CN115524787A - 具有定制分配比的光功率分配器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有定制分配比的光功率分配器，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。该结构包括具有第一臂的第一波导芯、包括第二臂的第二波导芯、以及具有侧向设置于该第一臂与该第二臂间的第三臂的第三波导芯。该第三臂具有纵轴。该第一臂平行于该纵轴自该第三臂纵向偏移，以使该第三臂与该第一臂在第一重叠距离上侧向相邻。该第二臂平行于该纵轴自该第三臂纵向偏移，以使该第三臂与该第二臂在第二重叠距离上侧向相邻。该第一重叠距离大于该第二重叠距离，以提供重叠偏移。

Description

具有定制分配比的光功率分配器
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上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，以在多个输出波导之间分配光功率。可将同一结构用作光功率组合器，以组合自多个输入波导接收的光功率。传统的光功率分配器可能无法容忍由制造变化产生的尺寸不准确。结果是在光功率分配器的不同制造实例之间的分配比的变化性，这可能导致无法预测的性能。
需要改进的光功率分配器的结构以及形成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，一种结构包括具有第一臂的第一波导芯、包括第二臂的第二波导芯、以及具有侧向设置于该第一臂与该第二臂之间的第三臂的第三波导芯。该第三臂具有纵轴。该第一臂平行于该纵轴自该第三臂纵向偏移，以使该第三臂与该第一臂在第一重叠距离上侧向相邻。该第二臂平行于该纵轴自该第三臂纵向偏移，以使该第三臂与该第二臂在第二重叠距离上侧向相邻。该第一重叠距离大于该第二重叠距离，以提供重叠偏移。
在本发明的一个实施例中，一种方法包括形成包括具有第一纵轴的第一臂的第一波导芯、包括具有第二纵轴的第二臂的第二波导芯、以及包括横向设置于该第一臂与该第二臂之间的第三臂的第三波导芯。该第三臂具有纵轴。该第一臂平行于该纵轴自该第三臂纵向偏移，以使该第三臂与该第一臂在第一重叠距离上侧向相邻。该第二臂平行于该纵轴自该第三臂纵向偏移，以使该第三臂与该第二臂在第二重叠距离上侧向相邻。该第一重叠距离大于该第二重叠距离，以提供重叠偏移。
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这些实施例的详细说明一起用以解释本发明的这些实施例。在这些附图中，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顶视图。
图2显示大体沿图1中的线2-2所作的剖视图。
图2A显示大体沿图1中的线2A-2A所作的剖视图。
图3、图3A显示处于图2、图2A之后的该处理方法的制造阶段的该结构的剖视图。
图4显示依据本发明的替代实施例的结构的顶视图。
具体实施方式
请参照图1、图2、图2A并依据本发明的实施例，光功率分配器的结构10包括波导芯12、波导芯14，以及波导芯16。波导芯12、14、16可设置于介电层18上。在一个实施例中，波导芯12、14、16可由半导体材料组成，例如单晶硅。在一个实施例中，该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18的埋置氧化物层，以及由半导体材料例如单晶硅组成的衬底20。波导芯12、14、16可通过在前端工艺处理(front-end-of-line processing)期间利用光刻及蚀刻工艺图案化该装置层来形成。绝缘体上硅晶圆的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、14、16附近被部分蚀刻以定义肋形波导。在一个替代实施例中，波导芯12、14、16可由不同的材料组成，例如介电材料(例如，氮化硅)，其经沉积并图案化。
波导芯12包括终止于端部24的臂22。在一个实施例中，臂22可包括锥形段(tapered section)，其宽度尺寸W1随着与终止端部24的距离减小而变窄。在一个实施例中，波导芯12的臂22可提供结构10的输入。
波导芯14包括臂32及一组弯曲34，所述弯曲重路由(reroute)波导芯14，以增加在结构10的输出侧上波导芯14相对于波导芯16的间距。在一个实施例中，波导芯14可终止于由弯曲28提供的曲线特征，弯曲28在结构10的输入侧上连接并延伸至臂32。在一个实施例中，臂32可为锥形段，其宽度尺寸W2随着从弯曲28的过渡处至该组弯曲34的过渡处的距离增加而增加。
波导芯16包括臂40及一组弯曲42，所述弯曲重路由波导芯16，以增加在结构10的输出侧上波导芯16相对于波导芯14的间距。在一个实施例中，波导芯16可终止于由弯曲36提供的曲线特征，其在结构10的输入侧上连接并延伸至臂40。在一个实施例中，臂40可为锥形段，其宽度尺寸W3随着从弯曲36的过渡处至该组弯曲42的过渡处的距离增加而增加。
臂32及臂40可沿与臂22相反的方向收窄。各自的宽度尺寸W1、W2、W3可在从基本规则最小值(ground rule minimum)至约六百(600)纳米的范围内变化，且可依据参数曲线沿长度线性变化，或者作为替代，非线性变化。在实施例中，宽度尺寸W1、W2、W3可在臂22、32、40之间不同及/或可随位置而不对称变化。在一个替代实施例中，可在结构10的输入侧上自结构10省略弯曲28及弯曲36。
波导芯12的臂22侧向设置于波导芯14的臂32与波导芯16的臂40之间。波导芯12的臂22可具有纵轴44。波导芯14的臂32可具有纵轴46，其可平行于纵轴44排列。类似地，波导芯16的臂40可具有纵轴48，其也可平行于纵轴44排列。臂22具有长度L1，臂32具有长度L2，且臂40具有长度L3。在一个实施例中，臂40的长度小于臂32的长度。在一个实施例中，各长度L1、L2、L3可在从约五(5)微米至约一百(100)微米的范围内变化。
波导芯14的臂32平行于纵轴44自波导芯12的臂22纵向偏移，以使臂22与臂32在重叠距离D1上相邻(也就是，彼此靠近或接近)。在一个实施例中，重叠距离D1可从波导芯12的臂22的端部24至从弯曲28至波导芯14的臂32的过渡处测量。波导芯16的臂40也平行于纵轴44自波导芯12的臂22纵向偏移，以使臂22与臂40在重叠距离D2上相邻。在一个实施例中，重叠距离D2可从波导芯12的臂22的端部24至从弯曲36到波导芯16的臂40的过渡处测量。在一个实施例中，臂22包括锥形段，臂32包括在重叠距离D1上邻近臂22的锥形段设置的锥形段，且臂40包括在重叠距离D2上邻近臂22的锥形段设置的锥形段。光耦合可发生于臂22与臂32之间的重叠距离D1上，且光耦合可发生于臂22与臂40之间的重叠距离D2上。
在一个实施例中，重叠距离D1不等于重叠距离D2。在一个实施例中，重叠距离D1可大于重叠距离D2。在此方面，臂32、40相对于臂22可具有各自的纵向偏移，从而存在重叠偏移ΔD，其等于重叠距离D1与重叠距离D2之差。该重叠距离D1、D2之差有效地提供从波导芯12至波导芯14、16的不对称光分配。例如，在重叠偏移ΔD上，光耦合可能主要发生在臂22与臂32之间，而在臂22与臂40之间可能不存在。在一个实施例中，重叠距离D1、D2可在从约两(2)微米至约九十(90)微米的范围内变化。在一个实施例中，臂22的长度L1可大于重叠距离D1、D2中的任何一个。在一个实施例中，臂32的长度L2可大于重叠距离D1、D2中的任何一个。在一个实施例中，臂40的长度L3可大于重叠距离D1、D2中的任何一个。
臂22在重叠距离D1上自臂32侧向隔开或位移一间隙G1，对于重叠距离D1，臂22、32具有并排或并列关系。臂22在重叠距离D2上自臂40侧向隔开或位移一间隙G2，对于重叠距离D2，臂22、40具有并排或并列关系。在一个实施例中，间隙G1可小于间隙G2。在一个实施例中，间隙G1可等于间隙G2，以使臂22在臂32与臂40之间侧向居中。在一个实施例中，间隙G1、G2的尺寸可在从基本规则最小值至约两(2)微米的范围内变化。在臂22的端部24之外，臂32与臂40具有并排或并列关系，其间隙大于间隙G1或间隙G2。在一个实施例中，重叠距离D1可大于重叠距离D2，且间隙G1可小于间隙G2。
在重叠距离D1、D2中的不对称性不同于传统的光功率分配器，其中，等效重叠距离在制造尺寸公差内名义上相等。与传统光功率分配器相比，重叠距离D1、D2的调整提供意料之外的参数来调整结构10的光耦合比。例如，可将重叠偏移ΔD及重叠距离D1、D2用作参数，以通过模式重叠的量来调整光耦合强度，从而选择想要的、优选的或最佳的模式分布剖面(mode distribution profile)，这在发生重叠并因此发生光耦合的传统光功率分配器中是不可用的及/或意料之外的。
此外，与传统的光功率分配器(其对于低分配比可能呈现高损耗)相比，通过选择重叠偏移ΔD及重叠距离D1、D2可以最小的损耗实现任意低的分配比。提供低分配比的能力可能是由于由臂偏移提供的多级绝热过渡(multi-step adiabatic transition)以及因此更渐进的绝热过渡用于臂22与臂32之间的耦合以及臂22与臂40之间的耦合。
请参照图3、图3A，其中，类似的附图标记表示图1、图2、图2A中类似的特征，且在下一制造阶段，可在波导芯12、14、16上方的层堆叠中形成额外介电层52、54、56。介电层54可由氮化硅组成，且介电层52、56可由二氧化硅组成。在一个替代实施例中，可自该层堆叠省略包含氮化硅的介电层54。可在介电层56上方通过后端工艺处理(back-end-of-lineprocessing)形成后端工艺堆叠58。后端工艺堆叠58可包括由介电材料例如二氧化硅、氮化硅或低k介电材料组成的一个或多个介电层。
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及额外光学组件。该电子组件可包括例如场效应晶体管，其利用绝缘体上硅衬底的装置层通过CMOS处理制造。
在使用期间，可从例如光纤耦合器或激光耦合器通过波导芯22在该光子芯片上引导激光作为结构10的输入。该激光以分布方式从波导芯14的臂22被传输至波导芯14的臂32以及波导芯16的臂40。具体地说，该激光的光功率被结构10分成不同的分数(fraction)或百分比，以从波导芯12传输至不同的波导芯14、16。该激光的光功率可被不等分，因为臂22与臂32之间的重叠(也就是，重叠距离D1)不同于臂22与臂40之间的重叠(也就是，重叠距离D2)，从而提供重叠偏移ΔD。波导芯14及16分别引导分配的激光离开结构10。波导芯14的弯曲34及波导芯16的弯曲42增加结构10的下游的间距，以消除自结构10输出的分配激光之间的相互作用及串扰。
结构10能够通过选择相对于臂22的臂32的纵向偏移及臂40的纵向偏移来提供任意的分配比。臂22、32、40的宽度W1、W2、W3，在臂22与臂32之间的间隙G1，以及在臂22与臂40之间的间隙G2可用以调节由纵向偏移建立的分配比。结构10可能更无法容忍由制造变化产生的尺寸不准确，这可能导致结构10的不同制造实例之间的分配比的变化性减小。随着臂22、32、40的尺寸缩小，增加的制造公差可能是有益的，这可能与O波段波长(例如，1260纳米至1360纳米)中的激光分配特别相关。在臂32的输入侧上的弯曲28以及在臂40的输入侧上的弯曲36可减少回波损耗(return loss)并允许更有效的模式演化。
在该代表性实施例中，波导芯12定义光功率分配器的输入端口，波导芯14定义该光功率分配器的输出端口，且波导芯16定义该光功率分配器的另一个输出端口。在通过结构10组合激光的一个替代实施例中，波导芯12可定义光功率组合器的输出端口，波导芯14可定义该光功率组合器的输入端口，以及波导芯16定义该光功率组合器的另一个输入端口。
请参照图4并依据本发明的替代实施例，当配置为光功率分配器时，结构10具有一输入二输出(1x2)的三叉戟配置。一般来说，结构10的多个实例M可经级联(cascaded)以在M+1输出之间提供任意选择的光功率分布。
例如，结构10的多个实例10a、10b、10c可经级联以提供1x4光功率分配器。对于结构10的实例10a，波导芯14包括与臂32邻接的锥形段64，且波导芯16包括与臂40邻接的锥形段66。锥形段64终止臂32并提供结构10的实例10b的臂。锥形段66终止臂40并提供结构10的实例10c的臂。在一个实施例中，可自结构10的实例10b、10c省略输入侧弯曲28、36。
结构10的实例10b包括具有臂70的波导芯68以及具有臂74的波导芯72。锥形段64侧向设置于臂70与臂74之间。臂70、74相对于锥形段64可具有各自的纵向偏移，从而因邻近的不同重叠距离而存在重叠偏移ΔD1。
结构10的实例10c包括具有臂78的波导芯76以及具有臂82的波导芯80。锥形段66侧向设置于臂78与臂82之间。臂78、82相对于由锥形段66提供的臂可具有各自的纵向偏移，从而因邻近的不同重叠距离而存在重叠偏移ΔD2。
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水平的方向。术语“侧向”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”。若一个特征以直接接触或不直接接触方式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)

1.一种结构，其特征在于，包括：
第一波导芯，包括第一臂；
第二波导芯，包括第二臂；以及
第三波导芯，包括侧向设置于该第一臂与该第二臂间的第三臂，该第三臂具有纵轴，
其中，该第一臂平行于该纵轴自该第三臂纵向偏移，以使该第三臂与该第一臂在第一重叠距离上侧向相邻，该第二臂平行于该纵轴自该第三臂纵向偏移，以使该第三臂与该第二臂在第二重叠距离上侧向相邻，且该第一重叠距离大于该第二重叠距离，以提供第一重叠偏移。
2.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该第三臂终止于一端部，且该第一重叠距离及该第二重叠距离相对于该第三臂的该端部测量。
3.如权利要求2所述的结构，其特征在于，该第三臂包括锥形段，该锥形段具有沿该纵轴收窄并终止于该端部的宽度尺寸。
4.如权利要求3所述的结构，其特征在于，该第一臂包括在该第一重叠距离上邻近该第三臂的该锥形段设置的锥形段，且该第二臂包括在该第二重叠距离上邻近该第三臂的该锥形段设置的锥形段。
5.如权利要求4所述的结构，其特征在于，该第一臂的该锥形段具有大于该第一重叠距离的第一长度，该第二臂的该锥形段具有大于该第二重叠距离的第二长度，且该第一长度大于该第二长度。
6.如权利要求3所述的结构，其特征在于，该第一臂的该锥形段具有平行于该第三臂的该纵轴排列的纵轴，且该第二臂的该锥形段具有平行于该第三臂的该纵轴排列的纵轴。
7.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该第三臂在该第一重叠距离上自该第一臂横向位移第一间隙，该第三臂在该第二重叠距离上自该第二臂横向位移第二间隙，且该第一间隙小于该第二间隙。
8.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该第一波导芯定义光功率分配器的第一输出端口，该第二波导芯定义该光功率分配器的第二输出端口，以及该第三波导芯定义该光功率分配器的输入端口。
9.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该第一波导芯、该第二波导芯、以及该第三波导芯包括硅。
10.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该第一波导芯、该第二波导芯、以及该第三波导芯包括氮化硅。
11.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该第一波导芯包括终止该第一臂的第一弯曲，且该第二波导芯包括终止该第二臂的第二弯曲。
12.如权利要求11所述的结构，其特征在于，该第一臂包括延伸至该第一弯曲的锥形段，且该第二臂包括延伸至该第二弯曲的锥形段。
13.如权利要求12所述的结构，其特征在于，该第三臂包括终止于一端部的锥形段，该第一重叠距离及该第二重叠距离相对于该第三臂的该锥形段的该端部测量，该第一弯曲邻近该第三臂的该锥形段设置，且该第二弯曲邻近该第三臂的该锥形段设置。
14.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该第三臂包括具有一长度的锥形段，该锥形段的该长度大于该第一重叠距离，且该锥形段的该长度大于该第二重叠距离。
15.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该第一臂包括锥形段，该第二臂包括锥形段，该第三臂包括具有沿该纵轴收窄的宽度尺寸的锥形段，该第一臂的该锥形段在该第一重叠距离上邻近该第三臂的该锥形段设置，以及该第二臂的该锥形段在该第二重叠距离上邻近该第三臂的该锥形段设置。
16.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该第一波导芯包括邻接该第一臂的锥形段，且还包括：
第四波导芯，包括第四臂；以及
第五波导芯，包括第五臂，
其中，该第一波导芯的该锥形段侧向设置于该第四臂与该第五臂间，该第四臂自该锥形段纵向偏移，以使该第三臂与该锥形段在第三重叠距离上相邻，该第五臂自该锥形段纵向偏移，以使该第五臂与该锥形段在第四重叠距离上相邻，且该第三重叠距离大于该第四重叠距离，以提供第二重叠偏移。
17.一种方法，其特征在于，包括：
形成包括具有第一纵轴的第一臂的第一波导芯，包括具有第二纵轴的第二臂的第二波导芯，以及包括侧向设置于该第一臂与该第二臂间的第三臂的第三波导芯，
其中，该第三臂具有纵轴，该第一臂平行于该纵轴自该第三臂纵向偏移，以使该第三臂与该第一臂在第一重叠距离上侧向相邻，该第二臂平行于该纵轴自该第三臂纵向偏移，以使该第三臂与该第二臂在第二重叠距离上侧向相邻，且该第一重叠距离大于该第二重叠距离。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，该第一臂包括锥形段，该第二臂包括锥形段，该第三臂包括具有沿该纵轴收窄的宽度尺寸的锥形段，该第一臂的该锥形段在该第一重叠距离上邻近该第三臂的该锥形段设置，以及该第二臂的该锥形段在该第二重叠距离上邻近该第三臂的该锥形段设置。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，该第三臂终止于一端部，且该第一重叠距离及该第二重叠距离相对于该第三臂的该端部测量。
20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，该第一波导芯包括延伸至该第一臂的该锥形段且终止该第一臂的第一弯曲，以及该第二波导芯包括延伸至该第二臂的该锥形段且终止该第二臂的第二弯曲。
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