CN114594545B - 具有侧围元件的光功率分离器 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及具有侧围元件的光功率分离器，揭示了一种用于光功率分离器的结构，以及形成用于光功率分离器的结构的方法。分离器主体定义光功率分离器的多模干涉区。第一侧元件定位成邻接分离器主体的第一侧表面，且第二侧元件定位成邻接分离器主体的第二侧表面。
Description
技术领域
本发明涉及光子芯片，更特别地，涉及用于光功率分离器的结构以及形成用于光功率分离器的结构的方法。
背景技术
光子芯片使用在许多应用及系统上，例如，数据通讯系统及数据计算系统上。光子芯片将光学组件(例如，波导、光学开关、光功率分离器、以及定向耦合器)、及电子组件(例如，场效应晶体管)集成至统一平台中。除其他因素外，通过在相同芯片上集成两种类型的组件可减少布局面积、成本、及营运开销。
光功率分离器为使用在光子芯片中的光学组件，以所需的耦合比在多个波导之间分离光功率。相同结构可用作组合从多个波导接收的光功率的光功率组合器。传统的光功率分离器往往具有比预期更大的占用面积(footprint)，此外，可能表现出对制造变异的不耐受度。
需要改进的用于光功率分离器的结构及形成用于光功率分离器的结构的方法。
发明内容
在本发明的实施例中，提供一种用于光功率分离器的结构。结构包括分离器主体以定义光功率分离器的多模干涉区，第一侧元件定位成邻接分离器主体的第一侧表面，以及第二侧元件定位成邻接分离器主体的第二侧表面。
在本发明的实施例中，提供一种形成用于光功率分离器的结构的方法。方法包括形成分离器主体以定义光功率分离器的多模干涉区、形成定位成邻接分离器主体的第一侧表面的第一侧元件、以及形成定位成邻接分离器主体的第二侧表面的第二侧元件。
附图说明
包含在本说明书中并构成本申请说明书一部分的附图示出本发明的各种实施例，且与上面给出的本发明的一般描述及下面给出的实施例的详细描述一起用于解释本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记表示不同视图中的相同特征。
图1显示依据本发明实施例的处理方法的初始制造阶段的结构的俯视图。
图2显示大致沿图1中的线2-2撷取的剖视图。
图3显示图2之后的处理方法的制造阶段的结构的剖视图。
图4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
参照图1-图2及依据本发明的实施例，用于多模光功率分离器的结构10包括分离器芯或分离器主体12，其设置在介电层13的顶表面11上。分离器主体12包括实体且光学地耦合在结构10的输入侧上的输入波导芯40的部分。分离器主体12还包括实体且光学地耦合在结构10的输出侧上的输出波导芯42和输出波导芯44的个别部分。
分离器主体12可定义结构10的多模干涉区(multimode interference region)，其能够进行光功率分离。分离器主体12包括相对侧表面14、16，其可在分离器主体12的至少一部分的长度上随着与输入波导芯40的距离的增加而增加横向间隔。分离器主体12中实体且光学地耦合至输出波导芯42的该部分沿着分离器主体12的纵轴30而与分离器主体12中实体且光学地耦合至输出波导芯42、44的该部分纵向地隔开。
在一实施例中，分离器主体12中实体且光学地耦合至输出波导芯42、44的该部分可相对于分离器主体12中实体且光学地耦合至输入波导芯40的该部分而对称地设置。该对称设置可提供3dB光分离器，其中激光的光功率可以被结构10均分或实质均分。在替代实施例中，分离器主体12中耦合至输出波导芯42、44的该部分可相对于分离器主体12中耦合至输入波导芯40的该部分而非对称地设置。该非对称设置可提供结构10不同于均分或实质均分的耦合比。
分离器主体12可具有非矩形几何形状，且侧表面14、16可包括提供具有圆角的非矩形几何形状的弯曲部分。分离器主体12还包括在尖端相交的弯曲侧表面19以定义向内弯曲或弯折的凹部，其横向地设置在输出波导芯42、44之间的分离器主体12中。通过分离器主体12的弯曲侧表面19定义的凹部可沿着纵轴30与分离器主体12中实体且光学地耦合至输入波导芯40的该部分对齐。
结构10还包括通过桥26与分离器主体12实体地耦合的侧元件22和通过桥28与分离器主体12实体地耦合的侧元件24。侧元件22、24不直接耦合输出波导芯40、42中的任一者。分离器主体12在横向于其纵轴30的方向上横向地定位在侧元件22和侧元件24之间。侧元件22可具有非矩形几何形状，且侧元件22可包括围绕其周边延伸的侧表面18。侧表面18提供具有圆角的非矩形几何形状且包括有助于侧元件22的非矩形几何形状的弯曲部分。类似地，侧元件24可具有非矩形几何形状，且侧元件24可包括围绕其周边延伸的侧表面20。侧表面20提供具有圆角的非矩形几何形状且包括有助于侧元件24的非矩形几何形状的弯曲部分。
桥26实体地耦合至分离器主体12的一部分以及侧元件22的一部分，以提供分离器主体12与侧元件22之间的链接。桥28实体地耦合至分离器主体12的一部分以及侧元件24的一部分，以提供分离器主体12与侧元件24之间的链接。桥26、28可相对于分离器主体12及侧元件22、24而定位，以使桥26、28定位为更靠近输入波导芯40而非输出波导芯42、44。桥26的轮廓具有侧表面27，其侧表面27弯曲以在桥26的各侧边缘上定义向内弯曲或弯折的凹部。桥26的侧表面27从分离器主体12延伸至侧元件22，且各侧表面27与分离器主体12的侧表面14及侧元件22的侧表面18相交。桥28的轮廓也具有侧表面29，其侧表面29弯曲以在桥28的各侧边缘上定义向内弯曲或弯折的凹部。桥28的侧表面29从分离器主体12延伸至侧元件24，且各侧表面29与分离器主体12的侧表面16及侧元件24的侧表面20相交。
输入波导芯40可与分离器主体12的纵轴30对齐，以及输出波导芯42、44可包括个别的纵轴43、45，其定位成与纵轴30相邻且横向偏移。侧元件22包括与纵轴30横向偏移的纵轴32。在一实施例中，侧元件22的纵轴32可平行于或实质平行于分离器主体12的纵轴30对齐。侧元件24包括与纵轴30横向偏移的纵轴34。在一实施例中，侧元件24的纵轴34可平行于或实质平行于分离器主体12的纵轴30对齐。
桥26包括相对于分离器主体12的纵轴30呈角度且相对于侧元件22的纵轴32呈角度的纵轴36。在一实施例中，桥26的纵轴36可相对于纵轴30以夹角范围10°至170°倾斜，且相对于纵轴32以夹角范围10°至170°倾斜。在一实施例中，角度可为相等。在一实施例中，角度可为不相等。纵轴36可配置在对称平面内，用于桥26的反射。
桥28包括相对于分离器主体12的纵轴30呈角度且相对于侧元件24的纵轴34呈角度的纵轴38。在一实施例中，桥28的纵轴38可相对于纵轴30以夹角范围10°至170°倾斜，且相对于纵轴34以夹角范围10°至170°倾斜。在一实施例中，角度可为相等。在一实施例中，角度可为不相等。纵轴38可配置在对称平面内，用于桥28的反射。
分离器主体12具有宽度W1，其随着沿纵轴30的位置而变化。在一实施例中，宽度W1可等于被结构10分离的光的波长的约0.5倍至约2倍。侧元件22、24具有宽度W2，其随着沿各自的纵轴32、34的位置而变化。在一实施例中，宽度W2可等于被结构10分离的光的波长的约0.1倍至约0.8倍。波导芯40、42、44可具有宽度W3，其等于被结构10分离的光的波长的约0.15倍至约0.45倍。例如，被结构10分离的光的波长可在1260nm至1360nm的范围内(O波段)。
桥26可具有在平行于纵轴36的方向上的尺寸，以及横向于纵轴36的方向上的尺寸。在一实施例中，桥26的这些正交尺寸各小于被结构10分离的光的波长的约0.5倍。在一实施例中，桥26的这些正交尺寸可各等于被结构10分离的光的波长的约0.05倍至约0.5倍，且正交尺寸可相等或不相等。
桥28可具有在平行于纵轴38的方向上的尺寸，以及横向于纵轴38的方向上的尺寸。在一实施例中，桥28的这些正交尺寸各小于被结构10分离的光的波长的约0.5倍。在一实施例中，桥28的这些正交尺寸可各等于被结构10分离的光的波长的约0.05倍至约0.5倍，且正交尺寸可相等或不相等。
分离器主体12、侧元件22、24、桥26、28、及波导芯40、42、44可由例如单晶硅的单晶半导体材料构成。在一实施例中，单晶半导体材料可源自绝缘体上覆硅(silicon-on-insulator,SOI)衬底的装置层，其进一步包括提供介电层13的掩埋氧化层和由例如单晶硅的单晶半导体材料构成的处理衬底15。分离器主体12、侧元件22、24、桥26、28、及波导芯40、42、44可通过光刻和蚀刻工艺从装置层图案化。装置层可完全蚀刻以定义分离器主体12、侧元件22、24、桥26、28、及波导芯40、42、44，或仅部分地蚀刻以定义在介电层13上的薄残留层，且耦合至分离器主体12的下部、侧元件22、24、桥26、28、和/或波导芯40、42、44。在替代实施例中，分离器主体12、侧元件22、24、桥26、28、和/或波导芯40、42、44可由不同材料构成，例如像是氮化硅的介电材料。
提供光功率分离器的结构10的特征在于与传统光功率分离器相比紧凑的占用面积。在这方面，侧元件22、24可改善由分离器主体12定义的多模干涉区中的光限制(opticalconfinement)。结构10可展现与传统光功率分离器相比关于宽带和背反射的性能改良。结构10可比传统光功率分离器更坚固，在这方面，其特征在于改进的制造公差，其不易出现制造缺点和缺陷。结构10可以满足由设计规则检查设定的制造约束。结构10的弯曲表面可起到保持低插入损耗同时最小化背反射的作用。结构10可用于例如信号路由、微波光子、调制等应用中。
参照图3，其中相同的附图标记指代图2中及后续制造阶段中的相同特征，介电层58被沉积且平坦化以填充环绕分离器主体12、侧元件22、24、桥26、28、和波导芯40、42、44的间隙。介电层58可由例如二氧化硅的介电材料构成，其被沉积且平坦化以消除形貌。介电层60在介电层58上方通过中段工序(middle-of-line)处理而形成。介电层60可由例如二氧化硅的介电材料构成，其使用臭氧和四乙氧基硅烷(tetraethyl orthosilicate,TEOS)作为反应物通过化学气相沉积来沉积。
后段工序(back-end-of-line)堆栈62可以在介电层60上方通过后段工序处理形成。后段工序堆栈62可包括一或更多层间介电层，其由一或更多例如二氧化硅的介电材料构成。
在此描述的任何实施例中，结构10可集成在光子芯片中，该光子芯片除了结构10和波导芯40、42、44外可包括电子组件和额外的光学组件。电子组件可包括例如使用绝缘体上覆硅衬底的装置层通过互补式金氧半导体处理制造的场效应晶体管。
在使用上，可通过波导芯40在光子芯片上将激光从例如光纤耦合器或激光耦合器引导至结构10。激光通过由分离器主体12定义的多模干涉区以分布的方式传输至波导芯42、44。具体来说，激光的光功率被结构10划分或分离成不同部分或百分比以从波导芯40传输至不同的波导芯42、44。如果波导芯42、44相对于分离器主体12和波导芯40的纵轴30对称地配置，则激光的光功率可以被均分或实质均分。或者，通过相对于分离器主体12和波导芯40的纵轴30不对称地配置波导芯42、44，可以定制耦合比以不同于均分或实质均分。侧元件22、24用于通过将光反射回到分离器主体12中来光学地限制分离器主体12内的光，从而减少分离器主体12周围环境中的低折射率材料的损耗。波导芯42、44个别地引导分离的激光离开结构10。波导芯42、44之间的间距可增加结构10的下游以消除相互作用和串扰。或者，结构10可用以组合从波导芯42、44接收的激光的光功率，以便由波导芯40输出至例如光电检测器或光学调制器。
参照图4且依据本发明的替代实施例，结构10可修改成消除桥26、28，使得侧元件22、24与分离器主体12断开。取而代之的是，侧元件22整体与分离器主体12的侧表面14隔开间隙G1，以及侧元件24整体与分离器主体12的侧表面16隔开间隙G2。由于没有桥26，因此侧元件22的侧表面18围绕侧元件22的整个周边不间断地延伸。由于没有桥28，因此侧元件24的侧表面20围绕侧元件24的整个周边不间断地延伸。在替代实施例中，桥26可以是颈缩的，使得侧元件22和分离器主体12之间保持桥接连接，但桥26可变窄，使得弯曲的侧表面27更接近。在替代实施例中，桥28可以是颈缩的，使得侧元件24和分离器主体12之间保持桥接连接，但桥28可变窄，使得弯曲的侧表面29更接近。
结构10的尺寸可取决于与其图案化相关联的蚀刻工艺。结构10可容忍过度蚀刻或蚀刻不足。如果过度蚀刻，则可以去除桥26、28中的一或两者，使得侧元件22和/或侧元件24与分离器主体12断开连接。如果蚀刻不足，分离器主体12、侧元件22、24、及桥26、28的尺寸可在大致相同的占用面积的范围内增加。然而，侧元件22、24可以改善多模干涉区中的光限制，而与实体地连接到分离器主体12或实体地与分离器主体12断开无关。
上述方法用于集成电路芯片的制造。最终的集成电路芯片可以原始晶圆形式(例如，作为具有多个未封装芯片的单个晶圆)、作为裸管芯、或者以封装形式分配。该芯片可以与其它芯片、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一部分。最终产品可以为包括集成电路芯片的任何产品，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“约”、“大约”、和“实质”，不限于精确的特定值。近似语言可对应于用于测量值的仪器的精度，除非依赖于仪器的精度，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水平面的方向。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“耦合”的特征可与该另一个特征直接连接或耦合，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“直接耦合”。如果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“非直接耦合”。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”。如果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做的说明是出于示例说明目的，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 (13)
1.一种用于光功率分离器的结构，该结构包括：
分离器主体，定义该光功率分离器的多模干涉区，该分离器主体具有第一侧表面及第二侧表面；
第一侧元件，定位成邻接该分离器主体的该第一侧表面；
第二侧元件，定位成邻接该分离器主体的该第二侧表面；
第一输出波导，耦合至该分离器主体的第一部分，该分离器主体的该第一部分包括第一弯曲表面；
第二输出波导，耦合至该分离器主体的第二部分，该分离器主体的该第二部分包括第二弯曲表面，该第二弯曲表面接合该第一弯曲表面以定义该分离器主体中的凹部；以及
第一桥，实体地将该第一侧元件的部分与该分离器主体的第一部分耦合，
其中，该第一桥包括第一弯曲侧表面及第二弯曲侧表面，该第一弯曲侧表面及该第二弯曲侧表面实体地将该第一侧元件的该部分与该分离器主体的该第一部分耦合。
2.如权利要求1所述的结构，其中，该分离器主体的该第一侧表面及该第二侧表面包含弯曲部分。
3.如权利要求1所述的结构，其中，该分离器主体具有纵轴，该第一侧元件具有与该分离器主体的该纵轴实质平行对齐的第一纵轴，且该第二侧元件具有与该分离器主体的该纵轴实质平行对齐的第二纵轴。
4.如权利要求1所述的结构，还包括：
第二桥，实体地将该第二侧元件的部分与该分离器主体的第二部分耦合。
5.如权利要求1所述的结构，其中，该第一桥具有纵轴、平行于该纵轴的第一尺寸、及正交该第一尺寸的第二尺寸，且该第一尺寸及该第二尺寸各自等同于被该光功率分离器分离的光的波长的0.05倍至0.5倍。
6.如权利要求1所述的结构，其中，该分离器主体具有纵轴，以及该第一桥包括纵轴，并且该第一桥的该纵轴相对于该分离器主体的该纵轴以第一角度对齐。
7.如权利要求6所述的结构，其中，该第一侧元件具有纵轴，以及该第一桥的该纵轴相对于该第一侧元件的该纵轴以第二角度对齐。
8.如权利要求1所述的结构，其中，该第一侧元件具有纵轴，该第一桥包括纵轴，并且该第一桥的该纵轴相对于该第一侧元件的该纵轴以一角度对齐。
9.如权利要求1所述的结构，还包括：
输入波导，耦合至该分离器主体的第三部分；
其中，该分离器主体的该第三部分沿该分离器主体的纵轴与该分离器主体的该第二部分隔开，并且该第一桥定位成更靠近该输入波导而非该第一输出波导，该第一桥定位成更靠近该输入波导而非该第二输出波导。
10.如权利要求1所述的结构，还包括：
输入波导，耦合至该分离器主体的第三部分，
其中，该分离器主体具有纵轴，该分离器主体的该第三部分沿该纵轴与该分离器主体的该第一部分及该分离器主体的该第二部分隔开，并且该凹部与该分离器主体的该第三部分对齐。
11.一种形成用于光功率分离器的结构的方法，该方法包括：
形成分离器主体，该分离器主体定义该光功率分离器的多模干涉区；
形成第一侧元件，该第一侧元件定位成邻接该分离器主体的第一侧表面；
形成第二侧元件，该第二侧元件定位成邻接该分离器主体的第二侧表面；
耦合第一输出波导至该分离器主体的第一部分，该分离器主体的该第一部分包括第一弯曲表面；
耦合第二输出波导至该分离器主体的第二部分，该分离器主体的该第二部分包括第二弯曲表面，该第二弯曲表面接合该第一弯曲表面以定义该分离器主体中的凹部；以及
形成桥，该桥实体地将该第一侧元件的部分与该分离器主体的部分耦合，
其中，该桥包括第一弯曲侧表面及第二弯曲侧表面，该第一弯曲侧表面及该第二弯曲侧表面实体地将该第一侧元件的该部分与该分离器主体的该部分耦合。
12.如权利要求11所述的方法，其中，该分离器主体具有纵轴，该第一侧元件具有纵轴，该桥包括纵轴，该桥的该纵轴相对于该分离器主体的该纵轴以第一角度对齐，以及该桥的该纵轴相对于该第一侧元件的该纵轴以第二角度对齐。
13.如权利要求11所述的方法，其中，该第一侧元件及该第二侧元件实体地与该分离器主体断开。
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