CN114488393B - 具有多层级布置的光功率分配器 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及具有多层级布置的光功率分配器，揭示了用于光功率分配器的结构以及形成用于光功率分配器的结构的方法。第一波导芯包括位于多模干涉区上方的部分，第二波导芯包括位于该多模干涉区上方的部分，且第三波导芯包括位于该多模干涉区上方的部分。该第一波导芯提供输入端口至该光功率分配器。该第二波导芯自该光功率分配器提供第一输出端口，且该第三波导芯自该光功率分配器提供第二输出端口。
Description
技术领域
本发明涉及光子芯片，尤其涉及用于光功率分配器的结构以及形成用于光功率分配器的结构的方法。
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，光功率分配器，以及定向耦合器)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在同一芯片中集成两种类型的组件来减小。
光功率分配器是一种用于光子芯片中的光学组件，用以以所需的耦合比在多个波导之间分配光功率。可将同一结构用作为光功率组合器，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占用面积(footprint)，且此外，可能呈现高于预期的插入损耗。
需要改进的用于光功率分配器的结构以及形成用于光功率分配器的结构的方法。
发明内容
在本发明的一个实施例中，提供一种用于光功率分配器的结构。该结构包括多模干涉区、包括位于该多模干涉区上方的部分的第一波导芯、包括位于该多模干涉区上方的部分的第二波导芯、以及包括位于该多模干涉区上方的部分的第三波导芯。该第一波导芯提供至该光功率分配器的输入端口，该第二波导芯提供自该光功率分配器的第一输出端口，以及该第三波导芯提供自该光功率分配器的第二输出端口。
在本发明的一个实施例中，提供一种形成用于光功率分配器的结构的方法。该方法包括形成多模干涉区，形成包括位于该多模干涉区上方的部分的第一波导芯，形成包括位于该多模干涉区上方的部分的第二波导芯，以及形成包括位于该多模干涉区上方的部分的第三波导芯。该第一波导芯提供至该光功率分配器的输入端口，该第二波导芯提供自该光功率分配器的第一输出端口，以及该第三波导芯提供自该光功率分配器的第二输出端口。
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该些实施例的详细说明一起用以解释本发明的该些实施例。在该些附图中，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4A显示大体沿图3中的线4A-4A所作的剖视图。
图5、图5A显示处于图4、图4A之后的该处理方法的制造阶段的该结构的剖视图。
图6-10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，多模光功率分配器的结构10包括位于介电层14的顶部表面11上的本体或板(slab)12。板12可定义结构10的多模干涉区，其能够实现光功率分配。板12可由具有围绕封闭几何形状的外周的本体提供。在一个实施例中，板12的几何形状可为矩形或基本上为矩形。板12包括相对的侧表面15、17，以及连接侧表面15与侧表面17的相对的侧表面16。板12可在侧表面16之间具有宽度尺寸W1。
板12可由单晶半导体材料组成，例如单晶硅。在替代实施例中，板12可由不同的材料组成。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)衬底的装置层，该衬底还包括提供介电层14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操作衬底(handle substrate)13。可通过光刻及蚀刻工艺自该装置层图案化板12。该装置层可被完全蚀刻，以定义板12，或者，仅被部分蚀刻，以定义位于介电层14上并仅在侧表面16处与板12的下部耦接的薄化残余层。板12可具有与介电层14的顶部表面11共同延伸的底部表面以及沿垂直方向与该底部表面隔开的相对的顶部表面。
请参照图3、图4、图4A，其中，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，在板12及介电层14上方形成介电层18。介电层18可由介电材料例如二氧化硅组成，其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。板12由介电层18的介电材料围绕，以提供低折射率包覆。可在介电层18上方以层堆叠沉积额外介电层19、20、21。介电层20可由氮化硅组成，且介电层19、21可由二氧化硅组成。在一个替代实施例中，可自该层堆叠略去包含氮化硅的介电层20。在一个实施例中，包括介电层19、20、21的该层堆叠可具有小于或等于100纳米的厚度。
在介电层21上形成波导芯22及多个波导芯24。波导芯22、24可通过在介电层18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而形成。该沉积层可经完全蚀刻以定义如图所示的波导芯22、24，或者，仅被部分蚀刻以定义与波导芯22的下部耦接的位于介电层18上的薄化残余层以及与波导芯24的下部耦接的位于介电层18上的另一个薄化残余层。在一个实施例中，波导芯22，24可由具有与板12中所包含的材料不同成分的材料组成。在一个实施例中，波导芯22、24可由氮化硅组成。在替代实施例中，波导芯22、24可由不同的材料组成。在一个实施例中，波导芯22、24可具有在从50纳米至500纳米的范围内的厚度。
波导芯22、24与板12位于不同的层或层级中。具体地说，波导芯22、24所处的层级或层沿垂直方向位于与板12的层级或层不同的平面内。介电层19、20、21作为固体层位于波导芯22、24与板12之间。
波导芯22可包括锥形区段(section)40，该锥形区段延伸横跨位于下方的板12的侧表面15并包括与板12所定义的多模干涉区的部分重叠的部分23。波导芯22的锥形区段40终止于端部26，该端部可位于板12之上及上方。因此，锥形区段40的部分23与板12所定义的多模干涉区的部分重叠。锥形区段40的部分23与板12的重叠距离d1可大于或等于结构10的操作波长。
各波导芯24可包括锥形区段42，该锥形区段延伸横跨位于下方的板12的侧表面17并包括与板12部分重叠的部分25。各波导芯24的锥形区段42终止于端部28，该端部可位于板12之上及上方。因此，各锥形区段42的部分25与板12所定义的多模干涉区的部分重叠。在每种情况下，锥形区段42的部分25与板12的重叠距离d2也可大于或等于结构10的操作波长。
波导芯22可提供至结构10的多模干涉区的输入端口。波导芯24(可为该多模干涉区所分配的光功率提供多个输出端口)以并列、间隔布置的方式彼此相邻定位。在替代实施例中，可提供与波导芯22类似或相同的额外波导芯作为额外输入端口。在替代实施例中，可提供与波导芯24类似或相同的额外波导芯作为额外输出端口。
波导芯22的锥形区段40沿纵轴30锥化而具有宽度尺寸W2，其宽度尺寸随着与其终止端部26的距离增加而沿其长度减小。宽度尺寸W2可在端部26处具有最大宽度。波导芯22具有相对的侧壁34，35，它们以宽度尺寸W2隔开并终止于端部26。各波导芯24的锥形区段42沿纵轴31锥化而具有宽度尺寸W3，其宽度尺寸随着与其各自的终止端部28的距离增加而沿其长度减小。宽度尺寸W3可在各部分25的端部28处具有最大宽度。各波导芯24具有相对的侧壁36、37，它们以宽度尺寸W3隔开并终止于端部28。板12的宽度尺寸W1大于宽度尺寸W2或宽度尺寸W3。
在一个实施例中，纵轴31可彼此平行或基本上平行排列，且纵轴30可平行于或基本上平行于纵轴31排列。在一个实施例中，纵轴31可相对于纵轴30对称定位。在一个实施例中，波导芯24可相对于波导芯22对称定位。在一个实施例中，波导芯24可相对于波导芯22对称定位，且波导芯22、24可相对于板12对称定位。
在一个实施例中，锥形区段40的宽度尺寸W2及锥形区段42的宽度尺寸W3可基于线性函数变化。在一个替代实施例中，锥形区段40的宽度尺寸W2及/或锥形区段42的宽度尺寸W3可基于非线性函数(例如二次、抛物线或指数函数)变化。
由于结构10的异质层状配置，该光功率分配器相较传统的光功率分配器可具有更紧凑的占用面积(footprint)。结构10的多材料及/或多层级可促进该光功率分配器的形状因子的减小。在使用期间，在结构10内同时发生多种功能，也就是耦合与干涉。该光功率分配器的特征可在于较低的插入损耗及较低的反射结合较小的形状因子。
请参照图5、图5A，其中，类似的附图标记表示图4、图4A中类似的特征，且在下一制造阶段，在波导芯22、24及介电层21上方通过中间工艺(middle-of-line)处理形成接触层级的介电层32。介电层32可由介电材料例如二氧化硅组成，其利用臭氧及四乙氧基硅烷(TEOS)作为反应物通过化学气相沉积来沉积。
可在介电层32上方通过后端工艺(back-end-of-line)处理形成后端工艺堆叠33。后端工艺堆叠33可包括由一种或多种介电材料(例如二氧化硅)组成的一个或多个层间介电层。
在本文中所述的结构10的任意实施例中，结构10可被集成于光子芯片中，该光子芯片可包括电子组件以及除板12及波导芯22、24之外的额外光学组件。例如，该电子组件可包括利用该SOI衬底的装置层通过CMOS处理制造的场效应晶体管。
在使用期间，可在该光子芯片上通过波导芯22将激光从例如光纤耦合器或激光耦合器引导至结构10。该激光以分布方式通过板12所定义的多模干涉区被传输至波导芯24。具体地说，该激光的光功率被结构10分成不同的分数或百分比，它们从波导芯22被传输至不同的波导芯24。若波导芯24相对于波导芯22对称布置，则该激光的光功率可被等分或基本上等分。或者，通过相对于波导芯22不对称地布置波导芯24，耦合比可被定制为不同于等分或基本上等分。波导芯24分别引导所分配的激光离开结构10。波导芯24之间的间距可在结构10的下游增加，以消除交互作用及串扰。或者，结构10可用以组合自波导芯24接收的激光的光功率，以通过波导芯22输出至例如光检测器或光调制器。
请参照图6并依据本发明的替代实施例，可修改结构10，以使波导芯22进一步包括直线段38，该直线段位于板12上方并与其重叠，且该直线段被包括于部分23中。直线段38可与锥形区段40直接连接，且直线段38可沿纵轴30与锥形区段40对齐。在一个实施例中，直线段38可与板12完全重叠，而锥形区段40可仅与板12部分重叠。终止波导芯22的端部26被重新定位到所添加的直线段38。
结构10可经进一步修改以使各波导芯24进一步包括直线段44，该直线段位于板12上方并与其重叠，且该直线段被包括于部分25中。直线段44可与锥形区段42直接连接，且直线段44可沿纵轴31与锥形区段42对齐。在一个实施例中，直线段44可与板12完全重叠，而锥形区段42可仅与板12部分重叠。终止各波导芯24的端部28被重新定位到所添加的直线段44。
请参照图7并依据本发明的替代实施例，板12可经修改以添加自侧表面15横向突出的锥形区段46，并且还添加自侧表面17横向突出的锥形区段48。锥形区段46可位于波导芯22的锥形区段40下方，且锥形区段48的其中之一可位于各波导芯24的锥形区段42下方。将锥形区段46添加至板12可用以增加板12与波导芯22的锥形区段40之间的重叠，并因此增加部分23的范围。类似地，将锥形区段48添加至板12可用以增加板12与各波导芯24的锥形区段42之间的重叠，并因此增加部分25的范围。相对于锥形区段40、42的锥化，锥形区段46、48可为逆向锥化，且其宽度可窄于锥形区段40、42。
请参照图8并依据本发明的替代实施例，结构10可经修改以将锥形区段46、48添加至板12，且波导芯22、24可经修改以包括锥形区段50、52。锥形区段50、52(替代锥形区段40、42)相对于锥形区段40、42具有逆向锥化。板12及锥形区段46、48在图8中以虚线示意显示。在此方面，锥形区段46可位于波导芯22的锥形区段50下方并与其重叠，以提供重叠部分23，且波导芯22的锥形区段50可终止于或大致终止于板12的侧表面15。类似地，锥形区段48的其中之一可位于各波导芯24的锥形区段52下方并与其重叠，以提供重叠部分25，且各波导芯24的逆向锥化的锥形区段52可终止于或大致终止于板12的侧表面17。
请参照图9并依据本发明的替代实施例，板12可经修改以添加自侧表面15突出的锥形区段54并添加自侧表面17突出的锥形区段56。波导芯22的锥形区段46与锥形区段54部分重叠，且显著窄于锥形区段54，以提供部分23。一个或多个波导芯24的锥形区段48与锥形区段56部分重叠，以提供各自的重叠部分25。在一个实施例中，不止一个波导芯24的锥形区段48与锥形区段56部分重叠。
请参照图10并依据本发明的替代实施例，结构10可经修改以添加波导芯58、60，其提供额外输入端口给板12所提供的多模干涉区。各添加的波导芯58、60可与波导芯22基本上类似或相同地构造。波导芯22、58、60可对称地定位于侧表面15处，且还可相对于波导芯24对称定位。
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了的实施例。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了的实施例。
Claims (18)
1.一种用于光功率分配器的结构，该结构包括：
多模干涉区；
第一介电层，在该多模干涉区上方；
第一波导芯，在该第一介电层上，该第一波导芯包括位于该多模干涉区上方的部分，且该第一波导芯提供第一输入端口至该光功率分配器；
第二波导芯，在该第一介电层上，该第二波导芯包括位于该多模干涉区上方的部分，且该第二波导芯自该光功率分配器提供第一输出端口；以及
第三波导芯，在该第一介电层上，该第三波导芯包括位于该多模干涉区上方的部分，且该第三波导芯自该光功率分配器提供第二输出端口；
其中，该多模干涉区位于第一层级中，该第一波导芯、该第二波导芯与该第三波导芯位于第二层级中，该第二层级沿垂直方向位于与该第一层级不同的平面内，且该第一介电层作为固体层位于该第一层级中的该多模干涉区与该第二层级中的该第一波导芯、该第二波导芯、该第三波导芯之间。
2.如权利要求1所述的结构，其中，该多模干涉区是具有第一侧表面以及与该第一侧表面相对的第二侧表面的板，该第一波导芯经定位成延伸横跨该第一侧表面，且该第二波导芯及该第三波导芯经定位成延伸横跨该第二侧表面。
3.如权利要求2所述的结构，其中，该板包括自该第一侧表面延伸的锥形区段，且该第一波导芯的该部分部分地位于该锥形区段上方。
4.如权利要求2所述的结构，其中，该第一波导芯的该部分是具有位于该板上方的终止端部的锥形区段。
5.如权利要求2所述的结构，其中，该板包括自该第二侧表面延伸的第一锥形区段及第二锥形区段，该第二波导芯的该部分部分地位于该第一锥形区段上方，且该第三波导芯的该部分部分地位于该第二锥形区段上方。
6.如权利要求2所述的结构，其中，该第二波导芯的该部分是具有位于该板上方的终止端部的锥形区段，且该第三波导芯的该部分是具有位于该板上方的终止端部的锥形区段。
7.如权利要求2所述的结构，其中，该板包括自该第二侧表面延伸的锥形区段，该第二波导芯的该部分及该第三波导芯的该部分部分地位于该锥形区段上方。
8.如权利要求1所述的结构，其中，该第二波导芯定位成邻近该第三波导芯，且该第一波导芯的该部分相对于该第二波导芯的该部分及该第三波导芯的该部分对称定位。
9.如权利要求1所述的结构，其中，该多模干涉区由第一材料组成，且该第一波导芯、该第二波导芯、以及该第三波导芯由成分不同于该第一材料的第二材料组成。
10.如权利要求9所述的结构，其中，该第一材料包括单晶硅，且该第二材料包括氮化硅。
11.如权利要求1所述的结构，还包括：
第四波导芯，在该第一介电层上，该第四波导芯包括位于该多模干涉区上方的部分，且该第四波导芯提供第二输入端口至该光功率分配器。
12.如权利要求11所述的结构，其中，该多模干涉区是具有侧表面的板，该第一波导芯及该第四波导芯经定位成延伸横跨该侧表面，且该第四波导芯的该部分定位成邻近该第一波导芯的该部分。
13.如权利要求1所述的结构，其中，该第一波导芯的该部分是具有位于该多模干涉区上方的终止端部的锥形区段。
14.如权利要求1所述的结构，其中，该第二波导芯的该部分是具有位于该多模干涉区上方的终止端部的锥形区段，且该第三波导芯的该部分是具有位于该多模干涉区上方的终止端部的锥形区段。
15.一种形成光功率分配器的方法，该方法包括：
形成多模干涉区；
形成在该多模干涉区上方的介电层；
形成在该介电层上的第一波导芯，其中，该第一波导芯包括位于该多模干涉区上方的部分，且该第一波导芯提供输入端口至该光功率分配器；
形成在该介电层上的第二波导芯，其中，该第二波导芯包括位于该多模干涉区上方的部分，且该第二波导芯自该光功率分配器提供第一输出端口；以及
形成在该介电层上的第三波导芯，其中，该第三波导芯包括位于该多模干涉区上方的部分，且该第三波导芯自该光功率分配器提供第二输出端口；
其中，该多模干涉区位于第一层级中，该第一波导芯、该第二波导芯与该第三波导芯位于第二层级中，该第二层级沿垂直方向位于与该第一层级不同的平面内，且该介电层作为固体层位于该第一层级中的该多模干涉区与该第二层级中的该第一波导芯、该第二波导芯、该第三波导芯之间。
16.如权利要求15所述的方法，其中，该多模干涉区是具有第一侧表面以及与该第一侧表面相对的第二侧表面的板，该第一波导芯经定位成延伸横跨该第一侧表面，该第二波导芯定位成邻近该第三波导芯，且该第二波导芯及该第三波导芯经定位成延伸横跨该第二侧表面。
17.如权利要求15所述的方法，其中，该多模干涉区由第一材料组成，且该第一波导芯、该第二波导芯、以及该第三波导芯由成分不同于该第一材料的第二材料组成。
18.如权利要求15所述的方法，其中，该第一波导芯的该部分是具有位于该多模干涉区上方的终止端部的锥形区段，该第二波导芯的该部分是具有位于该多模干涉区上方的终止端部的锥形区段，且该第三波导芯的该部分是具有位于该多模干涉区上方的终止端部的锥形区段。
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