CN116953846A - 具有多厚度波导芯的波导和边缘耦合器 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及具有多厚度波导芯的波导和边缘耦合器。用于波导或边缘耦合器的光子学结构和制造用于波导或边缘耦合器的光子学结构的方法。该光子学结构包括波导芯，波导芯具有第一部分、与第一部分纵向相邻的第二部分、从第一部分沿竖直方向突出的第一多个段、以及从第二部分沿竖直方向突出的第二多个段。波导芯的第一部分具有第一厚度，以及波导芯的第二部分具有大于第一厚度的第二厚度。
Description
技术领域
本公开涉及光子学芯片，更具体地，涉及用于波导或边缘耦合器的光子学结构和制造用于波导或边缘耦合器的光子学结构的方法。
背景技术
光子学芯片用于许多应用和系统，包括但不限于数据通信系统和数据计算系统。光子学芯片将光学部件(例如波导、光电探测器、调制器和光功率分配器)和电子部件(例如场效应晶体管)集成到统一平台中。除了其他因素之外，布局面积、成本和操作开销可通过在同一芯片上集成两种类型的部件来减小。
边缘耦合器，也称为光斑尺寸转换器，其是通常用于将来自光源(如激光器或光纤)的给定模式的光耦合到光子学芯片上的其他光学部件的光学部件。边缘耦合器可以包括限定具有尖端的倒锥形(inverse taper)的波导芯的一部分。在边缘耦合器构造中，倒锥形的窄端部提供相邻光源定位在尖端处的刻面(facet)，而倒锥形的宽端部与将光路由到光子学芯片的光学部件的波导芯的另一部分连接。
当光从光源传输到边缘耦合器时，倒锥形的逐渐变化的横截面积支持与模式转换相关联的模式变换和模式尺寸变化。倒锥形的尖端不能完全限制(confine)从光源接收到的入射模式，因为尖端的横截面积明显小于模式尺寸。因此，入射模式的电磁场的相当大的比例围绕倒锥形的尖端分布。随着倒锥形的宽度增加，倒锥形能够支持整个入射模式并限制电磁场。
需要改善的用于波导或边缘耦合器的光子学结构和制造用于波导或边缘耦合器的光子学结构的方法。
发明内容
在本发明的一个实施例中，一种光子学结构包括：波导芯，其包括第一部分、与所述第一部分纵向相邻的第二部分、从所述第一部分沿竖直方向突出的第一多个段、以及从所述第二部分沿所述竖直方向突出的第二多个段。所述波导芯的所述第一部分具有第一厚度，以及所述波导芯的所述第二部分具有大于所述第一厚度的第二厚度。
在本发明的一个实施例中，提供了一种形成光子学结构的方法。所述方法包括：形成波导芯，所述波导芯包括第一部分、与所述第一部分纵向相邻的第二部分、从所述第一部分沿竖直方向突出的第一多个段、以及从所述第二部分沿所述竖直方向突出的第二多个段。所述波导芯的所述第一部分具有第一厚度，以及所述波导芯的所述第二部分具有大于所述第一厚度的第二厚度。
附图说明
并入本说明书并构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的各种实施例，并与上面给出的本发明的一般描述和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，相同的参考标号表示各种视图中的相同特征。
图1是根据本发明的实施例的处理方法的初始制造阶段的波导芯的俯视图。
图2是大体沿图1中的线2-2截取的截面图。
图2A是大体沿图1中的线2A-2A截取的截面图。
图3、3A是图2、2A之后的处理方法的制造阶段的波导芯的截面图。
图4是根据本发明的实施例的波导芯的俯视图。
图5是根据本发明的实施例的波导芯的俯视图。
图6是根据本发明的实施例的包括波导芯的边缘耦合器的截面图。
图7是根据本发明的实施例的包括波导芯的边缘耦合器的截面图。
具体实施方式
参考图1、2、2A，根据本发明的实施例，波导芯10包括部分18、部分24、与部分18纵向相邻的部分20、与部分24纵向相邻的部分22、以及从部分20和部分22沿竖直方向突出的段12。波导芯10可以沿纵轴11对准，并且部分20、22沿纵轴11定位在部分18和部分24之间。相邻成对的段12由沟槽13限定的间隙13分开，这些沟槽可以在横向于纵轴11的横向方向上跨波导芯10的整个宽度延伸，并且在竖直方向上部分地穿过波导芯10。在部分20中限定段12的沟槽的深度不同于在部分22中限定段12的沟槽的深度。在一个实施例中，在部分20中限定段12的沟槽的深度大于在部分22中限定段12的沟槽的深度。
波导芯10可以沿竖直方向定位在电介质层14和衬底16上方。在一个实施例中，电介质层14可以由诸如二氧化硅之类的电介质材料构成，衬底16可以由诸如单晶硅之类的半导体材料构成。在一个实施例中，电介质层14可以是绝缘体上硅衬底中的掩埋氧化物层，并且电介质层14可以将波导芯10与衬底16分开。在替代实施例中，例如由二氧化硅构成的附加电介质层可以将波导芯10与电介质层14分开。
波导芯10可以由折射率大于二氧化硅的折射率的电介质材料(如氮化硅)构成。在替代实施例中，波导芯10可以由氮氧化硅构成。在替代实施例中，可以使用诸如聚合物或III-V族化合物半导体之类的其他材料形成波导芯10。
波导芯10具有在不同部分18、20、22、24中恒定的宽度W。波导芯10的部分18和部分24可以具有厚度T1，波导芯10的部分20可以具有厚度T2，以及波导芯10的部分22可以具有厚度T3。在一个实施例中，波导芯10的部分20的厚度T2可以在其长度上恒定或基本恒定。在一个实施例中，波导芯10的部分22的厚度T3可以在其长度上恒定或基本恒定。在一个实施例中，厚度T3可以大于厚度T2。在一个实施例中，厚度T2和厚度T3可以各自小于厚度T1。在一个实施例中，厚度T1可以为约800纳米，并且厚度T2和T3可以小于800纳米。
波导芯10可以包括与部分20、22相似的一个或多个附加部分(未示出)，其厚度小于厚度T1并且段12从这些附加部分沿竖直方向突出。例如，波导芯10可以具有带突出段12的附加部分，其厚度大于厚度T2且小于厚度T3，并且附加部分可以在纵向上定位在部分20和部分22之间。
从波导芯10的部分20突出的段12的高度可以等于厚度T1和厚度T2之间的差。从波导芯10的部分22突出的段12的高度可以等于厚度T1和厚度T2之间的差。在一个实施例中，从波导芯10的部分20突出的段12的高度可以大于从波导芯10的部分22突出的段12的高度。
在一个实施例中，每个段12可以在平行于纵轴11的方向上和在横向于纵轴11的方向上具有正方形或矩形截面。在一个实施例中，段12的节距(pitch)和占空比可以是均匀的，以限定周期性布置。在替代实施例中，段12的节距和/或占空比可以是变迹的(apodized)(即，非均匀的)，以限定非周期性布置。段12能够以足够小的节距来设计尺寸和定位，以便限定不辐射或反射例如1260纳米至1360纳米范围内的波长(O波段)的工作波长的光的亚波长光栅状结构。
在一个实施例中，波导芯10可以通过沉积其构成电介质材料的层，然后通过光刻和蚀刻工艺对电介质材料进行图案化来形成。在一个实施例中，多组光刻和蚀刻工艺可以与不同的蚀刻掩模一起使用，以图案化波导芯10，从而形成限定间隙13的不同深度的沟槽，并提供具有多厚度的电介质材料的部分20、22。
参考图3、3A，其中相同的参考标号表示图2、2A中的相同特征，并且在随后的制造阶段，在段12上方形成电介质层28。电介质层28可以由例如二氧化硅的电介质材料构成，该电介质材料被沉积，并在沉积之后被平坦化。在代表性实施例中，段12嵌入电介质层28中。电介质层28的厚度和段12的高度可以是可调节的变量。构成电介质层28的电介质材料的折射率可以小于构成波导芯10的电介质材料的折射率。
电介质层28的电介质材料被设置在相邻成对的段12之间的间隙13中以及不同的部分20、22上方。在一个实施例中，电介质层28的电介质材料可以完全填充间隙13。段12和间隙13中的电介质层28的电介质材料可以限定超材料结构，其中构成段12的电介质材料的折射率高于电介质层28的电介质材料的折射率。包括段12和间隙13中的电介质层28的电介质材料的超材料结构可以被视为均质材料，其有效折射率介于构成段12的电介质材料的折射率与构成电介质层28的电介质材料的折射率之间。
后段制程堆叠30可以形成在电介质层28上方。后段制程堆叠30可以包括堆叠的电介质层，每个电介质层由电介质材料构成，例如二氧化硅、氮化硅、正硅酸乙酯二氧化硅或氟化正硅酸乙酯二氧化硅。
在本文描述的任何实施例中，波导芯10可以被部署在光子学集成电路中，或者替代地，可以被部署在包括电子部件和附加光学部件的光子学芯片中。例如，光子学芯片的电子部件可以包括通过CMOS工艺制造的场效应晶体管。波导芯10可用于引导传播光，或者替代地，可以被集成到诸如边缘耦合器之类的也引导传播光的光学部件中。
波导芯10的段12和部分20、22可以提供控制模式特性的能力，以改善系统级性能，特别是对于较大的厚度T1值(例如，约800纳米)而言。例如，可以减小双折射和差分群延迟(differential group delay)，使得由波导芯10引导的光的横向电极模式与横向磁模式偏振之间的时间/群延迟减小，并且不同偏振模式的传播光以更相似的速度行进。作为另一示例，波导芯10的段12和部分20、22可以被定制以修改由波导芯10引导的光的模式图案和形状。波导芯10可以以更有效的模式转换为特征，特别是对于更大的厚度T1值而言。由于增加了不同厚度的部分20、22的所修改的波导芯10的设计，因此可以放松制造要求，如段12的线宽。
参考图4，根据本发明的替代实施例，波导芯10的段12和部分20、22可以被修改为具有锥形形状。在一个实施例中，不同高度的段12和不同厚度的部分20、22可以被修改以限定为倒锥形的锥形形状。倒锥形是指波导芯的锥形部分，其特征在于宽度沿模式传播方向逐渐增大。在这方面，段12和部分20、22的宽度W可以随着沿纵轴11距波导芯10的部分24的距离的减小而增大。在一个实施例中，宽度W可以基于线性函数而增大。在替代实施例中，宽度W可以基于非线性函数而增大，例如二次函数、三次函数、抛物线函数、正弦函数、余弦函数、贝塞尔函数或指数函数。
参考图5，根据本发明的替代实施例，波导芯10可以包括与段12中的至少一些重叠的脊(rib)32。在一个实施例中，脊32可以是锥形的，并且其宽度可以随着距波导芯10的部分24的距离的减小而增大。在代表性实施例中，脊32可以仅与部分22和从部分22突出的所有段12重叠。在替代实施例中，脊32可以仅与部分22的一部分和从部分22突出的段12的一部分重叠。在替代实施例中，脊32可以与部分20、22以及从两个部分20、22突出的段12中的至少一些重叠。
在一个实施例中，脊32可以具有等于波导芯10的部分18和部分24的厚度T1的厚度。脊32可以邻接部分24，并且脊32可以终止与其中一个段12重合。与脊32重叠的段12被分割，并从脊32的相对侧横向向外突出。
参考图6，根据本发明的替代实施例，波导芯10可以被并入到光学部件中，如代表性实施例中的边缘耦合器。在这方面，段12中的一个可以终止波导芯10，并且后段制程堆叠30可以从波导芯10的部分20、22、24上方移除，并由电介质材料(例如二氧化硅)所构成的电介质层40代替。可以在模式传播方向34上从光源36朝向波导芯10提供光(例如激光)。光可以具有给定的波长、强度、模式形状和模式尺寸，并且提供代表性光学部件的边缘耦合器可以提供用于光的光斑尺寸转换。
在一个实施例中，光源36可以是与边缘耦合器相邻定位的单模光纤。光源36可以定位于在衬底16中图案化的槽42中，并且槽42可以作为可选底切在边缘耦合器下方延伸。替代地，可以省略可选底切，使得衬底16在边缘耦合器下方是完全实心的，如图7所示。在替代实施例中，光源36可以是与边缘耦合器相邻定位的半导体激光器，并且半导体激光器可以附接在衬底16中被图案化为闭合槽(即，沟槽)的腔内。
在替代实施例中，段12和部分20、22可以是锥形的，如结合图4所述，使得段12和部分20、22的宽度随着距光源36的距离的增大而增大。在替代实施例中，段12和部分20、22可以是锥形的，并且边缘耦合器还可以包括如结合图5所述的脊32。
参考图7，根据本发明的替代实施例，被并入到边缘耦合器中的波导芯10可以包括与光源36相邻且与部分20断开连接的段44。段44可以纵向定位在光源36与波导芯10的段12和部分20、22之间。在一个实施例中，段44可以具有等于厚度T1的高度。
上述方法用于集成电路芯片的制造。由此产生的集成电路芯片可以由制造商以原始晶片形式(例如，作为具有多个未封装芯片的单个晶片)、作为裸管芯或以封装形式进行分发。芯片可以与其他芯片、分立电路元件和/或其他信号处理器件集成，作为中间产品或最终产品的一部分。最终产品可以是任何包括集成电路芯片的产品，例如具有中央处理器的计算机产品或智能手机。
本文中对由诸如“大约”、“约”、“基本上”的近似语言修饰的术语的引用不限于所规定的精确值。近似语言可对应于用于测量该值的仪器的精度，并且，除非依赖于仪器精度，否则可以指示所述值的+/-10％的范围。
本文中对诸如“竖直”、“水平”等的术语的引用是通过示例而非限制来建立参考系的。如本文所用，术语“水平”被定义为与半导体衬底的常规平面平行的平面，而不管其实际的三维空间取向如何。术语“竖直”和“法向”是指与刚刚定义的水平方向垂直的方向。术语“横向”是指水平平面内的方向。
“连接”或“耦合”到另一特征或与另一特征“连接”或“耦合”的特征可以直接连接或耦合到其他特征或与其他特征连接或耦合，或者可以存在一个或多个中间特征。如果不存在中间特征，则一特征可以“直接连接”或“直接耦合”到另一特征或与另一特征“直接连接”或“直接耦合”。如果存在至少一个中间特征，则一特征可以“间接连接”或“间接耦合”到另一特征或与另一特征“间接连接”或“间接耦合”。在另一特征“上”或“接触”另一特征的特征可以直接在其他特征上或与其他特征直接接触，或者可以存在一个或多个中间特征。如果不存在中间特征，则一特征可以“直接在”另一特征上或与另一特征“直接接触”。如果存在至少一个中间特征，则一特征可以“间接在”另一特征上或与另一特征“间接接触”。如果一特征在另一特征上方延伸并且覆盖另一特征的一部分，则不同的特征“重叠”。
本发明的各种实施例的描述是为了说明的目的而给出的，但并非旨在是穷举的或限于所公开的实施例。在不脱离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员来说将是显而易见的。本文使用的术语是为了最好地解释实施例的原理、实际应用或相对于市场上发现的技术的技术改进，或者使本领域的其他普通技术人员能够理解本文所公开的实施例。
Claims (20)
1.一种光子学结构，包括：
波导芯，其包括第一部分、与所述第一部分纵向相邻的第二部分、从所述第一部分沿竖直方向突出的第一多个段、以及从所述第二部分沿所述竖直方向突出的第二多个段，所述波导芯的所述第一部分具有第一厚度，以及所述波导芯的所述第二部分具有大于所述第一厚度的第二厚度。
2.根据权利要求1所述的光子学结构，其中，所述波导芯还包括与所述第二部分邻接的第三部分，并且所述波导芯的所述第三部分具有大于所述第二厚度的第三厚度。
3.根据权利要求2所述的光子学结构，其中，所述第一多个段具有相对于所述波导芯的所述第一部分的等于所述第一厚度与所述第三厚度之间的差的高度。
4.根据权利要求2所述的光子学结构，其中，所述第二多个段具有相对于所述波导芯的所述第二部分的等于所述第二厚度与所述第三厚度之间的差的高度。
5.根据权利要求1所述的光子学结构，还包括：
光源，其与所述波导芯的所述第一部分相邻定位，所述光源被配置为在模式传播方向上向所述波导芯提供光。
6.根据权利要求5所述的光子学结构，其中，所述波导芯由所述第一部分终止。
7.根据权利要求5所述的光子学结构，其中，所述光源是半导体激光器。
8.根据权利要求5所述的光子学结构，其中，所述光源是光纤。
9.根据权利要求5所述的光子学结构，其中，所述第一多个段具有相对于所述波导芯的所述第一部分的第一高度，所述第二多个段具有相对于所述波导芯的所述第二部分的第二高度，并且所述第一高度大于所述第二高度。
10.根据权利要求5所述的光子学结构，其中，所述波导芯包括位于所述第一部分与所述光源之间的第三多个段，并且所述第三多个段与所述第一部分断开连接。
11.根据权利要求5所述的光子学结构，其中，所述第一部分、所述第二部分、所多个第一段和所述多个第二段的宽度随着距所述光源的距离的增大而增大。
12.根据权利要求5所述的光子学结构，还包括：
衬底，
其中，所述波导芯位于所述衬底上，所述衬底包括具有底切的槽，所述底切在所述波导芯的至少一部分下方延伸，并且所述光源位于所述槽中。
13.根据权利要求1所述的光子学结构，其中，所述波导芯还包括与所述波导芯的所述第二部分以及所述第二多个段中的至少一些重叠的脊。
14.根据权利要求1所述的光子学结构，其中，所述波导芯包括氮化硅，以及所述波导芯具有约800纳米的厚度。
15.根据权利要求1所述的光子学结构，其中，所述第一多个段和所述第二多个段被多个间隙分开，电介质材料位于所述多个间隙中，所述第一多个段和所述第二多个段包括具有第一介电常数的第一材料，以及所述电介质材料包括具有小于所述第一介电常数的第二介电常数的第二材料。
16.根据权利要求15所述的光子学结构，其中，所述第一多个段、所述第二多个段和所述电介质材料限定超材料结构。
17.一种形成光子学结构的方法，所述方法包括：
形成波导芯，所述波导芯包括第一部分、与所述第一部分纵向相邻的第二部分、从所述第一部分沿竖直方向突出的第一多个段、以及从所述第二部分沿所述竖直方向突出的第二多个段，
其中，所述波导芯的所述第一部分具有第一厚度，以及所述波导芯的所述第二部分具有大于所述第一厚度的第二厚度。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述波导芯还包括与所述第二部分邻接的第三部分，并且所述波导芯的所述第三部分具有大于所述第二厚度的第三厚度。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第一多个段具有相对于所述波导芯的所述第一部分的等于所述第一厚度与所述第三厚度之间的差的第一高度，以及所述第二多个段具有相对于所述波导芯的所述第二部分的等于所述第二厚度与所述第三厚度之间的差的第二高度。
20.根据权利要求17所述的方法，还包括：
与所述波导芯的所述第一部分相邻地定位光源，所述光源被配置为在模式传播方向上向所述波导芯提供光。
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