实施例的光学移相器100沿第一方向的截面图。
在图1中，第一方向表示由x轴、y轴和z轴所构成的三维坐标系中的x轴方向，在下文也可称为“横向方向”。与x轴方向垂直的z轴方向在下文中也可称为“垂直方向”。
如图1所示，光学移相器100包括衬底110、第一波导层130、第二波导层140、金属层150以及第三波导层160。
第一波导层130位于衬底110之上。第二波导层140位于第一波导层130之上。金属层150位于第二波导层140之上，被配置为接收控制电压。第三波导层160位于金属层150之上。第二波导层140和第三波导层160共同构成的波导结构接收从第一波导层130耦出的光。光在第三波导层160中形成光场限制。
第三波导层160具有随控制电压变化的折射率，以对光的相位进行调制。
根据本公开实施例的光学移相器，一方面，可以通过设计三层波导结构来提供足够的器件间距以兼容锗硅光电探测器的制作，同时确保该三层的波导结构仅引起低插入损耗。另一方面，可以通过设计第三波导层和金属层在光学相移器中的位置，保证光学相移器的整体制造工艺与CMOS工艺兼容，并且降低由于第三波导层和金属层所导致的工艺复杂度。
以下详细描述根据本公开实施例的光学移相器100的各个方面。
衬底110可以包括硅衬底。在示例中，光学移相器100可以整体形成在SOI(silicon-on-insulator，绝缘体上硅)晶圆上，该SOI晶圆可以包括衬底110和位于衬底110上的掩埋氧化物层120。掩埋氧化物层120可以包括二氧化硅(SiO2)。
第一波导层130可以位于掩埋氧化物层120上。
根据一些实施例，第一波导层130可以包括硅(Si)。在示例中，第一波导层130可以利用所述SOI晶圆的顶部硅层形成。因此，使用硅的第一波导层130可以在与SOI芯片兼容的情况下制作，从而有助于光学移相器100的制造与CMOS工艺兼容。
第一波导层130可以被配置为光学移相器100的光输入端口。来自诸如激光器的光发射装置的光可以经由第一波导层130输入并在第一波导层130中传输，以使得光能够进入光学移相器100中进行相位调制。图1示意性地示出了用于光输入的传输区域101a。
类似地，第一波导层130还可以被配置为光学移相器100的光输出端口。经光学移相器100处理的光可以在第一波导层130中传输并从第一波导层130输出到诸如锗硅光电探测器的后续器件。图1示意性地示出了用于光输出的传输区域101b。
可以理解，由于图1以对称方式示出了光学移相器100的截面图，因此传输区域101a和传输区域101b的作用可以互换，即传输区域101b可以用于光输入，而传输区域101a可以用于光输出。
根据一些实施例，第一波导层130可以包括第一耦合区域102a，经由第一耦合区域102a，在第一波导层130中传输的光可以被耦出第一波导层130。
具体地，在第一波导层130的传输区域101a中传输的光可以经由第一耦合区域102a被耦出第一波导层130以向第二波导层140和第三波导层160共同构成的波导结构耦合。
如前所述，第一波导层130可以将输入的光耦合到光学移相器100中以由光学移相器100进行相位调制。因此，通过在第一波导层130中设置用于光耦合的耦合区域，可以在第一波导层130与位于其上的第二波导层140和第三波导层160共同构成的波导结构之间提供良好的光耦合效率，从而有助于光耦合到光学移相器100中。
类似地，第一波导层130还可以包括第三耦合区域102b，经由第三耦合区域102b，来自第二波导层140和第三波导层160共同构成的波导结构的光可以被耦入第一波导层130。具体地，来自第二波导层140和第三波导层160共同构成的波导结构的光可以经由第一耦合区域102b被耦入第一波导层130，以经由传输区域101b输出到后续器件，诸如锗硅光电探测器。
在示例中，第一耦合区域102a和第三耦合区域102b每一者可以在垂直方向上位于第二波导层140和第三波导层160共同构成的波导结构下方，以提供光在第一波导层130与所述波导结构之间的耦合。换言之，第二波导层140和第三波导层160共同构成的波导结构可以在垂直方向上至少部分地覆盖第一耦合区域102a和第三耦合区域102b每一者。需说明的是，这里所使用的术语“覆盖”意在表示两个层在垂直方向上的重叠关系，而并不限制这两个层是直接接触还是在其之间存在其他的层。
在示例中，第一耦合区域102a与第三耦合区域102b之间可以具有用于隔离的层间介质层。该层间介质层可以包括二氧化硅(SiO2)。在图1中为了简化示出，将该层间介质层与掩埋氧化物层120示出为一体，但本领域技术人员可以理解，该层间介质层可以是独立的层。
根据一些实施例，第一耦合区域102a的长度可以沿着光被传输的方向且在50um至1000um的范围，宽度可以沿长度的方向逐渐减小。以此方式，可以有助于以较高的耦合效率将在第一波导层130中传输的光经由第一耦合区域102a耦合到第二波导层140和第三波导层160共同构成的波导结构中。
在示例中，第一耦合区域102a可以被图案化为锥形，该锥形的长度沿着光被传输的方向，且宽度沿长度的方向逐渐减小(也称为倒锥，在下文中将参考图4C的俯视图示出该倒锥形状)。这里，如图1所示，长度可以相对于x轴方向而言，而宽度可以相对于与x轴方向在水平面上垂直的y轴方向而言。即，第一耦合区域102a的宽度可以沿着图1所示的x轴方向逐渐减小。第一波导层130的锥形第一耦合区域102a在耦合末端处宽度减小，模场限制能力减弱。在位于第一波导层130上的第二波导层140和第三波导层160共同构成的波导结构宽度相对较大的情况下，可以使得从第一波导层130耦出的光被耦入该波导结构。
在示例中，第一耦合区域102a可以是第一波导层130中的被第二波导层140和第三波导层160共同构成的波导结构覆盖的部分。
根据一些实施例，第二波导层140可以包括氮化硅(Si3N4)或多晶硅(poly-Si)中至少一者。氮化硅的折射率约为1.9，多晶硅的折射率约为3.4。在第二波导层140的包层(即，位于第二波导层140上方和下方的层间介质层)为二氧化硅(折射率约为1.4)的情况下，第二波导层140具有相对于该包层更高的折射率，因此有助于起到光场限制作用。这是因为光场可以被限制在折射率更高的介质中，而与周围环境相比具有更高折射率的介质就是限制光场的“光波导”。
在示例中，可以在与第二波导层140高度相当的位置处形成后续要使用的锗硅光电探测器。因此，光学移相器100可以兼容锗硅光电探测器的制作。
在示例中，第二波导层140与第一波导层130之间也可以具有用于隔离的层间介质层。该层间介质层可以包括二氧化硅(SiO2)。在图1中为了简化示出，将该层间介质层与掩埋氧化物层120以及第一耦合区域102a和第三耦合区域102b之间的层间介质层示出为一体，但本领域技术人员可以理解，该层间介质层可以是独立的层。
根据一些实施例，第二波导层140的厚度可以在50nm至1000nm的范围。该厚度可以有助于第二波导层140与第三波导层160共同构成的波导结构能够支持光场传输，从而有助于整体波导结构仅引起低插入损耗。
根据一些实施例，第二波导层140可以包括第二耦合区域103a，经由第二耦合区域103a，从第一波导层130耦出的光可以被耦入第二波导层140和第三波导层160共同构成的波导结构。
如前所述，在第一波导层130中传输的光可以经由第一耦合区域102a被耦出第一波导层130以向着第二波导层140和第三波导层160共同构成的波导结构耦合。因此，通过在第二波导层140中设置用于光耦合的耦合区域，可以在第一波导层130与第二波导层140和第三波导层160共同构成的波导结构之间提供良好的光耦合效率，从而有助于光耦合到光学移相器100中。
类似地，第二波导层140还可以包括第四耦合区域103b，经由第四耦合区域103b，从第二波导层140和第三波导层160共同构成的波导结构耦出的光可以被耦入第一波导层130。
根据一些实施例，金属层150可以包括铝(Al)、铜(Cu)或金(Au)中至少一者。通过采用具有良好电接触性能的金属作为用于接收控制电压的金属层，可以确保光学移相器100的操作稳定性。
在示例中，考虑金属层的制造工艺，可以选用铝或铜以与CMOS工艺兼容。
图1还示意性示出了用于金属层150的凹槽104。在示例中，控制电压可以通过经由凹槽104与金属层150电连接的引线或接线等电连接件(图1未示出)而被施加到金属层150。
这里，由于金属层被设置于第三波导层之下，可以有助于将制造第三波导层的工艺与光学移相器所使用的CMOS工艺分离，以便于在以CMOS工艺形成底部结构之后额外地形成第三波导层，从而有助于光学相移器的整体制造工艺与CMOS工艺兼容，并且降低由于第三波导层所导致的工艺复杂度。
根据一些实施例，金属层150的厚度可以在50nm至300nm的范围。该厚度可以有助于第二波导层140与第三波导层160共同构成波导结构以支持光场传输，从而有助于整体波导结构仅引起低插入损耗。
根据一些实施例，第三波导层160可以包括铌酸锂(LiNbO3)薄膜。以此方式，可以提供具备良好电光效应的波导层以实现相位调制。
由于第三波导层可以是在通过CMOS工艺形成底部结构之后额外地使用键合工艺而形成在该底部结构之上，因此可以有助于光学相移器的整体制造工艺与CMOS工艺兼容，并且降低由于第三波导层所导致的工艺复杂度。
另外，如前所述，光场可以被限制在折射率更高的介质中，而与周围环境相比具有更高折射率的介质就是限制光场的“光波导”。第二波导层140和第三波导层160相对于周围环境而言可以为高折射率区域，因此光场可以被限制在该高折射率区域中。第三波导层160可以为例如平板薄膜波导，因此z轴方向存在折射率差异，而y轴方向没有折射率限制。通过在第三波导层160下方设置在z轴方向和y轴方向都有限制的第二波导层140，可以使得第二波导层140和第三波导层160共同构成的波导结构类似于脊形波导，在y轴方向也形成光场限制。
根据一些实施例，光学移相器100还可以包括：第一层间介质层145，位于第二波导层140与金属层150之间；以及第二层间介质层155，位于金属层150与第三波导层160之间。
以此方式，可以在两个波导层140、160与金属层150之间提供间隔以有助于调整这三者之间的距离，从而使第二波导层140与第三波导层160共同构成的波导结构能够支持光场传输，有助于整体波导结构仅引起低插入损耗。
在示例中，第一层间介质层145和第二层间介质层155每一者可以包括二氧化硅(SiO2)。在图1中为了简化示出，将第一层间介质层145和第二层间介质层155与其他用于隔离的层间介质层示出为一体，但本领域技术人员可以理解，第一层间介质层145和第二层间介质层155每一者可以是独立的层。
根据一些实施例，第一层间介质层145或第二层间介质层155中至少一者的厚度可以小于或等于500nm。该厚度可以有助于在两个波导层140、160与金属层150之间提供适当距离，以使第二波导层140与第三波导层160共同构成的波导结构能够支持光场传输，有助于整体波导结构仅引起低插入损耗。
如前所述，根据本公开实施例的光学移相器，一方面，可以通过设计三层波导结构来提供足够的器件间距以兼容锗硅光电探测器的制作，同时确保该三层的波导结构仅引起低插入损耗。另一方面，可以通过设计第三波导层和金属层在光学相移器中的位置，保证光学相移器的整体制造工艺与CMOS工艺兼容，并且降低由于第三波导层和金属层所导致的工艺复杂度。
图2A和图2B分别示出光学移相器100沿第二方向的截面图，其中图2A示出沿着图1的线AA’截取的截面图，且图2B示出沿着图1的线BB’截取的截面图。
在图2A和图2B中，第二方向可以表示由x轴、y轴和z轴所构成的三维坐标系中的y轴方向，其与沿x轴方向的第一方向在水平面中垂直。
如图2A和图2B所示，光学移相器100包括衬底110、第一波导层130、第二波导层140、金属层150以及第三波导层160。第一波导层130位于衬底110之上。第二波导层140位于第一波导层130之上。金属层150位于第二波导层140之上。第三波导层160位于金属层150之上。第二波导层140和第三波导层160共同构成的波导结构接收从第一波导层130耦出的光。
由于图2A是沿着图1的线AA’截取的截面图，因此图2A所示的第一波导层130和第二波导层140可以分别表示第一波导层130中的第一耦合区域(在图1中示出为第一耦合区域102a)和第二波导层140中的第二耦合区域(在图1中示出为第二耦合区域103a)。经由第一耦合区域，在第一波导层130中传输的光可以被耦出第一波导层130。经由第二耦合区域，从第一波导层130耦出的光可以被耦入第二波导层140和第三波导层160共同构成的波导结构。即，光可以在第一波导层130中传输，经由第一波导层130的第一耦合区域和第二波导层140的第二耦合区域向着第三波导层160耦合，以在由第二波导层140、金属层150和第三波导层160所共同构成的实现移相器操作的移相器部分中进行对光的相位调制。
如图2B所示的沿着图1的线BB’截取的截面图因此示出了由第二波导层140、金属层150和第三波导层160所共同构成的移相器部分。即，在通过第一波导层130将光耦合到该移相器部分中之后，借助于经由金属层150施加控制电压来实现对光的相位调制。
根据本公开实施例的光学移相器的这种独特的三层波导结构能够仅引起低插入损耗，并且能够使光学相移器的整体制造工艺与CMOS工艺兼容，且降低工艺复杂度。
图3A至3D示出根据本公开示例性实施例的制造光学移相器的方法。
在图3A至3D中，分别示出了根据本公开实施例的制造光学相移器的方法的步骤S301至S304。在步骤S301，在衬底310之上形成第一波导层330。在步骤S302，在第一波导层330之上形成第二波导层340。在步骤S303，在第二波导层340之上形成金属层350，金属层350被配置为接收控制电压。在步骤S304，在金属层350之上形成第三波导层360。第二波导层340和第三波导层360共同构成的波导结构接收从第一波导层330耦出的光。光在第三波导层360中形成光场限制。第三波导层360具有随控制电压变化的折射率，以对光的相位进行调制。
根据本公开实施例的制造光学移相器的方法，一方面可以通过独特的三层波导结构提供足够的器件间距来兼容锗硅光电探测器的制作，另一方面可以保证光学相移器的整体制造工艺与CMOS工艺兼容，且降低工艺复杂度。
以下详细描述根据本公开实施例的制造光学移相器的方法的步骤S301至S304各个方面。
如图3A所示，在步骤S301，衬底310可以包括硅衬底。在示例中，可以使用SOI晶圆，该SOI晶圆可以包括衬底310和位于衬底310上的掩埋氧化物层320。掩埋氧化物层320可以包括二氧化硅(SiO2)。可以在掩埋氧化物层320上形成第一波导层330。
第一波导层330可以包括硅(Si)。在示例中，可以利用所述SOI晶圆的顶部硅层作为第一波导层330。也可以使用沉积工艺额外地形成第一波导层330。
如前所述，由于第一波导层330可以被配置为光学移相器的光输入端口和光输出端口，因此可以刻蚀第一波导层330以形成分别对应于光输入端口和光输出端口的两部分330-1、330-2，如图3A所示。
在示例中，可以在后续步骤中(如步骤S302)在所述两部分330-1、330-2之间形成层间介质层以用于隔离。该层间介质层可以包括二氧化硅(SiO2)。
根据一些实施例，形成第一波导层330可以包括：形成第一耦合区域302a，经由第一耦合区域302a，在第一波导层330中传输的光被耦出第一波导层330。
由于第一波导层330可以将输入的光耦合到光学移相器中以由光学移相器进行相位调制，通过在第一波导层330中设置用于光耦合的耦合区域，可以在第一波导层330与位于其上的第二波导层340(在图3B中示出)和第三波导层360(在图3D中示出)共同构成的波导结构之间提供良好的光耦合效率，从而有助于光进入到光学移相器中。
与在光输入端口的部分330-1形成第一耦合区域302a类似，还可以在光输出端口的部分330-2形成第三耦合区域302b，经由第三耦合区域302b，来自第二波导层340(在图3B中示出)和第三波导层360(在图3D中示出)共同构成的波导结构的光可以被耦入第一波导层330以输出到后续器件，诸如锗硅光电探测器。
在示例中，可以将第一耦合区域302a图案化为倒锥形状(在下文中参考图4C的俯视图示出了该倒锥形状)。即，第一耦合区域302a的宽度可以沿着图3B所示的x轴方向逐渐减小。第一耦合区域302a的长度可以在50um至1000um的范围。
如图3B所示，在步骤S302，第二波导层340可以包括氮化硅(Si3N4)或多晶硅(poly-Si)中至少一者。可以使用沉积工艺形成第二波导层340。
在示例中，可以将第二波导层340和第三波导层360(在图3D中示出)共同构成的波导结构形成为在垂直方向上至少部分地覆盖第一耦合区域302a和第三耦合区域302b每一者。
在示例中，可以将第二波导层340的厚度形成在50nm至1000nm的范围。另外，与第一波导层330中的第一耦合区域302a和第三耦合区域302b相对应，可以形成第二波导层340中的第二耦合区域303a和第四耦合区域303b。
在示例中，锗硅光电探测器可以被形成在与第二波导层140高度相当的位置处。因此，光学移相器可以兼容锗硅光电探测器的制作。
在示例中，可以在形成第二波导层340之前形成覆盖底部结构的层间介质层以用于隔离。该层间介质层可以包括二氧化硅(SiO2)。在图3B中为了简化示出，将该层间介质层与掩埋氧化物层320以及第一耦合区域302a和第三耦合区域302b之间的层间介质层示出为一体，但本领域技术人员可以理解，该层间介质层可以是独立的层。
如图3C所示，在步骤S303，金属层350可以包括铝(Al)、铜(Cu)或金(Au)中至少一者。可以使用与CMOS工艺兼容的金属工艺(诸如溅射工艺)形成金属层350。在此情况下，可以优先选用铝或铜。
在示例中，可以将金属层350的厚度形成在50nm至300nm的范围。
如前所述，由于金属层350是在形成第三波导层360(在图3D中示出)之前先行形成的，可以有助于将制造第三波导层360的工艺与光学移相器所使用的CMOS工艺分离，以便于在以CMOS工艺形成底部结构之后额外地形成第三波导层360，从而有助于光学相移器的整体制造工艺与CMOS工艺兼容，并且降低由于第三波导层360所导致的工艺复杂度。
如图3D所示，在步骤S304，第三波导层360可以包括铌酸锂(LiNbO3)薄膜。可以在通过CMOS工艺形成底部结构之后，额外地使用键合工艺将制作好的铌酸锂薄膜(例如，利用额外的铌酸锂薄膜制造工艺所制作的)形成在底部结构之上。因此，可以有助于光学相移器的整体制造工艺与CMOS工艺兼容，并且降低由于第三波导层所导致的工艺复杂度。
根据一些实施例，制造光学移相器的方法还可以包括：在第二波导层340与金属层350之间形成第一层间介质层345(在图3C中示出)；以及在金属层350与第三波导层360之间形成第二层间介质层355(在图3D中示出)。
在示例中，第一层间介质层345和第二层间介质层355每一者可以包括二氧化硅(SiO2)。在图3C、3D中为了简化示出，将第一层间介质层345和第二层间介质层355与其他用于隔离的层间介质层示出为一体，但本领域技术人员可以理解，第一层间介质层345和第二层间介质层355每一者可以是独立的层。
在示例中，第一层间介质层345或第二层间介质层355中至少一者的厚度可以小于或等于500nm。
在示例中，如图3D所示，可以刻蚀第二层间介质层355以形成用于金属层350的凹槽304。在示例中，控制电压可以通过经由凹槽304与金属层350电连接的引线或接线等电连接件(图3D中未示出)而被施加到金属层350。
根据本公开实施例的制造光学移相器的方法，一方面可以通过独特的三层波导结构提供足够的器件间距来兼容锗硅光电探测器的制作，另一方面可以保证光学相移器的整体制造工艺与CMOS工艺兼容，且降低工艺复杂度。
图4A至4C分别示出根据另一示例性实施例的光学移相器400沿第一方向、第二方向的截面图及俯视图，其中结合图4C的俯视图示出模场分布图。可以理解的是，图4A至4C中示出的各个元件并不一定按比例绘制，出于说明的目的，在一些情况下可能在比例上有所夸大。
如图4A所示，从沿第一方向(即x轴方向)的截面图观察，光学相移器400自下而上包括衬底410、第一波导层430、第二波导层440、金属层450以及第三波导层460。
另外，光学相移器400还可以包括位于第二波导层440与金属层450之间的第一层间介质层445，以及位于金属层450与第三波导层460之间的第二层间介质层455。
由于上述各层的各个方面已结合图1、图2A和图2B、图3A至3D进行了详细描述，因而在此不再赘述其细节。另外，为了简化说明，不同于图1所示的完整器件，图4A仅示意性示出该完整器件中的对称的一半部分，其可对应于图1所示的完整器件的左半部分。
图4B示出了光学相移器400沿第二方向(即y轴方向)的截面图。作为示例，在图4B中标注了第一波导层430、第二波导层440、金属层450以及第三波导层460各自的厚度。如图4B所示，第一波导层430的厚度H1可以为220nm，第二波导层440的厚度H2可以为300nm，金属层450的厚度Hmetal可以为100nm，且第三波导层460的厚度H2可以为300nm。另外，第一波导层430与第二波导层440之间的层间介质层的厚度Hgap1可以为180nm，且第一层间介质层445和第二层间介质层455每一者的厚度Hgap2可以为30nm。
图4C示出了光学移相器400的俯视图。如图4C所示，第一波导层430可以具有沿着第一方向(即x轴方向)延伸的长度。第一波导层430的第一端部430-1的宽度W11可以为500nm，且第二端部430-2的宽度W12可以为200nm。从图4C所示的俯视图观察，第一波导层430被第二波导层440和第三波导层460共同构成的波导结构覆盖的耦合区域430-3可以被形成为倒锥形状，该耦合区域430-3的长度Ltaper可以为300μm。
第二波导层440和第三波导层460共同构成的波导结构可以部分地覆盖第一波导层430以形成第一波导层430中的所述耦合区域430-3。第二波导层440的宽度W2可以为1000nm。
图4C的上方和下方分别示出了光进入第一波导层430时在第一波导层430中的模场分布和光耦合到第三波导层460时在第三波导层460中的模场分布。从图4C所示的模场分布图可以看出，光进入第一波导层430时在第一波导层430中形成的模场较小且高度较低，而光耦合到第三波导层460时在第三波导层460中形成的模场较大且高度较高。可以通过所述两种模场分布对光学移相器400的插入损耗进行模拟。
图5示出根据示例性实施例的插入损耗模拟结果的曲线图。该插入损耗模拟结果可以是基于图4A至4C所示的光学移相器400的器件参数得到的。
如图5所示，示出了耦合效率随第一波导层430的耦合区域430-3的长度变化的曲线。从图5中可以看出，在耦合区域430-3的长度在300～350μm时可以达到近似为1的耦合效率，即对应于0.04dB的插入损耗。可见，根据本公开实施例的光学移相器400可以提供相对较低的插入损耗。
以上描述仅为本公开的说明性实施例和应用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开的实施例所涉及的本公开的范围不限于由上述技术特征的特定组合所形成的技术方案，在不脱离上述发明构思的情况下，还应当涵盖由上述技术特征或其等同特征的任意组合所形成的其他技术方案。例如，通过将上述特征替换为与本公开的实施例所公开的技术特征具有相似功能的技术特征(但不限于此)所形成的技术方案，也落入本公开的保护范围内。
虽然在附图和前面的描述中已经详细地说明和描述了本公开，但是这样的说明和描述应当被认为是说明性的和示意性的，而非限制性的；本公开不限于所公开的实施例。通过研究附图、公开内容和所附的权利要求书，本领域技术人员在实践所要求保护的主题时，能够理解和实现对于所公开的实施例的变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除未列出的其他元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个，术语“多个”是指两个或两个以上，并且术语“基于”应解释为“至少部分地基于”。在相互不同的从属权利要求中记载了某些措施的仅有事实并不表明这些措施的组合不能用来获益。

Claims (15)

1.一种光学移相器，包括：
衬底；
第一波导层，位于所述衬底之上；
第二波导层，位于所述第一波导层之上；
金属层，位于所述第二波导层之上，被配置为接收控制电压；以及
第三波导层，位于所述金属层之上，其中，所述第二波导层和所述第三波导层共同构成的波导结构接收从所述第一波导层耦出的光，
其中，所述光在所述第三波导层中形成光场限制，并且
其中，所述第三波导层具有随所述控制电压变化的折射率，以对所述光的相位进行调制。
2.根据权利要求1所述的光学移相器，其中，所述第一波导层包括硅。
3.根据权利要求1或2所述的光学移相器，其中，所述第一波导层包括第一耦合区域，经由所述第一耦合区域，在所述第一波导层中传输的光被耦出所述第一波导层。
4.根据权利要求3所述的光学移相器，其中，所述第一耦合区域的长度沿着所述光被传输的方向且在50um至1000um的范围，宽度沿所述长度的方向逐渐减小。
5.根据权利要求1或2所述的光学移相器，其中，所述第二波导层包括氮化硅或多晶硅中至少一者。
6.根据权利要求5所述的光学移相器，其中，所述第二波导层的厚度在50nm至1000nm的范围。
7.根据权利要求1或2所述的光学移相器，其中，所述第二波导层包括第二耦合区域，经由所述第二耦合区域，从所述第一波导层耦出的光被耦入所述第二波导层和所述第三波导层共同构成的所述波导结构。
8.根据权利要求1或2所述的光学移相器，其中，所述金属层包括铝、铜或金中至少一者。
9.根据权利要求8所述的光学移相器，其中，所述金属层的厚度在50nm至300nm的范围。
10.根据权利要求1或2所述的光学移相器，其中，所述第三波导层包括铌酸锂薄膜。
11.根据权利要求1或2所述的光学移相器，还包括：
第一层间介质层，位于所述第二波导层与所述金属层之间；以及
第二层间介质层，位于所述金属层与所述第三波导层之间。
12.根据权利要求11所述的光学移相器，其中，所述第一层间介质层或所述第二层间介质层中至少一者的厚度小于或等于500nm。
13.一种制造光学移相器的方法，包括：
在衬底之上形成第一波导层；
在所述第一波导层之上形成第二波导层；
在所述第二波导层之上形成金属层，所述金属层被配置为接收控制电压；以及
在所述金属层之上形成第三波导层，所述第二波导层和所述第三波导层共同构成的波导结构接收从所述第一波导层耦出的光，
其中，所述光在所述第三波导层中形成光场限制，并且
其中，所述第三波导层具有随所述控制电压变化的折射率，以对所述光的相位进行调制。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，形成所述第一波导层包括：形成第一耦合区域，经由所述第一耦合区域，在所述第一波导层中传输的光被耦出所述第一波导层。
15.根据权利要求13或14所述的方法，还包括：
在所述第二波导层与所述金属层之间形成第一层间介质层；以及
在所述金属层与所述第三波导层之间形成第二层间介质层。
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