DE102023107592A1

DE102023107592A1 - Wellenleiter und Kantenkoppler mit Wellenleiterkernen mehrerer Dicken

Info

Publication number: DE102023107592A1
Application number: DE102023107592.6A
Authority: DE
Inventors: Yusheng Bian
Original assignee: GlobalFoundries US Inc
Current assignee: GlobalFoundries US Inc
Priority date: 2022-04-26
Filing date: 2023-03-27
Publication date: 2023-10-26
Also published as: US20230341637A1; CN116953846A; US11808996B1

Abstract

Photonische Strukturen für einen Wellenleiter oder einen Kantenkoppler und Verfahren zur Herstellung einer photonischen Struktur für einen Wellenleiter oder einen Kantenkoppler. Die photonische Struktur umfasst einen Wellenleiterkern mit einem ersten Abschnitt, einem zweiten Abschnitt, der in Längsrichtung neben dem ersten Abschnitt angeordnet ist, ersten Segmenten, die in vertikaler Richtung aus dem ersten Abschnitt hervorstehen, und zweiten Segmenten, die in vertikaler Richtung aus dem zweiten Abschnitt hervorstehen. Der erste Abschnitt des Wellenleiterkerns weist eine erste Dicke auf und der zweite Abschnitt des Wellenleiterkerns weist eine zweite Dicke auf, die größer ist als die erste Dicke.

Description

Hintergrund
Die Erfindung betrifft photonische Chips und insbesondere photonische Strukturen für einen Wellenleiter oder einen Kantenkoppler und Verfahren zur Herstellung einer photonischen Struktur für einen Wellenleiter oder einen Kantenkoppler.
Photonische Chips werden in vielen Anwendungen und Systemen verwendet, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Datenkommunikationssysteme und Datenberechnungssysteme. Ein photonischer Chip integriert optische Komponenten, wie Wellenleiter, Photodetektoren, Modulatoren und optische Leistungsteiler, und elektronische Komponenten, wie Feldeffekttransistoren, in eine einheitliche Plattform. Neben anderen Faktoren können Layoutfläche, Kosten und Betriebsaufwand durch die Integration beider Arten von Komponenten auf demselben Chip reduziert werden.
Ein Kantenkoppler, auch bekannt als Spot-Size-Konverter, ist eine optische Komponente, die üblicherweise für die Kopplung von Licht einer bestimmten Mode von einer Lichtquelle, wie einem Laser oder einer optischen Faser, zu anderen optischen Komponenten auf dem photonischen Chip verwendet wird. Der Kantenkoppler kann einen Abschnitt eines Wellenleiterkerns enthalten, der eine inverse Konusform mit einer Spitze festlegt. Bei der Konstruktion des Kantenkopplers bildet das schmale Ende des inversen Kegels eine Facette an der Spitze, die an die Lichtquelle angrenzt, und das breite Ende des inversen Kegels ist mit einem anderen Abschnitt des Wellenleiterkerns verbunden, der das Licht zu den optischen Komponenten des photonischen Chips leitet.
Die sich allmählich verändernde Querschnittsfläche der inversen Konusform unterstützt die Modenumwandlung und die Variation der Modengröße, die mit der Modenumwandlung verbunden ist, wenn Licht von der Lichtquelle zum Kantenkoppler übertragen wird. Die Spitze der inversen Konusform ist nicht in der Lage, die von der Lichtquelle empfangene einfallende Mode vollständig zu begrenzen, da die Querschnittsfläche der Spitze erheblich kleiner ist als die Modegröße. Folglich wird ein erheblicher Prozentsatz des elektromagnetischen Feldes der einfallenden Moden um die Spitze der inversen Konusform verteilt. Mit zunehmender Breite kann die inverse Konusform die gesamte einfallende Mode tragen und das elektromagnetische Feld beschränken.
Es sind verbesserte photonische Strukturen für einen Wellenleiter oder einen Kantenkoppler und Verfahren zur Herstellung einer photonischen Struktur für einen Wellenleiter oder einen Kantenkoppler erforderlich.
Zusammenfassung
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst eine photonische Struktur einen Wellenleiterkern mit einem ersten Abschnitt, einem zweiten Abschnitt, der in Längsrichtung neben dem ersten Abschnitt angeordnet ist, einer ersten Mehrzahl von Segmenten, die in einer vertikalen Richtung aus dem ersten Abschnitt hervorstehen, und einer zweiten Mehrzahl von Segmenten, die in der vertikalen Richtung aus dem zweiten Abschnitt hervorstehen. Der erste Abschnitt des Wellenleiterkerns weist eine erste Dicke auf und der zweite Abschnitt des Wellenleiterkerns weist eine zweite Dicke auf, die größer ist als die erste Dicke.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer photonischen Struktur bereitgestellt. Das Verfahren umfasst ein Bilden eines Wellenleiterkerns mit einem ersten Abschnitt, einem zweiten Abschnitt, der in Längsrichtung neben dem ersten Abschnitt angeordnet ist, einer ersten Mehrzahl von Segmenten, die in einer vertikalen Richtung aus dem ersten Abschnitt hervorstehen, und einer zweiten Mehrzahl von Segmenten, die in der vertikalen Richtung aus dem zweiten Abschnitt hervorstehen. Der erste Abschnitt des Wellenleiterkerns weist eine erste Dicke auf und der zweite Abschnitt des Wellenleiterkerns weist eine zweite Dicke auf, die größer ist als die erste Dicke.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die beigefügten Zeichnungen, die ein 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 dazu, die Ausführungsformen der Erfindung zu erläutern. In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in den verschiedenen Ansichten.

1 ist eine Draufsicht auf einen Wellenleiterkern in einer anfänglichen Herstellungsphase eines Verarbeitungsverfahrens gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
2 ist eine Querschnittsansicht, die allgemein entlang der Linie 2-2 in 1 verläuft.
2A ist eine Querschnittsansicht, die allgemein entlang der Linie 2A-2A in 1 verläuft.
3, 3A sind Querschnittsansichten des Wellenleiterkerns in einer Herstellungsstufe des Verarbeitungsverfahrens nach 2, 2A.
4 ist eine Draufsicht auf einen Wellenleiterkern gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
5 ist eine Draufsicht auf einen Wellenleiterkern gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
6 ist eine Querschnittsansicht eines Kantenkopplers mit einem Wellenleiterkern gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
7 ist eine Querschnittsansicht eines Kantenkopplers mit einem Wellenleiterkern gemäß Ausführungsformen der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung
Mit Bezug auf die 1, 2, 2A und gemäß Ausführungsformen der Erfindung umfasst ein Wellenleiterkern 10 einen Abschnitt 18, einen Abschnitt 24, einen Abschnitt 20, der in Längsrichtung an den Abschnitt 18 angrenzt, einen Abschnitt 22, der in Längsrichtung an den Abschnitt 24 angrenzt, und Segmente 12, die in einer vertikalen Richtung von dem Abschnitt 20 und dem Abschnitt 22 hervorstehen. Der Wellenleiterkern 10 kann entlang einer Längsachse 11 ausgerichtet sein und die Abschnitte 20, 22 sind entlang der Längsachse 11 zwischen dem Abschnitt 18 und dem Abschnitt 24 angeordnet. Benachbarte Paare der Segmente 12 sind durch Spalte 13 getrennt, die durch Gräben festgelegt sind, die sich über die gesamte Breite des Wellenleiterkerns 10 in einer seitlichen Richtung quer zur Längsachse 11 und teilweise durch den Wellenleiterkern 10 in einer vertikalen Richtung erstrecken können. Die Tiefe der Gräben, die die Segmente 12 im Abschnitt 20 festlegen, unterscheidet sich von der Tiefe der Gräben, die die Segmente 12 im Abschnitt 22 festlegen. In einer Ausführungsform ist die Tiefe der Gräben, die die Segmente 12 im Abschnitt 20 festlegen, größer als die Tiefe der Gräben, die die Segmente 12 im Abschnitt 22 festlegen.
Der Wellenleiterkern 10 kann in einer vertikalen Richtung über einer dielektrischen Schicht 14 und einem Substrat 16 angeordnet sein. In einer Ausführungsform kann die dielektrische Schicht 14 aus einem dielektrischen Material, wie z. B. Siliziumdioxid, und das Substrat 16 aus einem Halbleitermaterial, wie z. B. einkristallinem Silizium, gebildet sein. In einer Ausführungsform kann die dielektrische Schicht 14 eine vergrabene Oxidschicht eines Silizium-auf-Isolator-Substrats sein und die dielektrische Schicht 14 kann den Wellenleiterkern 10 von dem Substrat 16 trennen. In einer alternativen Ausführungsform kann eine zusätzliche dielektrische Schicht, z. B. aus Siliziumdioxid, den Wellenleiterkern 10 von der dielektrischen Schicht 14 trennen.
Der Wellenleiterkern 10 kann aus einem dielektrischen Material, wie z. B. Siliziumnitrid, gebildet sein, mit einem Brechungsindex gebildet sein, der größer ist als der Brechungsindex von Siliziumdioxid. In einer alternativen Ausführungsform kann der Wellenleiterkern 10 aus Siliziumoxynitrid gebildet sein. In alternativen Ausführungsformen können auch andere Materialien, wie z. B. ein Polymer oder ein III-V-Verbindungshalbleiter, zur Bildung des Wellenleiterkerns 10 verwendet werden.
Der Wellenleiterkern 10 weist eine Breite W auf, die in den verschiedenen Abschnitten 18, 20, 22, 24 konstant sein kann. Der Abschnitt 18 und der Abschnitt 24 des Wellenleiterkerns 10 können eine Dicke T1 aufweisen, der Abschnitt 20 des Wellenleiterkerns 10 kann eine Dicke T2 aufweisen und der Abschnitt 22 des Wellenleiterkerns 10 kann eine Dicke T3 aufweisen. In einer Ausführungsform kann die Dicke T2 des Abschnitts 20 des Wellenleiterkerns 10 über seine Länge konstant oder im Wesentlichen konstant sein. In einer Ausführungsform kann die Dicke T3 des Abschnitts 22 des Wellenleiterkerns 10 über seine Länge konstant oder im Wesentlichen konstant sein. In einer Ausführungsform kann die Dicke T3 größer sein als die Dicke T2. In einer Ausführungsform können die Dicke T2 und die Dicke T3 jeweils kleiner sein als die Dicke T1. In einer Ausführungsform kann die Dicke T1 etwa 800 Nanometer betragen und die Dicken T2 und T3 können weniger als 800 Nanometer betragen.
Der Wellenleiterkern 10 kann einen oder mehrere zusätzliche Abschnitte (nicht dargestellt) wie die Abschnitte 20, 22 umfassen, die eine geringere Dicke als die Dicke T1 aufweisen und von denen Segmente 12 in vertikaler Richtung abstehen. Beispielsweise kann der Wellenleiterkern 10 einen zusätzlichen Abschnitt mit vorstehenden Segmenten 12 und einer Dicke aufweisen, die größer als die Dicke T2 und kleiner als die Dicke T3 ist, und der zusätzliche Abschnitt kann in Längsrichtung zwischen Abschnitt 20 und Abschnitt 22 angeordnet sein.
Die Höhe der Segmente 12, die aus dem Abschnitt 20 des Wellenleiterkerns 10 hervorstehen, kann gleich der Differenz zwischen der Dicke T1 und der Dicke T2 sein. Die Höhe der Segmente 12, die aus dem Abschnitt 22 des Wellenleiterkerns 10 hervorstehen, kann gleich der Differenz zwischen der Dicke T1 und der Dicke T3 sein. In einer Ausführungsform kann die Höhe der Segmente 12, die aus dem Abschnitt 20 des Wellenleiterkerns 10 hervorstehen, größer sein als die Höhe der Segmente 12, die aus dem Abschnitt 22 des Wellenleiterkerns 10 hervorstehen.
In einer Ausführungsform kann jedes Segment 12 einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt in einer Richtung parallel zur Längsachse 11 und in einer Richtung quer zur Längsachse 11 aufweisen. In einer Ausführungsform können die Teilung und das Tastverhältnis der Segmente 12 gleichmäßig sein, um eine periodische Anordnung festzulegen. In alternativen Ausführungsformen können die Teilung und/oder das Tastverhältnis der Segmente 12 apodisiert (d. h. ungleichmäßig) sein, um eine nichtperiodische Anordnung festzulegen. Die Segmente 12 können in einem ausreichend kleinen Abstand dimensioniert und angeordnet sein, so dass eine gitterartige Struktur unterhalb der Wellenlänge festgelegt ist, die kein Licht bei einer Betriebswellenlänge abstrahlt oder reflektiert, z. B. bei einer Wellenlänge im Bereich von 1260 Nanometern bis 1360 Nanometern (dem O-Band).
In einer Ausführungsform kann der Wellenleiterkern 10 durch ein Abscheiden einer Schicht aus dem ihn bildenden dielektrischen Material und ein anschließendes Strukturieren des dielektrischen Materials durch Lithographie- und Ätzverfahren gebildet werden. In einer Ausführungsform können mehrere Sätze von Lithographie- und Ätzprozessen mit verschiedenen Ätzmasken verwendet werden, um den Wellenleiterkern 10 zu strukturieren, wobei die Gräben mit unterschiedlicher Tiefe gebildet werden, die die Spalte 13 festlegen, und um die Abschnitte 20, 22 mit den verschiedenen Dicken des dielektrischen Materials bereitzustellen.
Mit Bezug auf die 3, 3A, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale in 2, 2A beziehen, und in einer nachfolgenden Herstellungsphase wird eine dielektrische Schicht 28 über den Segmenten 12 gebildet. Die dielektrische Schicht 28 kann aus einem dielektrischen Material, wie z. B. Siliziumdioxid, gebildet sein, das abgeschieden und nach dem Abscheiden planarisiert wird. In der dargestellten Ausführungsform sind die Segmente 12 in die dielektrische Schicht 28 eingebettet. Die Dicke der dielektrischen Schicht 28 und die Höhe der Segmente 12 können variabel eingestellt werden. Das dielektrische Material, aus dem die dielektrische Schicht 28 gebildet werden, kann einen Brechungsindex aufweisen, der kleiner ist als der Brechungsindex des dielektrischen Materials, aus dem der Wellenleiterkern 10 gebildet ist.
Das dielektrische Material der dielektrischen Schicht 28 ist in den Spalten 13 zwischen benachbarten Paaren der Segmente 12 und über den verschiedenen Abschnitten 20, 22 angeordnet. In einer Ausführungsform kann das dielektrische Material der dielektrischen Schicht 28 die Spalten 13 vollständig füllen. Die Segmente 12 und das dielektrische Material der dielektrischen Schicht 28 in den Spalten 13 können eine Metamaterialstruktur bilden, in der das dielektrische Material, aus dem die Segmente 12 gebildet sind, einen höheren Brechungsindex aufweist als das dielektrische Material der dielektrischen Schicht 28. Die Metamaterialstruktur, die die Segmente 12 und das dielektrische Material der dielektrischen Schicht 28 in den Lücken 13 umfasst, kann als homogenes Material mit einem effektiven Brechungsindex behandelt werden, der zwischen dem Brechungsindex des dielektrischen Materials, das die Segmente 12 bildet, und dem Brechungsindex des dielektrischen Materials, das die dielektrische Schicht 28 bildet, liegt.
Über der dielektrischen Schicht 28 kann ein Back-End-of-Line-Stapel 30 gebildet werden. Der Back-End-of-Line-Stapel 30 kann gestapelte dielektrische Schichten umfassen, die jeweils aus einem dielektrischen Material gebildet sind, wie Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Tetraethylorthosilikat-Siliziumdioxid oder fluoriertes Tetraethylorthosilikat-Siliziumdioxid.
Der Wellenleiterkern 10 kann in einer jeden der hier beschriebenen Ausführungsformen in einer integrierten photonischen Schaltung oder alternativ in einem photonischen Chip eingesetzt werden, der elektronische Komponenten und zusätzliche optische Komponenten umfasst. Beispielsweise können die elektronischen Komponenten eines photonischen Chips Feldeffekttransistoren umfassen, die mittels CMOS-Verarbeitung hergestellt werden. Der Wellenleiterkern 10 kann dazu verwendet werden, sich ausbreitendes Licht zu leiten, oder er kann alternativ in ein optisches Bauteil, z. B. einen Kantenkoppler, integriert sein, der ebenfalls sich ausbreitendes Licht leitet.
Die Segmente 12 und die Abschnitte 20, 22 des Wellenleiterkerns 10 können die Möglichkeit zur Steuerung von Modeneigenschaften bereitstellen, um die Leistung auf Systemebene zu verbessern, insbesondere für größere Werte (z. B. etwa 800 Nanometer) der Dicke T1. Beispielsweise können die Doppelbrechung und die differentielle Gruppenverzögerung verringert werden, so dass die Zeit-/Gruppenverzögerung zwischen der transversalen Elektrodenmode und den transversalen magnetischen Moden für das durch den Wellenleiterkern 10 geleitete Licht verringert wird und sich ausbreitendes Licht der verschiedenen Polarisationsmoden sich mit ähnlicher Geschwindigkeit ausbreitet. Als weiteres Beispiel können die Segmente 12 und die Abschnitte 20, 22 des Wellenleiterkerns 10 so zugeschnitten werden, dass sie das Modenmuster und die Form des vom Wellenleiterkern 10 geführten Lichts verändern. Der Wellenleiterkern 10 kann sich durch eine effizientere Modenumwandlung auszeichnen, insbesondere bei größeren Werten der Dicke T1. Die Anforderungen an die Herstellung, wie z. B. die Leitungsbreite für die Segmente 12, können aufgrund des modifizierten Designs des Wellenleiterkerns 10, bei dem die Abschnitte 20, 22 mit unterschiedlicher Dicke hinzugefügt werden, gelockert werden.
Mit Bezug auf 4 und gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung können die Segmente 12 und die Abschnitte 20, 22 des Wellenleiterkerns 10 so modifiziert werden, dass sie eine konische Form aufweisen. In einer Ausführungsform können die Segmente 12 mit unterschiedlicher Höhe und die Abschnitte 20, 22 mit unterschiedlicher Dicke so modifiziert werden, dass sie eine konische Form aufweisen, die eine inverse Konusform ist. Eine inverse Konusform bezieht sich auf einen konusförmigen Abschnitt eines Wellenleiterkerns, der durch eine allmähliche Zunahme der Breite entlang einer Modenausbreitungsrichtung gekennzeichnet ist. In diesem Zusammenhang kann die Breite W der Segmente 12 und der Abschnitte 20, 22 mit abnehmendem Abstand entlang der Längsachse 11 vom Abschnitt 24 des Wellenleiterkerns 10 zunehmen. In einer Ausführungsform kann die Breite W auf der Grundlage einer linearen Funktion zunehmen. In einer alternativen Ausführungsform kann die Breite W auf der Grundlage einer nichtlinearen Funktion, wie einer quadratischen Funktion, einer kubischen Funktion, einer parabolischen Funktion, einer Sinusfunktion, einer Kosinusfunktion, einer Bezier-Funktion oder einer Exponentialfunktion, zunehmen.
Mit Bezug auf 5 und gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann der Wellenleiterkern 10 eine Rippe 32 aufweisen, die mit mindestens einigen der Segmente 12 überlagert ist. In einer Ausführungsform kann die Rippe 32 konusförmig sein und kann in der Breite mit abnehmendem Abstand von dem Abschnitt 24 des Wellenleiterkerns 10 zunehmen. In der repräsentativen Ausführungsform kann die Rippe 32 nur mit dem Abschnitt 22 und allen aus dem Abschnitt 22 hervorstehenden Segmenten 12 überlagert sein. In einer alternativen Ausführungsform kann die Rippe 32 nur mit einem Teil des Abschnitts 22 und einigen der Segmente 12, die aus dem Abschnitt 22 hervorstehen, überlagert sein. In einer alternativen Ausführungsform kann die Rippe 32 mit beiden Abschnitten 20, 22 und zumindest einigen der Segmente 12, die aus beiden Abschnitten 20, 22 hervorstehen, überlagert sein.
In einer Ausführungsform kann die Rippe 32 eine Dicke aufweisen, die der Dicke T1 des Abschnitts 18 und des Abschnitts 24 des Wellenleiterkerns 10 entspricht. Die Rippe 32 kann an den Abschnitt 24 angrenzen und die Rippe 32 kann in einem der Segmente 12 enden. Die Segmente 12, die von der Rippe 32 überlagert werden, sind geteilt und ragen seitlich nach außen von den gegenüberliegenden Seiten der Rippe 32 hervor.
Mit Bezug auf 6 und gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann der Wellenleiterkern 10 in eine optische Komponente, wie z. B. einen Kantenkoppler in der anschaulichen Ausführungsform, eingebaut werden. In diesem Zusammenhang kann eines der Segmente 12 den Wellenleiterkern 10 abschließen und der Back-End-of-Line-Stapel 30 kann oberhalb der Abschnitte 20, 22, 24 des Wellenleiterkerns 10 entfernt und durch eine dielektrische Schicht 40 aus einem dielektrischen Material wie Siliziumdioxid ersetzt werden. Licht (z. B. Laserlicht) kann in einer Modenausbreitungsrichtung 34 von einer Lichtquelle 36 zum Wellenleiterkern 10 geleitet werden. Das Licht kann eine bestimmte Wellenlänge, Intensität, Modenform und Modengröße aufweisen und der Kantenkoppler, der die anschauliche optische Komponente bereitstellt, kann eine Punktgrößenumwandlung für das Licht bereitstellen.
In einer Ausführungsform kann die Lichtquelle 36 eine optische Singlemode-Faser sein, die neben dem Kantenkoppler angeordnet ist. Die Lichtquelle 36 kann in einer Nut 42 angeordnet sein, die in das Substrat 16 eingearbeitet ist, und die Nut 42 kann sich als eine optionale Hinterschneidung unterhalb des Kantenkopplers erstrecken. Alternativ kann die optionale Hinterschneidung weggelassen sein, so dass das Substrat 16 unterhalb des Kantenkopplers vollständig massiv ist, wie in 7 gezeigt ist. In einer alternativen Ausführungsform kann die Lichtquelle 36 ein Halbleiterlaser sein, der neben dem Kantenkoppler angeordnet ist, und der Halbleiterlaser kann innerhalb eines Hohlraums angebracht sein, der als geschlossene Nut (d.h. Graben) im Substrat 16 strukturiert ist.
In einer alternativen Ausführungsform können die Segmente 12 und die Abschnitte 20, 22 verjüngt sein, wie in Verbindung mit 4 beschrieben ist, so dass die Breite der Segmente 12 und der Abschnitte 20, 22 mit zunehmendem Abstand von der Lichtquelle 36 zunimmt. In einer alternativen Ausführungsform können die Segmente 12 und die Abschnitte 20, 22 konusförmig sein und der Kantenkoppler kann ferner die Rippe 32 umfassen, wie in Verbindung mit 5 beschrieben ist.
Mit Bezug auf 7 und gemäß alternativen Ausführungsformen der Erfindung kann der in den Kantenkoppler integrierte Wellenleiterkern 10 Segmente 44 umfassen, die an die Lichtquelle 36 angrenzen und von dem Abschnitt 20 getrennt sind. Die Segmente 44 können in Längsrichtung zwischen der Lichtquelle 36 und den Segmenten 12 und Abschnitten 20, 22 des Wellenleiterkerns 10 angeordnet sein. In einer Ausführungsform können die Segmente 44 eine Höhe aufweisen, die der Dicke T1 entspricht.
Die oben beschriebenen Verfahren werden bei der Herstellung von integrierten Schaltungschips verwendet. Die daraus resultierenden integrierten Schaltungschips können vom Hersteller in Form von Rohwafers (z. B. als einzelner 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. Das Endprodukt kann ein beliebiges Produkt sein, das integrierte Schaltungschips enthält, wie etwa Computerprodukte mit einem Zentralprozessor oder Smartphones.
Eine Bezugnahme in diesem Dokument auf Begriffe, die durch eine ungefähre Formulierung modifiziert sind, wie z. B. „ungefähr“, „etwa“ und „im Wesentlichen“, ist nicht auf den genauen Wert zu beschränken. Die ungefähre Formulierung kann der Genauigkeit eines zur Messung des Wertes verwendeten Instruments entsprechen und, sofern nicht anders von der Genauigkeit des Instruments abhängig, einen Bereich von +/- 10 % des angegebenen Wertes/der angegebenen Werte bezeichnen.
Eine Bezugnahme auf Begriffe wie „vertikal“, „horizontal“ usw. erfolgt hier beispielhaft und nicht beschränkend, um einen Bezugsrahmen zu schaffen. Der hier verwendete Begriff „horizontal“ ist als eine Ebene parallel zu einer herkömmlichen Ebene eines Halbleitersubstrats festgelegt, unabhängig von seiner tatsächlichen dreidimensionalen räumlichen Ausrichtung. Die Begriffe „vertikal“ und „normal“ beziehen sich auf eine Richtung senkrecht zur horizontalen Richtung, wie gerade definiert. 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 oder damit „in Kontakt“ befindet, kann sich direkt auf dem anderen Merkmal oder damit in direktem Kontakt befinden oder es können stattdessen ein oder mehrere dazwischenliegende Merkmale vorhanden sein. Ein Merkmal kann sich „direkt auf‟ einem anderen Merkmal oder damit in „direktem Kontakt“ befinden, wenn keine dazwischenliegenden Merkmale vorhanden sind. Ein Merkmal kann sich „indirekt auf‟ einem anderen Merkmal oder damit in „indirektem Kontakt“ befinden, 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 in direktem Kontakt oder indirektem Kontakt bedeckt.
Die Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dient der Veranschaulichung, ohne jedoch vollständig oder auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt zu sein. Es sind dem Fachmann viele Modifizierungen und Abwandlungen ersichtlich, ohne vom Umfang und Wesen der beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen. Die hier 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

Photonische Struktur, umfassend: einen Wellenleiterkern mit einem ersten Abschnitt, einem zweiten Abschnitt, der sich in Längsrichtung neben dem ersten Abschnitt befindet, einer ersten Mehrzahl von Segmenten, die in einer vertikalen Richtung aus dem ersten Abschnitt hervorstehen, und einer zweiten Mehrzahl von Segmenten, die in der vertikalen Richtung aus dem zweiten Abschnitt hervorstehen, wobei der erste Abschnitt des Wellenleiterkerns eine erste Dicke aufweist und der zweite Abschnitt des Wellenleiterkerns eine zweite Dicke aufweist, die größer als die erste Dicke ist.
Photonische Struktur nach Anspruch 1, wobei der Wellenleiterkern ferner einen dritten Abschnitt aufweist, der sich neben dem zweiten Abschnitt befindet, und der dritte Abschnitt des Wellenleiterkerns eine dritte Dicke aufweist, die größer ist als die zweite Dicke.
Photonische Struktur nach Anspruch 2, wobei die erste Mehrzahl von Segmenten eine Höhe relativ zum ersten Abschnitt des Wellenleiterkerns aufweist, die gleich der Differenz zwischen der ersten Dicke und der dritten Dicke ist.
Photonische Struktur nach Anspruch 2, wobei die zweite Mehrzahl von Segmenten eine Höhe relativ zum zweiten Abschnitt des Wellenleiterkerns aufweist, die gleich der Differenz zwischen der zweiten Dicke und der dritten Dicke ist.
Photonische Struktur nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Lichtquelle, die an dem ersten Abschnitt des Wellenleiterkerns angeordnet ist, wobei die Lichtquelle so ausgebildet ist, dass sie Licht in einer Modenausbreitungsrichtung an dem Wellenleiterkern bereitstellt.
Photonische Struktur nach Anspruch 5, wobei der Wellenleiterkern durch den ersten Abschnitt abgeschlossen ist.
Photonische Struktur nach Anspruch 5, wobei die Lichtquelle ein Halbleiterlaser ist.
Photonische Struktur nach Anspruch 5, wobei die Lichtquelle eine optische Faser ist.
Photonische Struktur nach Anspruch 5, wobei die erste Mehrzahl von Segmenten eine erste Höhe relativ zu dem ersten Abschnitt des Wellenleiterkerns aufweist, die zweite Mehrzahl von Segmenten eine zweite Höhe relativ zu dem zweiten Abschnitt des Wellenleiterkerns aufweist und die erste Höhe größer ist als die zweite Höhe.
Photonische Struktur nach Anspruch 5, wobei der Wellenleiterkern eine dritte Mehrzahl von Segmenten aufweist, die zwischen dem ersten Abschnitt und der Lichtquelle angeordnet sind, und die dritte Mehrzahl von Segmenten von dem ersten Abschnitt getrennt ist.
Photonische Struktur nach Anspruch 5, wobei der erste Abschnitt, der zweite Abschnitt, die erste Mehrzahl von Segmenten und die zweite Mehrzahl von Segmenten mit zunehmendem Abstand von der Lichtquelle an Breite zunehmen.
Photonische Struktur nach Anspruch 5, ferner umfassend: ein Substrat, wobei der Wellenleiterkern auf dem Substrat angeordnet ist, das Substrat eine Nut mit einer Hinterschneidung aufweist, die sich unterhalb von mindestens einem Abschnitt des Wellenleiterkerns erstreckt, und die Lichtquelle in der Nut angeordnet ist.
Photonische Struktur nach Anspruch 1, wobei der Wellenleiterkern ferner eine Rippe aufweist, die mit dem zweiten Abschnitt des Wellenleiterkerns und mindestens einigen der zweiten Mehrzahl von Segmenten überlagert ist.
Photonische Struktur nach Anspruch 1, wobei der Wellenleiterkern Siliziumnitrid umfasst und der Wellenleiterkern eine Dicke von etwa 800 Nanometern aufweist.
Photonische Struktur nach Anspruch 1, wobei die erste Mehrzahl von Segmenten und die zweite Mehrzahl von Segmenten durch eine Mehrzahl von Spalten getrennt sind, ein dielektrisches Material in der Mehrzahl von Spalten angeordnet ist, die erste Mehrzahl von Segmenten und die zweite Mehrzahl von Segmenten ein erstes Material mit einer ersten Dielektrizitätskonstante umfassen und das dielektrische Material ein zweites Material mit einer zweiten Dielektrizitätskonstante umfasst, die kleiner ist als die erste Dielektrizitätskonstante.
Photonische Struktur nach Anspruch 15, wobei die erste Mehrzahl von Segmenten, die zweite Mehrzahl von Segmenten und das dielektrische Material eine Metamaterialstruktur festlegen.
Verfahren zur Herstellung einer photonischen Struktur, wobei das Verfahren umfasst: ein Bilden eines Wellenleiterkerns mit einem ersten Abschnitt, einem zweiten Abschnitt, der in Längsrichtung neben dem ersten Abschnitt angeordnet ist, einer ersten Mehrzahl von Segmenten, die in vertikaler Richtung vom ersten Abschnitt hervorstehen, und einer zweiten Mehrzahl von Segmenten, die in vertikaler Richtung vom zweiten Abschnitt hervorstehen, wobei der erste Abschnitt des Wellenleiterkerns eine erste Dicke aufweist und der zweite Abschnitt des Wellenleiterkerns eine zweite Dicke aufweist, die größer ist als die erste Dicke.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Wellenleiterkern ferner einen dritten Abschnitt umfasst, der neben dem zweiten Abschnitt angeordnet ist, und der dritte Abschnitt des Wellenleiterkerns eine dritte Dicke aufweist, die größer ist als die zweite Dicke.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die erste Mehrzahl von Segmenten eine erste Höhe relativ zu dem ersten Abschnitt des Wellenleiterkerns aufweist, die gleich einer Differenz zwischen der ersten Dicke und der dritten Dicke ist, und die zweite Mehrzahl von Segmenten eine zweite Höhe relativ zu dem zweiten Abschnitt des Wellenleiterkerns aufweist, die gleich einer Differenz zwischen der zweiten Dicke und der dritten Dicke ist.
Verfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend: ein Anordnen einer Lichtquelle an dem ersten Abschnitt des Wellenleiterkerns, wobei die Lichtquelle so ausgebildet ist, dass sie Licht in einer Modenausbreitungsrichtung in Richtung des Wellenleiterkerns bereitstellt.