DE102022112013A1

DE102022112013A1 - Kantenkoppler mit metamaterial-rippenmerkmalen

Info

Publication number: DE102022112013A1
Application number: DE102022112013.9A
Authority: DE
Inventors: Yusheng Bian
Original assignee: GlobalFoundries US Inc
Current assignee: GlobalFoundries US Inc
Priority date: 2021-07-07
Filing date: 2022-05-13
Publication date: 2023-01-12
Also published as: CN115598766A; US11536902B1; US20230009597A1

Abstract

Strukturen für einen Kantenkoppler und Verfahren zum Fertigen einer Struktur für einen Kantenkoppler. Ein Wellenleiterkern umfasst eine Wellenleiterkernsektion, die eine erste ausgesparte Seitenwand, eine zweite ausgesparte Seitenwand und eine Endoberfläche aufweist, die die erste ausgesparte Seitenwand mit der zweiten ausgesparten Seitenwand verbindet. Segmente sind mit einer beabstandeten Anordnung angrenzend an die Endoberfläche der ersten Wellenleiterkernsektion positioniert, und eine Slab-Schicht schließt sich an die Segmente, die erste ausgesparte Seitenwand der Wellenleiterkernsektion, die zweite ausgesparte Seitenwand der Wellenleiterkernsektion und die Endoberfläche der Wellenleiterkernsektion an. Die Segmente und die Wellenleiterkernsektion haben eine erste Dicke, und die Slab-Schicht hat eine zweite Dicke, die geringer ist als die erste Dicke.

Description

HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung betrifft Photonikchips und insbesondere Strukturen für einen Kantenkoppler und Verfahren zum Fertigen einer Struktur für einen Kantenkoppler.
Photonikchips werden in vielen Anwendungen und Systemen verwendet, die Datenkommunikationssysteme und Datenberechnungssysteme umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind. Ein Photonikchip integriert optische Komponenten, wie etwa Wellenleiter, Photodetektoren, Modulatoren und optische Power-Splitter, und elektronische Komponenten, wie etwa Feldeffekttransistoren, in eine vereinigte Plattform. Durch die Integration beider Komponententypen auf dem gleichen Chip können, neben anderen Faktoren, Layoutbereich, Kosten und betrieblicher Overhead reduziert werden.
Ein Kantenkoppler, auch bekannt als ein Spot-Size-Konverter, wird üblicherweise zum Koppeln von Licht einer gegebenen Mode von einem Laser oder einer optischen Faser mit optischen Komponenten auf dem Photonikchip verwendet. Der Kantenkoppler kann eine Wellenleiterkernsektion umfassen, die eine inverse Verjüngung definiert und die angrenzend an den Laser oder die optische Faser angeordnet ist. Entsprechend einer Modenausbreitungsrichtung bezieht sich eine inverse Verjüngung auf eine verjüngte Sektion eines Wellenleiterkerns, der durch eine allmähliche Zunahme der Breite entlang der Modenausbreitungsrichtung gekennzeichnet ist. Im Kantenkoppleraufbau stellt das schmale Ende der inversen Verjüngung eine Facette bereit, die in der Nähe des Lasers oder der optischen Faser angeordnet ist, und das breite Ende der inversen Verjüngung ist mit einer anderen Wellenleiterkernsektion verbunden, die das Licht zu den optischen Komponenten des Photonikchips leitet.
Die sich allmählich verändernde Querschnittsfläche einer inversen Verjüngung unterstützt eine Modenumwandlung und eine Modengrößenvariation, die mit einer Modenkonvertierung verbunden sind, wenn Licht von dem Laser oder der optischen Faser zum Photonikchip übertragen wird. Das schmale Ende an der Spitze der inversen Verjüngung ist nicht in der Lage, die einfallende Mode vollständig einzuschließen, da die Querschnittsfläche der Spitze an ihrem schmalen Ende kleiner ist als die Modengröße. Folglich verteilt sich ein signifikanter Prozentsatz des elektromagnetischen Feldes der einfallenden Mode um die Spitze der inversen Verjüngung. Mit zunehmender Breite kann die inverse Verjüngung die gesamte einfallende Mode halten und schließlich das elektromagnetische Feld im Inneren der inversen Verjüngung einschließen.
Kantenkoppler können eine signifikante Einfügungsdämpfung sowie eine signifikante Rückreflexion an der Facette aufweisen. Kantenkoppler können durch eine geringe Kopplungseffizienz aufgrund von Fehlanpassungen der Modenform und Modengröße an den Laser oder die optische Faser gekennzeichnet sein. Kantenkoppler können auch anfällig für leistungsbezogenen Schaden aufgrund einer schlechten Leistungshandhabungsfähigkeit sein. Kantenkoppler können auch eine niedrige Fertigungstoleranz aufweisen sowie sehr lang sein und eine übermäßige Menge an Raum in dem Layoutbereich einnehmen.
Verbesserte Strukturen für einen Kantenkoppler und Verfahren zum Fertigen einer Struktur für einen Kantenkoppler werden benötigt.
KURZER ABRISS
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Struktur für einen Kantenkoppler bereitgestellt. Die Struktur umfasst einen Wellenleiterkern, der eine Wellenleiterkernsektion aufweist. Die Wellenleiterkernsektion weist eine erste ausgesparte Seitenwand, eine zweite ausgesparte Seitenwand und eine Endoberfläche auf, die die erste ausgesparte Seitenwand mit der zweiten ausgesparten Seitenwand verbindet. Die Struktur umfasst ferner eine Vielzahl von Segmenten, die mit einer beabstandeten Anordnung angrenzend an die Endoberfläche der Wellenleiterkernsektion positioniert ist, und eine Slab-Schicht, die sich an die Vielzahl von Segmenten, die Endoberfläche der Wellenleiterkernsektion, die erste ausgesparte Seitenwand der Wellenleiterkernsektion und die zweite ausgesparte Seitenwand der Wellenleiterkernsektion anschließt. Die Vielzahl von Segmenten und die Wellenleiterkernsektion haben eine erste Dicke, und die Slab-Schicht hat eine zweite Dicke, die geringer ist als die erste Dicke.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zum Bilden einer Struktur für einen Kantenkoppler bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Bilden eines Wellenleiterkerns, der eine Wellenleiterkernsektion aufweist. Die Wellenleiterkernsektion hat eine erste ausgesparte Seitenwand, eine zweite ausgesparte Seitenwand und eine Endoberfläche, die die erste ausgesparte Seitenwand mit der zweiten ausgesparten Seitenwand verbindet. Das Verfahren umfasst ferner das Bilden einer Vielzahl von Segmenten, die mit einer beabstandeten Anordnung angrenzend an die Endoberfläche der Wellenleiterkernsektion positioniert ist. Das Verfahren umfasst ferner das Bilden einer Slab-Schicht, die sich an die Vielzahl von Segmenten, die Endoberfläche der Wellenleiterkernsektion, die erste ausgesparte Seitenwand der Wellenleiterkernsektion und die zweite ausgesparte Seitenwand der Wellenleiterkernsektion anschließt. Die Vielzahl von Segmenten und die Wellenleiterkernsektion haben eine erste Dicke, und die Slab-Schicht hat eine zweite Dicke, die geringer ist als die erste Dicke.
Figurenliste
Die beigefügten Zeichnungen, die in diese Beschreibung einbezogen sind und einen Teil von ihr darstellen, veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung und dienen, zusammen mit einer oben gegebenen allgemeinen Beschreibung der Erfindung und der nachstehend gegebenen detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen, dazu, die Ausführungsformen der Erfindung zu erläutern. In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in den verschiedenen Ansichten.

1 ist eine Ansicht von oben einer Struktur in einem anfänglichen Fertigungsstadium eines Prozessierungsverfahrens gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
2 ist eine Querschnittsansicht der Struktur insgesamt entlang einer Linie 2-2 in 1.
2A ist eine Querschnittsansicht der Struktur insgesamt entlang einer Linie 2A-2A in 1.
2B ist eine Querschnittsansicht der Struktur insgesamt entlang einer Linie 2B-2B in 1.
2C ist eine Querschnittsansicht der Struktur insgesamt entlang einer Linie 2C-2C in 1.
2D ist eine Querschnittsansicht der Struktur insgesamt entlang einer Linie 2D-2D in 1.
3, 3A, 3B, 3C, 3D sind Querschnittsansichten der Struktur in einem Fertigungsstadium des Prozessierungsverfahrens anschließend an die 2, 2A, 2B, 2C, 2D.
4 ist eine Querschnittsansicht der Struktur in einem Fertigungsstadium des Prozessierungsverfahrens anschließend an 3.
5 ist eine Ansicht von oben einer Struktur gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung.
6 ist eine Querschnittsansicht der Struktur insgesamt entlang einer Linie 6-6 in 5.
7 ist eine Ansicht von oben einer Struktur gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf die 1, 2, 2A, 2B, 2C, 2D und gemäß Ausführungsformen der Erfindung umfasst eine Struktur 10 für einen Kantenkoppler mehrere Segmente 12 und einen Wellenleiterkern 28, der eine Wellenleiterkernsektion 16 und eine Wellenleiterkernsektion 18 aufweist. Die Segmente 12 und die Wellenleiterkernsektionen 16, 18 können der Länge nach entlang einer Längsachse 20 angeordnet sein. Die Wellenleiterkernsektion 16 ist in Längsrichtung zwischen den Segmenten 12 und der Wellenleiterkernsektion 18 positioniert. Die Struktur 10 kann eine Länge in einem Bereich von zweihundert (200) Mikrometern bis drei (3) Millimetern haben.
Laserlicht kann seitlich von einer Quelle 22 (4) zu der Struktur 10 hin gerichtet werden. Das Laserlicht kann eine gegebene Wellenlänge, Intensität, Modenform und Modengröße haben, und die Struktur 10 kann eine Punktgrößenumwandlung für das Laserlicht bereitstellen. Bei einer Ausführungsform kann die Quelle 22 ein Halbleiterlaser sein. Bei einer Ausführungsform kann die Quelle 22 eine optische Faser sein. Die Quelle 22 wird folgend auf nachfolgende Fertigungsstadien und während einer nachfolgenden Montagephase, wie unten beschrieben, angrenzend an die Struktur 10 angeordnet. Der Spalt oder Raum zwischen der Quelle 22 und der Struktur 10 kann mit Luft oder einem Index-Matching-Material gefüllt sein oder kann eine oder mehrere Linsen umfassen.
Die Segmente 12 sind als Merkmale in einem Abschnitt der Struktur 10 angeordnet, der anfänglich das Laserlicht von der Quelle 22 empfängt. Eines der Segmente 12 schließt die Struktur 10 ab, um eine Facette zu definieren, und die Quelle 22 (4) wird schließlich angrenzend an die Facette positioniert. Licht breitet sich in der Struktur 10 in einer Richtung von den Segmenten 12 zu den Wellenleiterkernsektionen 16, 18 hin aus. Die Segmente 12 sind diskrete Stifte, die mit einer beabstandeten Anordnung entlang der Längsachse 20 angeordnet sind. Benachbarte Paare von Segmenten 12 sind durch einen Spalt getrennt. Jedes Segment 12 hat gegenüberliegende Seitenwände 80, die die Spalte begrenzen, sowie gegenüberliegende Seitenwände 82 an seinen Seitenkanten. Bei einer Ausführungsform können die Segmente 12 relativ zu der Längsachse 20 zentriert sein.
Die Wellenleiterkernsektion 16 ist in einem Abschnitt der Struktur 10 angeordnet, der das Laserlicht von den Segmenten 12 auf die Wellenleiterkernsektion 18 überträgt. Die Wellenleiterkernsektion 16 umfasst ausgesparte Seitenwände 88 und eine Endoberfläche 86, die sich zwischen den ausgesparten Seitenwänden 88 erstreckt und diese verbindet. Die Wellenleiterkernsektion 16 ist eine „Fischgräten“-Struktur, die eine Reihe von Vorsprüngen 14 als Merkmale umfasst, die entlang jeder ihrer gegenüberliegenden ausgesparten Seitenwände 88 angeordnet sind. Die gegenüberliegenden ausgesparten Seitenwände 88 umfassen Einkerbungen oder Nuten, die Aussparungen zwischen benachbarten Paaren der Vorsprünge 14 bilden. Die Segmente 12 können in einer Reihe angrenzend an die Endoberfläche 86 positioniert sein, und die Endoberfläche 86 kann die Wellenleiterkernsektion 16 abschließen. Die Vorsprünge 14 sind in jeweiligen beabstandeten Anordnungen entlang der Längsachse 20 positioniert und erstrecken sich nach außen in jeweiligen Richtungen, die quer zur Längsachse 20 sind. Bei einer Ausführungsform kann die Wellenleiterkernsektion 16 relativ zur Längsachse 20 zentriert sein.
Die Segmente 12 können eine Breitendimension W1 aufweisen, die zwischen den gegenüberliegenden Seitenwänden 80 gemessen wird, und die Wellenleiterkernsektion 16 kann eine Breitendimension W2 aufweisen, die zwischen ihren gegenüberliegenden ausgesparten Seitenwänden 88 gemessen wird. Die Segmente 12 können in einer Gruppe 44 an einem Ende der Struktur 10, das die Facette umfasst, und einer Gruppe 46, die zwischen der Gruppe 44 und der Wellenleiterkernsektion 16 angeordnet ist, gruppiert werden. Bei einer Ausführungsform kann die Breitendimension W1 der Segmente 12 in der Gruppe 46 größer sein als die Breitendimension W1 der Segmente 12 in der Gruppe 44. Bei einer Ausführungsform kann die Breitendimension W1 der Segmente 12 von dem etwa 0,07-fachen zu dem etwa 0,16-fachen der Wellenlänge des von der Quelle 22 empfangenen Laserlichts reichen. Bei einer Ausführungsform kann die Breitendimension W2 der Wellenleiterkernsektion 16 von dem etwa 0,2-fachen zu dem etwa 0,28-fachen der Wellenlänge des von der Quelle 22 empfangenen Lichts reichen. Die Wellenlänge des von der Struktur 10 empfangenen Laserlichts kann beispielsweise in einem Bereich von 1260 nm bis 1360 nm (dem O-Band) liegen.
Bei einer Ausführungsform können der Pitch und das Tastverhältnis (Duty Cycle) der Segmente 12 gleichmäßig sein, um eine periodische Anordnung zu definieren. Bei alternativen Ausführungsformen können der Pitch und/oder das Tastverhältnis der Segmente 12 apodisiert (d.h. nicht gleichförmig) sein, um eine nicht-periodische Anordnung zu definieren. Bei einer Ausführungsform können die Segmente 12 eine rechteckige, strukturierte Form haben. Bei alternativen Ausführungsformen können die Segmente 12 eine andere strukturierte Form haben, wie etwa eine ovale Form oder eine trapezförmige Form.
Die Wellenleiterkernsektion 16 kann einen Abschnitt 48, der angrenzend an die Segmente 12 angeordnet ist, und einen Abschnitt 50 aufweisen, der angrenzend an die Wellenleiterkernsektion 18 angeordnet ist. Die Aussparungen zwischen benachbarten Vorsprüngen 14 erstrecken sich seitlich nach innen (d.h. quer zu der Längsachse 20) bis zu einer größeren Tiefe innerhalb des Abschnitts 48 als innerhalb des Abschnitts 50. Bei einer Ausführungsform können der Pitch und das Tastverhältnis der Vorsprünge 14 gleichmäßig sein, um eine periodische Anordnung zu definieren. Bei alternativen Ausführungsformen kann der Pitch und/oder das Tastverhältnis der Vorsprünge 14 apodisiert (d.h. nicht gleichmäßig) sein, um eine nicht-periodische Anordnung zu definieren. Bei einer Ausführungsform können sich der Pitch und das Tastverhältnis der Vorsprünge 14 von dem Pitch und dem Tastverhältnis der Segmente 12 unterscheiden. Bei einer Ausführungsform können die Vorsprünge 14 eine rechteckige strukturierte Form haben. Bei alternativen Ausführungsformen können die Vorsprünge 14 eine andere strukturierte Form haben, wie etwa eine ovale Form oder eine trapezförmige Form.
Die Wellenleiterkernsektion 18, die kontinuierlich und unausgespart ist, kann gegenüberliegende Seitenwände 90 und eine Breitendimension W3 aufweisen, die mit einer Position entlang der Längsachse 20 in einer Lichtausbreitungsrichtung variiert (d.h. sich invers verjüngt). Bei einer Ausführungsform kann die Breitendimension W3 der Wellenleiterkernsektion 18 mit zunehmendem Abstand von der Wellenleiterkernsektion 16 zunehmen. Bei einer Ausführungsform kann die Breitendimension W3 der Wellenleiterkernsektion 18 über ihre Länge basierend auf einer linearen Funktion variieren, um eine trapezförmige Form mit einem trapezförmigen Profil, in einer vertikalen Richtung gesehen, bereitzustellen. Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Breitendimension W3 der Wellenleiterkernsektion 18 über ihre Länge basierend auf einer nichtlinearen Funktion, wie etwa einer quadratischen, parabolischen oder exponentiellen Funktion, variieren.
Die Segmente 12 und der Wellenleiterkern 28 können über einer dielektrischen Schicht 24 positioniert sein. Bei einer Ausführungsform kann die dielektrische Schicht 24 von Siliziumdioxid umfasst sein. Bei einer Ausführungsform kann die dielektrische Schicht 24 eine vergrabene Oxidschicht eines Silizium-auf-Isolator-Substrats sein, und das Silizium-auf-Isolator-Substrat kann ferner ein Handle-Substrat 25 umfassen, das von einem Halbleitermaterial (z.B. einkristallines Silizium) umfasst ist.
Die Segmente 12 und der Wellenleiterkern 28 können von einem Halbleitermaterial, wie etwa einkristallinem Silizium, umfasst sein. Bei einer Ausführungsform können die Segmente 12 und der Wellenleiterkern 28 gleichzeitig durch Strukturieren einer einkristallinen Silizium-Vorrichtungsschicht eines Silizium-auf-Isolator-Substrats mit Lithografie- und Ätzprozessen gebildet werden. Bei einer Ausführungsform können die Segmente 12 und der Wellenleiterkern 28 durch Lithografie- und Ätzprozesse von der Vorrichtungsschicht strukturiert werden, ohne die Vorrichtungsschicht vollständig zu durchätzen, um anfänglich eine Slab-Schicht 26 zu bilden, und anschließend kann die Slab-Schicht 26 mit einem separaten Satz von Lithografie- und Ätzprozessen aus den teilweise geätzten Abschnitten der Vorrichtungsschicht in Form strukturiert werden. Die dielektrische Schicht 24 kann beim Strukturieren der Slab-Schicht 26 als Ätzstopp dienen.
Die Slab-Schicht 26 ist dünner als die Segmente 12 und die Wellenleiterkernsektionen 16, 18. Bei einer Ausführungsform hat die Slab-Schicht 26 eine Dicke T1, die signifikant geringer ist als die Dicke T2 der Segmente 12 und der Wellenleiterkernsektionen 16, 18. Die Slab-Schicht 26 schließt sich an untere Abschnitte der Segmente 12 und des Wellenleiterkerns 28 über eine Höhe an, die gleich der Dicke T1 ist. Insbesondere umfasst die Slab-Schicht 26 einen Abschnitt 70, der sich an die unteren Abschnitte der Segmente 12 an den Seitenwänden 80, 82 anschließt, einen Abschnitt 72, der sich an untere Abschnitte des Wellenleiterkerns 16 an den ausgesparten Seitenwänden 88 und der Endoberfläche 86 anschließt, und einen Abschnitt 74, der sich an untere Abschnitte der Wellenleiterkernsektion 18 an den Seitenwänden 90 anschließt. Die Segmente 12 sind über die Dicke T1 in den Abschnitt 70 der Slab-Schicht 26 eingebettet (d.h. von ihm umgeben). Der Abschnitt 72 der Slab-Schicht 26 ist zum Teil innerhalb der Aussparungen positioniert, die in die ausgesparten Seitenwände 88 der Wellenleiterkernsektion 16 eingekerbt sind.
Die Slab-Schicht 26 hat eine Seitenkante 91 und eine Seitenkante 92 gegenüber der Seitenkante 91. Die Segmente 12 und die Wellenleiterkernsektionen 16, 18 sind seitlich zwischen der Seitenkante 91 und der Seitenkante 92 angeordnet und nach innen von diesen beabstandet. Die Slab-Schicht 26 hat eine Breitendimension W4 zwischen den Seitenkanten 91, 92, die zwischen den verschiedenen Abschnitten 70, 72, 74 der Slab-Schicht 26 variiert. Der Abschnitt 70 der Slab-Schicht 26 ist so verjüngt, dass die Breitendimension W4 des Abschnitts 70 der Slab-Schicht 26 mit zunehmendem Abstand von der Facette zunimmt. Bei einer Ausführungsform kann der Abschnitt 72 der Slab-Schicht 26 nicht verjüngt sein, so dass die Breitendimension W4 des Abschnitts 72 der Slab-Schicht 26 konstant ist. Der Abschnitt 74 der Slab-Schicht 26 kann verjüngt sein, so dass die Breitendimension W4 des Abschnitts 74 der Slab-Schicht 26 mit zunehmendem Abstand von dem Abschnitt 72 zunimmt.
Die Segmente 12, die Wellenleiterkernsektionen 16, 18 und die Slab-Schicht 26 definieren eine Rippenwellenleiterstruktur. Der Wellenleiterkern 28 leitet das Laserlicht von der Struktur 10 zu anderen optischen Komponenten an dem Photonikchip, wie etwa einem Modulator oder einem Photodetektor.
Die Segmente 12 und Vorsprünge 14 können in einem ausreichend kleinen Pitch entlang der Längsachse 20 positioniert sein, so dass sie Licht bei der Betriebswellenlänge nicht abstrahlen oder reflektieren und als ein effektives optisches Material, bekannt als ein Metamaterial, wirken. Die Segmente 12 und Vorsprünge 14 definieren zusammen mit der sich anschließenden Slab-Schicht 26 Metamaterial-Rippenmerkmale in der Struktur 10. Die Segmente 12 stellen effektiv ein verjüngtes Sub-Wellenlängen-Gitter bereit, da die Größe dieser Merkmale kleiner ist als die Lichtwellenlänge. Die Vorsprünge 14 stellen effektiv ein weiteres Sub-Wellenlängen-Gitter bereit, da die Größe dieser Merkmale kleiner ist als die Lichtwellenlänge.
Bei alternativen Ausführungsformen können die Segmente 12, der Wellenleiterkern 28, der die Wellenleiterkernsektionen 16, 18 umfasst, und die Slab-Schicht 26 von Siliziumnitrid umfasst sein. Bei alternativen Ausführungsformen können die Segmente 12, der Wellenleiterkern 28, der die Wellenleiterkernsektionen 16, 18 umfasst, und die Slab-Schicht 26 von Siliziumoxinitrid, Aluminiumnitrid, einem III-V-Verbindungshalbleitermaterial, Siliziumgermanium, Germanium, einem Polymer usw. anstelle von entweder Silizium oder Siliziumnitrid umfasst sein.
Unter Bezugnahme auf die 3, 3A, 3B, 3C, 3D, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in den 2, 2A, 2B, 2C, 2D beziehen, und in einem nachfolgenden Fertigungsstadium werden eine oder mehrere dielektrische Schichten 30 über den Segmenten 12 und dem Wellenleiterkern 28 gebildet. Die eine oder mehreren dielektrischen Schichten 30 können von Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid umfasst sein. Ein Back-End-of-Line-Stapel 32 ist über der einen oder den mehreren dielektrischen Schichten 30 gebildet. Der Back-End-of-Line-Stapel 32 kann dielektrische Zwischenlagenschichten 34 umfassen, die von Siliziumdioxid und dielektrischen Intra-Lagenschichten 36 umfasst sind, die von Silizium-Kohlenstoffnitrid (z.B. stickstoffdotiertem Siliziumkarbid) umfasst sind, die sich in einem Schichtstapel mit den dielektrischen Zwischenlagenschichten 34 abwechseln.
Unter Bezugnahme auf 4, in der sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in der 3 beziehen, und in einem nachfolgenden Fertigungsstadium kann ein Abschnitt des Back-End-of-Line-Stapels 32 durch Lithografie- und Ätzprozesse entfernt werden, um einen Abschnitt des Handle-Substrats 25 zu exponieren, und eine Nut 38 kann in dem exponierten Abschnitt des Handle-Substrats 25 durch Lithografie- und Ätzprozesse gebildet werden. Bei einer Ausführungsform können die Segmente 12 und die Wellenleiterkernsektion 16 durch das Entfernen des Abschnitts des Back-End-of-Line-Stapels 32 exponiert werden. Bei einer Ausführungsform können die Segmente 12 an der Facette der Struktur 10 enden, die zumindest teilweise durch die Bildung der Nut 38 definiert ist. Die Quelle 22 wird in der Nut 38 angrenzend an die Facette platziert.
Die Nut 38 kann durch einen mehrstufigen Prozess gebildet werden, der in einer nasschemischen Ätzung gipfelt, die durch Ätzraten abhängig von der kristallinen Richtung gekennzeichnet ist, um der Nut 38 eine V-Form oder U-Form zu verleihen. Die Nut 38 kann sich seitlich in dem Handle-Substrat 25 unter der dielektrischen Schicht 24 als Hinterschneidung 40 erstrecken, die unter einem Abschnitt der Struktur 10 angeordnet ist. Bei einer Ausführungsform können die Segmente 12 über der Hinterschneidung 40 angeordnet sein. Die Hinterschneidung 40 kann dazu fungieren, einen substrat-induzierten Leckageverlust für das von der Quelle 22 ausgehende Laserlicht zu minimieren. Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Nut 38 in dem Handle-Substrat 25 gebildet werden, ohne die Hinterschneidung 40 zu bilden, was z. B. dann angebracht sein kann, wenn die Eingangsmode des Laserlichts von der Quelle 22 klein ist.
Eine dielektrische Schicht 42 kann über dem Abschnitt der Struktur 10 gebildet sein, von dem der Back-End-of-Line-Stapel 32 entfernt ist. Bei einer Ausführungsform kann die dielektrische Schicht 42 über den Segmenten 12 der Struktur 10 gebildet sein. Die dielektrische Schicht 42 ist von einem dielektrischen Material, wie etwa Siliziumdioxid, umfasst und weist nicht die gestapelte Schichtung diverser dielektrischer Materialien auf, die in dem Back-End-of-Line-Stapel 32 vorhanden ist.
Die Struktur 10 kann in jeder ihrer hier beschriebenen Ausführungsformen in einen Photonikchip integriert werden, der elektronische Komponenten und zusätzliche optische Komponenten umfasst. Zum Beispiel können die elektronischen Komponenten Feldeffekttransistoren umfassen, die durch CMOS-Prozessierung gefertigt werden.
Die Struktur 10 kann eine signifikante Verbesserung bei der Einfügedämpfung sowie eine verringerte Rückreflexion an der Facette im Vergleich zu einem konventionellen Kantenkoppler aufweisen, der lediglich eine Wellenleiterkernsektion umfasst, die eine inverse Verjüngung definiert. Die Struktur 10 kann eine hohe Kopplungseffizienz aufgrund eines verbesserten Anpassens von Modenform und Modengröße an die Quelle 22 erreichen. Die Struktur 10 kann eine höhere Fertigungstoleranz zeigen als ein konventioneller Kantenkoppler, der lediglich eine Wellenleiterkernsektion umfasst, die eine inverse Verjüngung definiert. Die Struktur 10 kann kürzer in der Länge und damit kompakter sein als ein konventioneller Kantenkoppler, der lediglich eine Wellenleiterkernsektion umfasst, die eine inverse Verjüngung definiert. Die Längenverkürzung spart Platz auf dem Photonikchip. Die Struktur 10 kann im Vergleich zu konventionellen Kantenkopplern eine verbesserte Leistungshandhabung aufweisen, was ihre Anfälligkeit für leistungsbezogenen Schaden verringern kann. Der Wellenleiterkern 28 kann aufgrund der Slab-Schicht 26, die eine Rippenwellenleiterstruktur bereitstellt, direkt mit einem optischen Modulator stromabwärts von der Wellenleiterkernsektion 18 über eine Schnittstelle verbunden sein.
Unter Bezugnahme auf die 5, 6 und gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann die Struktur 10 modifiziert werden, um Merkmale auf einem Niveau über dem Niveau, das die Segmente 12 und den Wellenleiterkern 28 umfasst, hinzuzufügen. Die zusätzlichen Merkmale können mehrere Segmente 52, eine Wellenleiterkernsektion 56, die Vorsprünge 54 aufweist, und eine Wellenleiterkernsektion 58 umfassen. Die Segmente 52 und die Wellenleiterkernsektionen 56, 58 können in Längsrichtung entlang einer Längsachse 60 angeordnet sein. Der Wellenleiterkernsektion 56 ist in Längsrichtung zwischen den Segmenten 52 und der Wellenleiterkernsektion 58 positioniert. Bei einer Ausführungsform können die Segmente 52 und die Wellenleiterkernsektionen 56, 58 relativ zu der Längsachse 60 zentriert sein.
Die Segmente 52 können über den Segmenten 12 angeordnet sein und sich mit ihnen überlappen. Die Wellenleiterkernsektion 56 kann über der Wellenleiterkernsektion 16 angeordnet sein und sich mit ihr überlappen, und die Wellenleiterkernsektion 58 kann über der Wellenleiterkernsektion 18 angeordnet sein und sich mit ihr überlappen. Die Wellenleiterkernsektion 56 kann ausgesparte Seitenoberflächen 57 mit Aussparungen, die Einkerbungen oder Nuten zwischen benachbarten Paaren der Vorsprünge 54 definieren, und eine Endoberfläche 59 aufweisen, die die ausgesparten Seitenoberflächen 57 verbindet. Die Vorsprünge 64 sind in einer beabstandeten Anordnung entlang der Längsachse 60 angeordnet und erstrecken sich quer zu der Längsachse 60 nach außen. Die Segmente 52 können angrenzend an die Endoberfläche 59 positioniert sein, und die Endoberfläche 59 kann die Wellenleiterkernsektion 56 abschließen.
Bei einer Ausführungsform können die Segmente 52 und die Wellenleiterkernsektionen 56, 58 von einem dielektrischen Material, wie etwa Siliziumnitrid, umfasst sein, und die Segmente 12 und der Wellenleiterkern 28, der die Wellenleiterkernsektionen 16, 18 umfasst, können von Silizium umfasst sein. Eine Schicht des dielektrischen Materials kann auf die eine oder mehreren dielektrischen Schichten 30 abgeschieden und durch Lithografie- und Ätzprozesse strukturiert werden, um die Segmente 52 und Wellenleiterkernsektionen 56, 58 zu bilden. Die Einführung eines anderen Materials als Silizium (z B. Siliziumnitrid) in die Struktur 10 kann die leistungsabhängigen Verluste während der Übertragung von optischer Leistung von der Quelle 22 durch die Struktur 10 zu den optischen Komponenten auf dem Photonikchip weiter reduzieren.
Es folgt eine Prozessierung zum Bilden des Back-End-of-Line-Stapels 32, der Nut 38 und einer optionalen Hinterschneidung 40 sowie der dielektrischen Schicht 42, die den entfernten Abschnitt des Back-End-of-Line-Stapels 32 ersetzt.
Unter Bezugnahme auf 7 und gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann die Struktur 10 so modifiziert werden, dass der Abschnitt 70 der Slab-Schicht 26 diskontinuierlich und sektioniert ist. Benachbarte Paare der Segmente 12 sind durch Spalte 13 in der beabstandeten Anordnung entlang der Längsachse 20 getrennt. Die Slab-Schicht 26 weist keine Spalte 13 zwischen den Seitenwänden 84 benachbarter Paare von Segmenten 12 auf. Der diskontinuierliche Abschnitt 70 der Slab-Schicht 26 umfasst Sektionen, die jeweils mit den Seitenwänden 82 der Segmente 12 verbunden sind.
Die oben beschriebenen Verfahren werden bei der Fertigung von Chips mit integriertem Schaltkreis verwendet. Die resultierenden Chips mit integriertem Schaltkreis können durch den Fertiger in Roh-Wafer-Form (z.B. als einzelner Wafer, der mehrere ungehäuste Chips aufweist), als nackter Chip (bare die), oder in einer gehäusten Form vertrieben werden. Der Chip kann mit anderen Chips, diskreten Schaltelementen und/oder anderen Signalverarbeitungsvorrichtungen als Teil von entweder einem Zwischenprodukt oder einem Endprodukt integriert sein. Das Endprodukt kann irgendein Produkt sein, das Chips mit integriertem Schaltkreis umfasst, wie etwa Computerprodukte, die einen zentralen Prozessor aufweisen, oder Smartphones.
Bezugnahmen hierin auf Ausdrücke, die durch eine Näherungssprache modifiziert sind, wie „etwa“, „ungefähr“, und „im Wesentlichen“, sollen nicht auf den spezifizierten präzisen Wert beschränkt sein. Die Näherungssprache kann der Präzision eines Instruments entsprechen, das verwendet wird, um den Wert zu messen, und kann, falls nicht anderweitig abhängig von der Präzision des Instruments, +/- 10% des(der) angegebenen Werts(Werte) sein.
Bezugnahmen hierin auf Ausdrücke wie „vertikal“, „horizontal“, etc. erfolgen beispielhaft und nicht zur Beschränkung, um einen Referenzrahmen festzulegen. Der Ausdruck „horizontal“ wie hierin verwendet, ist als eine Ebene definiert, die parallel zu einer konventionellen Ebene eines Halbleitersubstrats ist, ungeachtet seiner tatsächlichen dreidimensionalen räumlichen Ausrichtung. Die Begriffe „vertikal“ und „normal“ beziehen sich auf eine Richtung, die senkrecht zur Horizontalen, wie gerade definiert, ist. Der Begriff „lateral“ bezieht sich auf eine Richtung innerhalb der horizontalen Ebene.
Ein Merkmal „verbunden“ oder „gekoppelt“ an ein anderes oder mit einem anderen Merkmal kann an das oder mit dem anderen Merkmal direkt verbunden oder gekoppelt sein oder stattdessen kann eines oder können mehrere dazwischenkommende Merkmale vorhanden sein. Ein Merkmal kann an ein anderes oder mit einem anderen Merkmal „direkt verbunden“ oder „direkt gekoppelt“ sein, falls dazwischenkommende Merkmale nicht vorhanden sind. Ein Merkmal kann an ein anderes oder mit einem anderen Merkmal „indirekt verbunden“ oder „indirekt gekoppelt“ sein, falls wenigstens ein dazwischenkommendes Merkmal vorhanden ist. Ein Merkmal „an“ einem anderen Merkmal oder es „kontaktierend“ kann direkt an oder in direktem Kontakt mit dem anderen Merkmal sein, oder stattdessen kann eines oder können mehrere dazwischenkommende Merkmale vorhanden sein. Ein Merkmal kann „direkt an“ oder in „direktem Kontakt“ mit einem anderen Merkmal sein, falls dazwischenkommende Merkmale nicht vorhanden sind. Ein Merkmal kann „indirekt an“ oder in „indirektem Kontakt“ mit einem anderen Merkmal sein, falls wenigstens ein dazwischenkommendes Merkmal vorhanden ist. Verschiedene Merkmale können sich „überlappen“, wenn sich ein Merkmal über ein anderes Merkmal erstreckt und einen Teil davon entweder mit direktem Kontakt oder indirektem Kontakt bedeckt.
Die Beschreibungen der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden zum Zwecke der Veranschaulichung präsentiert, sollen aber nicht erschöpfend oder auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein. Viele Modifikationen und Variationen sind für die gewöhnlichen Fachleute offensichtlich, ohne vom Umfang und der Idee der beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen. Die hierin verwendete Terminologie wurde gewählt, um die Prinzipien der Ausführungsformen, die praktische Anwendung oder technische Verbesserung gegenüber auf dem Markt erhältlichen Technologien am besten zu erklären, oder es anderen gewöhnlichen Fachleuten zu ermöglichen, die hierin offenbarten Ausführungsformen zu verstehen.

Claims

Struktur für einen Kantenkoppler, wobei die Struktur umfasst: einen Wellenleiterkern, der eine erste Wellenleiterkernsektion umfasst, wobei die erste Wellenleiterkernsektion eine erste ausgesparte Seitenwand, eine zweite ausgesparte Seitenwand und eine Endoberfläche aufweist, die die erste ausgesparte Seitenwand mit der zweiten ausgesparten Seitenwand verbindet; eine erste Vielzahl von Segmenten, die mit einer ersten beabstandeten Anordnung angrenzend an die Endoberfläche der ersten Wellenleiterkernsektion positioniert ist; und eine Slab-Schicht, die sich an die erste Vielzahl von Segmenten, die erste ausgesparte Seitenwand der ersten Wellenleiterkernsektion, die zweite ausgesparte Seitenwand der ersten Wellenleiterkernsektion und die Endoberfläche der ersten Wellenleiterkernsektion anschließt, wobei die erste Vielzahl von Segmenten und die erste Wellenleiterkernsektion eine erste Dicke haben, und die Slab-Schicht eine zweite Dicke hat, die geringer ist als die erste Dicke.
Struktur nach Anspruch 1, wobei die Segmente in die Slab-Schicht über eine Höhe eingebettet sind, die gleich der zweiten Dicke ist.
Struktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Wellenleiterkern ferner eine zweite Wellenleiterkernsektion umfasst, die sich an die erste Wellenleiterkernsektion anschließt, wobei die zweite Wellenleiterkernsektion eine erste Dicke hat, die erste Wellenleiterkernsektion zwischen der zweiten Wellenleiterkernsektion und der ersten Vielzahl von Segmenten angeordnet ist und sich die Slab-Schicht an die zweite Wellenleiterkernsektion anschließt.
Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Slab-Schicht eine erste Seitenkante, eine zweite Seitenkante und einen ersten Abschnitt aufweist, der mit der ersten Vielzahl von Segmenten verbunden ist, wobei die erste Vielzahl von Segmenten seitlich zwischen der ersten Seitenkante und der zweiten Seitenkante positioniert ist, und der erste Abschnitt der Slab-Schicht mit einer ersten Breitendimension zwischen der ersten Seitenkante und der zweiten Seitenkante verjüngt ist, die mit abnehmendem Abstand von der ersten Wellenleiterkernsektion zunimmt.
Struktur nach Anspruch 4, wobei die Slab-Schicht einen zweiten Abschnitt aufweist, der mit der ersten Wellenleiterkernsektion verbunden ist, und die erste Wellenleiterkernsektion seitlich zwischen der ersten Seitenkante und der zweiten Seitenkante positioniert ist.
Struktur nach Anspruch 5, wobei der zweite Abschnitt der Slab-Schicht nicht verjüngt ist mit einer zweiten Breitendimension zwischen der ersten Seitenkante und der zweiten Seitenkante, die konstant ist.
Struktur nach Anspruch 1, wobei die Slab-Schicht eine erste Seitenkante, eine zweite Seitenkante und einen Abschnitt aufweist, der mit der ersten Wellenleiterkernsektion verbunden ist, wobei die erste Wellenleiterkernsektion seitlich zwischen der ersten Seitenkante und der zweiten Seitenkante positioniert ist und der Abschnitt der Slab-Schicht nicht verjüngt ist mit einer zweiten Breitendimension zwischen der ersten Seitenkante und der zweiten Seitenkante, die konstant ist.
Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner umfassend: ein Substrat, das eine Nut angrenzend an die erste Vielzahl von Segmenten umfasst.
Struktur nach Anspruch 8, ferner umfassend: eine dielektrische Schicht, wobei die erste Vielzahl von Segmenten und die erste Wellenleiterkernsektion auf der dielektrischen Schicht positioniert sind, und sich die Nut als eine Hinterschneidung unter der dielektrischen Schicht und der ersten Vielzahl von Segmenten erstreckt.
Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die erste Vielzahl von Segmenten in eine erste Gruppe angrenzend an die erste Wellenleiterkernsektion und eine zweite Gruppe verteilt sind, und die erste Vielzahl von Segmenten in der ersten Gruppe eine größere Breitendimension als die erste Vielzahl von Segmenten in der zweiten Gruppe aufweist.
Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ferner umfassend: eine zweite Vielzahl von Segmenten, die mit einer zweiten beabstandeten Anordnung über der ersten Vielzahl von Segmenten positioniert ist, wobei die erste Vielzahl von Segmenten von einem ersten Material umfasst ist und die zweite Vielzahl von Segmenten von einem zweiten Material umfasst ist, das eine andere Zusammensetzung als das erste Material aufweist.
Struktur nach Anspruch 11, ferner umfassend: eine zweite Wellenleiterkernsektion, die eine erste ausgesparte Seitenwand, eine zweite ausgesparte Seitenwand und eine Endoberfläche umfasst, die die erste ausgesparte Seitenwand mit der zweiten ausgesparten Seitenwand verbindet, wobei die zweite Wellenleiterkernsektion über der ersten Wellenleiterkernsektion positioniert ist, und die zweite Wellenleiterkernsektion von einem zweiten Material umfasst ist.
Struktur nach Anspruch 12, wobei das erste Material Silizium und das zweite Material Siliziumnitrid ist.
Struktur nach Anspruch 1, wobei die erste Vielzahl von Segmenten und die erste Wellenleiterkernsektion entlang einer Längsachse angeordnet sind, benachbarte Paare der ersten Vielzahl von Segmenten in der ersten beabstandeten Anordnung entlang der Längsachse durch Spalte getrennt sind, und die Slab-Schicht in den Spalten nicht vorhanden ist.
Verfahren zum Bilden einer Struktur für einen Kantenkoppler, wobei das Verfahren umfasst: Bilden eines Wellenleiterkerns, der eine erste Wellenleiterkernsektion umfasst, wobei die erste Wellenleiterkernsektion eine erste ausgesparte Seitenwand, eine zweite ausgesparte Seitenwand und eine Endoberfläche aufweist, die die erste ausgesparte Seitenwand mit der zweiten ausgesparten Seitenwand verbindet; Bilden einer ersten Vielzahl von Segmenten, die mit einer ersten beabstandeten Anordnung angrenzend an die Endoberfläche der ersten Wellenleiterkernsektion positioniert ist; und Bilden einer Slab-Schicht, die sich an die erste Vielzahl von Segmenten, die erste ausgesparte Seitenwand der ersten Wellenleiterkernsektion, die zweite ausgesparte Seitenwand der ersten Wellenleiterkernsektion und die Endoberfläche der ersten Wellenleiterkernsektion anschließt, wobei die erste Vielzahl von Segmenten und die erste Wellenleiterkernsektion eine erste Dicke haben, und die Slab-Schicht eine zweite Dicke hat, die geringer ist als die erste Dicke.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Wellenleiterkern eine zweite Wellenleiterkernsektion umfasst, die sich an die erste Wellenleiterkernsektion anschließt, wobei die zweite Wellenleiterkernsektion die erste Dicke hat, die Slab-Schicht sich an die zweite Wellenleiterkernsektion anschließt und die erste Wellenleiterkernsektion zwischen der zweiten Wellenleiterkernsektion und der ersten Vielzahl von Segmenten angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei die Slab-Schicht durch Strukturieren einer Vorrichtungsschicht eines Silizium-auf-Isolator-Substrats mit Lithografie- und Ätzprozessen gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die Slab-Schicht eine erste Seitenkante, eine zweite Seitenkante und einen Abschnitt aufweist, der mit der ersten Vielzahl von Segmenten verbunden ist, wobei die erste Vielzahl von Segmenten seitlich zwischen der ersten Seitenkante und der zweiten Seitenkante positioniert ist, und der Abschnitt der Slab-Schicht mit einer ersten Breitendimension zwischen der ersten Seitenkante und der zweiten Seitenkante verjüngt ist, die mit abnehmendem Abstand von der ersten Wellenleiterkernsektion zunimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die Slab-Schicht eine erste Seitenkante, eine zweite Seitenkante und einen Abschnitt aufweist, der mit der ersten Wellenleiterkernsektion verbunden ist, wobei die erste Wellenleiterkernsektion seitlich zwischen der ersten Seitenkante und der zweiten Seitenkante positioniert ist und der Abschnitt der Slab-Schicht nicht verjüngt ist mit einer Breitendimension zwischen der ersten Seitenkante und der zweiten Seitenkante, die konstant ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, ferner umfassend: Bilden einer zweiten Vielzahl von Segmenten, die über der ersten Vielzahl von Segmenten positioniert ist, wobei die erste Vielzahl von Segmenten von einem Silizium umfasst ist und die zweite Vielzahl von Segmenten von Siliziumnitrid umfasst ist.