Beschreibung
Photonisch integrierter Chip, optisches Bauelement mit photo¬ nisch integriertem Chip und Verfahren zu deren Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf photonisch integrierte Chips, optische Bauelemente mit solchen Chips und Verfahren zu deren Herstellung. Unter dem Begriff photonisch integrierte Chips werden integrierte Chips verstanden, die ein Substrat sowie darauf befindliche (z. B. aufgewachsene oder abgeschiedene) Materialschichten aufweisen und bei denen in einer oder mehrer der Materialschichten ein oder mehrere photonische Komponenten (z. B. Wellenleiter, Koppler, etc.) integriert sind. Bei der Entwicklung von optischen Komponenten, insbesondere integrierten optischen Komponenten ergibt sich oft das Problem, dass Licht von einer in eine andere Komponente übertra¬ gen werden muss, z.B. von einem Laser in einen Wellenleiter auf einem Chip oder vom Chip in eine Faser. Dabei gibt es grundsätzlich zum einen die Möglichkeit, die zwei Komponenten nebeneinander zu platzieren und das Licht horizontal in der Ebene des Wellenleiters zu koppeln, auch Butt-Coupling ge¬ nannt. Zum anderen können die Komponenten aufeinander platziert werden, um das Licht vertikal oder nahezu vertikal zur Ebene des Wellenleiters zu übertragen. Bei letzterer Variante wird in der Regel das, unter einem kleinen Winkel gegenüber der Oberflächennormalen, auf den Wellenleiter treffende Licht über einen Gitterkoppler in den Wellenleiter umgelenkt und darin weitergeführt.
Bei der vertikalen Kopplung von sehr divergenter oder konvergenter Strahlung in einem Wellenleiter bringen die gegenwärtigen Methoden große Verluste mit sich, weil die zumeist ver-
wendeten Gitterkoppler nur eine begrenzte Winkelakzeptanz besitzen. Ebenso besitzen diese anderen optischen Komponenten bei Auskopplung von Licht aus einem Wellenleiter in andere optische Komponenten, wie z. B. Fasern (z. B. Glas- oder Po- lymerfasern) , ebenfalls eine Winkelakzeptanz. Die Anteile der Strahlung, die außerhalb der Winkelakzeptanz einfallen, werden nicht in z. B. den Wellenleiter oder die Faser eingekoppelt und gehen verloren. Diese Verluste sind umso größer, je divergenter bzw. konvergenter das einfallende Licht ist. Auf- grund der Strahldivergenz können sich die Koppelverluste mit größerem Abstand zwischen den Koppelelementen erhöhen, falls die Apertur des Zielkoppelelements nicht ausreicht. Die obe¬ ren Materialschichten optischer Bauelemente, fachsprachlich auch "Backend of Line" des Bauelements genannt, mit bei- spielsweise fünf Metalllagen haben eine Dicke von etwa 20 ym. Bei der Propagation eines divergenten Lichtstrahls über diese Distanz vergrößert sich dessen Strahldurchmesser signifikant.
Im Falle einer sehr divergenten oder konvergenten Lichtquelle wird heutzutage zumeist eine Faser zwischen die Lichtquelle und den Gitterkoppler des Wellenleiters zwischengeschaltet. Das Licht wird zuerst in die Faser eingekoppelt und am ande¬ ren Faserende aus der Faser ausgekoppelt und über den Gitter¬ koppler in den Wellenleiter eingekoppelt. Dies ist mit großem Fertigungsaufwand, zusätzlichen Komponenten und Koppelverlus¬ ten an der Ein- und Austrittsfacette der Faser verbunden [1] .
Ein anderer Weg besteht in der Verwendung von Mikrooptiken, z. B. Linsen, als separate Komponenten, die auf dem Bauele- ment (nachfolgend im Falle integrierter Bauelemente auch kurz fachsprachlich "Chip" genannt) über dem Gitterkoppler befestigt werden und das vertikal einfallende Licht kollimieren oder fokussieren sollen. Auch diese Methode erfordert hohen
Fertigungsaufwand mit zusätzlichen Komponenten (z. B. Spritz- guss oder Glasmikrolinsen) , Fertigungsschritten und damit einhergehenden Toleranzen und schlechter Skalierbarkeit [2]. Ein weiterer Weg besteht in der Verwendung von Linsen, die in die Austrittsfacette eines Lasers geätzt werden, um das emit¬ tierte Licht zu kollimieren oder zu fokussieren, bevor es aus dem Laser austritt [3] . Ein photonisch integrierter Chip mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der Veröffentli¬ chung "A polarization-diversity wavelength duplexer circuit in silicon-on-insulator photonic wires" (Wim Bogaerts, Dirk Taillaert, Pieter Dumon, Dries Van Thourhout, Roel Baets; 19 February 2007 / Vol. 15, No . 4 / OPTICS EXPRESS 1567) be¬ kannt .
Der Erfindung liegt ausgehend von dem letztgenannten Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, den erreichbaren Koppelwir- kungsgrad bei dem Chip auf einfache Weise zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen photonisch in¬ tegrierten Chip mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Chips sind in Unteransprüchen angegeben.
Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in einer oberhalb oder unterhalb des optischen Gitterkopplers befindlichen Ma¬ terialschicht des Chips oder in mehreren oberhalb oder unter- halb des optischen Gitterkopplers befindlichen Material¬ schichten oder auf der Rückseite des Substrats eine optische Beugungs- und Brechungsstruktur integriert ist, die eine
Strahlformung der Strahlung vor Einkopplung in den Wellenleiter oder nach dem Auskoppeln aus dem Wellenleiter vornimmt.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Beugungs- und Bre- chungsstruktur kann die Wellenfront des einfallenden Lichts in eine beliebige Wellenfront des austretenden Lichts trans¬ formiert werden. Durch die Erfindung kann beispielsweise die Kollimation und Fokussierung des einfallenden Lichtes ermöglicht werden, wenn die Beugungs- und Brechungsstruktur nach dem Prinzip einer diskretisierten Linse oder Fresnel-Linse umgesetzt wird. Dadurch kann zum Beispiel die Strahldivergenz des einfallenden Lichts soweit verringert werden, dass sich das gesamte Strahlenbündel innerhalb des Akzeptanzwinkels des Gitterkopplers ausbreitet und mit nur sehr geringen Verlusten in den Wellenleiter eingekoppelt werden kann. Zusätzlich kann durch die Beugungs- und Brechungsstruktur auch erreicht werden, dass der Durchmesser des einfallenden Lichts an die A- pertur des Gitterkopplers angepasst wird, wodurch Verluste durch Strahlanteile, die nicht auf den Gitterkoppler treffen, minimiert werden. Das einfallende Licht kann dabei beispiels¬ weise sowohl aus einer Faser (z. B. Glas- oder Polymerfaser), einem weiteren photonisch integrierten Chip, als auch direkt aus einem Laser (z. B. HCSEL, VCSEL) stammen. Weiterhin ist die Auskopplung von Licht über die Beugungs- und Brechungs- struktur aus oberen Materialschichten des Chips (dem sogenannten "Backend of Line") in eine zweite optische Komponen¬ te, wie z. B. eine Faser, einen weiteren photonisch integrierten Chip, einen Photodetektor oder eine Mikrooptik, möglich. Dazu kann die Beugungs- und Brechungsstruktur so ange- passt werden, dass eine Strahldivergenz des ausfallenden
Lichtes für eine möglichst effiziente Kopplung in die Ziel¬ komponente erreicht wird.
Ein weiterer großer Vorteil liegt in der äußerst geringen Fertigungstoleranz und somit Ausrichtungsgenauigkeit der Beu- gungs- und Brechungsstruktur zum Gitterkoppler im Vergleich zu herkömmlichen Methoden mit separaten Komponenten. Der Grund liegt darin, dass die Herstellung der Beugungs- und Brechungsstruktur beispielsweise über lithographische Her¬ stellungsmethoden mit sehr hoher Präzision und Positioniergenauigkeit durch lithographische Ausrichtungsmethoden durchge¬ führt wird, anstelle von maschineller Positionierung und Ver- klebung von Einzelkomponenten. Als Materialsystem für die
Fertigung von photonisch integrierten Chips kann beispielsweise ein Silicon-on-Insulator ( SOI ) -Substrat verwendet wer¬ den . Bei dem erfindungsgemäßen Chip sind in vorteilhafter Weise keine separaten Komponenten mit zugehörigem Packagingaufwand nötig. Zudem können die zu koppelnden Komponenten näher zueinander platziert werden, wodurch Streuverluste und Apertu¬ ren der Koppelstrukturen verringert werden können. Die integ- rierte Fertigung ermöglicht eine deutlich bessere Skalierbar¬ keit, z. B. bei Fertigung mehrerer Koppler auf einem photonisch integrierten Chip. Es fällt in diesem Fall kein mehrfacher Aufwand für die Positionierung und Verklebung von zusätzlichen Einzelkomponenten an.
Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die opti¬ sche Beugungs- und Brechungsstruktur eine Linse, einen
Strahlteiler oder einen Polarisationstrenner bildet. Vorzugsweise ist die optische Beugungs- und Brechungsstruktur durch Stufen in einer oder mehrerer oberhalb oder unterhalb des optischen Gitterkopplers befindlicher Materialschichten des Chips gebildet oder umfasst solche Stufen zumindest auch.
Der Wellenleiter ist vorzugsweise ein Rippenwellenleiter, der eine in eine wellenführende Materialschicht des Chips ausge¬ bildete Rippe umfasst. Die optische Beugungs- und Brechungs- struktur ist bei einer solchen Ausgestaltung vorzugsweise in einer oder mehrerer oberhalb oder unterhalb der Rippe befind¬ licher Schichten des Chips integriert.
Bei dem Substrat des Chips handelt es sich bevorzugt um ein Halbleitermaterial, wie beispielsweise Silizium.
Besonders bevorzugt basiert der Chip auf SOI (Silicon on In- sulator) -Material . Im Falle eines solchen Materialsystems wird es als vorteilhaft angesehen, wenn der Rippenwellenlei- ter in einer Siliziumdeckschicht eines SOI-Materials ausge¬ bildet ist und die optische Beugungs- und Brechungsstruktur in einer oder mehreren oberhalb der Siliziumdeckschicht be¬ findlicher Schichten des Chips integriert ist. Bei dem Gitterkoppler kann es sich um einen eindimensionalen oder zweidimensionalen Gitterkoppler handeln. Der Gitterkoppler ist vorzugsweise ein Bragg-Gitter oder umfasst ein sol¬ ches vorzugsweise zumindest auch. Die Beugungs- und Brechungsstruktur ist vorzugsweise zweidi¬ mensional ausgestaltet und liegt vorzugsweise in einer Ebene parallel zu der wellenführenden Materialschicht bzw. den wel¬ lenführenden Materialschichten. Mit Blick auf einen optimalen Koppelwirkungsgrad wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn die Beugungs- und Bre¬ chungsstruktur zweidimensional ortsabhängig ist, und zwar in einer Dimension abhängig vom Ort entlang der Längsrichtung
des Wellenleiters und in einer dazu senkrechten Dimension abhängig vom Ort senkrecht zur Längsrichtung des Wellenleiters.
Die Beugungs- und Brechungsstruktur bildet vorzugsweise eine zweidimensionale Fresnellinse .
Der Wellenleiter ist bevorzugt ein SOI-Rippenwellenleiter mit einer Rippe, die in einer auf einer Siliziumdioxidschicht be¬ findlichen wellenführenden Siliziumschicht eines SOI- Materials ausgebildet ist und deren Längsrichtung sich ent¬ lang der Ausbreitungsrichtung der im SOI-Rippenwellenleiter geführten Strahlung erstreckt.
Mit Blick auf einen optimalen Koppelwirkungsgrad wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn die Beugungs- und Bre¬ chungsstruktur zweidimensional ausgestaltet ist und in einer Ebene parallel zur wellenführenden Siliziumschicht liegt, wo¬ bei die Beugungs- und Brechungsstruktur zweidimensional orts¬ abhängig ist, und zwar in einer Dimension abhängig vom Ort entlang der Längsrichtung der Rippe des SOI-Wellenleiters und in einer dazu senkrechten Dimension abhängig vom Ort senkrecht zur Längsrichtung der Rippe des SOI-Wellenleiters.
Neben der Rippe befinden sich bevorzugt Stege, deren Schicht- höhe kleiner als die der Rippe ist.
Gemäß einer alternativen, aber ebenfalls bevorzugten, Ausgestaltung ist vorgesehen, dass neben der Rippe die wellenführende Siliziumschicht zumindest abschnittsweise entfernt wor- den ist.
Auch bezieht sich die Erfindung auf ein optisches Bauelement, das einen photonisch integrierten Chip aufweist.
Bevorzugt umfasst ein solches Bauelement eine Faser, deren Faserende an der dem Gitterkoppler abgewandten Seite der optischen Beugungs- und Brechungsstruktur an diese angekoppelt ist, wobei die Längsrichtung der Faser im Bereich des Faserendes nahezu senkrecht zu der oder den wellenführenden
Schichten des Chips ausgerichtet ist. Unter dem Begriff "na¬ hezu senkrecht" wird hier ein Winkelbereich zwischen 70° und 90° verstanden.
Alternativ oder zusätzlich kann das optische Bauelement einen Strahlungsemitter umfassen, der an der dem Gitterkoppler abgewandten Seite der optischen Beugungs- und Brechungsstruktur an diese angekoppelt ist, wobei die Strahlungsrichtung des Strahlungsemitters nahezu senkrecht zu der oder den wellen¬ führenden Schichten des Chips ausgerichtet ist.
Alternativ oder zusätzlich kann das optische Bauelement einen Strahlungsdetektor umfassen, der an der dem Gitterkoppler ab- gewandten Seite der optischen Beugungs- und Brechungsstruktur an diese angekoppelt ist, wobei die aktive Empfangsfläche des Strahlungsdetektors parallel zu der oder den wellenführenden Schichten des Chips ausgerichtet ist. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zum
Herstellen eines photonisch integrierten Chips, der ein Substrat sowie mehrere auf einer Oberseite des Substrats aufge¬ brachte Materialschichten umfasst, wobei bei dem Verfahren ein optischer Wellenleiter in einer oder mehreren wellenfüh- renden Materialschichten des Chips integriert wird und in dem optischen Wellenleiter ein Gitterkoppler ausgebildet wird, der eine Strahlumlenkung von in dem Wellenleiter geführter Strahlung in Richtung aus der Schichtebene der wellenführen-
den Materialschicht oder der wellenführenden Materialschichten heraus oder eine Strahlumlenkung von in den Wellenleiter einzukoppelnder Strahlung in Richtung in die Schichtebene der wellenführenden Materialschicht oder der wellenführenden Ma- terialschichten hinein bewirkt.
Erfindungsgemäß ist bezüglich eines solchen Verfahrens vorge¬ sehen, dass in einer oberhalb oder unterhalb des Wellenlei¬ ters befindlichen Materialschicht oder in mehreren oberhalb oder unterhalb des Wellenleiters befindlichen Materialschichten des Chips oder auf der Rückseite des Substrats eine opti¬ sche Beugungs- und Brechungsstruktur integriert wird, die ei¬ ne Strahlformung der Strahlung vor Einkopplung in den Gitterkoppler oder nach dem Auskoppeln aus dem Gitterkoppler vor- nimmt.
Bezüglich der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sei auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Chip verwiesen.
Vorteilhaft ist es, wenn als optische Beugungs- und Bre¬ chungsstruktur eine Linse, ein Strahlteiler oder ein Polari- sationstrenner hergestellt wird. Das Herstellen der optische Beugungs- und Brechungsstruktur erfolgt vorzugsweise durch Ätzen von Stufen in einer oder mehrerer oberhalb oder unterhalb des optischen Gitterkopplers befindlicher Materialschichten des Chips oder umfasst ein Ätzen von Stufen vorzugsweise zumindest auch.
Um die Ätzschritte mit optimaler Positionierung vornehmen zu können, werden vorzugsweise vorab ein oder mehrere Lithogra-
fieschritte zur Aufbringung einer oder mehrerer Ätzmasken durchgeführt .
Je nach Anforderung an die Koppeleffizienz der Beugungs- und Brechungsstruktur kann die Anzahl der Ätzschritte und somit der in die Tiefe gestaffelten Stufen gering gehalten werden, wodurch die Fertigungskosten klein bleiben können. Sogar bei Verwendung nur eines einzigen Ätzschrittes ist die Realisie¬ rung einer binären Beugungs- und Brechungsstruktur möglich, auch Phasenplatte genannt, die bei gleicher Apertur eine je¬ doch geringfügig niedrigere Koppeleffizienz erreicht, als ei¬ ne Beugungs- und Brechungsstruktur mit mehreren Stufen. Wenn eine ausreichende Apertur auf dem Chip realisiert werden kann, kann aber auch mit einer binären Struktur ohne Weiteres eine ausreichende Koppeleffizienz erzielt werden.
Für die Realisierung beliebiger Transformationen der einfallenden Wellenfront können die einzelnen Stufen der erzeugten optischen Beugungs- und Brechungsstruktur in beiden Raumrich- tungen der Ebene des Substrats unabhängig voneinander ausgeführt werden.
Durch geeignete Wahl der räumlichen Verteilung der Ätzstufen kann eine räumliche Trennung des einfallenden Lichtstrahls in einzelne separierte Teilstrahlen erfolgen, die unabhängig voneinander weitergeführt werden können. Eine solche Trennung kann auch über unterschiedliche Polarisationsrichtungen der separierten Teilstrahlen umgesetzt werden. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie¬ len näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft
ein Ausführungsbeispiel für ein optisches Bauele ment, das mit einer Beugungs- und Brechungsstruk tur ausgestattet ist, Figur 2 ein Ausführungsbeispiel für einen photonisch integrierten Chip, bei dem eine Beugungs- und Bre¬ chungsstruktur eine Fresnel-Linse bildet,
Figur 3 die Struktur der Fresnel-Linse gemäß Figur
einer Draufsicht,
Figur 4 ein Ausführungsbeispiel für einen photonisch integrierten Chip, bei dem eine Beugungs- und Bre¬ chungsstruktur mehrstufig ausgeführt ist,
Figur 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen photo¬ nisch integrierten Chip mit mehrstufig ausgeführter Beugungs- und Brechungsstruktur, Figur 6 ein Ausführungsbeispiel für ein optisches Bauele¬ ment, bei dem eine Beugungs- und Brechungsstruktur eines photonisch integrierten Chips einstufig aus¬ geführt ist und eine zweidimensionale binäre Stu¬ fenlinse bildet,
Figur 7 die binäre Stufenlinse gemäß Figur 6 in einer
Draufsicht
Figur 8 ein Ausführungsbeispiel für einen SOI- Wellenleiter, der für die optischen Bauelemente gemäß den Figuren 1 und 6 bzw. die photonisch integrierten Chips gemäß den Figuren 2 und 4 bis 5
geeignet ist, und zwar beispielhaft anhand des photonisch integrierten Chips gemäß Figur 2, und
Figur 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen SOI- Wellenleiter, der für die optischen Bauelemente gemäß den Figuren 1 und 6 bzw. die photonisch integrierten Chips gemäß den Figuren 2 und 4 bis 5 geeignet ist, und zwar beispielhaft anhand des photonisch integrierten Chips gemäß Figur 2.
In den Figuren werden der Übersicht halber für identische o- der vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet . Die Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein optisches Bauelement 1, das einen photonisch integrierten Chip 2 umfasst oder allein durch einen solchen gebildet sein kann. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 wird beispielhaft davon ausgegangen, dass das optische Bauelement 1 zusätzlich zu dem Chip 2 eine Strahlung abgebende Komponente 3, beispielsweise in Form eines Lasers oder eines Strahlungsemitters, aufweist.
Der photonisch integrierte Chip 2 umfasst ein Substrat 20, auf dessen Oberseite 21 eine Mehrzahl an Materialschichten angeordnet ist. So befindet sich auf der Oberseite 21 des Substrats 20 u. a. eine Siliziumdioxidschicht 30, auf der wiederum eine wellenführende Siliziumschicht 40 angeordnet ist. Das Substrat 20, die Siliziumdioxidschicht 30 sowie die wellenführende Siliziumschicht 40 können durch ein sogenann- tes SOI (Silicon on Insulator) -Material gebildet sein, das kommerziell vorgefertigt erhältlich ist.
In der wellenführenden Siliziumschicht 40 ist ein Rippenwel¬ lenleiter 50 vorgesehen, der beispielsweise durch Ätzen der wellenführenden Siliziumschicht 40 gebildet sein kann. Mit dem Rippenwellenleiter 50 steht ein Gitterkoppler 60 in Form eines Bragg-Gitters in Verbindung, das vorzugsweise ebenfalls durch Ätzen der wellenführenden Siliziumschicht 40 hergestellt worden ist.
Auf der wellenführenden Siliziumschicht 40 befinden sich bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 weitere Materialschich¬ ten beispielsweise in Form einer Zwischenschicht 70 und einer oberen Deckschicht 80.
In der Deckschicht 80 ist eine Beugungs- und Brechungsstruk- tur 100 integriert, die in der Figur 1 nicht näher darge¬ stellt ist. Die Beugungs- und Brechungsstruktur 100 wird vor¬ zugsweise mittels einer oder mehrerer Lithographieschritte sowie mittels einer oder mehrerer Ätzschritte hergestellt; Ausführungsbeispiele dazu werden weiter unten noch näher er- läutert.
Das optische Bauelement 1 gemäß Figur 1 kann beispielsweise wie folgt betrieben werden: Mit der Strahlung abgebenden Komponente 3 wird ein divergenter Lichtstrahl Pe erzeugt, dessen gekrümmte Wellenfront 200 eine Divergenz besitzt. Der divergente Lichtstrahl Pe trifft auf die Beugungs- und Brechungsstruktur 100, die bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 in der Deckschicht 80 und damit im sogenannten "Backend of line"-Bereich des photo¬ nisch integrierten Chips 2 angeordnet ist.
Die Beugungs- und Brechungsstruktur 100 transformiert die einfallende Wellenfront 200 des divergenten Lichtstrahls Pe in eine ebene Wellenfront 201, die nachfolgend auf den Git- terkoppler 60 tritt und über diesen in den Rippenwellenleiter 50 einkoppelt. Das in dem Rippenwellenleiter 50 geführte Licht ist in der Figur 1 mit dem Bezugszeichen Pa gekennzeichnet .
Zusammengefasst dient die Beugungs- und Brechungsstruktur 100 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 dazu, eine Strahl¬ formung vorzunehmen und die gekrümmte Wellenfront 200 in eine ebene Wellenfront 201 zu transformieren, wodurch der Wirkungsgrad bei der Einkopplung in den Gitterkoppler 60 bzw. in den Rippenwellenleiter 50 verbessert wird.
Die Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Beugungs¬ und Brechungsstruktur 100, die bei dem photonisch integrierten Chip 2 des Bauelements 1 gemäß Figur 1 eingesetzt werden kann, näher im Detail. Es lässt sich erkennen, dass die Beu- gungs- und Brechungsstruktur 100 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 durch ein einstufiges Stufenprofil gebildet ist, das geätzte Abschnitte 101 und nichtgeätzte Abschnitte 102 umfasst. Die Anordnung der geätzten Abschnitte 101 und der ungeätzten Abschnitte 102 ist derart gewählt, dass die Beugungs- und Brechungsstruktur 100 eine Fresnel-Linse 300 bildet .
Die durch die geätzten Abschnitte 101 und die ungeätzten Ab¬ schnitte 102 der Beugungs- und Brechungsstruktur 100 gebilde- te Fresnel-Linse 300 ist in der Figur 3 in einer Draufsicht näher im Detail gezeigt.
Die Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Beugungs- und Brechungsstruktur 100, die bei dem photonisch integrierten Chip 2 des optischen Bauelements 1 gemäß Figur 1 eingesetzt werden kann. Die Beugungs- und Brechungsstruktur 100 ist durch ein dreistufiges Stufenprofil gebildet, das in der oberen bzw. obersten Deckschicht 80 des Chips 2 durch Lithographie- und Ätzschritte gebildet worden ist. Die Stufen¬ höhe und Stufenanordnung der Stufen ist derart gewählt, dass die Strahlformung des divergenten Lichtstrahls Pe mit Blick auf eine möglichst ebene Wellenfront 201 und auf optimalen Koppelwirkungsgrad zum Gitterkoppler 60 bzw. zum Rippenwel¬ lenleiter 50 möglich günstig ist.
Die Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Beugungs- und Brechungsstruktur 100, die bei dem photonisch integrierten Chip 2 des optischen Bauelements 1 gemäß Figur 1 eingesetzt werden kann.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 ist in der oberen Deckschicht 80 des photonisch integrierten Chips 2 durch eine Vielzahl an Lithographie- und Ätzschritten ein vielstufiges Linsenprofil erzeugt worden, das beispielsweise dreizehn Stu¬ fen umfassen kann. Das Stufenprofil bzw. die äußere Formge¬ bung der Linse ist derart gewählt, dass der Koppelwirkungs- grad in Richtung des Gitterkopplers 60 und in Richtung des Rippenwellenleiters 50 möglich optimal ist.
Die Figur 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein optisches Bauelement 1, das mit einem photonisch integrierten Chip 2 ausgestattet ist. Zusätzlich zu dem photonisch integrierten Chip 2 umfasst das optische Bauelement 1 eine Strah¬ lung empfangende Komponente 4, bei der es sich beispielsweise um einen Strahlungsdetektor handeln kann.
Der photonisch integrierte Chip 2 weist ein Substrat 20, eine vergrabene Siliziumdioxidschicht 30, eine wellenführende Si¬ liziumschicht 40, eine Zwischenschicht 70 sowie eine obere Deckschicht 80 auf, in der eine Beugungs- und Brechungsstruk¬ tur 100a vorgesehen ist. In der wellenführenden Siliziumschicht 40 sind ein Rippenwellenleiter 50 sowie ein Gitter- koppler 60, vorzugsweise durch Ätzen, integriert. Die Beugungs- und Brechungsstruktur 100a in der Deckschicht 80 ist durch ein einstufiges Stufenprofil bzw. ein binäres Stufenfilter gebildet, das geätzte Abschnitte 101 sowie unge- ätzte Abschnitte 102 umfasst. Das optische Bauelement 1 gemäß Figur 6 kann beispielsweise wie folgt betrieben werden:
Ein Lichtstrahl Pe, der in dem Rippenwellenleiter 50 geführt wird, gelangt zu dem Gitterkoppler 60, der den Lichtstrahl Pe auskoppelt und in Richtung der Strahlung empfangenden Komponente 4 umlenkt. Der umgelenkte Strahl weist vorzugsweise ei¬ ne ebene Wellenfront 201 auf.
Die ebene Wellenfront 201 gelangt zu der Beugungs- und Bre- chungsstruktur 100a, die eine Strahlformung vornimmt und die vormals ebene Wellenfront 201 in eine konvergente Wellenfront 203 mit einer Divergenz ß umwandelt. Der resultierende kon¬ vergente Lichtstrahl ist in der Figur 6 mit dem Bezugszeichen Pa gekennzeichnet.
Ein Ausführungsbeispiel für eine Beugungs- und Brechungs¬ struktur 100a, die bei dem photonisch integrierten Chip 2 gemäß Figur 6 eingesetzt werden kann, ist näher im Detail bei-
spielhaft in der Figur 7 dargestellt. Die Figur 7 zeigt eine Beugungs- und Brechungsstruktur 100a, welche mit nur einem Ätzschritt hergestellt werden kann und geätzte Abschnitte 101 sowie ungeätzte Abschnitte 102 aufweist. Die Beugungs- und Brechungsstruktur 100a bildet eine binäre Stufenlinse 400.
Die Figur 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen SOI- Wellenleiter in Form eines SOI-Rippenwellenleiters, der für die optischen Bauelemente gemäß den Figuren 1 und 6 bzw. die photonisch integrierten Chips gemäß den Figuren 2 und 4 bis 5 geeignet ist, im Querschnitt, und zwar beispielhaft anhand des photonisch integrierten Chips gemäß Figur 2.
Man erkennt in der Figur 8 das Substrat 20, auf dessen Ober- seite 21 eine Mehrzahl an Materialschichten angeordnet ist.
Auf der Oberseite 21 des Substrats 20 befindet sich u. a. die Siliziumdioxidschicht 30, auf der wiederum die wellenführende Siliziumschicht 40 angeordnet ist. Das Substrat 20, die Sili¬ ziumdioxidschicht 30 sowie die wellenführende Siliziumschicht 40 werden durch ein SOI (Silicon on Insulator) -Material ge¬ bildet .
In der wellenführenden Siliziumschicht 40 ist ein Rippenwel¬ lenleiter 50 vorgesehen; die Rippenbreite der Rippe 51 ist in der Figur 8 mit dem Bezugszeichen B gekennzeichnet. Neben der Rippe 51 befinden sich Stege 52 und 53, deren Steghöhe bzw. Schichthöhe kleiner als die der Rippe 51 ist. Die Ausbrei¬ tungsrichtung des Lichtstrahls Pa gemäß Figur 2 steht senk¬ recht zur Bildebene in Figur 8 und kann aus der Bildebene heraus oder in die Bildebene hinein gerichtet sein; bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 8 wird beispielhaft davon ausgegangen, dass der Lichtstrahl Pa in die Bildebene hineingerichtet ist.
Auf der wellenführenden Siliziumschicht 40 befinden sich weitere Materialschichten, beispielsweise in Form der Zwischenschicht 70 und der oberen Deckschicht 80.
In der Deckschicht 80 ist die Beugungs- und Brechungsstruktur 100 integriert, die zweidimensional ausgestaltet ist und eine Strahlformung in zwei Achsen durchführt, nämlich sowohl entlang Pfeilrichtung bzw. entlang der Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls Pa gemäß den Figuren 2 und 8 - also entlang der Längsrichtung des Rippenwellenleiters 50 - als auch senkrecht dazu, also entlang der Pfeilrichtung Y in Figur 8. Wie bereits erwähnt, wird die Beugungs- und Brechungsstruktur 100 vorzugsweise mittels einer oder mehrerer Lithographieschritte sowie mittels einer oder mehrerer Ätzschritte hergestellt.
Die Figur 8 lässt außerdem erkennen, dass die Beugungs- und Brechungsstruktur 100 entlang der Pfeilrichtung Y durch ein einstufiges Stufenprofil gebildet ist, das geätzte Abschnitte 101 und nichtgeätzte Abschnitte 102 umfasst.
Die Anordnung der geätzten Abschnitte 101 und der ungeätzten Abschnitte 102 ist beispielsweise derart gewählt, dass die Beugungs- und Brechungsstruktur 100 eine zweidimensionale bzw. in zwei Achsen arbeitende Fresnel-Linse 300 bildet. Die durch die geätzten Abschnitte 101 und die ungeätzten Ab¬ schnitte 102 der Beugungs- und Brechungsstruktur 100 gebilde¬ te Fresnel-Linse 300 ist in der Figur 3 in einer Draufsicht näher im Detail gezeigt.
Selbstverständlich kann die Beugungs- und Brechungsstruktur 100 entlang der Pfeilrichtung Y auch mehrstufig sein, wie
dies im Zusammenhang mit den Figuren 4 und 5 erläutert worden ist .
Die Figur 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen SOI-Wellenleiter, der für die optischen Bauelemente gemäß den Figuren 1 und 6 bzw. die photonisch integrierten Chips gemäß den Figuren 2 und 4 bis 5 geeignet ist, im Querschnitt, und zwar beispielhaft anhand des photonisch integrierten Chips gemäß Figur 2.
Man erkennt in der Figur 9 das Substrat 20, auf dessen Ober¬ seite 21 eine Mehrzahl an Materialschichten angeordnet ist. Auf der Oberseite 21 des Substrats 20 befindet sich u. a. die Siliziumdioxidschicht 30, auf der wiederum die wellenführende Siliziumschicht 40 angeordnet ist. Das Substrat 20, die Sili¬ ziumdioxidschicht 30 sowie die wellenführende Siliziumschicht 40 bilden SOI (Silicon on Insulator) -Material .
In der wellenführenden Siliziumschicht 40 ist ein Rippenwel- lenleiter 50 vorgesehen; die Rippenbreite der Rippe 51 ist in der Figur 9 mit dem Bezugszeichen B gekennzeichnet ist. Neben der Rippe 51 ist das Silizium abschnittsweise vollständig entfernt worden, beispielsweise weggeätzt worden, so dass die in der Figur 8 gezeigten Stege 52 und 53 fehlen. Im Übrigen gelten die obigen Erläuterungen, insbesondere diejenigen im
Zusammenhang mit der Figur 8, für das Ausführungsbeispiel ge¬ mäß Figur 9 entsprechend.
Zusammengefasst wird bei den obigen Ausführungsbeispielen auf eine oder mehrere obere Materialschichten, vorzugsweise auf die oberste Materialschicht (Deckschicht 80), des photonisch integrierten Chips 2, also dem sogenannten "Backend of Line"- Bereich des photonisch integrierten Chips, eine lithogra-
phisch erzeugte optische Beugungs- und Brechungsstruktur 100 zur Strahlformung von Licht eingebracht. Dazu werden vorzugs¬ weise stufenartige Strukturen in die oberste oder eine oder mehrere obere Materialschichten geätzt. Je nach Anzahl der verwendeten Ätzschritte, die z. B. durch die Anzahl der zur Verfügung stehenden Belichtungsmasken limitiert sein kann, können Strukturen mit einer oder mehreren in der Tiefe gestaffelten Stufen realisiert werden. Diese Strukturen fungieren in ihrer Gesamtheit als refraktives und diffraktives Strahlformungselement für einen bestimmten Wellenlängenbe¬ reich durch gezielte räumliche Variation des Brechungsindex. Die geätzten und die nicht geätzten Bereiche besitzen unterschiedliche Brechungsindizes. Die Laufzeiten und Ausbrei¬ tungsrichtungen von Lichtwellen durch diese verschiedenen Be- reiche sind somit unterschiedlich, so dass die Wellenfront der eingestrahlten Lichtwelle nach Propagation durch die Beugungs- und Brechungsstruktur verformt wird. Dieser Effekt kann beispielsweise dazu genutzt werden, den Lichtstrahl zu kollimieren oder sogar zu fokussieren, bevor er in einer tie- feren Schicht des Chips 2, dem sogenannten "Frontend of Li- ne"-Bereich des Chips, auf den Gitterkoppler 60 in der wellenführenden Materialschicht trifft. Mit größerer Anzahl von Stufen in der Beugungs- und Brechungsstruktur 100 kann das Beugungs- und Brechungsverhalten einer perfekten Linse ange- nähert werden. Die Beugungs- und Brechungsstruktur 100 wird vorzugsweise durch einen photo-lithographischen Belichtungsund Ätzprozess, der auch mit einem Plasmaätzprozess kombi¬ niert werden kann, oder auch durch Ionenstrahlätzen hergestellt. Dieser Prozess findet üblicherweise am Schluss der vollständigen Prozessierung des Chips statt.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungs¬ beispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die
Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Literatur
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Bezugs zeichenliste
1 Bauelement
2 Chip
3 Komponente
4 Komponente
20 Substrat
21 Oberseite
30 Siliziumdioxidschicht
40 Siliziumschicht
50 Rippenwellenleiter
51 Rippe
52 Steg
53 Steg
60 Gitterkoppler
70 Zwischenschicht
80 Deckschicht
100 Beugungs- und Brechungsstruktur
100a Beugungs- und Brechungsstruktur 101 geätzte Abschnitte
102 nichtgeätzte Abschnitte
200 gekrümmte Wellenfront
201 ebene Wellenfront
203 konvergente Wellenfront
300 Fresnel-Linse
400 binäre Stufenlinse
B Rippenbreite
Pa Lichtstrahl
Pe Lichtstrahl