CN116107024A - 具有对角光传输的光耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有对角光传输的光耦合器，提供用于光耦合器的结构以及制造用于光耦合器的结构的方法。该结构包括具有第一锥形段的第一波导芯，以及具有邻近该第一波导芯的该第一锥形段而设置的第二锥形段的第二波导芯。该第二锥形段相对于该第一锥形段沿横向方向以横向偏移设置。该第二锥形段相对于该第一锥形段沿垂直方向以垂直偏移设置。

Description

具有对角光传输的光耦合器
技术领域
本揭示涉及光子芯片，尤其涉及用于光耦合器的结构以及制造用于光耦合器的结构的方法。
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、光检测器、调制器、以及光功率分配器)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。
光耦合器是一种光学组件，其用于光子芯片中以将光功率从一个波导芯传输至另一个波导芯。光分路器(是光耦合器的变体)用于光子芯片中以用所需的耦合比在波导芯之间分配光功率。传统的光耦合器及光分路器可能具有大的足印(footprint)，可能是波长依赖的，且可能对制造误差敏感。传统的光耦合器及光分路器还可能呈现高损耗。尤其，具有横磁偏振模式(transverse magnetic polarization mode)的光可因传统光耦合器或光分路器中的突然模式转换(abrupt mode conversion)而遭受高损耗。
需要改进的用于光耦合器的结构以及制造用于光耦合器的结构的方法。
发明内容
在本发明的一个实施例中，提供一种用于光耦合器的结构。该结构包括具有第一锥形段的第一波导芯，以及具有邻近该第一波导芯的该第一锥形段而设置的第二锥形段的第二波导芯。该第二锥形段相对于该第一锥形段沿横向方向以横向偏移设置。该第二锥形段相对于该第一锥形段沿垂直方向以垂直偏移设置。
在本发明的一个实施例中，提供一种形成用于光耦合器的结构的方法。该方法包括：形成包括第一锥形段的第一波导芯，以及形成包括邻近该第一锥形段而设置的第二锥形段的第二波导芯。该第二锥形段相对于该第一波导芯的该第一锥形段沿横向方向以横向偏移设置，且该第二锥形段相对于该第一波导芯的该第一锥形段沿垂直方向以垂直偏移设置。
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顶视图。
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所作的剖视图。
图5显示处于图4之后的制造阶段的该结构的剖视图。
图6-图9显示依据本发明的替代实施例的结构的顶视图。
图10显示依据本发明的替代实施例处于处理方法的制造阶段的结构的顶视图。
图11显示处于图10之后的制造阶段的该结构的顶视图。
图12显示大体沿图11中的线12-12所作的剖视图。
具体实施方式
请参照图1、2并依据本发明的实施例，光耦合器的结构10包括设置于介电层14上方的波导芯12。波导芯12可由高折射率材料组成。在一个实施例中，波导芯12可由具有在3至4的范围内的折射率的材料组成。在一个实施例中，波导芯12可由半导体材料组成，例如源自绝缘体上硅衬底的装置层通过光刻及蚀刻工艺图案化的单晶硅。该绝缘体上硅衬底还包括由介电材料例如二氧化硅组成的埋置绝缘体层(其可提供介电层14)，以及在该埋置绝缘体层下方由半导体材料例如单晶硅组成的操作衬底16。在一个替代实施例中，可通过光刻及蚀刻工艺自该装置层图案化波导芯12，而不会完全蚀刻穿过该装置层，以形成与波导芯12的基底连接的薄化层并由此定义肋形波导芯而不是脊形波导芯。
波导芯12包括输入段20、终止段22，以及在输入段20与终止段22之间沿光路布置的锥形段24。波导芯12的输入段20可包括横向位移波导芯12的锥形段24的布线(routing)的一系列弯曲(bend)。终止段22可包括终止波导芯12的弯曲。锥形段24(沿纵轴26排列)具有相对的侧壁28、30以及顶部表面29。锥形段24(具有延伸于耦合区25上方的长度)具有从与输入段20相交的一端的宽度尺寸W1至与终止段22相交的相对端的宽度尺寸W2变化的宽度。宽度尺寸W1、W2可不同，宽度尺寸W1大于宽度尺寸W2，以使该宽度随着与输入段20的距离增加而减小。在一个实施例中，锥形段24的宽度可基于线性函数沿其长度变化，以提供梯形形状。在一个替代实施例中，锥形段24的宽度可基于非线性函数(例如，二次、三次、抛物线、正弦、余弦、贝塞尔、或指数函数)沿其长度随曲率变化。
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，其经沉积并接着抛光以移除形貌。介电层32的厚度可大于波导芯12的厚度，以使波导芯12嵌埋于介电层32中。
在介电层32上形成波导芯34。波导芯12与波导芯34通过介电层32隔开。波导芯34可由介电材料例如氮化硅组成，并可具有与构成波导芯12的材料不同的成分。波导芯34可通过光刻及蚀刻工艺自由该介电材料构成的沉积层图案化。在替代实施例中，波导芯34可由不同的介电材料组成，例如氮化硅或氮化铝。在一个替代实施例中，波导芯34可通过光刻及蚀刻工艺自该沉积层图案化，而不会完全蚀刻穿过该沉积层，以形成与波导芯34的基底连接的薄化层，从而定义肋形波导芯而不是脊形波导芯。
波导芯34包括锥形段36及输出段38。波导芯34的输出段38可包括横向位移波导芯34的布线的一系列弯曲。锥形段36(沿纵轴40排列)具有相对的侧壁42、44以及底部表面43。锥形段36的纵轴40可平行于锥形段24的纵轴26(图1)排列。锥形段36在耦合区25上方邻近锥形段24，且介电层32经布置以将锥形段24与锥形段36隔开。
波导芯34的锥形段36的宽度具有从宽度尺寸W3至与输出段38相交的宽度尺寸W4变化的宽度。宽度尺寸W3、W4可不同，宽度尺寸W4大于宽度尺寸W3，以使该宽度随着与输出段38的距离减小而增加。在一个实施例中，锥形段36的宽度可基于线性函数沿其长度变化，以提供梯形形状。在一个替代实施例中，锥形段36的宽度可基于非线性函数(例如，二次、三次、抛物线、正弦、余弦、贝塞尔、或指数函数)沿其长度随曲率变化。锥形段36的宽度以及波导芯12的锥形段24的宽度沿相反方向纵向变化。在此方面，锥形段36定义由沿着模式传播的方向宽度逐渐增加表征的倒锥。
波导芯34的锥形段36相对于波导芯12的锥形段24呈对角设置。该对角偏移由沿横向方向的横向偏移D1以及沿横截于该横向方向的垂直方向的垂直偏移D2提供。该横向偏移D1可在锥形段36的侧壁42与锥形段24的侧壁28之间测量。该垂直偏移D2可在锥形段36的底部表面43与锥形段24的顶部表面29之间测量。该横向偏移D1经选择以使锥形段24与锥形段36具有不重叠关系。在一个实施例中，该横向偏移D1可在从约50纳米(nm)至约3000纳米的范围内变化。在一个实施例中，该垂直偏移D2可在从约1纳米至约3000纳米的范围内变化。在使用期间，光可在波导芯12的锥形段24与波导芯34的锥形段36之间沿对角方向倏逝耦合(evanescently coupled)。
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，在波导芯34上方形成介电层50。介电层50可由提供低折射率包覆的介电材料例如二氧化硅组成。介电层50的厚度可大于波导芯34的厚度，以使波导芯34嵌埋于介电层50中。
可在介电层50上方通过后端工艺处理形成后端工艺堆叠52。后端工艺堆叠52可包括分别由介电材料例如二氧化硅或氮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，该电子组件可包括利用该绝缘体上硅衬底的该装置层通过互补金属氧化物半导体(CMOS)处理制造的场效应晶体管。后端工艺堆叠52可包括与该场效应晶体管及电性活跃光学组件连接的金属线、过孔、以及接触件。
在使用期间，光可由波导芯12在该光子芯片上引导至结构10。该光可从波导芯12的锥形段24倏逝耦合至波导芯34的锥形段36。由于在波导芯12与波导芯34之间的正交偏移D1、D2，沿横向方向及垂直方向发生倏逝耦合。该传输光的该对角模式转换可为绝热的，具有低损耗。该传输光通过波导芯34的输出段38离开结构10，以在该光子芯片上被进一步引导至下游目的地。由波导芯12引导离开耦合区25的任意残余光被终止段22吸收。
结构10利用波导芯12、34，该些波导芯包含不同的材料并被对角置于不同的层级(高度)中，以提供该传输光从波导芯12至波导芯34的绝热耦合。波导芯34相对于波导芯12的该不重叠布置可有效地将具有横电(transverse electric；TE)偏振模式或横磁(transverse magnetic；TM)偏振模式的光从波导芯12高效传输至波导芯34。尤其，由于波导芯34相对于波导芯12的该横向偏移，具有TM偏振模式的光的传输可以最小扰动发生。结构10针对任一偏振模式可呈现低插入损耗，以及与光耦合器的传统构造相比具有更紧凑的足印。
请参照图6，其中，类似的附图标记表示图3中类似的特征，且依据本发明的替代实施例，可向波导芯34添加段56，以定义多级光耦合器。
请参照图7，其中，类似的附图标记表示图1中类似的特征，且依据本发明的替代实施例，波导芯12的终止段22可由输出段58替代。输出段58可包括横向位移波导芯12的锥形段24的布线的一系列弯曲。波导芯34的输出段38及波导芯12的输出段58有助于相对于波导芯12横向位移波导芯34，从而在耦合区25的外部停止光耦合且不发生串扰。
结构10可用作光分路器，其中，通过波导芯12的输入段20到达的光的一部分是从锥形段24耦合至波导芯34的锥形段36，且该到达光的另一部分在锥形段24中继续传播至终止段22中并离开结构10。通过选择正交偏移D1、D2，耦合区25的长度，锥形段24的宽度W1、W2，锥形段36的宽度W3、W4，以及与波导芯12、34相关的其它参数，可获得耦合比，例如50％-50％的耦合比，其提供均匀分光。
请参照图8，其中，类似的附图标记表示图1中类似的特征，且依据本发明的替代实施例，可将波导芯12的锥形段24分割成不连续的部分，以定义光栅的光栅特征60(它们由段内空隙隔开)。介电层32的介电材料的部分填充光栅特征60之间的空隙。光栅特征60被包含于具有由未分割的锥形段24的锥化所描述的锥化的包络内。单独的光栅特征60可具有梯形形状。
锥形段24的光栅特征60可定义亚波长光栅(subwavelength gating)。当在锥形段24内传播的光的波长大于光栅特征60的特征尺寸时，可将光栅特征60以及位于光栅特征60之间的空隙中的介电层32视为有效均质材料，其有效折射率介于构成光栅特征60的材料的折射率与填充光栅特征60之间的空隙的介电材料的折射率之间。例如，由结构10接收的光的波长可在从1260纳米至1360纳米的范围内变化的波段(也就是，O波段)内，而光栅特征60的特征尺寸可小于该波长波段的下限。
请参照图9，其中，类似的附图标记表示图3中类似的特征，且依据本发明的替代实施例，可将波导芯34的锥形段36分割成不连续的部分，以定义光栅的光栅特征62(它们由段内空隙隔开)。随后沉积的后端工艺堆叠52(图5)的层间介电层的介电材料的部分填充光栅特征62之间的空隙。光栅特征62被包含于具有由未分割的锥形段36的锥化所描述的锥化的包络内。单独的光栅特征62可具有梯形形状。
锥形段36的光栅特征62可定义亚波长光栅。当在锥形段36内传播的光的波长大于光栅特征62的特征尺寸时，可将光栅特征62以及位于光栅特征62之间的空隙中的介电材料视为有效均质材料，其有效折射率介于构成光栅特征62的材料的折射率与填充光栅特征62之间的空隙的介电材料的折射率之间。例如，由结构10接收的光的波长可在从1260纳米至1360纳米的范围内变化的波段内，而光栅特征62的特征尺寸可小于该波长波段的下限。
在实施例中，结构10可包括与未分割的锥形段24或分割的锥形段24组合的分割的锥形段36。
请参照图10，其中，类似的附图标记表示图3中类似的特征，且依据本发明的替代实施例，波导芯34可经修改以用锥54而不是输出段38终止。
请参照图11、12，其中，类似的附图标记表示图10中类似的特征，且在下一制造阶段，在波导芯34上方形成介电层50，且可在介电层50上形成波导芯64，以提供多层级布置。波导芯64包括邻近波导芯34的锥形段36而设置的锥形段66，以及具有多个弯曲的输出段68。锥形段66可沿纵轴67排列，该纵轴可平行于波导芯34的纵轴40取向。介电层50经布置以将锥形段36与锥形段36隔开。锥形段36及锥形段66可沿相反方向锥化。波导芯64可由介电材料例如氮化硅组成，并可具有与构成波导芯34的材料相同的成分。波导芯64可通过光刻及蚀刻工艺自由该介电材料构成的沉积层图案化。
波导芯64的锥形段66相对于波导芯34的锥形段36具有对角偏移。波导芯64的锥形段66相对于波导芯34的锥形段36呈对角设置，具有沿横向方向的横向偏移D3以及沿横截于该横向方向的垂直方向的垂直偏移D4。该横向偏移D3可在最靠近波导芯64的侧壁70的波导芯34的侧壁44之间测量。该垂直偏移D4可在波导芯34的锥形段36的顶部表面与波导芯64的锥形段66的底部表面之间测量。该横向偏移D3消除波导芯34的锥形段36与波导芯64的锥形段66之间的任意重叠，以使该些锥具有不重叠关系。在一个实施例中，该横向偏移D3可在从约50纳米至约3000纳米的范围内变化。在一个实施例中，该垂直偏移D4可在从约1纳米至约3000纳米的范围内变化。
在使用期间，光可从波导芯12的锥形段24沿对角方向倏逝耦合至波导芯34的锥形段36，接着从波导芯34的锥形段36沿对角方向倏逝耦合至波导芯64的锥形段66，以通过波导芯64的输出段68从结构10输出。该对角偏移可帮助具有例如TM偏振模式的光从锥形段24至锥形段36以及从锥形段36至锥形段66的有效对角传输，从而通过波导芯64引导离开结构10。
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)、作为裸管芯，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)

1.一种用于光耦合器的结构，其特征在于，该结构包括：
第一波导芯，具有第一锥形段；以及
第二波导芯，具有邻近该第一波导芯的该第一锥形段而设置的第二锥形段，该第二锥形段相对于该第一锥形段沿横向方向以第一横向偏移设置，且该第二锥形段相对于该第一锥形段沿垂直方向以第一垂直偏移设置。
2.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该第一锥形段包括第一纵轴以及沿该第一纵轴以间隔布置设置的多个第一片段。
3.如权利要求2所述的结构，其特征在于，该多个第一片段定义亚波长光栅。
4.如权利要求2所述的结构，其特征在于，该第二锥形段包括第二纵轴以及沿该第二纵轴以间隔布置设置的多个第二片段。
5.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该第二锥形段包括纵轴以及沿该纵轴以间隔布置设置的多个片段。
6.如权利要求5所述的结构，其特征在于，该多个片段定义亚波长光栅。
7.如权利要求1所述的结构，其特征在于，还包括：
第三波导芯，具有邻近该第二锥形段而设置的第三锥形段，该第三锥形段相对于该第二波导芯的该第二锥形段沿该横向方向以第二横向偏移设置，且该第三锥形段相对于该第二波导芯的该第二锥形段沿该垂直方向以第二垂直偏移设置。
8.如权利要求7所述的结构，其特征在于，该第一锥形段与该第二锥形段因该第一横向偏移而不重叠，且该第二锥形段与该第三锥形段因该第二横向偏移而不重叠。
9.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该第一波导芯包括硅，且该第二波导芯包括氮化硅。
10.如权利要求1所述的结构，其特征在于，还包括：
第一介电层，经布置以将该第一锥形段与该第二锥形段隔开。
11.如权利要求10所述的结构，其特征在于，该第一锥形段嵌埋于该第一介电层中。
12.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该第一锥形段与该第二锥形段因该第一横向偏移而具有不重叠关系。
13.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该第一波导芯包括输入段及终止段，该第一锥形段布置于该输入段与该终止段间，该第二波导芯包括与该第二锥形段连接的输出段，且该输出段包括经布置以将该第二波导芯横向位移偏离该第一波导芯的多个弯曲。
14.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该第一波导芯包括输入段及第一输出段，该第一锥形段布置于该输入段与该第一输出段间，该第二波导芯包括与该第二锥形段连接的第二输出段，且该第一输出段及该第二输出段分别包括经布置以将该第二波导芯横向位移偏离该第一波导芯的多个弯曲。
15.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该第一锥形段具有第一纵轴且沿该第一纵轴朝第一方向在宽度收窄，该第二锥形段具有与该第一纵轴平行排列的第二纵轴且沿该第二纵轴朝第二方向在宽度收窄，且该第一方向与该第二方向相反。
16.一种形成用于光耦合器的结构的方法，其特征在于，该方法包括：
形成包括第一锥形段的第一波导芯；以及
形成包括邻近该第一锥形段而设置的第二锥形段的第二波导芯，
其中，该第二锥形段相对于该第一波导芯的该第一锥形段沿横向方向以横向偏移设置，且该第二锥形段相对于该第一波导芯的该第一锥形段沿垂直方向以垂直偏移设置。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，该第一波导芯通过图案化由半导体材料组成的第一层形成，以及该第二波导芯通过图案化由介电材料组成的第二层形成。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，形成包括该第一锥形段的该第一波导芯包括：
形成以间隔布置设置的多个片段，以定义该第一锥形段。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，形成包括邻近该第一锥形段而设置的该第二锥形段的该第二波导芯包括：
形成以间隔布置设置的多个片段，以定义该第一锥形段。
20.如权利要求16所述的方法，其特征在于，该第一锥形段与该第二锥形段因该横向偏移而具有不重叠关系。
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