DE102022113147A1

DE102022113147A1 - Koppler mit einem Wellenleiterkern mit integrierten Luftspalten

Info

Publication number: DE102022113147A1
Application number: DE102022113147.5A
Authority: DE
Inventors: Spencer Porter; Mark Levy; Siva P. Adusumilli; Yusheng Bian
Original assignee: GlobalFoundries US Inc
Current assignee: GlobalFoundries US Inc
Priority date: 2021-06-29
Filing date: 2022-05-24
Publication date: 2022-12-29
Also published as: US11768337B2; US20220413232A1; CN115542457A

Abstract

Strukturen für einen Koppler und Verfahren zur Herstellung einer Struktur für einen Koppler. Eine Struktur für einen Richtungskoppler kann einen ersten Wellenleiterkern mit einem oder mehreren ersten Luftspalten und einen zweiten Wellenleiterkern mit einem oder mehreren zweiten Luftspalten umfassen. Der eine oder die mehreren zweiten Luftspalte sind in dem zweiten Wellenleiterkem neben dem einen oder den mehreren ersten Luftspalten in dem ersten Wellenleiterkem angeordnet. Es wird auch eine Struktur für einen Kantenkoppler bereitgestellt, bei der der Wellenleiterkern des Kantenkopplers einen oder mehrere Luftspalte umfasst.

Description

Hintergrund
Die vorliegende Erfindung betrifft photonische Chips und insbesondere Strukturen für einen Koppler und Verfahren zur Herstellung einer Struktur für einen Koppler.
Photonische Chips werden in vielen Anwendungen und Systemen verwendet, einschließlich, Datenkommunikationssysteme und Datenverarbeitungssysteme. Ein photonischer Chip integriert optische Komponenten, wie Wellenleiter, optische Schalter, optische Leistungsteiler und Richtungskoppler, und elektronische Komponenten, wie Feldeffekttransistoren, in eine einheitliche Plattform. Durch die Integration beider Arten von Komponenten auf demselben Chip können unter anderem die Layoutfläche, die Kosten und der betriebliche Aufwand reduziert werden.
Ein Richtungskoppler wird auf einem photonischen Chip eingesetzt, um sich ausbreitende optische Signale zwischen verschiedenen Wellenleiterkernen aufzuteilen. Ein Richtungskoppler umfasst Abschnitte der verschiedenen Wellenleiterkerne, die mit einem reduzierten seitlichen Abstand verlegt sind, der so gewählt wird, dass die optische Kopplung über eine bestimmte Kopplungslänge gefördert wird. Herkömmliche Richtungskoppler haben eine große Grundfläche, da eine große Kopplungslänge und/oder ein enger Abstand erforderlich ist, um die mangelnde Kopplungsstärke zwischen den Wellenleiterkernabschnitten zu kompensieren. Diese Einschränkungen können zu einer Vergrößerung des Chips und zu höheren Verarbeitungskosten führen.
Ein Kantenkoppler, auch Spot-Size-Koppler genannt, wird üblicherweise zur Kopplung optischer Signale eines bestimmten Modus von einer optischen Faser oder einem Laser an optische Komponenten auf dem photonischen Chip verwendet. Der Kantenkoppler kann einen Abschnitt eines Wellenleiterkerns enthalten, der eine inverse Verjüngung festlegt. Entsprechend der Ausbreitungsrichtung der Moden bezieht sich eine inverse Verjüngung auf einen konischen Abschnitt eines Wellenleiterkerns, der durch eine allmähliche Zunahme der Breite entlang der Ausbreitungsrichtung der Moden gekennzeichnet ist. Die allmählich steigende Querschnittsfläche eines inversen Konus unterstützt die Modenumwandlung und die mit der Modenumwandlung verbundene Änderung der Modengröße, wenn Licht von der optischen Faser oder dem Laser auf den Photonik-Chip übertragen wird.
Es sind verbesserte Strukturen für einen Koppler und Verfahren zur Bildung einer Struktur für einen Koppler erforderlich.
Zusammenfassung
In einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Struktur für einen Richtungskoppler bereitgestellt. Die Struktur umfasst einen ersten Wellenleiterkern mit einem oder mehreren ersten Luftspalten und einen zweiten Wellenleiterkern mit einem oder mehreren zweiten Luftspalten. Der eine oder die mehreren zweiten Luftspalte sind in dem zweiten Wellenleiterkern neben dem einen oder den mehreren ersten Luftspalten in dem ersten Wellenleiterkern angeordnet.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Struktur für einen Kantenkoppler bereitgestellt. Die Struktur umfasst einen Interposer, eine optische Komponente und einen Wellenleiterkern, der zwischen dem Interposer und der optischen Komponente angeordnet ist. Der Wellenleiterkern umfasst einen oder mehrere Luftspalte.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Richtungskopplers bereitgestellt. Das Verfahren umfasst ein Bilden eines ersten Wellenleiterkerns und eines zweiten Wellenleiterkerns, ein Bilden eines oder mehrerer erster Luftspalte in dem ersten Wellenleiterkern und ein Bilden eines oder mehrerer zweiter Luftspalte in dem zweiten Wellenleiterkern. Der eine oder die mehreren zweiten Luftspalte sind in dem zweiten Wellenleiterkern neben dem einen oder den mehreren ersten Luftspalten in dem ersten Wellenleiterkern angeordnet.
Figurenliste
Die beigefügten Zeichnungen, die Bestandteil dieser Beschreibung sind, zeigen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der allgemeinen Beschreibung der Erfindung oben und der detaillierten Beschreibung der Ausführungsformen unten zur Erläuterung der Ausführungsformen der Erfindung. In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in den verschiedenen Ansichten.

1 ist eine Draufsicht auf eine Struktur in einer ersten Herstellungsphase eines Verfahrens gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
2 ist eine Querschnittsansicht, die allgemein entlang der Linie 2-2 in 1 verläuft.
2A ist eine Querschnittsansicht, die im Allgemeinen entlang der Linie 2A-2A in 1 verläuft.
2B ist eine Querschnittsansicht, die allgemein entlang der Linie 2B-2B in 1 verläuft.
3 ist eine Draufsicht auf die Struktur in einer Herstellungsphase des Verarbeitungsverfahrens nach 1.
4 ist eine Querschnittsansicht, die allgemein entlang der Linie 4-4 in 3 verläuft.
4A ist eine Querschnittsansicht, die im Allgemeinen entlang der Linie 4A-4A in 3 verläuft.
4B ist eine Querschnittsansicht, die allgemein entlang der Linie 4B-4B in 3 verläuft.
5, 5A, 5B sind Querschnittsansichten der Struktur in einer Herstellungsphase des Verarbeitungsverfahrens nach 4, 4A, 4B.
6, 6A, 6B sind Querschnittsansichten der Struktur in einer Herstellungsphase des Verarbeitungsverfahrens im Anschluss an 5, 5A, 6B.
7, 7A sind Querschnittsansichten einer Struktur gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung.
8 ist eine Querschnittsansicht einer Struktur gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung.
9 ist eine Draufsicht auf eine Struktur gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung.
9A ist eine Querschnittsansicht, die allgemein entlang der Linie 9A-9A in 9 verläuft.
9B ist eine Querschnittsansicht, die im allgemeinen entlang der Linie 9B-9B in 9 verläuft.
10 ist eine Querschnittsansicht einer Struktur gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung.
11 ist eine Querschnittsansicht einer Struktur gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung.
11A ist eine Querschnittsansicht, die allgemein entlang der Linie 11A-11A in 11 verläuft.
12 ist eine Querschnittsansicht einer Struktur gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung.
12A ist eine Querschnittsansicht, die allgemein entlang der Linie 12A-12A in 12 verläuft.

Detaillierte Beschreibung
Mit Bezug auf die 1, 2, 2A, 2B und gemäß Ausführungsformen der Erfindung umfasst eine Struktur 10 für einen optischen Koppler einen Wellenleiterkern 12 und einen Wellenleiterkern 14. Die Wellenleiterkerne 12, 14 können auf einer dielektrischen Schicht 16 angeordnet sein. In einer Ausführungsform können die Wellenleiterkerne 12, 14 aus einem Halbleitermaterial gebildet sein, z. B. aus einkristallinem Silizium. In einer Ausführungsform kann das Halbleitermaterial aus einer Vorrichtungsschicht eines Silizium-auf-Isolator (SOI) -Substrats stammen, das außerdem eine vergrabene Oxidschicht, die die dielektrische Schicht 16 bildet, und ein Substrat 25 aus einem Halbleitermaterial, z. B. einkristallinem Silizium, umfasst. Die Wellenleiterkerne 12, 14 können durch Strukturierung der Vorrichtungsschicht mit Hilfe von Lithographie- und Ätzverfahren während der Front-End-of-Line-Verarbeitung gebildet werden. Die Vorrichtungsschicht des Silizium-auf-Isolator-Wafers kann vollständig geätzt werden, um Rippenwellenleiter wie dargestellt festzulegen, oder alternativ nur teilweise in der Nähe der Wellenleiterkerne 12, 14 geätzt werden, um Rippenwellenleiter festzulegen.
Die Struktur 10 weist einen Kopplungsbereich 18 auf, in dem sich ein Abschnitt 20 des Wellenleiterkerns 12 in Längsrichtung entlang einer Längsachse 13 und ein Abschnitt 21 des Wellenleiterkerns 14 in Längsrichtung entlang einer Längsachse 15 erstrecken. Der Abschnitt 20 des Wellenleiterkerns 12 und der benachbarte Abschnitt 21 des Wellenleiterkerns 14 sind im Kopplungsbereich 18 nebeneinander angeordnet. Im Kopplungsbereich 18 kann die Längsachse 13 des Abschnitts 20 des Wellenleiterkerns 12 parallel zu der Längsachse 15 des benachbarten Abschnitts 21 des Wellenleiterkerns 14 im Kopplungsbereich 18 angeordnet sein.
Der Wellenleiterkern 12 umfasst ferner einen Satz von gekrümmten Abschnitten 22 in einem Eingangsbereich 17 der Struktur 10 und einen Satz von gekrümmten Abschnitten 24 in einem Ausgangsbereich 19 der Struktur 10. Der Abschnitt 20 ist in Längsrichtung zwischen den gekrümmten Abschnitten 22 und den gekrümmten Abschnitten 24 angeordnet, wobei die gekrümmten Abschnitte 22 an einem Ende des Abschnitts 20 und die gekrümmten Abschnitte 24 an einem gegenüberliegenden Ende des Abschnitts 20 anliegen. Die gekrümmten Abschnitte 22 können in entgegengesetzte Richtungen gekrümmt sein, um den Wellenleiterkern 12 im Eingangsbereich 17 zu führen. Die gekrümmten Abschnitte 24 können in entgegengesetzte Richtungen gekrümmt sein, um den Wellenleiterkern 12 in den Ausgangsbereich 19 zu führen. In einer alternativen Ausführungsform kann der Abschnitt 20 nicht gerade, sondern konusförmig sein.
Der Wellenleiterkern 14 umfasst femer einen Satz von gekrümmten Abschnitten 26 im Eingangsbereich 17 der Struktur 10 und einen Satz von gekrümmten Abschnitten 28 im Ausgangsbereich 19 der Struktur 10. Der Abschnitt 21 ist in Längsrichtung zwischen den gekrümmten Abschnitten 26 und den gekrümmten Abschnitten 28 angeordnet, wobei die gekrümmten Abschnitte 26 an einem Ende des Abschnitts 20 und die gekrümmten Abschnitte 28 an einem gegenüberliegenden Ende des Abschnitts 21 anliegen. Die gekrümmten Abschnitte 26 können in entgegengesetzte Richtungen gekrümmt sein, um den Wellenleiterkern 14 in den Eingangsbereich 17 zu führen. Die gekrümmten Abschnitte 28 können in entgegengesetzte Richtungen gekrümmt sein, um den Wellenleiterkern 14 in den Ausgangsbereich 19 zu führen. In einer alternativen Ausführungsform kann der Abschnitt 21 nicht gerade, sondern konusförmig sein.
Der Wellenleiterkern 12 weist eine oberseitige Oberfläche 38 auf und der Wellenleiterkern 14 weist eine oberseitige Oberfläche 40 auf, die zu der oberseitigen Oberfläche 38 koplanar sein kann. Der Wellenleiterkern 12 weist Seitenwände in Form von gegenüberliegenden Seitenflächen 32, 33 auf, die von der dielektrischen Schicht 16 zur oberseitigen Oberfläche 38 nach oben ragen, und der Wellenleiterkern 14 weist Seitenwände in Form von gegenüberliegenden Seitenflächen 34, 35 auf, die von der dielektrischen Schicht 16 zur oberseitigen Oberfläche 40 nach oben ragen. Im Kopplungsbereich 18 ist die Seitenfläche 32 des Abschnitts 20 des Wellenleiterkerns 12 über eine Länge L neben der Seitenfläche 34 des Abschnitts 21 des Wellenleiterkerns 14 angeordnet. In einer Ausführungsform können die Breiten der Abschnitte 20, 21 über ihre jeweiligen Längen konstant sein.
Der Abschnitt 20 des Wellenleiterkerns 12 ist von dem Abschnitt 21 des Wellenleiterkerns 14 im Kopplungsbereich 18 seitlich um einen geringeren Abstand beabstandet als der Abstand, der die Wellenleiterkerne 12, 14 außerhalb des Kopplungsbereichs 18 trennt. Dabei kann die Seitenfläche 32 des Abschnitts 20 des Wellenleiterkerns 12 über die Länge L innerhalb des Kopplungsbereichs 18 neben der Seitenfläche 34 des Abschnitts 20 des Wellenleiterkems 14 angeordnet und parallel zu dieser ausgerichtet sein und die Seitenflächen 32 und 34 können im Kopplungsbereich 18 durch einen Spalt G getrennt sein, der innerhalb des Kopplungsbereichs 18 gleichmäßig sein kann.
Außerhalb des Kopplungsbereichs 18 divergieren die Seitenflächen 32 des Wellenleiterkerns 12 und die Seitenflächen 34 des Wellenleiterkerns 14, und die Seitenflächen 32, 34 können durch entsprechende Lücken im Eingangsbereich 17 und im Ausgangsbereich 19 getrennt sein, die größer als die Lücke G sind. Die Sätze von gekrümmten Abschnitten 22 und 24 im Eingangsbereich 17 und die Sätze von gekrümmten Abschnitten 24 und 28 im Ausgangsbereich 19 tragen dazu bei, die Änderungen im Abstand zwischen der Seitenfläche 32 des Wellenleiterkerns 12 und der Seitenfläche 34 des Wellenleiterkerns 14 zu bewirken.
Aufgrund des größeren Abstands zwischen den Seitenflächen 32, 34 im Eingangsbereich 17 und im Ausgangsbereich 19 kann die optische Kopplung zwischen den Wellenleiterkernen 12, 14 außerhalb des Kopplungsbereichs 18 vernachlässigbar sein.
Mit Bezug auf die 3, 4, 4A, 4B, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in den 1, 2, 2A, 2B beziehen, und in einer nachfolgenden Herstellungsphase werden Öffnungen 42 im Wellenleiterkem 12 und Öffnungen 44 im Wellenleiterkern 14 gebildet. Die Öffnungen 42 können im Wellenleiterkern 12 in einer Reihe angeordnet sein und die Öffnungen 44 können im Wellenleiterkem 14 in einer Reihe angeordnet sein. Die Öffnungen 42, 44 können durch Lithografie- und Ätzverfahren unter Verwendung einer Ätzmaske und eines gerichteten Ätzverfahrens, wie z. B. ein reaktives lonenätzen (RIE), das die Öffnungen 42, 44 an den Stellen der entsprechenden Öffnungen in der Ätzmaske bildet, strukturiert werden. Innerhalb einer jeden der Öffnungen 42, 44 kann ein dielektrischer Kragen 46 gebildet werden. Der dielektrische Kragen 46 kann z. B. aus Siliziumdioxid gebildet sein.
Hohlräume 52 sind als Einschlüsse im Wellenleiterkern 12 gebildet, die sich von den Böden der Öffnungen 42 nach außen erstrecken, und Hohlräume 54 sind als Einschlüsse im Wellenleiterkern 14 gebildet, die sich von den Böden der Öffnungen 44 nach außen erstrecken. Die Hohlräume 52, 54 können durch einen isotropen Ätzprozess gebildet werden und können durch den isotropen Ätzprozess miteinander verbunden werden. Der dielektrische Kragen 46 deckt die Öffnungen 42, 44 ab und verhindert so eine Vergrößerung während des isotropen Ätzens. In einer Ausführungsform können die Hohlräume 52 nicht zusammengelegt (not merged) und an entsprechenden Positionen in einer Reihe verteilt sein, die sich entlang der Längsachse 13 des Abschnitts 20 des Wellenleiterkerns 12 erstreckt. In einer Ausführungsform können die Hohlräume 54 nicht verbunden (not merged) sein und an entsprechenden Positionen in einer Reihe angeordnet sein, die sich entlang der Längsachse 15 des Abschnitts 21 des Wellenleiterkerns 14 erstreckt. Die Hohlräume 52 können zu den Öffnungen 42 symmetrisch sein und die Hohlräume 54 können aufgrund des isotropen Ätzens zu den Öffnungen 44 symmetrisch sein.
Die Öffnungen 42 sind zwischen den Hohlräumen 52 und der oberseitigen Oberfläche 38 des Wellenleiterkerns 12 angeordnet. In ähnlicher Weise sind die Öffnungen 44 zwischen den Hohlräumen 54 und der oberseitigen Oberfläche 40 des Wellenleiterkerns 14 angeordnet. Die Öffnungen 42, 44 werden anschließend verschlossen, um die Hohlräume 52, 54 abzudichten.
Mit Bezug auf die 5, 5A, 5B, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in den 3, 4, 4A, 4B beziehen, und in einer nachfolgenden Herstellungsphase des Verarbeitungsverfahrens werden in den Öffnungen 42, 44 Stopfen 56 gebildet, die die Hohlräume 52, 54 verschließen und abdichten. Eine epitaktische Schicht 58 kann auf den oberseitigen Oberflächen 38, 40 der Wellenleiterkerne 12, 14 epitaktisch aufgewachsen werden. Die epitaktische Schicht 58 kann aus Silizium gebildet sein. Die Stopfen 56 können eine dünne Silizium-Germanium-Schicht umfassen, die als Beschichtung auf den Oberflächen der Wellenleiterkerne 12, 14 epitaktisch gewachsen ist und die Öffnungen 42, 44 und das Silizium der epitaktischen Schicht 58 begrenzt. Die epitaktische Schicht 58 kann mit einem Niedertemperatur-Epitaxieverfahren, wie z. B. der Gasphasenepitaxie, hergestellt werden. Das epitaktische Wachstum kann dazu führen, dass die zuvor abgeschiedene dünne Silizium-Germanium-Schicht auffließt und sich mit dem Halbleitermaterial der epitaktischen Schicht 58 verbindet, um die Stopfen 56 in den Öffnungen 42, 44 zu bilden.
Die abgedichteten Hohlräume 52, die nicht verbunden und diskret sind, legen mehrere Luftspalte im Wellenleiterkern 12 fest und die abgedichteten Hohlräume 54, die nicht verbunden und diskret sind, legen mehrere Luftspalte im Wellenleiterkern 14 fest. Die durch die abgedichteten Hohlräume 52 und die durch die abgedichteten Hohlräume 54 festgelegten Luftspalte können durch eine Dielektrizitätskonstante von nahezu Eins (d. h. eine Vakuum-Dielektrizitätskonstante) gekennzeichnet sein. Die durch die abgedichteten Hohlräume 52 und die durch die abgedichteten Hohlräume 54 festgelegten Luftspalte können mit einem Gas, wie z. B. atmosphärischer Luft bei oder nahe Atmosphärendruck, gefüllt sein.
Mit Bezug auf 6, 6A, 6B, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in 5, 5A, 5B beziehen, können in einer nachfolgenden Herstellungsphase zusätzliche dielektrische Schichten 60, 62, 64, 66 in einem Schichtstapel über den Wellenleiterkernen 12, 14 gebildet werden. Die dielektrische Schicht 60, die aus Siliziumdioxid gebildet sein kann, kann so planarisiert werden, dass sie zu den oberseitigen Oberflächen der Wellenleiterkerne 12, 14 koplanar ist und eine seitliche Beschichtung bereitstellt. Die dielektrische Schicht 64 kann aus Siliziumnitrid gebildet sein und die dielektrischen Schichten 62, 66 können aus Siliziumdioxid gebildet sein. In einer alternativen Ausführungsform kann die dielektrische Schicht 64, die Siliziumnitrid umfasst, im Schichtstapel weggelassen werden. Ein Back-End-of-Line-Stapel 68 kann durch Back-End-of-Line-Verarbeitung über der dielektrischen Schicht 66 gebildet werden. Der Back-End-of-Line-Stapel 68 kann eine oder mehrere dielektrische Schichten umfassen, die aus einem dielektrischen Material wie Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder einem dielektrischen Material mit niedriger Dielektrizitätskonstante gebildet sind.
Das dielektrische Material der dielektrischen Schichten 16, 60, 62, die die Wellenleiterkerne 12, 14 umgeben, stellt eine Beschichtung mit niedrigem Brechungsindex bereit, die einen Brechungsindexkontrast bietet. Die dielektrischen Schichten 16, 60 und 62 weisen keine gefüllten oder ungefüllten Hohlräume auf, die sich in der Nähe der Wellenleiterkerne 12, 14 befinden.
Die Struktur 10 kann in jeder der hier beschriebenen Ausführungsformen in einen photonischen Chip integriert werden, der elektronische Komponenten und zusätzliche optische Komponenten umfassen kann. Zu den elektronischen Komponenten können beispielsweise Feldeffekttransistoren gehören, die durch CMOS-Verarbeitung unter Verwendung der Vorrichtungsschicht des Silizium-auf-Isolator-Substrats hergestellt werden.
Im Gebrauch kann das Laserlicht auf dem photonischen Chip durch den Wellenleiterkern 12 zur Struktur 10 geleitet werden. Das Laserlicht wird innerhalb des Kopplungsbereichs 18 durch evaneszente Kopplung vom Wellenleiterkern 12 zum Wellenleiterkern 14 seitlich übertragen. In einer Ausführungsform kann das Kopplungsverhältnis etwa 50:50 betragen, so dass etwa die Hälfte des Laserlichts seitlich vom Wellenleiterkem 12 auf den Wellenleiterkern 14 übertragen wird. Die von den abgedichteten Hohlräumen 52 und den abgedichteten Hohlräumen 54 bereitgestellten Luftspalten können dazu dienen, die optische Kopplungsleistung der Struktur 10 zu verbessern, wodurch die Länge L der Abschnitte 20, 21 der Wellenleiterkerne 12, 14 verkürzt und/oder die Größe des Spalts G zwischen den Wellenleiterkernen 12, 14 vergrößert werden kann. Die abgedichteten Hohlräume 52 und die abgedichteten Hohlräume 54 können den Indexkontrast entspannen, die Modenverteilung modifizieren und Lichtwechselwirkungen erleichtern, was zu einer verbesserten optischen Kopplungsleistung führt.
Mit Bezug auf 7, 7A, in der sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in 5, 5A beziehen, und gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung können die Hohlräume 52 in dem Wellenleiterkern 12 verbunden und konsolidiert werden, um einen einzigen Luftspalt in dem Wellenleiterkern 12 festzulegen, der durch mehrere Stopfen 56 abgedichtet ist, anstelle von mehreren Luftspalten, die jeweils einzeln durch einen einzigen Stopfen 56 abgedichtet sind. In ähnlicher Weise können die Hohlräume 54 im Wellenleiterkern 14 verbunden und konsolidiert werden, um einen einzigen Luftspalt im Wellenleiterkern 14 festzulegen, der durch mehrere Stopfen 56 abgedichtet wird, anstatt durch mehrere Luftspalte, die jeweils einzeln durch einen einzelnen Stopfen 56 abgedichtet werden. In einer Ausführungsform kann der Abstand der Öffnungen 42 im Wellenleiterkern 12 und der Abstand der Öffnungen 44 im Wellenleiterkern 14 verringert werden, um die Verschmelzung der Hohlräume 52, 54 während des isotropen Ätzprozesses aufgrund des geringeren Abstands zu fördern. Der abgedichtete einzelne Luftspalt, der durch die verbundenen (merged) Hohlräume 52 gebildet wird, erstreckt sich in Längsrichtung entlang der Längsachse 13 des Wellenleiterkerns 12, und in ähnlicher Weise erstreckt sich der abgedichtete einzelne Luftspalt, der durch die verbundenen Hohlräume 54 gebildet wird, in Längsrichtung entlang der Längsachse 15 des Wellenleiterkerns 14.
Mit Bezug auf 8 und gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann eine Schicht 53 aus einem festen Material gebildet werden, um die Hohlräume 52, 54, vor der Abdichtung durch die Bildung der Stopfen 56, so dass jeder der Hohlräume 52, 54 eine Kombination aus dem festen Material und Luft oder Gas umfasst. Die zusammengesetzte Füllung der Hohlräume 52, 54 kann eine weitere Anpassung der Betriebsart durch die Bezeichnung des Materials und der Dicke der Schicht 53 ermöglichen. In einer Ausführungsform kann sich die Zusammensetzung des Materials in der Schicht 53 von der Zusammensetzung des Materials der Wellenleiterkerne 12, 14 unterscheiden. So kann das Material der Schicht 53 beispielsweise aus Siliziumnitrid oder Siliziumdioxid gebildet sein, wenn die Wellenleiterkerne 12, 14 aus Silizium gebildet sind. Die von der Schicht 53 bedeckten Hohlräume 52, 54 können nicht zusammengelegt sein, wie in 5, 5A gezeigt, oder alternativ zusammengelegt sein, wie in 7, 7A gezeigt, um abgedichtete einzelne Luftspalte festzulegen.
Mit Bezug auf 9, 9A, 9B und gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung können die Öffnungen 42 auch in einem oder beiden der gekrümmten Abschnitte 22 des Wellenleiterkerns 12 ausgebildet sein und die Öffnungen 42 können auch in einem oder beiden der gekrümmten Abschnitte 24 des Wellenleiterkerns 12 ausgebildet sein. Die Öffnungen 42 sind mit Hohlräumen 52 in den gekrümmten Abschnitten 22 verbunden. Die Hohlräume 52 werden anschließend durch die Stopfen 56 verschlossen und abgedichtet. In einer alternativen Ausführungsform können die Öffnungen 42 und die Hohlräume 52 nur in einem oder beiden der gekrümmten Abschnitte 22 ausgebildet sein. In einer anderen Ausführungsform können die Öffnungen 42 und die Hohlräume 52 nur in einem oder in beiden gekrümmten Abschnitten 24 ausgebildet sein. Die Hohlräume 52 in den gekrümmten Abschnitten 22 und/oder den gekrümmten Abschnitten 24 können, wie in 5 gezeigt, nicht verbunden sein und nach dem Abdichten mehrere Luftspalte bilden. Alternativ können die Hohlräume 52 in den gekrümmten Abschnitten 22 und/oder den gekrümmten Abschnitten 24 verbunden werden, wie in 7 gezeigt, und mit den verbundenen Hohlräumen 52 im Abschnitt 20 verbunden werden, um nach dem Abdichten einzelne Luftspalte zu bilden.
In ähnlicher Weise können die Öffnungen 44 auch in einem oder beiden der gekrümmten Abschnitte 26 des Wellenleiterkerns 14 ausgebildet sein und die Öffnungen 44 können auch in einem oder beiden der gekrümmten Abschnitte 28 des Wellenleiterkems 14 ausgebildet sein. Die Öffnungen 44 sind mit den Hohlräumen 54 verbunden. Die Hohlräume 54 werden anschließend durch die Stopfen 56 verschlossen und abgedichtet. In einer alternativen Ausführungsform können die Öffnungen 44 und die Hohlräume 54 nur in einem oder beiden der gekrümmten Abschnitte 26 ausgebildet sein. In einer alternativen Ausführungsform können die Öffnungen 44 und Hohlräume 54 nur in einem oder beiden der gekrümmten Abschnitte 28 ausgebildet sein. Die Hohlräume 54 in den gekrümmten Abschnitten 26 und/oder den gekrümmten Abschnitten 28 können, wie in 5A gezeigt, nicht verbunden sein und nach dem Abdichten mehrere Luftspalte bilden. Alternativ können die Hohlräume 54 in den gekrümmten Abschnitten 26 und/oder den gekrümmten Abschnitten 28 verbunden sein, wie in 7A gezeigt, und mit den verbundenen Hohlräumen 54 im Abschnitt 21 verbunden werden, um nach dem Abdichten einzelne Luftspalte zu bilden.
Die Anordnung der Hohlräume 52 in den gekrümmten Abschnitten 22 und/oder den gekrümmten Abschnitten 24 zusätzlich zur Anordnung der Hohlräume 52 im Abschnitt 20 kann den Kopplungsbereich 18 über die Abschnitte 20, 21 hinaus und teilweise in die gekrümmten Abschnitte 22, 24 und/oder die gekrümmten Abschnitte 26, 28 hinein verlängern.
Mit Bezug auf 10 und gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann der Wellenleiterkern 14 mit den Hohlräumen 54 in einer anderen Art von Struktur 10a eingesetzt werden, wie z.B. einem Kantenkoppler (d.h. einem Punktgrößenwandler), in dem der Wellenleiterkern 14 optisch durch einen Interposer oder Zwischenglied 78 an eine optische Faser oder einen Laser gekoppelt ist und der Wellenleiterkem 14 das Licht von der optischen Faser oder dem Laser auf eine optische Komponente, wie z.B. einen Photodetektor 70, lenkt. Die Hohlräume 54 können dazu dienen, den Feldeinschluss zu verbessern und Ausbreitungsverluste zu verringern, was die Leistung des Kantenkopplers verbessern kann. Die Hohlräume 54 können nicht zusammengelegt und diskret sein, um mehrere Luftspalte festzulegen. In einer alternativen Ausführungsform können die Hohlräume 54 zusammengelegt sein, wie in 7A gezeigt ist, um einen einzigen Luftspalt zu bilden.
Mit Bezug auf 11, 11A, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in 10 beziehen, und gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann die dielektrische Schicht 16 durch eine Reihe von zu den Hohlräumen 54 ähnlichen Hohlräumen 72 ersetzt werden, die in einem Bulksubstrat 74 in einer zur Bildung der Hohlräume 54 ähnlichen Weise gebildet werden. In einer Ausführungsform kann das Bulk-Substrat 74 ein Siliziumsubstrat sein. Jeder Hohlraum 72 kann durch einen Stopfen 76 abgedichtet werden, der dem Stopfen 56 ähnelt, der zum Abdichten jedes Hohlraums 54 verwendet wird. In einer Ausführungsform können die Hohlräume 72 verbunden werden, um einen einzigen Luftspalt zu bilden. In einer Ausführungsform können die Hohlräume 72 in mehreren Reihen und Spalten angeordnet sein, und die mehreren Reihen und Spalten von Hohlräumen 72 können verbunden werden, um den einzigen Luftspalt zu bilden. Der Wellenleiterkern 14 kann durch ein selbstplanarisiertes Epitaxieverfahren über dem Substrat 74 und über den Hohlräumen 72 gebildet werden. Die Hohlräume 72 bilden eine optische Isolierschicht für den Wellenleiterkem 14, die sich im Gebrauch ähnlich verhält wie die zu ersetzende dielektrische Schicht 16.
Mit Bezug auf 12, 12A, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in 11A beziehen, und gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann der Wellenleiterkern 14 so modifiziert werden, dass er Hohlräume 54 aufweist, die in nebeneinanderliegenden Reihen 48, 50 angeordnet sind. Die Hohlräume 54 in jeder der Reihen 48, 50 können entlang der Längsachse 15 verteilt und nicht verbunden sein. Das feste Material des Wellenleiterkerns 14 trennt die Reihe 48 der Hohlräume 54 von der Reihe 50 der Hohlräume 54. In einer Ausführungsform können die Hohlräume 54 in jeder der Reihen 48, 50 nicht verbunden sein, wie in 5A gezeigt, um mehrere Luftspalte festzulegen. In einer Ausführungsform können die Hohlräume 54 in jeder der Reihen 48, 50 verbunden werden, wie in 7A gezeigt, um einzelne Luftspalte festzulegen. Aufgrund der mehreren Reihen 48, 50 von Hohlräumen 54 kann der Wellenleiterkern 14 ähnlich wie ein geschlitzter Wellenleiterkern funktionieren.
Die oben beschriebenen Verfahren werden bei der Herstellung von integrierten Schaltungschips verwendet. Die daraus resultierenden integrierten Schaltkreischips können vom Hersteller in Form von rohen Wafern (z. B. als einzelne Wafer mit mehreren unverpackten Chips), als nackter Chip oder in verpackter Form vertrieben werden. Der Chip kann mit anderen Chips, diskreten Schaltungselementen und/oder anderen Signalverarbeitungsgeräten als Teil eines Zwischenprodukts oder eines Endprodukts integriert werden. Bei dem Endprodukt kann es sich um ein beliebiges Produkt handeln, das integrierte Schaltkreis-Chips enthält, wie z. B. Computerprodukte mit einem Zentralprozessor oder Smartphones.
Eine Bezugnahme in diesem Dokument auf Begriffe, die durch ungenaue Ausdrücke wie „ungefähr“, „etwa“ und „im Wesentlichen“ modifiziert werden, sind nicht auf den genauen Wert zu beschränken. Der ungenaue Ausdruck kann der Genauigkeit eines zur Messung des Wertes verwendeten Instruments entsprechen und, sofern nicht anders von der Genauigkeit des Instruments abhängig, +/- 10 % des angegebenen Wertes/der angegebenen Werte angeben.
Eine Bezugnahme auf Begriffe wie „vertikal“, „horizontal“ usw. erfolgt hier nur beispielhaft und dient nicht zur Beschränkung, um einen Bezugsrahmen zu schaffen. Der hier verwendete Begriff „horizontal“ ist als eine Ebene parallel zu einer herkömmlichen Ebene eines Halbleitersubstrats definiert, unabhängig von seiner tatsächlichen dreidimensionalen räumlichen Ausrichtung. Die Begriffe „vertikal“ und „normal“ beziehen sich auf eine Richtung senkrecht zur eben definierten horizontalen Richtung. Der Begriff „lateral“ bezieht sich auf eine Richtung innerhalb der horizontalen Ebene.
Ein Merkmal, das mit einem anderen Merkmal „verbunden“ oder „gekoppelt“ ist, kann mit dem anderen Merkmal direkt verbunden oder gekoppelt sein oder es können stattdessen ein oder mehrere dazwischenliegende Merkmale vorhanden sein. Ein Merkmal kann mit einem anderen Merkmal „direkt verbunden“ oder „direkt gekoppelt“ sein, wenn keine dazwischenliegenden Merkmale vorhanden sind. Ein Merkmal kann mit einem anderen Merkmal „indirekt verbunden“ oder „indirekt gekoppelt“ sein, wenn mindestens ein dazwischenliegendes Merkmal vorhanden ist. Ein Merkmal, das sich „auf“ einem anderen Merkmal befindet oder damit „in Kontakt“ ist, kann sich direkt auf dem anderen Merkmal befinden oder damit in direktem Kontakt sein oder es können stattdessen ein oder mehrere dazwischenliegende Merkmale vorhanden sein. Ein Merkmal kann sich „direkt auf“ einem anderen Merkmal befinden oder damit in „direktem Kontakt“ sein, wenn keine dazwischenliegenden Merkmale vorhanden sind. Ein Merkmal kann sich „indirekt auf“ einem anderen Merkmal befinden oder damit in „indirektem Kontakt“ sein, wenn mindestens ein dazwischenliegendes Merkmal vorhanden ist. Verschiedene Merkmale können sich „überlappen“, wenn sich ein Merkmal über ein anderes Merkmal erstreckt und einen Teil davon entweder mit direktem oder indirektem Kontakt bedeckt.
Die Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dient der Veranschaulichung und soll jedoch nicht vollständig oder auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkend sein. Viele Modifizierungen und Abwandlungen sind dem Fachmann ersichtlich, ohne den Umfang und das Wesen der beschriebenen Ausführungsformen zu verlassen. Die hierin verwendete Terminologie wurde gewählt, um die Prinzipien der Ausführungsformen, die praktische Anwendung oder die technische Verbesserung gegenüber den auf dem Markt befindlichen Technologien bestmöglich zu erläutern oder um es anderen als dem Fachmann zu ermöglichen, die hier beschriebenen Ausführungsformen zu verstehen.

Claims

Struktur für einen Richtungskoppler, wobei die Struktur umfasst: einen ersten Wellenleiterkern mit einem oder mehreren ersten Luftspalten; und einen zweiten Wellenleiterkern mit einem oder mehreren zweiten Luftspalten, wobei der eine oder die mehreren zweiten Luftspalte in dem zweiten Wellenleiterkem neben dem einen oder den mehreren ersten Luftspalten in dem ersten Wellenleiterkern angeordnet sind.
Struktur nach Anspruch 1, wobei der erste Wellenleiterkern einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt neben dem ersten Abschnitt aufweist, der zweite Abschnitt des ersten Wellenleiterkerns gekrümmt ist und der eine oder die mehreren ersten Luftspalte in dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt des ersten Wellenleiterkerns angeordnet sind.
Struktur nach Anspruch 2, wobei der zweite Wellenleiterkern einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt neben dem ersten Abschnitt aufweist, der erste Abschnitt des ersten Wellenleiterkerns neben dem ersten Abschnitt des zweiten Wellenleiterkerns angeordnet ist, der zweite Abschnitt des zweiten Wellenleiterkerns gekrümmt ist und der eine oder die mehreren zweiten Luftspalte in dem ersten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt des zweiten Wellenleiterkerns angeordnet sind.
Struktur nach Anspruch 1, wobei der erste Wellenleiterkem eine erste Längsachse aufweist und der eine oder die mehreren ersten Luftspalte eine Mehrzahl von ersten Luftspalten umfassen, die entlang der ersten Längsachse verteilt sind.
Struktur nach Anspruch 4, wobei der zweite Wellenleiterkern eine zweite Längsachse aufweist und der eine oder die mehreren zweiten Luftspalte eine Mehrzahl von zweiten Luftspalten umfassen, die entlang der zweiten Längsachse verteilt sind.
Struktur nach Anspruch 1, wobei der eine oder die mehreren ersten Luftspalte ein erster einzelner Luftspalt sind.
Struktur nach Anspruch 6, wobei der erste Wellenleiterkem eine erste Längsachse aufweist und der erste einzelne Luftspalt sich in Längsrichtung entlang der ersten Längsachse erstreckt.
Struktur nach Anspruch 7, wobei der eine oder die mehreren zweiten Luftspalte ein zweiter einzelner Luftspalt sind, der zweite Wellenleiterkern eine zweite Längsachse aufweist und der zweite einzelne Luftspalt sich in Längsrichtung entlang der zweiten Längsachse erstreckt.
Struktur nach Anspruch 1, wobei der eine oder die mehreren ersten Luftspalten und der eine oder die mehreren zweiten Luftspalten ein Gas umfassen.
Struktur nach Anspruch 9, ferner umfassend: eine Schicht mit einem festen Material, wobei die Schicht den einen oder die mehreren ersten Luftspalten und den einen oder die mehreren zweiten Luftspalten beschichtet.
Struktur nach Anspruch 1, wobei der eine oder die mehreren ersten Luftspalte abgedichtet sind und der eine oder die mehreren zweiten Luftspalte abgedichtet sind.
Struktur für einen Kantenkoppler, wobei die Struktur umfasst: einen Interposer; eine optische Komponente; und einen Wellenleiterkern, der zwischen dem Interposer und der optischen Komponente angeordnet ist, wobei der Wellenleiterkern einen oder mehrere erste Luftspalte umfasst.
Struktur nach Anspruch 12, wobei der Wellenleiterkern eine Längsachse aufweist und der eine oder die mehreren ersten Luftspalte eine Mehrzahl von ersten Luftspalten umfassen, die in einer ersten Reihe entlang der Längsachse verteilt sind.
Struktur nach Anspruch 13, ferner umfassend: einen oder mehrere zweite Luftspalte, die in dem Wellenleiterkern neben dem einen oder die mehreren ersten Luftspalte angeordnet sind, wobei der eine oder die mehreren zweiten Luftspalte eine Mehrzahl von zweiten Luftspalten umfassen, die in einer zweiten Reihe entlang der Längsachse verteilt sind.
Struktur nach Anspruch 12, wobei der eine oder die mehreren ersten Luftspalte ein einzelner Luftspalt sind, der Wellenleiterkern eine Längsachse aufweist und der einzelne Luftspalt sich in Längsrichtung entlang der Längsachse erstreckt.
Struktur nach Anspruch 12, ferner umfassend: ein Bulk-Halbleitersubstrat; und einen dritten Luftspalt in dem Halbleitersubstrat, wobei der Wellenleiterkern auf dem Bulk-Halbleitersubstrat über dem dritten Luftspalt angeordnet ist.
Struktur nach Anspruch 12, wobei die optische Komponente ein Photodetektor ist.
Verfahren zum Herstellen eines Richtungskopplers, wobei das Verfahren umfasst: ein Bilden eines ersten Wellenleiterkerns und eines zweiten Wellenleiterkerns; ein Bilden eines oder mehrerer erster Luftspalte in dem ersten Wellenleiterkern; und ein Bilden eines oder mehrerer zweiter Luftspalte in dem zweiten Wellenleiterkern, wobei der eine oder die mehreren zweiten Luftspalte in dem zweiten Wellenleiterkern neben dem einen oder den mehreren ersten Luftspalten in dem ersten Wellenleiterkern angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der eine oder die mehreren ersten Luftspalte und der eine oder die mehreren zweiten Luftspalte mit einem Gas gefüllt sind.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der eine oder die mehreren ersten Luftspalten und der eine oder die mehreren zweiten Luftspalten gleichzeitig gebildet werden.