DE102020130405B4

DE102020130405B4 - Optisches System mit einer optischen Kopplungsvorrichtung mit mehreren Spitzen und Verfahren zum Herstellen einer solchen Kopplungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102020130405B4
Application number: DE102020130405.6A
Authority: DE
Inventors: Weiwei SONG; Chan-Hong Chern; Chewn-Pu Jou; Stefan Rusu; Min-Hsiang Hsu
Original assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Current assignee: Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date: 2020-11-13
Filing date: 2020-11-18
Publication date: 2024-02-22
Anticipated expiration: 2040-11-19
Also published as: TW202219567A; US20220155524A1; TWI778539B; US11860421B2; DE102020130405A1; KR20220065633A; US20220365281A1; CN114114551A

Abstract

Optisches System, aufweisend:ein Substrat (102A),einen Wellenleiter (104), der auf dem Substrat (102A) angeordnet ist,eine optische Faser (106), die mit dem Wellenleiter (104) optisch gekoppelt ist, undeine optische Kopplungsvorrichtung (102), die zwischen der optischen Faser (106) und dem Wellenleiter (104) angeordnet ist und ausgelegt ist, um die optische Faser (106) mit dem Wellenleiter (104) optisch zu koppeln,wobei die optische Kopplungsvorrichtung (102) eine dielektrische Schicht (102B), die auf dem Substrat (102A) angeordnet ist, eine verjüngte Halbleiterstruktur (102C), die in einer ersten horizontalen Ebene innerhalb der dielektrischen Schicht (102B) angeordnet ist, und eine dielektrische Struktur (102D) mit mehreren Spitzen (102Dt), die in einer zweiten horizontalen Ebene innerhalb der dielektrischen Schicht (102B) angeordnet ist, aufweist, undwobei die erste und die zweite horizontale Ebene voneinander verschieden sind,wobei die dielektrische Struktur (102D) mit mehreren Spitzen (102Dt) ein eindimensionales oder zweidimensionales Array von dielektrischen Strukturen (102D) aufweist, das in der zweiten horizontalen Ebene innerhalb der dielektrischen Schicht (102B) angeordnet ist,wobei eine Basis (102Cb) der verjüngten Halbleiterstruktur (102C) auf eine Basis (102Db) der dielektrischen Struktur (102D) mit mehreren Spitzen (102Dt) entlang einer Y-Achse im Wesentlichen ausgerichtet ist.

Description

STAND DER TECHNIK
Einer der Ansätze zum Koppeln von optischen Einmodenfasern an Wellenleiter auf photonischen integrierten Silizium-Schaltungen (Si-PIC) besteht darin, die lateralen Seiten der optischen Fasern und der Si-PIC mit optischen Kopplungsvorrichtungen, wie z.B. Kantenkopplern, optisch zu koppeln. Kantenkoppler reduzieren die Fehlanpassung der Größe optischer Moden zwischen den optischen Fasern und den Wellenleitern, damit Licht zwischen den optischen Fasern und Si-PICs übertragen wird. Die Kantenkopplung arbeitet über einen breiten Wellenlängenbereich, kann eine polarisationsunempfindliche Kopplung erzielen (z.B. Kopplung beider TE/TM-Moden) und ist mit der Halbleitertechnologie kompatibel. Die Verkleinerung der Si-PIC-Abmessungen, um die steigende Nachfrage nach schnelleren Verarbeitungssystemen zu erfüllen, hat jedoch die Komplexität der Herstellung von Kantenkopplern mit hohen optischen Kopplungseffizienzen erhöht. Eine Kopplungsvorrichtung ist beispielsweise aus der US 2019/0384003 A1 bekannt. Ein Verfahren zur Herstellung einer Kopplungsvorrichtung ist z.B. aus der EP 2 442 165 A1 bekannt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Aspekte dieser Offenbarung werden am besten aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung verstanden, wenn sie zusammen mit den begleitenden Figuren gelesen wird. Es ist zu beachten, dass gemäß dem üblichen Verfahren in der Branche verschiedene Merkmale nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind. Tatsächlich können die Abmessungen der verschiedenen Merkmale zugunsten einer klaren Erläuterung willkürlich vergrößert oder verkleinert sein

1A, 1B bis 1E und 1F zeigen eine Draufsicht, Querschnittsansichten und Vorrichtungscharakteristiken eines optischen Systems gemäß einigen Ausführungsformen.
2A bis 2C zeigen Querschnittsansichten eines optischen Systems gemäß einigen Ausführungsformen.
3A bis 3C zeigen Querschnittsansichten eines optischen Systems gemäß einigen Ausführungsformen.
4A bis 4C zeigen Querschnittsansichten eines optischen Systems gemäß einigen Ausführungsformen.
5A bis 5D zeigen Drauf- und Querschnittsansichten eines optischen Systems gemäß einigen Ausführungsformen.
6A bis 6E zeigen Drauf- und Querschnittsansichten eines optischen Systems gemäß einigen Ausführungsformen.
7 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer optischen Kopplungsvorrichtung gemäß einigen Ausführungsformen.
8A bis 8F zeigen Querschnittsansichten einer optischen Kopplungsvorrichtung bei verschiedenen Stufen ihres Herstellungsprozesses gemäß einigen Ausführungsformen.

Ausführungsbeispiele werden nun unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen verweisen gleiche Bezugszeichen im Allgemeinen auf Elemente, die identisch, funktionell ähnlich und/oder strukturell ähnlich sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die nachstehende Offenbarung stellt viele verschiedene Ausführungsformen, oder Beispiele, zum Implementieren verschiedener Merkmale des vorliegenden Gegenstands bereit. Konkrete Beispiele von Komponenten und Anordnungen sind nachstehend beschrieben, um die vorliegende Offenbarung zu vereinfachen. Diese stellen selbstverständlich lediglich Beispiele dar und sind nicht im beschränkenden Sinne gedacht. Zum Beispiel kann der Prozess zum Ausbilden eines ersten Merkmals über einem zweiten Merkmal in der nachstehenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, in denen das erste und das zweite Merkmal in direktem Kontakt ausgebildet werden, und kann ebenfalls Ausführungsformen umfassen, in denen zusätzliche Merkmale zwischen dem ersten und dem zweiten Merkmal ausgebildet werden können, so dass das erste und das zweite Merkmal möglicherweise nicht in direktem Kontakt stehen. Wie hier verwendet, bedeutet die Ausbildung eines ersten Merkmals auf einem zweiten Merkmal, dass das erste Merkmal in direktem Kontakt mit dem zweiten Merkmal ausgebildet wird. Außerdem kann die vorliegende Offenbarung Bezugsnummern und/oder -buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholen. Diese Wiederholung schreibt an sich keine Beziehung zwischen den verschiedenen besprochenen Ausführungsformen und/oder Ausgestaltungen vor.
Begriffe, die sich auf räumliche Relativität beziehen, wie z.B. „unterhalb“, „unter“, „unterer“, „oberhalb“, „oberer“ und dergleichen, können hierin zur Erleichterung der Besprechung verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem anderen Element oder Merkmal (zu anderen Elementen oder Merkmalen), wie in den Figuren dargestellt, zu beschreiben. Die Begriffe, die räumliche Relativität betreffen, sollen verschiedene Ausrichtungen der verwendeten oder betriebenen Vorrichtung zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung umfassen. Die Vorrichtung kann auf eine andere Weise ausgerichtet sein (um 90 Grad gedreht oder anders ausgerichtet) und die hier verwendeten Bezeichnungen, die räumliche Relativität betreffen, können gleichermaßen dementsprechend ausgelegt werden.
Es ist zu beachten, dass Verweise in der Beschreibung auf „eine Ausführungsform“, „ein Ausführungsbeispiel“, „ein Beispiel“ usw. anzeigen, dass die beschriebene Ausführungsform ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte Charakteristik aufweisen kann, aber nicht jede Ausführungsform notwendigerweise dieses bestimmte Merkmal, diese bestimmte Struktur oder diese bestimmte Charakteristik aufweisen muss. Des Weiteren beziehen sich solche Ausdrücke nicht notwendigerweise auf dieselbe Ausführungsform. Wenn ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Struktur oder eine bestimmte Charakteristik in Verbindung mit einer Ausführungsform beschrieben wird, würde es außerdem im Umfang von Wissen eines Fachmanns liegen, ein solches Merkmal, eine solche Struktur oder eine solche Charakteristik in Verbindung mit anderen Ausführungsformen einzusetzen, unabhängig davon, ob dies explizite beschrieben ist oder nicht.
Es versteht sich, dass die hier verwendete Ausdrucksweise oder Terminologie dem Zweck der Beschreibung und nicht der Einschränkung dient, so dass die Terminologie oder Ausdrucksweise der vorliegenden Beschreibung von einem Fachmann auf dem (den) relevanten Gebiet(en) vor dem Hintergrund der vorliegenden Lehren interpretiert werden soll.
Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff „High-k“ auf eine hohe Dielektrizitätskonstante. Auf dem Gebiet von Halbleitervorrichtungsstrukturen und Herstellungsprozessen bezieht sich High-k auf eine Dielektrizitätskonstante, die größer ist als die Dielektrizitätskonstante von SiO₂ (z.B. größer als 3,9).
Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff „Low-k“ auf eine niedrige Dielektrizitätskonstante. Auf dem Gebiet von Halbleitervorrichtungsstrukturen und Herstellungsprozessen bezieht sich Low-k auf eine Dielektrizitätskonstante, die kleiner ist als die Dielektrizitätskonstante von SiO2 (z.B. kleiner als 3,9).
Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff „niedriger Brechungsindex“ auf einen Brechungsindex, der kleiner ist als der Brechungsindex von Si (z.B. kleiner als 3,5).
Wie hier verwendet, definiert der Begriff „nanostrukturiert“ eine Struktur, Schicht und/oder ein Gebiet derart, dass sie/es eine horizontale Abmessung (z.B. entlang einer X- und/oder Y-Achse) und/oder eine vertikale Abmessung (z.B. entlang einer Z-Achse) aufweist, die kleiner ist als zum Beispiel 100 nm.
In einigen Ausführungsformen können die Begriffe „ungefähr“ und „im Wesentlichen“ einen Wert einer gegebenen Größe anzeigen, der innerhalb von 5 % des Wertes (z.B. ± 1%, ± 2 %, ± 3 %, ± 4 % oder ± 5% des Wertes) variiert. Diese Werte sind lediglich Beispiele und sind nicht im beschränkenden Sinne gedacht. Es versteht sich, dass sich die Begriffe „ungefähr“ und „im Wesentlichen“ auf einen Prozentsatz der Werte einer gegebenen Größe beziehen können, wie durch einen Fachmann auf einem relevanten Gebiet(en) angesichts der vorliegenden Lehren ausgelegt.
Optische Einmodenfasern können im Vergleich zu Si-Wellenleitern auf photonischen integrierten Si-Schaltungen einen verhältnismäßig großen Kern aufweisen, was zu einem größeren optischen Modenfeld führt als die Mode, die mit den Si-Wellenleitern auf photonischen integrierten Si-Schaltungen assoziiert ist. Eine optische Kopplung zwischen den optischen Fasern und den Si-Wellenleitern auf den photonischen integrierten Si-Schaltungen kann aufgrund der Fehlanpassung der Größe der optischen Moden und der Fehlanpassung des Brechungsindex zwischen den optischen Fasern und den Wellenleitern auf den photonischen integrierten Si-Schaltungen zu hohen optischen Kopplungsverlusten und hohen optischen Signalverlusten führen. Um eine solche Fehlanpassung der Größe der optischen Moden und Fehlanpassung des Brechungsindex zu reduzieren, werden optische Kopplungsvorrichtungen (die auch als „Kantenkoppler“ bezeichnet werden) verwendet, um die optischen Fasern mit den Si-Wellenleitern auf den photonischen integrierten Si-Schaltungen optisch zu koppeln. Jede der optischen Kopplungsvorrichtungen weist in der Regel eine verjüngte Halbleiterstruktur und eine dielektrische Struktur mit einer einzelnen Spitze auf, die die verjüngte Halbleiterstruktur umgibt. Die verjüngte Halbleiterstruktur kann Si aufweisen und die dielektrische Struktur mit einzelner Spitze kann Siliziumnitrid (SiN) aufweisen. Die Indexfehlanpassung zwischen SiN (z.B. Brechungsindex von ungefähr 2,0) und den optischen Fasern (z.B. Brechungsindex von ungefähr 1,45) ist niedriger als die Indexfehlanpassung zwischen den optischen Fasern und den Si-Wellenleitern (z.B. Brechungsindex von ungefähr 3,5) auf den photonischen integrierten Si-Schaltungen.
Die dielektrischen Strukturen mit einzelner Spitze dienen als Einmoden-Wellenleiter, die ausgelegt sind, um Licht von den optischen Fasern zu sammeln und das gesammelte Licht an die verjüngten Halbleiterstrukturen zu transferieren. Enden der dielektrischen Strukturen mit einzelner Spitze werden mit lateralen Seiten der optischen Fasern optisch gekoppelt, und wenn sich Licht entlang der dielektrischen Struktur mit einzelner Spitze ausbreitet, wird es evaneszent an die verjüngten Halbleiterstrukturen gekoppelt. Die dielektrischen Strukturen mit einzelner Spitze sind derart ausgelegt, dass sie kleinere Fehlanpassung der Größe optischer Moden mit den optischen Fasern aufweisen als die Fehlanpassung der Größe optischer Moden zwischen den optischen Fasern und den Si-Wellenleitern auf den photonischen integrierten Si-Schaltungen.
Gleichermaßen dienen die verjüngten Halbleiterstrukturen als Einmoden-Wellenleiter, die derart ausgelegt sind, dass sie Licht von den dielektrischen Strukturen mit einzelner Spitze sammeln und das gesammelte Licht an die Si-Wellenleiter auf den photonischen integrierten Si-Schaltungen transferieren. Enden der verjüngten Halbleiterstrukturen sind mit den dielektrischen Strukturen mit einzelner Spitze optisch gekoppelt und andere Enden der verjüngten Halbleiterstrukturen sind mit den lateralen Seiten der Si-Wellenleiter auf den photonischen integrierten Si-Schaltungen optisch gekoppelt. Die verjüngten Halbleiterstrukturen sind derart ausgelegt, dass sie kleinere Fehlanpassung der Größe optischer Moden mit den Si-Wellenleitern auf den photonischen integrierten Si-Schaltungen aufweisen als die Fehlanpassung der Größe optischer Moden zwischen den optischen Fasern und den Si-Wellenleitern auf den photonischen integrierten Si-Schaltungen. Daher dienen die optischen Kopplungsvorrichtungen als Größenwandler für optische Moden, um eine optische Kopplungseffizienz zwischen den optischen Fasern und den Si-Wellenleitern auf den integrierten photonischen Si-Schaltungen zu verbessern.
Die dielektrischen Materialien, die für die dielektrischen Strukturen mit einzelner Spitze verwendet werden, begrenzen die Größen der optischen Moden, die für die dielektrischen Strukturen mit einzelner Spitze erzielt werden können, wodurch die minimale Größenfehlanpassung der optischen Moden und die maximale optische Kopplungseffizienz, die zwischen den optischen Kopplungsvorrichtungen und den optischen Fasern erzielt werden können, begrenzt werden. Diese Begrenzung ist auf die komplexen Prozesse zum Herstellen von Siliziumnitridbasierten (SiN-basierten) dielektrischen Strukturen mit einzelner Spitze mit dicken SiN-Schichten (z.B. Dicke von ungefähr 200 nm oder mehr oder Dicke von ungefähr 250 nm), um die optische Kopplungseffizienz zu erzielen, zurückzuführen. Die komplexen Herstellungsprozesse für SiN-Strukturen sind erforderlich, um darunterliegende Schichten und/oder Strukturen vor Schäden zu schützen, die während der Verarbeitung (z.B. Strukturieren, Ätzen und/oder Polieren) des SiN-Materials, das ein hochbeanspruchbares Material ist, induziert werden können. Um zum Beispiel eine Si-Schicht mit einer Dicke, die größer ist als 200 nm (z.B. ungefähr 200 nm bis ungefähr 800 nm), zu erzielen, werden mehrere Beschichtungs- Strukturierungs-, Ätz- und/oder Polierprozesse im Herstellungsprozess verwendet, um die darunterliegenden Schichten vor durch Belastung induzierten Schäden, wie z.B. Rissbildungen in den Substraten der optischen Kopplungsvorrichtungen, zu schützen. Ein Ausbilden dünnerer (z.B. weniger als 200 nm) SiN-basierten dielektrischer Strukturen mit einzelner Spitze kann eine geringe Kopplungseffizienz und/oder einen starken polarisationsabhängigen Kopplungsverlust aufweisen.
Die vorliegende Offenbarung stellt Beispiele für optische Kopplungsvorrichtungen mit dielektrischen Strukturen mit mehreren Spitzen bereit, die kleinere Dicken aufweisen als ungefähr 200 nm. Solche Beispiele für optische Kopplungsvorrichtungen können eine verbesserte optische Kopplungseffizienz zwischen den optischen Kopplungsvorrichtungen und optischen Fasern bereitstellen, wodurch die optische Kopplungseffizienz zwischen den optischen Fasern und den Si-Wellenleitern auf photonischen integrierten Si-Schaltungen verbessert wird. Die vorliegende Offenbarung stellt außerdem Verfahren zum Herstellen dieser Beispiele für optische Kopplungsvorrichtungen mit weniger und weniger komplizierten Verarbeitungsschritten im Vergleich mit den Verfahren zum Herstellen der optischen Kopplungsvorrichtungen mit dielektrischen Strukturen mit einzelner Spitze bereit, ohne die Vorrichtungsleistungsfähigkeit der optischen Beispielkopplungsvorrichtungen zu beeinträchtigen.
In einigen Ausführungsformen kann eine optische Beispielkopplungsvorrichtung eine verjüngte Halbleiterstruktur und eine dielektrische Struktur mit mehreren Spitzen aufweisen. Die verjüngte Halbleiterstruktur und die dielektrische Struktur mit mehreren Spitzen können innerhalb einer dielektrischen Schicht an horizontalen Ebenen angeordnet sein, die voneinander verschieden sind. In einigen Ausführungsformen kann die dielektrische Struktur mit mehreren Spitzen ein Array von SiN-Schichten oder anderen geeigneten dielektrischen Schichten (z.B. Silizium mit hohem Oxidgehalt (Si_xO), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Aluminiumnitrid (AlN), Lithiumniobat (LiNbO₃), Hafniumoxid (HfO₂), Titanoxid (TiO₂), Zinkoxid (ZnO) und Germaniumoxid (GeO₂)) aufweisen. Die lateralen Seiten der SiN-Schichten, die den optischen Fasern zugewandt sind, bilden die Spitzen der dielektrischen Strukturen mit mehreren Spitzen. Jede Spitze weist eine vertikale Abmessung entlang einer Z-Achse (z.B. Dicke oder Höhe), die kleiner ist als ungefähr 200 nm (z.B. ungefähr 90 nm), und eine horizontale Abmessung entlang einer Y-Achse (z.B. Breite), die größer ist als ungefähr 100 nm (z.B. ungefähr 200 nm bis ungefähr 500 nm), auf. Andere geeignete Abmessungen der Spitzen der dielektrischen Struktur mit mehreren Spitzen liegen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Offenbarung.
Aufgrund der dielektrischen Struktur mit mehreren Spitzen, die im Vergleich mit der SiN-basierten dielektrischen Struktur mit einzelner Spitze dünnere SiN-Schichten aufweist, werden die Komplexität von Prozessschritten und die Anzahl von Prozessschritten, die in der Herstellung der optischen Beispielkopplungsvorrichtungen aufgenommen sind, reduziert. In einigen Ausführungsformen kann die dielektrische Struktur mit mehreren Spitzen mit einem Ätzschritt hergestellt werden. Im Unterschied zum Herstellungsprozess der SiN-basierten dielektrischen Struktur mit einzelner Spitze benötigt der Herstellungsprozess der dielektrischen Struktur mit mehreren Spitzen möglicherweise keine Maskenausrichtung mit hoher Auflösung, komplizierten Prozesse oder Ätzprozesssteuerung im Nanobereich.
Die dielektrische Struktur mit mehreren Spitzen ermöglicht eine größere Flexibilität beim Ausgestalten der optischen Beispielkopplungsvorrichtungen zum Erzielen verschiedener Größen optischer Moden, damit sie an optische Fasern verschiedener Kerngrößen angepasst sind. Durch Einstellen der Abmessungen der SiN-Strukturen und des Abstands zwischen den SiN-Strukturen können verschiedene Größen optischer Moden für eine maximale Kopplungseffizienz mit den optischen Fasern optimiert werden. In einigen Ausführungsformen kann die dielektrische Struktur mit mehreren Spitzen ein zweidimensionales Array von SiN-Strukturen oder anderen geeigneten dielektrischen Strukturen aufweisen, um die optische Kopplungseffizienz zwischen der optischen Beispielkopplungsvorrichtung und optischen Fasern weiter zu verbessern. In einigen Ausführungsformen weisen die optischen Beispielkopplungsvorrichtungen im Vergleich mit den optischen Kopplungsvorrichtungen mit dielektrischen Strukturen mit einzelner Spitze eine höhere Toleranz gegenüber einer Fehlausrichtung zwischen den optischen Fasern und den dielektrischen Strukturen mit mehreren Spitzen für beide Polarisationen auf. Der optische Verlust beträgt weniger als 1 dB bei einer Fehlausrichtung von 0,5 µm zwischen den optischen Fasern und den dielektrischen Strukturen mit mehreren Spitzen. Die optischen Beispielkopplungsvorrichtungen können außerdem einen geringen, von der Polarisation abhängigen optischen Kopplungsverlust erzielen.
Ein optisches System 100, das eine optische Kopplungsvorrichtung 102 (die auch als „Kantenkoppler 102“ bezeichnet wird), einen Si-basierten Wellenleiter 104 und eine optische Faser 106 aufweist, wird unter Bezugnahme auf 1A bis 1F gemäß einigen Ausführungsformen beschrieben. 1A zeigt eine Draufsicht auf ein optisches System 100 gemäß einigen Ausführungsformen. 1B bis 1E zeigen Querschnittsansichten entlang der Linien A-A, B-B, C-C und D-D von 1A-1B gemäß einigen Ausführungsformen. 1F zeigt Vorrichtungscharakteristiken des optischen Systems 100 gemäß einigen Ausführungsformen.
Die optische Kopplungsvorrichtung 102 kann derart ausgelegt sein, dass sie einen Si-basierten Wellenleiter 104 mit einer optischen Faser 106 optisch koppelt. In einigen Ausführungsformen kann die optische Kopplungsvorrichtung 102 ein Substrat 102A, eine dielektrische Schicht 102B, die auf dem Substrat 102A angeordnet ist, eine verjüngte Halbleiterstruktur 102C, die in einer horizontalen Ebene 108 innerhalb der dielektrischen Schicht 102B angeordnet ist, und eine dielektrische Struktur 102D mit mehreren Spitzen, die in einer horizontalen Ebene 110 innerhalb der dielektrischen Schicht 102B angeordnet ist, aufweisen. Die dielektrische Struktur 102D mit mehreren Spitzen kann derart ausgelegt sein, dass sie Licht von der optischen Faser 106 sammelt. Die verjüngte Halbleiterstruktur 102D kann ausgelegt sein, um Licht von der dielektrischen Struktur 102D mit mehreren Spitzen zu sammeln und das gesammelte Licht an den Wellenleiter 104 zu transferieren. Das Substrat 102A kann ein Halbleitermaterial, wie z.B. Silizium (Si), Germanium (Ge) und Siliziumgermanium (SiGe), aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann der Wellenleiter 104 innerhalb der dielektrischen Schicht 102B angeordnet sein und kann in physischem Kontakt mit der verjüngten Halbleiterstruktur 102C stehen. In einigen Ausführungsformen können der Wellenleiter 104 und die verjüngte Halbleiterstruktur 102C eine einzelne Halbleiterstruktur sein, die das gleiche Halbleitermaterial, wie z.B. Silizium (Si), aufweist. In einigen Ausführungsformen kann die dielektrische Schicht 102B ein Oxidmaterial, wie z.B. Siliziumoxid (SiO₂), aufweisen.
In einigen Ausführungsformen kann die dielektrische Struktur 102D mit mehreren Spitzen ein eindimensionales („1-D“) Array von dielektrischen Schichten aufweisen, die sich zwischen dem Wellenleiter 104 und der optischen Faser 106 erstrecken, wie in 1A dargestellt. Das 1-D-Array von dielektrischen Schichten kann ein High-k-Dielektrikumsmaterial mit einem niedrigen Brechungsindex aufweisen, wie z.B. SiN, Si_xO, Al₂O₃, AlN, LiNbO₃, HfO_2, TiO_2, ZnO, GeO₂ und eine Kombination davon, oder andere geeignete High-k-Dielektrikumsmaterialien. Der Brechungsindex des dielektrischen Materials des 1-D-Arrays von dielektrischen Strukturen kann größer als der Brechungsindex der optischen Faser 106 und kleiner als der Brechungsindex des Wellenleiters 104 sein. Der Brechungsindex des dielektrischen Materials des 1-D-Arrays von dielektrischen Strukturen kann kleiner sein als der Brechungsindex der verjüngten Halbleiterstruktur 102C. Jede der lateralen Seiten 102Dt der dielektrischen Strukturen, die der optischen Faser 106 zugewandt sind, bildet eine Spitze 102Dt der dielektrischen Struktur 102D mit mehreren Spitzen, wie in 1A-1B und 1E dargestellt. Die Spitzen 102Dt können mit der optischen Faser 106 in physischem Kontakt stehen, wie in 1A-1B dargestellt, und können ausgelegt sein, um in Betrieb Licht von der optischen Faser 106 zu sammeln. In einigen Ausführungsformen kann ein Spalt (nicht dargestellt) zwischen den Spitzen 102Dt und der optischen Faser 106 vorhanden sein, in dem die Spitzen 102Dt mit der optischen Faser 106 optisch gekoppelt sein können. Obwohl die Spitzen 102Dt derart dargestellt sind, dass sie rechteckige Querschnitte aufweisen, können die Spitzen 102Dt Querschnitte einer beliebigen geometrischen Form (z.B. kreisförmig, halbkreisförmig, dreieckig oder polygonal) aufweisen.
Die Anzahl von dielektrischen Strukturen und die Abmessung von dielektrischen Strukturen im 1-D-Array von dielektrischen Strukturen hängen von der Materialeigenschaft und der Form und Größe der optischen Moden der optischen Faser 106 ab. Die Anzahl und die Abmessung der dielektrischen Strukturen kann während der Herstellung eingestellt werden, damit den Formen und Größen der optischen Moden der dielektrischen Struktur 102D mit mehreren Spitzen und jene der optischen Faser 106 im Wesentlichen aneinanderpassen. In einigen Ausführungsformen kann ein Einstellen vertikaler Abmessungen 102Dh entlang einer Z-Achse der dielektrischen Schichten der dielektrischen Struktur 102D mit mehreren Spitzen die Größe optischer Moden entlang einer Z-Achse der dielektrischen Struktur 102D mit mehreren Spitzen einstellen, so dass sie mit der optischen Mode der optischen Faser 106 übereinstimmt. In einigen Ausführungsformen kann ein Einstellen horizontaler Abmessungen 102Dw entlang einer Y-Achse der dielektrischen Schichten der dielektrischen Struktur 102D mit mehreren Spitzen die optische Modenform entlang einer Y-Achse der dielektrischen Struktur 102D mit mehreren Spitzen einstellen, so dass sie mit der optischen Mode der optischen Faser 106 übereinstimmt. Vertikale und horizontale Abmessungen 102Dt und 102Dw der dielektrischen Strukturen sind vertikale und horizontale Abmessungen der Spitzen 102Dt. Daher stellen Einstellungen der vertikalen Abmessung 102Dh und der horizontalen Abmessung 102Dw der dielektrischen Strukturen die optischen Moden der Spitzen 102Dt ein, die mit der optischen Faser 106 optisch gekoppelt werden.
In einigen Ausführungsformen kann die dielektrische Struktur 102D mit mehreren Spitzen mit einer vertikalen Abmessung 102Dh und horizontalen Abmessungen 102Dw und 102Dl hergestellt werden, so dass die dielektrische Struktur 102D mit mehreren Spitzen als ein Wellenleiter dienen kann, der lediglich optische Grundmoden unterstützt. In einigen Ausführungsformen kann die vertikale Abmessung 102Dh kleiner gleich ungefähr 200 nm (z.B. ungefähr 90 nm) sein und die horizontale Abmessung 102Dw kann größer gleich 100 nm (z.B. ungefähr 200 nm bis ungefähr 500 nm) für die dielektrische Struktur 102D mit mehreren Spitzen sein, um als ein Wellenleiter zu dienen, der lediglich optische Grundmoden unterstützt. Vertikaler Abstand 102Ds zwischen der dielektrischen Struktur 102D mit mehreren Spitzen und dem Substrat 102A kann größer gleich ungefähr 2 µm (z.B. ungefähr 2,1 µm bis ungefähr 10 µm) sein oder er kann andere geeignete Abmessungen sein. Ein horizontaler Abstand entlang einer Y-Achse zwischen benachbarten dielektrischen Strukturen der dielektrischen Struktur 102D mit mehreren Spitzen kann größer gleich 200 nm (z.B. ungefähr 200 nm bis ungefähr 500 nm) sein oder er kann andere geeignete Abmessungen sein. Die Anzahl von dielektrischen Strukturen kann zwischen 2 und 20 betragen. Wenn die Anzahl von dielektrischen Strukturen weniger als 2 ist, arbeitet die dielektrische Struktur 102D mit mehreren Spitzen möglicherweise nicht geeignet als Wellenleiter, der nur optische Grundmoden unterstützt. Wenn andererseits die Anzahl von dielektrischen Strukturen größer als 20 ist, steigt die Verarbeitungszeit und infolgedessen steigen Vorrichtungsherstellungskosten. Unter Bezugnahme auf 1F kann in einigen Ausführungsformen die dielektrische Struktur 102D mit mehreren Spitzen eine optische Kopplungseffizienz, die größer als 90 % (z.B. ungefähr 91 % bis ungefähr 94 %) ist oder andere geeignete Werte sein kann, und einen optischen Kopplungsverlust, der kleiner ist als 1 dB, bei ungefähr 0,5 µm Fehlanpassung zwischen optischen Achsen (nicht dargestellt) entlang einer Y-Achse der dielektrischen Struktur 102D mit mehreren Spitzen und der optischen Faser 106 aufweisen.
Anstatt der dielektrischen Strukturen der dielektrischen Struktur 102D mit mehreren Spitzen, die die gleichen horizontalen Abmessungen 102Dw und 102Dl aufweisen, wie in 1C bis 1E dargestellt, können die horizontalen Abmessungen entlang einer Y-Achse einer oder mehrerer der dielektrischen Strukturen von den anderen dielektrischen Strukturen verschieden sein, wie in 2A bis 2C dargestellt. Die horizontalen Abmessungen entlang einer Y-Achse benachbarter dielektrischer Strukturen können voneinander verschieden sein, wie in 2A bis 2C dargestellt. Ein horizontaler Abstand entlang einer Y-Achse zwischen benachbarten dielektrischen Strukturen kann voneinander verschieden sein, wie in 2A bis 2C dargestellt, und kann größer gleich 100 nm (z.B. ungefähr 105 nm bis ungefähr 500 nm) sein oder er kann andere geeignete Abmessungen sein. 2A bis 2C zeigen Querschnittsansichten entlang der Linien B-B, C-C und D-D von 1A für eine andere Ausgestaltung der dielektrischen Struktur 102D mit mehreren Spitzen gemäß einigen Ausführungsformen. Die Diskussion von Elementen in 1A bis 1E und 2A bis 2C mit den gleichen Beschriftungen gilt füreinander, sofern nicht anders angegeben.
Anstelle oder zusätzlich zum Einstellen der Anzahl und Abmessungen der dielektrischen Strukturen der dielektrischen Struktur 102D mit mehreren Spitzen kann die Layout-Ausgestaltung der dielektrischen Strukturen für eine Anpassung der Formen und Größen der optischen Moden einer dielektrischen Struktur 102D mit mehreren Spitzen und jener einer optischen Faser 106 eingestellt werden, wie in 3A bis 4C dargestellt. 3A bis 4C zeigen Querschnittsansichten entlang der Linien B-B, C-C und D-D von 1A für andere Ausgestaltungen der dielektrischen Struktur 102D mit mehreren Spitzen gemäß einigen Ausführungsformen. Die Diskussion von Elementen in 1A bis 1E und 3A bis 4C mit den gleichen Beschriftungen gilt füreinander, sofern nicht anders angegeben.
Unter Bezugnahme auf 3A bis 4C kann anstelle des 1-D-Arrays von dielektrischen Strukturen die dielektrische Struktur 102D mit mehreren Spitzen ein zweidimensionales („2-D“) Array von dielektrischen Strukturen aufweisen, die sich zwischen dem Wellenleiter 104 und der optischen Faser 106 erstrecken. Das 2-D-Array von dielektrischen Strukturen kann ein High-k-Dielektrikumsmaterial mit einem niedrigen Brechungsindex aufweisen, wie z.B. SiN, Si_xO, Al₂O₃, AlN, LiNbO₃, HfO_2, TiO_2, ZnO, GeO₂ und eine Kombination davon, oder andere geeignete High-k-Dielektrikumsmaterialien. Die dielektrischen Strukturen in jeder Zeile des 2-D-Arrays von dielektrischen Strukturen können das gleiche dielektrische Material aufweisen oder können ein anderes dielektrisches Material aufweisen. Jede Zeile des 2-D-Arrays von dielektrischen Strukturen kann die gleiche Anordnung der dielektrischen Strukturen aufweisen, wie in 3A bis 3C dargestellt, oder jede Zeile kann eine andere Anordnung der dielektrischen Strukturen aufweisen, wie in 4A bis 4C dargestellt. Ein vertikaler Abstand entlang einer Z-Achse zwischen den dielektrischen Strukturen im 2-D-Array von dielektrischen Strukturen kann größer als 50 nm (z.B. von ungefähr 50 nm bis ungefähr 500 nm) sein oder er kann andere geeignete Abmessungen sein. Das Layout und die Abmessungen der dielektrischen Strukturen im 2-D-Array von dielektrischen Strukturen kann derart ausgelegt sein, dass die dielektrische Struktur 102D mit mehreren Spitzen als ein Wellenleiter dient, der lediglich die optischen Grundmoden unterstützt. Das 2-D-Array von dielektrischen Strukturen stellt eine erhöhte Flexibilität beim Herstellen der dielektrischen Struktur 102D mit mehreren Spitzen bei einem breiteren Bereich von Größen optischer Moden für eine Anpassung an einen breiteren Bereich von Größen optischer Moden der optischen Faser 106 bereit.
In einigen Ausführungsformen kann ein vertikaler Abstand 102Cs entlang einer Z-Achse zwischen der dielektrischen Struktur 102D mit mehreren Spitzen und der verjüngten Halbleiterstruktur 102C größer sein als 20 nm (z.B. ungefähr 20 nm bis ungefähr 500 nm) oder er kann andere geeignete Abmessungen sein. Die horizontale Abmessung 102Ctw entlang einer Y-Achse einer Spitze 102Ct der verjüngten Halbleiterstruktur 102C kann im Bereich von ungefähr 50 nm bis ungefähr 400 nm liegen oder kann andere geeignete Abmessungen sein. In einigen Ausführungsformen kann eine Basis 102Cb der verjüngten Halbleiterstruktur 102C auf eine Basis 102Db der dielektrischen Struktur 102D mit mehreren Spitzen entlang einer Y-Achse im Wesentlichen ausgerichtet sein, wie in 1A dargestellt. Ein Verhältnis der horizontalen Abmessung der Basis 102Cb entlang einer Y-Achse zur horizontalen Abmessung der Spitze 102Ct entlang einer Y-Achse kann im Bereich von ungefähr 2 bis ungefähr 20 liegen. Eine horizontale Abmessung entlang einer X-Achse der verjüngten Halbleiterstruktur 102C kann im Bereich von 10 µm bis ungefähr 500 µm liegen. Der horizontale Abstand entlang einer X-Achse, gezeigt in 1A, zwischen der Spitze 102Ct und Spitzen 102Dt kann im Bereich von ungefähr 1 µm bis ungefähr 100 µm liegen.
Unter Bezugnahme auf 5A bis 5D kann die optische Kopplungsvorrichtung 102 eine dielektrische Struktur 102D* mit einzelner Spitze statt der dielektrischen Struktur 102D mit mehreren Spitzen aufweisen. 5A zeigt eine Draufsicht auf eine optische Kopplungsvorrichtung 102 gemäß einigen Ausführungsformen. 5B bis 5D zeigen Querschnittsansichten entlang der Linien B-B, C-C und D-D von 5A gemäß einigen Ausführungsformen. Die Diskussion von Elementen in 1A bis 1E und 5A bis 5D mit den gleichen Beschriftungen gilt füreinander, sofern nicht anders angegeben.
Die dielektrische Struktur mit einzelner Spitze 102D* kann ein High-k-Dielektrikumsmaterial mit einem niedrigen Brechungsindex aufweisen, wie z.B. SiN, Si_xO, Al₂O₃, AlN, LiNbO₃, HfO_2, TiO_2, ZnO, GeO₂ und eine Kombination davon, oder andere geeignete High-k-Dielektrikumsmaterialien. Der Brechungsindex des dielektrischen Materials kann größer als der Brechungsindex der optischen Faser 106 und kleiner als der Brechungsindex des Wellenleiters 104 sein. Der Brechungsindex des dielektrischen Materials kann kleiner sein als der Brechungsindex der verjüngten Halbleiterstruktur 102C. Die laterale Seite 102Dt * der dielektrischen Struktur 102D* mit einzelner Spitze, die der optischen Faser 106 zugewandt ist, bildet eine Spitze 102Dt * der dielektrischen Struktur 102D * mit einzelner Spitze aus. Die Spitze 102Dt* kann mit der optischen Faser 106 in physischem Kontakt stehen, wie in 5A dargestellt, und kann ausgelegt sein, um in Betrieb Licht von der optischen Faser 106 zu sammeln. Obwohl die Spitze 102Dt* derart dargestellt ist, dass sie einen rechteckigen Querschnitt aufweist, kann die Spitze 102Dt* einen Querschnitt einer beliebigen geometrischen Form (z.B. kreisförmig, halbkreisförmig, dreieckig oder polygonal) aufweisen.
Ähnlich der dielektrischen Struktur 102D mit mehreren Spitzen kann ein vertikaler Abstand 102Cs zwischen der verjüngten Halbleiterstruktur 102C und der dielektrischen Struktur 102D* mit einzelner Spitze vorhanden sein, wie in 5B-5C dargestellt, um eine Rückreflexion von Licht zu reduzieren und die evaneszente Kopplungsstärke zwischen der verjüngten Halbleiterstruktur 102C und der dielektrischen Struktur 102D* mit einzelner Spitze einzustellen. In einigen Ausführungsformen besteht ein horizontaler Abstand entlang einer X-Achse, gezeigt in 5A, zwischen der Spitze 102Ct und der Spitze 102Dt*. Der horizontale Abstand zwischen der Spitze 102Ct und der Spitze 102Dt* kann im Bereich von ungefähr 1 µm bis ungefähr 100 µm liegen. In einigen Ausführungsformen kann eine Basis 102Cb der verjüngten Halbleiterstruktur 102C auf eine Basis 102Db* der dielektrischen Struktur 102D* mit einzelner Spitze entlang einer Y-Achse im Wesentlichen ausgerichtet sein, wie in 5A dargestellt. In einigen Ausführungsformen kann ein vertikaler Abstand der dielektrischen Struktur 102D* mit einzelner Spitze entlang einer Z-Achse im Bereich von ungefähr 200 nm bis ungefähr 1000 nm liegen und ein horizontaler Abstand der dielektrischen Struktur 102D* mit einzelner Spitze entlang einer Y-Achse kann im Bereich von ungefähr 200 nm bis ungefähr 1000 nm liegen. Andere geeignete Abmessungen der dielektrischen Struktur 102D* mit einzelner Spitze liegen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Offenbarung.
Ein optisches System 600, das eine optische Kopplungsvorrichtung 602 (die auch als „Kantenkoppler 602“ bezeichnet wird), einen Si-basierten Rippenwellenleiter 604 und eine optische Faser 106 aufweist, wird unter Bezugnahme auf 6A bis 6E gemäß einigen Ausführungsformen beschrieben. 6A zeigt eine Draufsicht auf ein optisches System 600 gemäß einigen Ausführungsformen. 6B bis 6E zeigen Querschnittsansichten entlang der Linien A-A, B-B, C-C und D-D von 6A-6B gemäß einigen Ausführungsformen. Die Diskussion von Elementen in 1A bis 1E und 6A bis 6E mit den gleichen Beschriftungen gilt füreinander, sofern nicht anders angegeben. Die optische Kopplungsvorrichtung 602 kann derart ausgelegt sein, dass sie den Si-basierten Wellenleiter 604 mit der optischen Faser 106 optisch koppelt.
In einigen Ausführungsformen kann die optische Kopplungsvorrichtung 602 aufweisen: das Substrat 102A, die dielektrische Schicht 102B, die auf dem Substrat 102A angeordnet ist, eine verjüngte Halbleiterstruktur 602C, die auf einer Halbleiterstruktur 602D mit mehreren Spitzen angeordnet ist, die innerhalb der dielektrischen Schicht 102B angeordnet ist. Die Halbleiterstruktur 602D mit mehreren Spitzen kann ein 1-D-Array von Halbleiterstrukturen aufweisen. Die verjüngte Halbleiterstruktur 602C kann ein erhabenes Gebiet auf einer der Halbleiterstrukturen des 1-D-Arrays von Halbleiterstrukturen sein, wie in 6B bis 6D dargestellt. Die verjüngte Halbleiterstruktur 602C und die Halbleiterstruktur des 1-D-Arrays von Halbleiterstrukturen, die unter der verjüngten Halbleiterstruktur 602C liegt, bilden eine einzelne Halbleiterstruktur 601, die ein Halbleitermaterial, wie z.B. Silizium (Si), aufweist. Die Halbleiterstrukturen des 1-D-Arrays von Halbleiterstrukturen, die mit der verjüngten Halbleiterstruktur 602C nicht überlappen, können das gleiche Halbleitermaterial wie die verjüngte Halbleiterstruktur 602C aufweisen. Die Halbleiterstruktur 602D mit mehreren Spitzen kann derart ausgelegt sein, dass sie Licht von der optischen Faser 106 sammelt. Die verjüngte Halbleiterstruktur 602D kann ausgelegt sein, um Licht von der Halbleiterstruktur 602D mit mehreren Spitzen zu sammeln und das gesammelte Licht an den Wellenleiter 604 zu transferieren. Das Substrat 102A kann ein Halbleitermaterial, wie z.B. Silizium (Si), Germanium (Ge) und Siliziumgermanium (SiGe), aufweisen. In einigen Ausführungsformen können der Wellenleiter 604 und die optische Kopplungsvorrichtung 602 eine einzelne Halbleiterstruktur sein, die das gleiche Halbleitermaterial, wie z.B. Silizium (Si), aufweist. In einigen Ausführungsformen kann die dielektrische Schicht 102B ein Oxidmaterial, wie z.B. Siliziumoxid (SiO₂), aufweisen.
Jede der lateralen Seiten 602Dt der Halbleiterstruktur 602D mit mehreren Spitzen, die der optischen Faser 106 zugewandt sind, bildet eine Spitze 602Dt der Halbleiterstruktur 602D mit mehreren Spitzen, wie in 6A-6B und 6E dargestellt. Die Spitzen 602Dt können mit der optischen Faser 106 in physischem Kontakt stehen, wie in 6A-6B dargestellt, und können ausgelegt sein, um in Betrieb Licht von der optischen Faser 106 zu sammeln. Obwohl die Spitzen 602Dt derart dargestellt sind, dass sie rechteckige Querschnitte aufweisen, können die Spitzen 602Dt Querschnitte einer beliebigen geometrischen Form (z.B. kreisförmig, halbkreisförmig, dreieckig oder polygonal) aufweisen.
Die Anzahl von Spitzen 602Dt und die Abmessung der Halbleiterstrukturen im 1-D-Array hängen von der Form und Größe der optischen Moden der optischen Faser 106 ab. Die Anzahl und die Abmessung der Halbleiterstrukturen kann während der Herstellung eingestellt werden, um die Formen und Größen der optischen Moden der Halbleiterstruktur 602D mit mehreren Spitzen und jene der optischen Faser 106 im Wesentlichen anzupassen. In einigen Ausführungsformen kann ein Einstellen vertikaler Abmessungen T1 und T2 entlang einer Z-Achse der Halbleiterstruktur 602D mit mehreren Spitzen die Größe der optischen Moden der Halbleiterstruktur 602D mit mehreren Spitzen einstellen, so dass sie an die Größe der optischen Moden der optischen Faser 106 angepasst ist. In einigen Ausführungsformen kann ein Einstellen horizontaler Abmessungen entlang einer Y-Achse der Halbleiterstruktur 602D mit mehreren Spitzen, wie z.B. W1, W2, S1, S2, die Form der optischen Moden der Halbleiterstruktur 602D mit mehreren Spitzen einstellen, so dass sie an die Form der optischen Moden der optischen Faser 106 angepasst ist.
In einigen Ausführungsformen kann die Halbleiterstruktur 602D mit mehreren Spitzen mit einer vertikalen Abmessung T1-T2 und horizontalen Abmessungen W1-W2, S1-S2 hergestellt werden, so dass die Halbleiterstruktur 602D mit mehreren Spitzen als ein Wellenleiter mit lediglich optischen Grundmoden dienen kann. In einigen Ausführungsformen kann die vertikale Abmessung T1 im Bereich von ungefähr 50 nm bis ungefähr 200 nm liegen, und die vertikale Abmessung T2 kann im Bereich von ungefähr 100 nm bis ungefähr 500 nm liegen. Horizontale Abmessungen W1-W2 können kleiner gleich 400 nm (z.B. ungefähr 50 nm bis ungefähr 200 nm) sein. In einigen Ausführungsformen können horizontale Abmessungen W1-W2 einander gleich oder voneinander verschieden sein. Vertikaler Abstand 602Ds zwischen der Halbleiterstruktur 602D mit mehreren Spitzen und dem Substrat 102A kann größer gleich ungefähr 2 µm (z.B. ungefähr 2,1 µm bis ungefähr 10 µm) sein. Die horizontalen Abstände S1-S2 entlang einer Y-Achse zwischen benachbarten Halbleiterstrukturen des 1-D-Arrays der Halbleiterstruktur 602D mit mehreren Spitzen können größer gleich 100 nm (z.B. ungefähr 100 nm bis ungefähr 1000 nm) sein. In einigen Ausführungsformen können horizontale Abstände S1-S2 einander gleich oder voneinander verschieden sein. Die Anzahl von Halbleiterstrukturen des 1-D-Arrays kann ungefähr 2 bis ungefähr 20 betragen. In einigen Ausführungsformen, wie in 6A dargestellt, ist die horizontale Abmessung der verjüngten Halbleiterstruktur 602D entlang einer Y-Achse kleiner als die horizontale Abmessung der Halbleiterschicht des 1-D-Arrays, die unter der verjüngten Halbleiterstruktur 602C liegt.
Die Querschnittsformen der optischen Kopplungsvorrichtungen 102 und 602 und ihrer Elemente sind veranschaulichend und sollen nicht beschränkend sein.
7 ist ein Ablaufdiagramm eines Beispielverfahrens 700 zum Herstellen der optischen Kopplungsvorrichtung 102 gemäß einigen Ausführungsformen. Zu Veranschaulichungszwecken werden die in 7 dargestellten Vorgänge unter Bezugnahme auf das Beispiel des Herstellungsprozesses zum Herstellen der optischen Kopplungsvorrichtung 102, wie in 8A bis 8F dargestellt, beschrieben. 8A bis 8F sind Querschnittsansichten entlang der Linie B-B der optischen Kopplungsvorrichtung 102 bei verschiedenen Stufen der Herstellung gemäß einigen Ausführungsformen. Arbeitsvorgänge können in Abhängigkeit von konkreten Anwendungen in einer anderen Reihenfolge durchgeführt werden oder sie werden möglicherweise nicht durchgeführt. Das Verfahren 700 erzeugt möglicherweise keine vollständige optische Kopplungsvorrichtung 102. Dementsprechend können zusätzliche Prozesse vor, während und/oder nach dem Verfahren 700 bereitgestellt werden und einige andere Prozesse sind hier möglicherweise lediglich kurz beschrieben. Elemente in 8A bis 8F mit denselben Beschriftungen wie Elemente in 1A bis 1E wurden vorstehend beschrieben.
Bei Vorgang 705 wird ein SOI-Substrat (Silizium auf einem Isolator) bereitgestellt. Zum Beispiel kann, wie in 8A dargestellt, ein SOI-Substrat 800 bereitgestellt werden. Das SOI-Substrat 800 kann ein Substrat 102A, eine dielektrische Schicht 102B1, die auf dem Substrat 102A angeordnet ist, und eine Siliziumschicht 102C*, die auf der dielektrischen Schicht 102B1 angeordnet ist, aufweisen. Während anschließender Verarbeitung kann die Siliziumschicht 102C* verarbeitet werden, um die verjüngte Halbleiterstruktur 102C auszubilden. In einigen Ausführungsformen kann die dielektrische Schicht 102B1 ein Oxidmaterial, wie z.B. Siliziumoxid (SiO2), aufweisen.
Unter Bezugnahme auf 7 wird bei Vorgang 710 eine verjüngte Halbleiterstruktur auf dem SOI-Substrat ausgebildet. Zum Beispiel kann, wie in 8B dargestellt, die verjüngte Halbleiterstruktur 102C aus dem SOI-Substrat 800 ausgebildet werden. Die Ausbildung der verjüngten Halbleiterstruktur 102C kann folgende sequenzielle Vorgänge umfassen: (i) Dünnen der Siliziumschicht 102C* auf eine Dicke von ungefähr 50 nm bis ungefähr 200 nm und (ii) Strukturieren und Ätzen der gedünnten Siliziumschicht 102C*, um die Struktur von 8B auszubilden.
Unter Bezugnahme auf 7 wird bei Vorgang 715 eine erste dielektrische Schicht auf der verjüngten Halbleiterstruktur abgeschieden. Zum Beispiel kann, wie in 8C dargestellt, eine erste dielektrische Schicht 102B2 auf der Struktur von 8B abgeschieden werden, um die Struktur von 8C auszubilden. Das Abscheiden der ersten dielektrischen Schicht 102B2 kann eine flächendeckende Abscheidung eines ungefähr 50 nm bis ungefähr 800 nm dicken dielektrischen Materials auf der Struktur von 8B mit einem PECVD-Prozess umfassen. Das abgeschiedene dielektrische Material kann das gleiche dielektrische Material sein, das in de dielektrischen Schicht 102B1 aufgenommen ist.
Unter Bezugnahme auf 7 kann bei Vorgang 720 eine dielektrische Struktur mit mehreren Spitzen auf der ersten dielektrischen Schicht ausgebildet werden. Zum Beispiel kann, wie in 8E dargestellt, die dielektrische Struktur 102D mit mehreren Spitzen auf der ersten dielektrischen Schicht 102B2 ausgebildet werden. Das Ausbilden der dielektrischen Struktur 102D mit mehreren Spitzen kann die folgenden sequenziellen Vorgänge umfassen: (i) flächendeckendes Abscheiden eines ungefähr 50 nm bis ungefähr 200 nm dicken High-k-Dielektrikumsmaterials mit niedrigem Brechungsindex auf der Struktur von 8C mit einem ALD- oder einem CVD-Prozess, um die dielektrische Schicht 102D* auszubilden, wie in 8D dargestellt, und (ii) Strukturieren und Ätzen der dielektrischen Schicht 102D*, um die Struktur von 8E auszubilden. Die dielektrische Schicht 102D* kann ein High-k-Dielektrikumsmaterial mit niedrigem Brechungsindex aufweisen, wie z.B. SiN, Si_xO, Al₂O₃, AlN, LiNbO₃, HfO_2, TiO_2, ZnO, GeO_2, oder einer Kombination davon oder andere geeignete High-k-Dielektrikumsmaterialien.
Unter Bezugnahme auf 7 wird bei Vorgang 725 eine zweite dielektrische Schicht auf der dielektrischen Struktur mit mehreren Spitzen abgeschieden. Zum Beispiel kann, wie in 8F dargestellt, eine zweite dielektrische Schicht 102B3 auf der Struktur von 8E abgeschieden werden, um die Struktur von 8F auszubilden. Das Abscheiden der zweiten dielektrischen Schicht 102B3 kann eine flächendeckende Abscheidung eines ungefähr 100 nm bis ungefähr 1000 nm dicken dielektrischen Materials auf der Struktur von 8E mit einem PECVD-Prozess umfassen. Das abgeschiedene dielektrische Material kann das gleiche dielektrische Material sein, das in den dielektrischen Schichten 102B1-102B2 aufgenommen ist. Die dielektrischen Schichten 102B1 bis 102B3 können die dielektrische Schicht 102B der optischen Kopplungsvorrichtung 102 ausbilden.
Die vorliegende Offenbarung stellt optische Beispielkopplungsvorrichtungen (z.B. die optische Kopplungsvorrichtung 102) mit dielektrischen Strukturen mit mehreren Spitzen (z.B. den dielektrischen Strukturen 102D mit mehreren Spitzen) bereit, die eine Dicke von weniger als ungefähr 200 nm aufweisen. Solche Beispiele für optische Kopplungsvorrichtungen können eine verbesserte optische Kopplungseffizienz zwischen optischen Kopplungsvorrichtungen und optischen Fasern (z.B. der optischen Faser 106) bereitstellen, wodurch die optische Kopplungseffizienz zwischen den optischen Fasern und den Si-Wellenleitern (z.B. dem Si-Wellenleiter 104) auf photonischen integrierten Si-Schaltungen verbessert wird. Die vorliegende Offenbarung stellt außerdem Verfahren zum Herstellen dieser Beispiele für optische Kopplungsvorrichtungen mit weniger und weniger komplizierten Verarbeitungsschritten im Vergleich mit den Verfahren zum Herstellen der optischen Kopplungsvorrichtungen mit dielektrischen Strukturen mit einzelner Spitze bereit, ohne die Vorrichtungsleistungsfähigkeit der optischen Beispielkopplungsvorrichtungen zu beeinträchtigen.
In einigen Ausführungsformen kann eine optische Beispielkopplungsvorrichtung eine verjüngte Halbleiterstruktur (z.B. die verjüngte Halbleiterstruktur 102C) und eine dielektrische Struktur mit mehreren Spitzen (z.B. die dielektrische Struktur 102D mit mehreren Spitzen) aufweisen. Die verjüngte Halbleiterstruktur und die dielektrische Struktur mit mehreren Spitzen können innerhalb eines dielektrischen Schichtstapels an horizontalen Ebenen angeordnet werden, die voneinander verschieden sind. In einigen Ausführungsformen kann die dielektrische Struktur mit mehreren Spitzen ein Array von SiN-Strukturen oder anderen geeigneten dielektrischen Schichten aufweisen. In einigen Ausführungsformen weist jede Spitze eine vertikale Abmessung entlang einer Z-Achse, die kleiner ist als ungefähr 200 nm (z.B. ungefähr 90 nm), und eine horizontale Abmessung entlang einer Y-Achse, die größer ist als ungefähr 200 nm (z.B. ungefähr 300 nm bis ungefähr 500 nm), auf. Andere geeignete Abmessungen der Spitzen der dielektrischen Struktur mit mehreren Spitzen liegen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Offenbarung.
Aufgrund der dielektrischen Struktur mit mehreren Spitzen, die im Vergleich mit der SiN-basierten dielektrischen Struktur mit einzelner Spitze dünnere SiN-Schichten aufweist, werden die Komplexität von Prozessschritten und die Anzahl von Prozessschritten, die in der Herstellung der optischen Beispielkopplungsvorrichtungen aufgenommen sind, reduziert. In einigen Ausführungsformen kann die dielektrische Struktur mit mehreren Spitzen mit einem Ätzschritt hergestellt werden. Im Unterschied zum Herstellungsprozess der SiN-basierten dielektrischen Struktur mit einzelner Spitze benötigt der Herstellungsprozess der dielektrischen Struktur mit mehreren Spitzen möglicherweise keine Maskenausrichtung mit hoher Auflösung, komplizierten Prozesse und Ätzprozesssteuerung im nm-Bereich.
Die dielektrische Struktur mit mehreren Spitzen ermöglicht eine größere Flexibilität beim Ausgestalten der optischen Beispielkopplungsvorrichtungen zum Erzielen verschiedener Größen optischer Moden, damit sie an optische Fasern verschiedener Kerngrößen angepasst sind. Durch Einstellen der Abmessungen der SiN-Strukturen und des Abstands zwischen den SiN-Strukturen können verschiedene Größen optischer Moden für eine maximale Kopplungseffizienz mit den optischen Fasern optimiert werden. In einigen Ausführungsformen weisen die optischen Beispielkopplungsvorrichtungen im Vergleich mit den optischen Kopplungsvorrichtungen mit dielektrischen Strukturen mit einzelner Spitze eine höhere Toleranz gegenüber einer Fehlausrichtung zwischen den optischen Fasern und den dielektrischen Strukturen mit mehreren Spitzen für beide Polarisationen auf. Der optische Verlust beträgt weniger als 1 dB bei einer Fehlausrichtung von 0,5 µm zwischen den optischen Fasern und den dielektrischen Strukturen mit mehreren Spitzen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist ein optisches System ein Substrat, einen Wellenleiter, der auf dem Substrat angeordnet ist, eine optische Faser, die mit dem Wellenleiter optisch gekoppelt ist, und eine optische Kopplungsvorrichtung, die zwischen der optischen Faser und dem Wellenleiter angeordnet ist, auf. Die optische Kopplungsvorrichtung ist zum optischen Koppeln der optischen Faser mit dem Wellenleiter ausgelegt. Die optische Kopplungsvorrichtung weist eine dielektrische Schicht, die auf dem Substrat angeordnet ist, eine verjüngte Halbleiterstruktur, die in einer ersten horizontalen Ebene innerhalb der dielektrischen Schicht angeordnet ist, und eine dielektrische Struktur mit mehreren Spitzen, die in einer zweiten horizontalen Ebene innerhalb der dielektrischen Schicht angeordnet ist, auf. Die erste und die zweite horizontale Ebene sind voneinander verschieden. Die dielektrische Struktur mit mehreren Spitzen weist ein eindimensionales oder zweidimensionales Array von dielektrischen Strukturen auf, das in der zweiten horizontalen Ebene innerhalb der dielektrischen Schicht (102B) angeordnet ist. Eine Basis der verjüngten Halbleiterstruktur ist im Wesentlichen auf eine Basis der dielektrischen Struktur mit mehreren Spitzen entlang einer Y-Achse ausgerichtet.
In einigen Ausführungsformen weist ein optisches System ein Substrat, einen Wellenleiter, der auf dem Substrat angeordnet ist, eine optische Faser, die mit dem Wellenleiter optisch gekoppelt ist, und eine optische Kopplungsvorrichtung, die zwischen der optischen Faser und dem Wellenleiter angeordnet ist, auf. Die optische Kopplungsvorrichtung ist zum optischen Koppeln der optischen Faser mit dem Wellenleiter ausgelegt. Die optische Kopplungsvorrichtung weist eine dielektrische Schicht, die auf dem Substrat angeordnet ist, eine Halbleiterstruktur mit mehreren Spitzen, die ein Array von Halbleiterschichten, die innerhalb der dielektrischen Schicht angeordnet sind, aufweist, und eine verjüngte Halbleiterstruktur, die auf der Halbleiterstruktur mit mehreren Spitzen angeordnet ist und mit ihr in physischem Kontakt steht, auf. Die verjüngte Halbleiterstruktur und eine der Halbleiterstrukturen im Array von Halbleiterstrukturen sind Abschnitte einer einzelnen Halbleiterstruktur, die innerhalb der dielektrischen Schicht angeordnet ist.
In einigen Ausführungsformen umfasst ein Verfahren zum Herstellen einer optischen Kopplungsvorrichtung: Ausbilden einer verjüngten Halbleiterstruktur auf einem SOI-Substrat (Silizium auf einem Isolator), Abscheiden einer ersten dielektrischen Schicht auf der verjüngten Halbleiterstruktur, Ausbilden einer dielektrischen Struktur mit mehreren Spitzen mit einem Array von dielektrischen Schichten auf der ersten dielektrischen Struktur, und Abscheiden einer zweiten dielektrischen Schicht auf der dielektrischen Struktur mit mehreren Spitzen.

Claims

Optisches System, aufweisend: ein Substrat (102A), einen Wellenleiter (104), der auf dem Substrat (102A) angeordnet ist, eine optische Faser (106), die mit dem Wellenleiter (104) optisch gekoppelt ist, und eine optische Kopplungsvorrichtung (102), die zwischen der optischen Faser (106) und dem Wellenleiter (104) angeordnet ist und ausgelegt ist, um die optische Faser (106) mit dem Wellenleiter (104) optisch zu koppeln, wobei die optische Kopplungsvorrichtung (102) eine dielektrische Schicht (102B), die auf dem Substrat (102A) angeordnet ist, eine verjüngte Halbleiterstruktur (102C), die in einer ersten horizontalen Ebene innerhalb der dielektrischen Schicht (102B) angeordnet ist, und eine dielektrische Struktur (102D) mit mehreren Spitzen (102Dt), die in einer zweiten horizontalen Ebene innerhalb der dielektrischen Schicht (102B) angeordnet ist, aufweist, und wobei die erste und die zweite horizontale Ebene voneinander verschieden sind, wobei die dielektrische Struktur (102D) mit mehreren Spitzen (102Dt) ein eindimensionales oder zweidimensionales Array von dielektrischen Strukturen (102D) aufweist, das in der zweiten horizontalen Ebene innerhalb der dielektrischen Schicht (102B) angeordnet ist, wobei eine Basis (102Cb) der verjüngten Halbleiterstruktur (102C) auf eine Basis (102Db) der dielektrischen Struktur (102D) mit mehreren Spitzen (102Dt) entlang einer Y-Achse im Wesentlichen ausgerichtet ist.
Optisches System nach Anspruch 1, wobei die verjüngte Halbleiterstruktur (102C) und die dielektrische Struktur (102D) mit mehreren Spitzen (102Dt) durch einen Abschnitt der dielektrischen Schicht (102B) vertikal voneinander versetzt sind.
Optisches System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die dielektrische Struktur (102D) mit mehreren Spitzen (102Dt) die verjüngte Halbleiterstruktur (102C) überlappt.
Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dielektrische Struktur (102D) mit mehreren Spitzen (102Dt) ein Array von Spitzen (102Dt) aufweist, die mit der optischen Faser (106) in physischem Kontakt stehen.
Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dielektrische Struktur (102D) mit mehreren Spitzen (102Dt) ein Array von dielektrischen Strukturen (102D) aufweist, die ein Siliziumnitridmaterial aufweisen.
Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dielektrische Struktur (102D) mit mehreren Spitzen (102Dt) ein Array von Siliziumnitridstrukturen aufweist, das in der zweiten horizontalen Ebene innerhalb der dielektrischen Schicht (102B) angeordnet ist, und wobei jede Siliziumnitridstruktur des Arrays von Siliziumnitridstrukturen eine vertikale Abmessung (102Dh) aufweist, die im Bereich von ungefähr 50 nm bis ungefähr 200 nm liegt.
Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dielektrische Struktur (102D) mit mehreren Spitzen (102Dt) ein dielektrisches Material mit einem Brechungsindex aufweist, der größer ist als ein Brechungsindex der optischen Faser (106) und der kleiner ist als ein Brechungsindex des Halbleitermaterials, das die verjüngte Struktur aufweist.
Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dielektrische Struktur (102D) mit mehreren Spitzen (102Dt) ein eindimensionales Array von Spitzen (102Dt) aufweist, und wobei benachbarte Spitzen (102Dt) im eindimensionalen Array von Spitzen (102Dt) horizontale Abmessungen aufweisen, die voneinander verschieden sind.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die dielektrische Struktur (102D) mit mehreren Spitzen (102Dt) ein zweidimensionales Array von Spitzen (102Dt) aufweist, und wobei die Spitzen (102Dt) in jeder Spalte des zweidimensionalen Arrays Abmessungen aufweisen, die einander gleich sind.
Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die dielektrische Struktur (102D) mit mehreren Spitzen (102Dt) ein zweidimensionales Array von dielektrischen Strukturen (102D) aufweist, und wobei eine erste Zeile des zweidimensionalen Arrays eine erste Anzahl von dielektrischen Strukturen (102D) aufweist, und eine zweite Zeile des zweidimensionalen Arrays eine zweite Anzahl von dielektrischen Strukturen (102D) aufweist, wobei die erste und die zweite Anzahl voneinander verschieden sind.
Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein vertikaler Abstand (102Cs) entlang einer Z-Achse zwischen der dielektrischen Struktur (102D) mit mehreren Spitzen und der verjüngten Halbleiterstruktur (102C) im Bereich von ungefähr 50 nm bis 400 nm liegt.
Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein horizontaler Abstand entlang einer X-Achse zwischen einer Spitze (102Ct) der verjüngten Halbleiterstruktur (102C) und den Spitzen (102Dt) der dielektrischen Struktur (102D) mit mehreren Spitzen im Bereich von ungefähr 1 µm bis ungefähr 100 µm liegt.
Optisches System, aufweisend: ein Substrat (102A), einen Wellenleiter (604), der auf dem Substrat (102A) angeordnet ist, eine optische Faser (106), die mit dem Wellenleiter (604) optisch gekoppelt ist, und eine optische Kopplungsvorrichtung (602), die zwischen der optischen Faser (106) und dem Wellenleiter (604) angeordnet ist und ausgelegt ist, um die optische Faser (106) mit dem Wellenleiter (604) optisch zu koppeln, wobei die optische Kopplungsvorrichtung (602) aufweist: eine dielektrische Schicht (102B), die auf dem Substrat (102A) angeordnet ist, eine Halbleiterstruktur (602D) mit mehreren Spitzen (602Dt), die ein Array von Halbleiterschichten, das innerhalb der dielektrischen Schicht (102B) angeordnet ist, aufweist, und eine verjüngte Halbleiterstruktur (602C), die auf der Halbleiterstruktur (602D) mit mehreren Spitzen (602Dt) angeordnet ist und mit ihr in physischem Kontakt steht, wobei die verjüngte Halbleiterstruktur (602C) und eine der Halbleiterstrukturen (602D) im Array von Halbleiterstrukturen (602D) Abschnitte einer einzelnen Halbleiterstruktur (601) sind, die innerhalb der dielektrischen Schicht (102B) angeordnet ist.
Optisches System nach Anspruch 13, wobei das Array von Halbleiterstrukturen (602D) und die verjüngte Halbleiterstruktur (602C) ein gleiches Halbleitermaterial aufweisen.
Optisches System nach Anspruch 13 oder 14, wobei jede laterale Seite der Halbleiterstrukturen (602Dt) des Arrays von Halbleiterstrukturen (602D) mit der optischen Faser (106) in physischem Kontakt steht.
Optisches System nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei ein vertikaler Abstand (602Ds) zwischen der Halbleiterstruktur (602D) mit mehreren Spitzen (602Dt) und dem Substrat (102A) größer gleich ungefähr 2 µm, bevorzugt 2,1 µm bis 10 µm, ist.
Verfahren zum Herstellen einer optischen Kopplungsvorrichtung (102, 602), umfassend: Ausbilden einer verjüngten Halbleiterstruktur (102C, 602C) auf einem SOI-Substrat (800), Abscheiden einer ersten dielektrischen Schicht (102B) auf der verjüngten Halbleiterstruktur (102C, 602C), Ausbilden einer dielektrischen Struktur (102D) mit mehreren Spitzen (102Dt, 602Dt) mit einem Array von dielektrischen Strukturen (102D) auf der ersten dielektrischen Schicht (102B), und Abscheiden einer zweiten dielektrischen Schicht (102B3) auf der dielektrischen Struktur (102D) mit mehreren Spitzen (102Dt, 602Dt).
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Ausbilden der verjüngten Halbleiterstruktur (102C, 602C) ein Ätzen einer Siliziumschicht des SOI-Substrats (800) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei das Ausbilden der dielektrischen Struktur (102D) mit mehreren Spitzen (102Dt, 602Dt) ein Abscheiden einer zweiten dielektrischen Schicht (102B3) auf der ersten dielektrischen Schicht (102B) umfasst, und wobei die erste und die zweite dielektrische Schicht (102B3) voneinander verschieden sind.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Ausbilden der dielektrischen Struktur (102D) mit mehreren Spitzen (102Dt, 602Dt) ein Strukturieren und Ätzen der zweiten dielektrischen Schicht (102B3) umfasst.