CN115390286A - 可切换偏振旋转器 - Google Patents

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CN115390286A CN202210453642.1A CN202210453642A CN115390286A CN 115390286 A CN115390286 A CN 115390286A CN 202210453642 A CN202210453642 A CN 202210453642A CN 115390286 A CN115390286 A CN 115390286A
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Abstract

本发明涉及可切换偏振旋转器，涉及偏振旋转器的结构以及制造偏振旋转器的结构的方法。该结构包括：衬底，位于该衬底上方的第一波导芯，以及位于该衬底上方的第二波导芯。该第二波导芯靠近该第一波导芯的片段设置。该第二波导芯由具有响应刺激而可逆地变化的折射率的材料组成。

Description

可切换偏振旋转器
技术领域
本发明涉及光子芯片，尤其涉及偏振旋转器的结构以及制造偏振旋转器的结构的方法。
背景技术
光子芯片用于许多应用及系统中，包括但不限于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，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将两种组件集成于同一芯片上来减小。
偏振旋转器是光子芯片中常见的另一种光学组件。偏振旋转器可经配置以接收具有给定偏振状态(例如，基本横磁(TM0)模式)的光信号作为输入，并输出不同的偏振状态(例如，基本横电(TE0)模式)。偏振旋转器是具有无法被调节、切换或以其它方式配置的光学性能的被动光学组件。
需要改进的偏振旋转器的结构以及制造偏振旋转器的结构的方法。
发明内容
在本发明的一个实施例中，提供一种偏振旋转器的结构。该结构包括衬底，位于该衬底上方的第一波导芯，以及位于该衬底上方的第二波导芯。该第二波导芯靠近该第一波导芯的片段(section)设置。该第二波导芯由具有响应刺激(stimulus)而可逆地变化的折射率的材料组成。
在本发明的一个实施例中，提供一种形成偏振旋转器的结构的方法。该方法包括在衬底上方形成第一波导芯，以及在该衬底上方形成第二波导芯。该第二波导芯靠近该第一波导芯的片段设置，且该第二波导芯由具有响应刺激而可逆地变化的折射率的材料组成。
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制程方法的初始制造阶段的结构的顶视图。
图2显示大体沿图1中的线2-2所作的该结构的剖视图。
图3显示处于图1之后的制造阶段的该结构的顶视图。
图4显示大体沿图3中的线4-4所作的该结构的剖视图。
图5显示处于图3、4之后的制造阶段的该结构的剖视图。
图6显示依据本发明的替代实施例的结构的顶视图。
图7显示大体沿图6中的线7-7所作的该结构的剖视图。
图8显示依据本发明的替代实施例的结构的顶视图。
图9显示大体沿图8中的线9-9所作的该结构的剖视图。
图10显示依据本发明的替代实施例的结构的顶视图。
图11显示大体沿图10中的线11-11所作的该结构的剖视图。
图12显示处于图10、11之后的制造阶段的该结构的剖视图。
具体实施方式
请参照图1、2并依据本发明的实施例，可切换偏振旋转器的结构10包括设置于介电层14上及衬底16上方的波导芯12。波导芯12可由单晶半导体材料组成，例如源自绝缘体上硅(silicon-on-insulator；SOI)晶圆的装置层的单晶硅。该绝缘体上硅晶圆还包括由介电材料(例如二氧化硅)组成的埋置氧化物层，以提供介电层14，且衬底16可由半导体材料(例如单晶硅)组成。可在前端工艺制程期间通过光刻及蚀刻制程自该绝缘体上硅晶圆的该装置层图案化波导芯12。该绝缘体上硅晶圆的该装置层可经完全蚀刻以定义脊形波导(如图所示)，或者作为替代，仅在波导芯12附近部分蚀刻以定义肋形波导。
波导芯12包括沿纵轴24对齐、连续毗邻并连接的片段18、片段20，以及片段22。片段20设置于片段18与片段22之间。片段20沿从片段18至片段22的方向反向锥化(也就是，变宽)，反过来，沿从片段22至片段18的方向锥化(也就是，窄化)。加宽方向可为通过结构10的光传播的方向。片段20可在一端与片段18相交，且在其相对端与片段22相交。片段20的宽度沿其长度从其与片段18相交处的宽度W1变至其与片段22相交处的宽度W2。在一个实施例中，宽度W2大于宽度W1。在一个实施例中，片段18及22可为非锥形的或平直的。片段18沿其长度邻近片段20的部分可具有宽度W1，且片段22沿其长度邻近片段20的部分可具有宽度W2。
请参照图3、4，其中类似的附图标记表示图1、2中类似的特征，且在下一制造阶段，在波导芯12上方形成介电层32。介电层32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通过例如化学机械抛光平坦化，以移除形貌并提供后续沉积的平坦表面。波导芯12布置于介电层32的介电材料中，该介电层充当低折射率包覆层。
可在介电层32上形成额外介电层34、36、38。介电层34及介电层38可由二氧化硅组成，且介电层36可由氮化硅组成。在一个实施例中，可自该层堆叠省略介电层36。
波导芯40可在衬底16上方且设置在介电层38上。波导芯40可通过在介电层38上沉积一层并利用光刻及蚀刻制程图案化该沉积层来形成。为此，在该沉积层上方通过光刻制程形成蚀刻掩膜，以及利用蚀刻制程例如反应离子蚀刻来蚀刻并移除该沉积层的未掩蔽部分。该蚀刻掩膜的形状决定波导芯40的图案化形状。该蚀刻制程可经选择以在完全穿过该沉积层之后停止于介电层38的材料上。
在一个实施例中，波导芯40可由活性材料组成，该活性材料具有可通过施加刺激(例如电性、光学或热刺激)来调节(也就是，切换)的折射率(refractive index)。在一个实施例中，波导芯40可由以在不同状态之间通过该刺激可逆地变化的折射率表征的材料组成，该些不同状态由显著不同的折射率及光吸收属性表征。在一个实施例中，该活性材料的折射率可呈现多种不同的状态，且实部及虚部显著不同。例如，该活性材料的折射率在一种状态下相较另一种状态可具有较高的实部及较低的虚部。在一个实施例中，用以促成在该不同折射率状态之间的该可逆变化的该刺激可为来自提供温度变化的电阻加热器的加热、通过施加电压提供的电场、通过施加电压提供的电流，或通过外部激光器提供的泵浦光进行的光泵浦。
在一个实施例中，包含于波导芯40中的该活性材料可为导电氧化物，例如氧化铟锡，在一种调节状态下，其折射率的实部及虚部可分别等于约2及约0，且在另一种调节状态下，其折射率的实部及虚部可分别等于约1及约0.3。在一个实施例中，包含于波导芯40中的该活性材料可为相变材料，例如氧化钒或碲化锗锑。例如，氧化钒在接近68℃的温度在其金属与绝缘状态之间经历可逆的金属-绝缘体相变。在一个实施例中，波导芯40中所包含的该活性材料可为二维材料，例如石墨烯或二硫化钼。在一个实施例中，包含于波导芯40中的该活性材料可为电光聚合物。
波导芯40靠近波导芯12设置，并自波导芯12垂直偏移。波导芯40位于结构10内与波导芯12不同的层级中。在此方面，波导芯12设置于包含衬底16的层级与包含波导芯40的层级之间的层级中。波导芯40靠近波导芯12提供足以通过光吸收提供切换行为的空间接近度。
波导芯40包括沿纵轴54对齐、连续毗邻并连接的片段48、片段50，以及片段52，该纵轴在不同的片段48、50、52中改变方向。在一个实施例中，波导芯40的片段48可与波导芯12的片段18以重叠布置方式设置，且波导芯40的片段50可与波导芯12的片段20以重叠布置方式设置。片段50布置于片段48与52之间。片段50沿从片段48至片段52的方向锥化(也就是，窄化)，反过来，沿从片段52至片段48的方向反向锥化(也就是，加宽)。片段50可在一端与片段48相交，并在其相对端与片段52相交。片段50的宽度沿其长度从其与片段48相交处的宽度W3变至其与片段52相交处的宽度W4。在一个实施例中，宽度W4大于宽度W3。在一个实施例中，片段48及52可为非锥形的或平直的。片段48沿其长度邻近片段50的部分可具有宽度W3，且片段52沿其长度邻近片段50的部分可具有宽度W4。
波导芯40可终止于端部42并终止于与端部42相对的端部44。波导芯40的片段48可相对于波导芯12成一定角度从端部42延伸，且片段48可经设置以与波导芯12的片段18重叠。波导芯40的片段50可经布置以与波导芯12部分重叠，且可主要设置于波导芯12的片段20上方。波导芯40的片段52可成一定角度设置以偏离波导芯12，并可终止于端部44。
在一个替代实施例中，可利用绝热弯曲(adiabatic bend)成形波导芯40。如本文中所使用的那样，绝热弯曲包括沿方向的逐渐变化，以使光信号可在光限制没有显著减少的情况下传播。
请参照图5，其中类似的附图标记表示图4中类似的特征，且在下一制造阶段，可在介电层38及波导芯40上方形成介电层55。介电层55可由介电材料(例如二氧化硅)组成，其通过化学气相沉积或原子层沉积来沉积。在一个实施例中，介电层55可由介电材料(例如二氧化硅)组成，其利用四乙氧基硅烷(TEOS)作为反应物通过化学气相沉积来沉积。
后端工艺堆叠56可通过后端工艺制程在介电层55上方形成。后端工艺堆叠56可包括可由介电材料例如二氧化硅或低k介电材料组成的一个或多个介电层。
在一个实施例中，可靠近波导芯40设置加热器58。在该代表性实施例中，加热器58靠近波导芯40设置于后端工艺堆叠56中。加热器58与波导芯40的该靠近是空间接近，且足以通过温度变化为波导芯40的活性材料的折射率变化提供刺激。
加热器58可由金属例如镍-铬、氮化钽或氮化钛组成，其经沉积并图案化。加热器58可通过位于后端工艺堆叠56中的金属特征60、62与电源64耦接，以为加热器58供电，从而提供促成波导芯40的活性材料的折射率变化的温度变化。在操作期间，从已供电的加热器58通过后端工艺堆叠56的介电材料向波导芯40传递热。波导芯40的温度可通过选择性施加热作为刺激而在状态转变温度之上及之下变化，以提供不同的折射率。
在使用期间，以横磁(TM)模式传播的光信号可通过波导芯12引导于光子芯片上，以输入至结构10。当波导芯40的活性材料被调节(例如，通过低于相变转变温度的温度)至一种折射率状态时，波导芯12、40协作以将光信号中所包含的光的偏振模式从该TM模式旋转至横电(TE)模式，从而从结构10输出。尤其，波导芯12的片段18与波导芯40的片段48的重叠布置及/或波导芯12的片段20与波导芯40的片段50的重叠布置可提供偏振，其中光的偏振模式被旋转。依据波导芯12、40的长度，从结构10射出的光可经偏振从而仅包括该TE模式的光，或者，作为替代，可包括偏振混合物，该偏振混合物包括包含TE模式分量的光以及包含TM模式分量的光。当波导芯40的活性材料被调节(例如，通过大于相变转变温度的温度)至另一种折射率状态时，波导芯40可通过吸收及消散输入光信号有效地阻止通过结构10的光传输，从而提供光切换。
在本文中所述的结构10的任意实施例中，结构10可被集成于包括电子组件及额外光学组件的光子芯片中。例如，该电子组件可包括通过CMOS前端工艺(front-end-of-line；FEOL)制程制造的场效应晶体管。
请参照图6、7并依据本发明的替代实施例，波导芯60可与波导芯12呈重叠关系设置于衬底16上方，且波导芯40可经横向偏移以与波导芯12呈非重叠关系设置。波导芯60可靠近波导芯40设置，并位于结构10内的同一层级中。因此，两个波导芯40、60位于结构10内与波导芯12不同的层级中。在此方面，波导芯12设置于包含衬底16的层级与包含波导芯40、60的层级之间的层级中。
波导芯60可通过在介电层38上沉积一层并利用光刻及蚀刻制程图案化该沉积层来形成。为此，在该沉积层上方通过光刻制程形成蚀刻掩膜，以及利用蚀刻制程(例如反应离子蚀刻)来蚀刻并移除该沉积层的未掩蔽部分。该蚀刻掩膜的形状决定波导芯60的图案化形状。该蚀刻过程可经选择以在完全穿过该沉积层之后停止于介电层38的材料上。在一个实施例中，波导芯60可由介电材料(例如氮化硅)组成。在一个替代实施例中，波导芯60可由多晶硅组成。可在形成波导芯40期间掩蔽波导芯60。
波导芯60包括沿纵轴74对齐、连续毗邻并连接的片段68、片段70，以及片段72，该纵轴在不同的片段68、70、72中改变方向。片段70布置于片段68与72之间。片段70沿从片段68至片段72的方向锥化(也就是，窄化)，反过来，沿从片段72至片段68的方向反向锥化(也就是，加宽)。片段70可在一端与片段68相交，并在其相对端与片段72相交。片段70的宽度沿其长度从其与片段68相交处窄化至其与片段72相交处。在一个实施例中，片段68及72可为非锥形的或平直的。
波导芯60可垂直偏离波导芯12，并横向偏离波导芯40。在该代表性实施例中，波导芯60的片段68可与波导芯12的片段18以重叠布置方式设置，且波导芯60的片段70可与波导芯12的片段20以重叠布置方式设置。波导芯60的片段68可相对于波导芯12倾斜一定角度。波导芯60的片段72可以一定角度倾斜，以偏离波导芯12。
波导芯40包括自波导芯60的片段68横向偏移的片段48，以及自波导芯60的片段70横向偏移的片段50。片段48、50相对彼此成一定角度设置，且片段50可为非锥形。波导芯40的片段48的纵轴54可平行或基本平行于波导芯60的片段68的纵轴74排列，以使片段48与片段68相对于波导芯12的片段18倾斜相同的角度或基本相同的角度。波导芯40的片段50的纵轴54可平行或基本平行于波导芯60的片段70的纵轴74排列，以使片段50及片段70相对于波导芯12的片段20倾斜相同的角度或基本相同的角度。
在一个替代实施例中，可利用绝热弯曲成形波导芯60。如本文中所使用的那样，绝热弯曲包括沿方向的逐渐变化，以使光信号可在光限制没有显著减少的情况下传播。
在使用期间，当波导芯40的活性材料被调节(例如，通过低于相变转变温度的温度)至一种折射率状态时，波导芯12、60协作以将光信号中所包含的光的偏振模式从TM模式旋转至横电(TE)模式，从而从结构10输出。尤其，波导芯12的片段18与波导芯60的片段68的重叠布置及/或波导芯12的片段20与波导芯60的片段70的重叠布置可提供偏振区，其中光的偏振模式被旋转。依据波导芯12、60的长度，从结构10射出的光可经偏振从而仅包括该TE模式的光，或者，作为替代，可包括偏振混合物，该偏振混合物包括包含TE模式分量的光以及包含TM模式分量的光。当波导芯40的活性材料被调节(例如，通过大于相变转变温度的温度)至另一种折射率状态时，波导芯40可通过吸收及消散输入光信号有效地阻止通过结构10的光传输，从而提供光切换。
请参照图8、9并依据本发明的替代实施例，波导芯40可垂直偏离波导芯60，并可经设置以与波导芯60具有重叠关系。在此方面，波导芯40可设置于结构10内与波导芯60不同的层级中。因此，各波导芯12、40、60位于结构10内的不同层级中，波导芯60沿垂直方向设置于波导芯40与波导芯12之间。
在使用期间，当波导芯40的活性材料被调节(例如，通过低于相变转变温度的温度)至一种折射率状态时，波导芯12、60协作以将光信号中所包含的光的偏振模式从TM模式旋转至横电(TE)模式，从而从结构10输出。尤其，波导芯12的片段18与波导芯60的片段68的重叠布置及/或波导芯12的片段20与波导芯60的片段70的重叠布置可提供偏振区，其中光的偏振模式被旋转。依据波导芯12、60的长度，从结构10射出的光可经偏振从而仅包括该TE模式的光，或者，作为替代，可包括偏振混合物，该偏振混合物包括包含TE模式分量的光以及包含TM模式分量的光。当波导芯40的活性材料被调节(例如，通过大于相变转变温度的温度)至另一种折射率状态时，波导芯40可通过吸收及消散输入光信号有效地阻止通过结构10的光传输，从而提供光切换。
请参照图10、11并依据本发明的替代实施例，波导芯40可横向偏离波导芯12，并以并列且不重叠的关系靠近波导芯12设置，以及位于结构10内与波导芯12相同的层级中。
请参照图12，其中类似的附图标记表示图10、11中类似的特征，且在下一制造阶段，可在波导芯12、40上方形成介电层34、36、38，并可在与波导芯12、40不同的层级中的介电层38上形成波导芯60。波导芯60可垂直偏离波导芯12，并与波导芯12以重叠布置关系设置。
在使用期间，当波导芯40的活性材料被调节(例如，通过低于相变转变温度的温度)至一种折射率状态时，波导芯12、60协作以将光信号中所包含的光的偏振模式从TM模式旋转至横电(TE)模式，从而从结构10输出。尤其，波导芯12的片段18与波导芯60的片段68的重叠布置及/或波导芯12的片段20与波导芯60的片段70的重叠布置可提供偏振区，其中光的偏振模式被旋转。依据波导芯12、60的长度，从结构10射出的光可经偏振从而仅包括该TE模式的光，或者，作为替代，可包括偏振混合物，该偏振混合物包括包含TE模式分量的光以及包含TM模式分量的光。当波导芯40的活性材料被调节(例如，通过大于相变转变温度的温度)至另一种折射率状态时，波导芯40可通过吸收及消散输入光信号有效地阻止通过结构10的光传输，从而提供光切换。
如上所述的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电脑产品或智能手机。
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”。若一个特征延伸于另一个特征上方并覆盖其部分，则不同的特征可“重叠”。
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 (20)

1.一种偏振旋转器的结构，其特征在于，该结构包括：
衬底；
第一波导芯，位于该衬底上方，该第一波导芯包括片段；以及
第二波导芯，位于该衬底上方，该第二波导芯靠近该第一波导芯的该片段设置，
其中，该第二波导芯由第一材料组成，该第一材料具有响应刺激而可逆地变化的折射率。
2.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该第二波导芯垂直偏离该第一波导芯。
3.如权利要求2所述的结构，其特征在于，该第二波导芯包括与该第一波导芯的该片段以重叠关系设置的片段。
4.如权利要求3所述的结构，其特征在于，该第二波导芯的该片段与该第一波导芯的该片段定义偏振区，该偏振区经配置以旋转光的偏振模式，且该第二波导芯经配置以在该刺激被施加于该第一材料时吸收该光。
5.如权利要求2所述的结构，其特征在于，还包括：
第三波导芯，垂直偏离该第一波导芯，该第三波导芯包括与该第一波导芯的该片段以重叠关系设置的片段。
6.如权利要求5所述的结构，其特征在于，该第三波导芯的该片段与该第一波导芯的该片段定义偏振区，该偏振区经配置以旋转光的偏振模式，且该第二波导芯经配置以在该刺激被施加于该第一材料时吸收该光。
7.如权利要求5所述的结构，其特征在于，该第二波导芯与该第三波导芯以重叠关系设置，且该第三波导芯在该第一波导芯与该第二波导芯间沿垂直方向设置。
8.如权利要求2所述的结构，其特征在于，该第二波导芯以非重叠关系横向偏离该第一波导芯。
9.如权利要求8所述的结构，其特征在于，还包括：
第三波导芯，垂直偏离该第一波导芯，该第三波导芯包括与该第一波导芯的该片段以重叠关系设置的片段。
10.如权利要求9所述的结构，其特征在于，该第三波导芯的该片段与该第一波导芯的该片段定义偏振区，该偏振区经配置以旋转光的偏振模式，且该第二波导芯经配置以在该刺激被施加于该第一材料时吸收该光。
11.如权利要求9所述的结构，其特征在于，该第二波导芯邻近该第三波导芯设置。
12.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该第二波导芯以并列关系横向偏离该第一波导芯。
13.如权利要求12所述的结构，其特征在于，还包括：
第三波导芯，垂直偏离该第一波导芯，该第三波导芯包括与该第一波导芯的该锥形片段以重叠关系设置的锥形片段。
14.如权利要求13所述的结构，其特征在于，该第三波导芯的该片段与该第一波导芯的该片段定义偏振区，该偏振区经配置以旋转光的偏振模式，且该第二波导芯经配置以在该刺激被施加于该第一材料时吸收该光。
15.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该第一材料包括导电氧化物、相变材料、二维材料，或电光聚合物。
16.如权利要求1所述的结构，其特征在于，还包括：
第三波导芯，位于该衬底上方，该第三波导芯靠近该第一波导芯及该第二波导芯设置，
其中，该第二波导芯包括不同该第一材料的第二材料，且该第三波导芯包括不同于该第一材料且不同于该第二材料的第三材料。
17.如权利要求1所述的结构，其特征在于，还包括：
加热器，靠近该第二波导芯，该加热器经配置以向该第二波导芯选择性传递热作为该刺激。
18.一种形成偏振旋转器的结构的方法，其特征在于，该方法包括：
在衬底上方形成第一波导芯，其中，该第一波导芯包括片段；以及
在该衬底上方形成第二波导芯，其中，该第二波导芯靠近该第一波导芯的该片段设置，且该第二波导芯由具有响应刺激而可逆地变化的折射率的材料组成。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，该第二波导芯垂直偏离该第一波导芯，且该第二波导芯与该第一波导芯以重叠关系设置。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，该第二波导芯垂直偏离该第一波导芯，且该第二波导芯与该第一波导芯以非重叠关系设置。
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