CN116699760A - 用于光学组件的超材料层 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于光学组件的超材料层，提供包括光学组件例如边缘耦合器的结构以及制造此类结构的方法。该结构包括衬底、位于该衬底上方的波导芯、以及在该波导芯与该衬底间沿垂直方向设置的超材料层。该超材料层包括由一组间隙隔开的一组元件以及位于该组间隙中的介电材料。
Description
技术领域
本揭示涉及光子芯片，尤其涉及包括光学组件例如边缘耦合器(edge coupler)的结构以及制造此类结构的方法。
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。
边缘耦合器(也称为光斑尺寸转换器(spot-size converter))通常用于将来自光源例如激光器或光纤的给定模式的光耦合至该光子芯片上的光学组件。该边缘耦合器可包括波导芯的一段，其定义具有顶端的倒锥(inverse taper)。在该边缘耦合器构造中，该倒锥的窄端提供位于邻近该光源设置的该顶端的端面，且该倒锥的宽端与该波导芯的另一段连接，以将光路由至该光子芯片的该光学组件。
当光从该光源被传输至该边缘耦合器时，该倒锥的逐渐变化的剖面面积支持模式转换以及与模式转换相关的模式尺寸变化。该倒锥的该顶端不能完全限制自该光源接收的入射模式，因为该顶端的剖面面积显著小于模式尺寸。因此，入射模式的电磁场的很大一部分分布于该倒锥的该顶端周围。随着宽度增加，该倒锥可支持全部入射模式并限制电磁场。
传统的边缘耦合器可能易受至衬底的泄漏损失的影响。当将来自单模光纤的横磁模式的光耦合至氮化硅波导芯时，该泄漏损失可能尤其高。用于减轻至衬底的泄漏损失的一种方法是移除位于边缘耦合器下方的衬底的部分，以定义底切(undercut)。
需要改进的包括光学组件(例如边缘耦合器)的结构以及制造此类结构的方法。
发明内容
在本发明的一个实施例中，一种结构包括衬底、位于该衬底上方的波导芯、以及在该波导芯与该衬底之间沿垂直方向设置的超材料层。该超材料层包括由多个间隙隔开的多个元件以及位于该多个间隙中的介电材料。
在本发明的一个实施例中，一种方法包括在衬底上方形成波导芯，以及形成在该波导芯与该衬底之间沿垂直方向设置的超材料层。该超材料层包括由多个间隙隔开的多个元件以及位于该多个间隙中的介电材料。
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所作的该结构的剖视图。
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之后的该处理方法的制造阶段的结构的顶视图。
图6显示大体沿图5中的线6-6所作的该结构的剖视图。
图7显示处于图5之后的该处理方法的制造阶段的结构的顶视图。
图8显示大体沿图7中的线8-8所作的该结构的剖视图。
图9显示依据本发明的替代实施例的结构的剖视图。
图10显示依据本发明的替代实施例的结构的顶视图。
图11显示依据本发明的替代实施例的结构的顶视图。
图12显示依据本发明的替代实施例的结构的剖视图。
具体实施方式
请参照图1、2并依据本发明的实施例，边缘耦合器的结构10包括并列(也就是，并排)布置的多个元件12。元件12可在介电层14及衬底16上方呈一维阵列设置。在一个实施例中，介电层14可由介电材料例如二氧化硅组成，且衬底16可由半导体材料例如单晶硅组成。在一个实施例中，介电层14可为绝缘体上硅衬底的埋置氧化物层，且介电层14可将元件12与衬底16隔开。元件12可由半导体材料例如单晶硅组成。在一个实施例中，为形成元件12，可利用光刻及蚀刻工艺图案化绝缘体上硅衬底的单晶硅装置层，且在图案化元件12时，介电层14可充当蚀刻停止层。
元件12由细长的脊(也就是，条带)构成，且间隙13可将相邻元件12隔开，以定义栅状结构。元件12可沿相应的纵轴11排列。在一个实施例中，元件12可具有平行的排列。在该代表性实施例中，元件12实施为彼此断开的细长脊。在一个实施例中，元件12的间距及占空比(duty cycle)可为均匀的，以定义周期性并列布置。在替代实施例中，元件12的间距及/或占空比可切趾(apodized)(也就是，非均匀)，以定义非周期并列布置。在一个实施例中，各元件12沿平行于纵轴11的方向可具有矩形或方形剖面形状。在一个实施例中，元件12可具有相等或基本相等的长度。
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，在元件12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。因为介电层18厚于元件12的高度，故元件12嵌埋于介电层18中。介电层18的厚度及元件12的高度可为可调节的变量。构成介电层18的介电材料与构成该些元件的材料相比可具有较低的折射率。
介电层18的介电材料位于相邻成对的元件12之间的间隙13中。元件12以及位于间隙13中的介电层18的介电材料可定义超材料层。可将包括元件12以及位于间隙13中的介电层18的介电材料的该超材料层视为有效的均匀材料，其有效折射率介于构成元件12的材料的折射率与填充元件12之间的空间的介电材料的折射率之间。在一个实施例中，该超材料层可沿横向于元件12的纵轴11的方向延伸超出给定宽度W。在替代实施例中，该超材料层可形成于多个层级中，且在各层级中针对元件12由不同的材料形成。
边缘耦合器可形成于介电层18上，设置于元件12上方。该边缘耦合器可包括波导芯20，其具有倒锥22、倒锥24、通过倒锥24而与倒锥22连接的段26，以及定义终止倒锥22的端面28的端部表面。倒锥22的宽度随着与端面28的距离增加而增加。倒锥是指由沿模式传播方向(mode propagation direction)宽度逐渐增加所表征的波导芯的锥形段。波导芯20的段26可与其它光学组件连接。
波导芯20可由介电材料例如氮化硅组成。在一个实施例中，波导芯20可通过化学气相沉积沉积其构成材料层并通过光刻及蚀刻工艺图案化该沉积层来形成，且在图案化波导芯20时，介电层18可充当蚀刻停止层。
波导芯20可沿纵轴30排列，且波导芯20可具有相对的侧壁19、21，其会聚于终止倒锥22的端面28。在一个实施例中，各元件12的纵轴11可平行于波导芯20的纵轴30排列。波导芯20可与元件12的其中一个或多个重叠。在一个实施例中，波导芯20可与元件12的其中一个或多个具有非重叠关系。在一个实施例中，波导芯20可在元件12上方沿横向方向居中设置，以提供对称布置。在一个实施例中，波导芯20可在元件12上方沿横向方向居中设置，以提供对称布置，波导芯20与该些元件的至少其中一个重叠，且波导芯20与该些元件12的至少其中一个具有不重叠布置。在一个实施例中，波导芯20可在元件12上方沿横向方向居中设置，以提供对称布置，其中，波导芯20与该些元件的至少其中一个重叠，波导芯20与多个元件12具有不重叠布置，且相等数目的不重叠元件12邻近波导芯20的各侧壁19、21设置。
请参照图5、6，其中，类似的附图标记表示图3、4中类似的特征，且在下一制造阶段，在介电层18及波导芯20上方可形成后端工艺(back-end-of-line)堆叠31的介电层32、34、36。波导芯20嵌埋于介电层32中。介电层32、34、36可由介电材料组成，例如二氧化硅、正硅酸乙酯二氧化硅，或氟化正硅酸乙酯二氧化硅。
该边缘耦合器可包括在波导芯20上方的后端工艺堆叠31的层级中形成的额外波导芯38、40、42。波导芯38、40，42具有横向间隔并列布置，设置于介电层36上。在一个实施例中，波导芯32与波导芯42的最外缘之间的最大间隔距离D可小于该超材料层的宽度W。在替代实施例中，距离D可大于或等于宽度W。
波导芯38、40、42可由介电材料组成，例如氮化硅碳或氢化氮化硅碳，其通过光刻及蚀刻工艺沉积并图案化。在一个替代实施例中，波导芯38、40、42可由氮化硅组成。各波导芯38、40、42可沿纵轴35排列。波导芯38可在相对端39截断，以定义波导芯38的长度，波导芯40可在相对端41截断，以定义波导芯40的长度，以及波导芯40可在相对端43截断，以定义波导芯38的长度。波导芯40横向位于波导芯38与波导芯42之间，且波导芯40可与波导芯20的倒锥24重叠。在一个实施例中，波导芯38、40、42可沿横向方向设置于波导芯20上方，以提供对称布置。
在一个实施例中，波导芯38可弯曲远离中央波导芯40，以使波导芯38与波导芯40之间的距离随着与波导芯20的端面28的距离增加而增加。在一个实施例中，波导芯42可以与波导芯38相反的曲率方向弯曲远离中央波导芯40，以使波导芯42与波导芯40之间的距离随着与波导芯20的端面28的距离增加而增加。
请参照图7、8，其中，类似的附图标记表示图5、6中类似的特征，且在下一制造阶段，可在波导芯38、40、42上方形成后端工艺堆叠31的介电层44、46。介电层44、46可由一种或多种介电材料组成，例如二氧化硅、正硅酸乙酯二氧化硅，或氟化正硅酸乙酯二氧化硅。波导芯38、40、42嵌埋于介电层44中。
该边缘耦合器可包括波导芯48，其形成于波导芯38、40、42上方的后端工艺堆叠31的层级中。波导芯48可与波导芯40重叠，且波导芯48可沿纵轴47排列。在一个实施例中，波导芯48的纵轴47可平行于波导芯38、40、42的纵轴35排列。
波导芯48可由介电材料组成，例如氮化硅碳或氢化氮化硅碳，其通过光刻及蚀刻工艺沉积并图案化。在一个替代实施例中，波导芯48可由氮化硅组成。在一个实施例中，波导芯48可由与波导芯38、40、42相同的介电材料组成。波导芯48可在相对端49截断，以使波导芯48具有一长度。在一个实施例中，波导芯48与波导芯40可具有相等或基本相等的长度。在一个替代实施例中，波导芯48的长度可短于波导芯40。
在波导芯48上方可形成额外介电层56(以虚线示意显示)，包括防潮层(moisturebarrier)。
可将光(例如，激光)沿模式传播方向51从光源50引导朝向波导芯20的端面28。该光可具有给定的波长、强度、模式形状，以及模式尺寸，且提供该代表性光学组件的该边缘耦合器可为该光提供光斑尺寸转换。在一个实施例中，光源50可为邻近端面28设置的单模光纤。在一个替代实施例中，光源50可为半导体激光器，并可将该半导体激光器附着在衬底16中所形成的腔体内部。包括元件12以及位于间隙13中的介电层18的介电材料的该超材料层用以将光沿垂直方向向上偏转远离介电层18及衬底16。
包括元件12以及位于间隙13中的介电层18的介电材料的该超材料层可消除对于位于该边缘耦合器下方的衬底16中的底切的需求。在此方面，衬底16至少在波导芯20的倒锥22下方可为实心的。该超材料层防止从光源50向该边缘耦合器提供的光与衬底16相互作用以及由于衬底泄漏而导致的插入损失(insertion loss)。在此方面，该超材料层可充当反射器。
结构10(在本文中所述的该结构的任意实施例中)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，该电子组件可包括通过CMOS处理制造的场效应晶体管。
请参照图9并依据本发明的替代实施例，可通过板层(slab layer)52连接元件12的下部。当通过光刻及蚀刻工艺图案化元件12时，可形成板层52。板层52设置于介电层14上，且板层52的厚度小于元件12的厚度。
请参照图10并依据本发明的替代实施例，该超材料层的元件12可经取向以使各元件12的纵轴11相对于波导芯20的纵轴30成角度。在一个实施例中，元件12可经取向以使各元件12的纵轴11横向于(即，垂直于)波导芯20的纵轴30排列。如前所述继续处理，以形成结构10的边缘耦合器。
请参照图11并依据本发明的替代实施例，可将该超材料层的元件12分割为成行(row)的片段(segment)54。各元件12的片段54可沿纵轴11具有间隔布置。在不同行中的片段54也可按列布置，以定义二维阵列。如前所述继续处理，以形成结构10的边缘耦合器
请参照图12并依据本发明的替代实施例，可改变后端工艺堆叠31的各该不同层级中的波导芯的数目。在一个实施例中，可将与波导芯38、40、42类似或相同的额外波导芯58添加至波导芯20上方的层级，且波导芯38、40、42、58可相对于波导芯20以对称布置的方式横向设置。在一个实施例中，可将与波导芯48类似或相同的额外波导芯60添加至包括波导芯38、40、42的层级上方的层级，且波导芯48、60可相对于波导芯20以对称布置的方式横向设置。波导芯48可经设置以与波导芯40重叠，且波导芯60可经设置以与波导芯42重叠。
上述方法用于集成电路芯片的制造。制造者可以原始晶片形式(例如，作为具有多个未封装芯片的单个晶片)、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“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：
衬底；
波导芯，位于该衬底上方；以及
超材料层，在该波导芯与该衬底间沿垂直方向设置，该超材料层包括由多个间隙隔开的多个元件以及位于该多个间隙中的介电材料。
2.如权利要求1所述的结构，其特征在于，还包括：
光源，经配置以向该波导芯提供光，
其中，该超材料层经配置以将该光反射离开该衬底。
3.如权利要求2所述的结构，其特征在于，该波导芯由端部表面终止，且该光源经配置以沿与该端部表面对齐的模式传播方向提供该光。
4.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该多个元件包括硅，且该介电材料包括二氧化硅。
5.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该波导芯包括第一材料，且该多个元件包括第二材料。
6.如权利要求5所述的结构，其特征在于，该第一材料为硅，且该第二材料为氮化硅。
7.如权利要求5所述的结构，其特征在于，该第一材料为硅，且该第二材料为氮化硅碳或氢化氮化硅碳。
8.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该波导芯具有第一纵轴，各该多个元件具有第二纵轴，且该第二纵轴平行于该第一纵轴排列。
9.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该波导芯具有第一纵轴，各该多个元件具有第二纵轴，且该第二纵轴与该第一纵轴成一角度排列。
10.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该波导芯具有第一纵轴，各该多个元件具有第二纵轴，且该第二纵轴垂直于该第一纵轴排列。
11.如权利要求1所述的结构，其特征在于，各该多个元件包括第一纵轴，以及沿该第一纵轴设置的多个片段。
12.如权利要求11所述的结构，其特征在于，各该多个元件的该多个片段按行排列。
13.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该波导芯与该多个元件的至少其中一个重叠。
14.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该波导芯与该多个元件的至少其中一个具有不重叠布置。
15.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该波导芯在该多个元件上方居中。
16.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该波导芯包括倒锥，且该衬底在该倒锥下方为实心。
17.一种方法，包括：
在衬底上方形成波导芯；以及
形成在该波导芯与该衬底间沿垂直方向设置的超材料层，
其中，该超材料层包括由多个间隙隔开的多个元件以及位于该多个间隙中的介电材料。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，形成包括由该多个间隙隔开的该多个元件以及位于该多个间隙中的该介电材料的该超材料层包括：
图案化半导体层，以定义该多个元件；以及
在图案化该半导体层后，沉积该介电材料。
19.如权利要求17所述的方法，其特征在于，该波导芯由端部表面终止，且还包括：
邻近该波导芯的该端部表面放置光源，
其中，该光源经配置以沿与该波导芯的该端部表面对齐的模式传播方向提供该光，且该超材料层经配置以将该光反射离开该衬底。
20.如权利要求17所述的方法，其特征在于，该波导芯具有第一纵轴，各该多个元件具有第二纵轴，且该第二纵轴平行于或垂直于该第一纵轴排列。
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
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| US17/684,840 US20230280549A1 (en) | 2022-03-02 | 2022-03-02 | Metamaterial layers for use with optical components |
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|---|---|
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