TW202405492A - 帶狀加載光波導 - Google Patents

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Abstract

帶狀加載光波導包括平板(slab)層、帶狀(strip)層、和包覆(cladding)區。平板層具有第一光學折射率和沿橫向方向量測的第一寬度，該橫向方向垂直於透過帶狀加載光波導的光傳播方向。帶狀層設置於平板層上。帶狀層具有第二光學折射率和沿橫向方向量測的第二寬度。第二寬度小於平板層的第一寬度。第二光學折射率小於平板層的第一光學折射率。包覆區位於平板層上方及帶狀層上方。包覆區具有第三光學折射率，其小於帶狀層的第二光學折射率。

Description

帶狀加載光波導
本揭露內容相關於帶狀加載光波導。
光學資料通訊系統藉由調製雷射光來操作，以編碼數位資料圖案。調製的雷射光係透過光資料網路從發送節點傳輸到接收節點。到達接收節點的調製雷射光被解調製，以獲得原始數位資料圖案。因此，光學資料通訊系統的實施和操作取決於具有可靠且有效的光波導，用於引導傳播光訊號。在本文中提出本文揭露的實施例。
在例示性實施例中揭露帶狀加載光波導。帶狀加載光波導包括平板層，其具有第一光學折射率和沿橫向方向量測的第一寬度，該橫向方向垂直於透過帶狀加載光波導的光傳播方向。帶狀加載光波導亦包括帶狀層，其設置在平板層上方。帶狀層具有第二光學折射率和沿橫向方向量測的第二寬度。第二寬度小於平板層的第一寬度。第二光學折射率小於平板層的第一光學折射率。帶狀加載光波導亦包括包覆區，其設置於平板層上方及帶狀層上方。包覆區具有第三光學折射率，其小於帶狀層的第二光學折射率。
在例示性實施例中揭露用於製造光波導的方法。方法包括在平板層上設置帶狀層。帶狀層具有沿橫向方向量測的寬度，該橫向方向垂直於透過光波導的光傳播方向。平板層具有沿橫向方向量測的寬度。帶狀層的寬度小於平板層的寬度。帶狀層具有光學折射率，其小於平板層的光學折射率。帶狀層的寬度設定為使平板層內於帶狀層下方之0階光學模式的尺寸最大，且不激發相對於0階光學模式的更高階的光學模式。方法亦包括在平板層和帶狀層上設置包覆層。包覆層具有光學折射率，其小於帶狀層的光學折射率。
在例示性實施例中揭露複數帶狀加載光波導。複數帶狀加載光波導包括平板層，其具有第一光學折射率和沿橫向方向量測的第一寬度，該橫向方向垂直於透過複數帶狀加載光波導的光傳播方向。複數帶狀加載光波導亦包括複數帶，其設置於帶狀層內，該帶狀層在平板層上方。複數帶的每一者具有沿該橫向方向量測的帶寬度。複數帶的相鄰定位者彼此間隔開帶到帶距離，該帶到帶距離係沿橫向方向量測。複數帶的每一者具有第二光學折射率，其小於平板層的第一光學折射率。複數帶範圍內沿橫向方向的總距離小於平板層的第一寬度。複數帶狀加載光波導亦包括包覆區，其設置於平板層上方，複數帶上方，以及複數帶之相鄰定位者之間。包覆區具有第三光學折射率，其小於複數帶的第二光學折射率。
在例示性實施例中揭露用於製造光波導的方法。方法包括在平板層上設置複數帶。複數帶的每一者具有沿橫向方向量測的帶寬度，該橫向方向垂直於透過光波導的光傳播方向。複數帶的相鄰定位者係彼此間隔開帶到帶距離，該帶到帶距離係沿橫向方向量測。複數帶的每一者具有第二光學折射率，其小於平板層的第一光學折射率。複數帶範圍內沿橫向方向的總距離小於平板層沿該橫向方向量測的寬度。複數帶範圍內沿橫向方向的總距離設定為使平板層內複數帶下方之0階光學模式的尺寸最大，且不激發相對於0階光學模式的更高階的光學模式。方法亦可包括於平板層上方，複數帶上方，以及複數帶之相鄰定位者之間設置包覆層。包覆層具有光學折射率，其小於複數帶的光學折射率。
在下文的描述中，提出許多特定細節，以提供對本文所揭露實施例的理解。對於本領域的技術人員而言，將明顯的是，可在沒有這些特定細節之一些者或全部者的情況下實施本文所揭露實施例。在其他情況下，已熟知的製程操作不做詳細描述，以免不必要地模糊所揭露實施例
本文揭露的諸多實施例關於光資料通訊。整合光子平台對廣泛的應用而言變得越來越有吸引力，例如感測和光學資料通訊，其受益於在單個晶片上實施複數的光學功能。特別地，矽光子平台已成為關鍵技術，因為其允許在單個基板上實現電學和光學功能二者，該單個基板可使用現有且成熟的互補金屬氧化物半導體(CMOS，complementary metal-oxide-semiconductor)製造製程加以製造。矽光子還允許整合具有高折射率對比度的光波導，這進而達成緊密的彎曲半徑和綜合的光學系統佔用面積(footprint)。
使用矽作為光波導材料的缺點是多光子吸收，這導致在高光功率下光傳播損耗的增加。雙光子吸收(TPA，two-photon absorption)特別存在於電通訊光學資料通訊波段中。在高光強度下，TPA導致光波導材料內的光吸收，且對應地在光波導材料內產生自由載體(自由移動且對應地攜帶電荷的電子或電洞)，這進而導致光波導材料之折射率的改變(起因於自由載體散射(FCD，free carrier dispersion))及額外的光吸收(起因於光波導材料內的自由載體吸收(FCA，free carrier absorption))。由於TPA對應於光強度，該效應可藉由增加光波導的尺寸來減輕，使得光的傳播模式的光強度峰值對於給定的光功率而言較低。然而，較大的光波導通常支持傳播光的高階模式。這些高階模式的啟動可導致光波導中不樂見的光損耗和光干涉效應。本文揭露的諸多實施例使用帶狀加載光波導，其中CMOS相容材料帶沉積在矽平板上方，以提供橫向方向上光的光引導。由此帶狀加載光波導所支持的傳播光的準橫向電學(TE，transverse electric)光學模式相較於支持相同數量之傳播光的光學模式的帶狀光波導而言具有顯著較大的模式區域。
在矽光子平台中，光波導和元件由於TPA和FCA而在高光功率下遭受增加的光損耗。TPA為非線性吸收現象，其隨著光場強度而增加。TPA在單模式帶狀光波導中或在肋狀光波導中尤其成問題，該單模式帶狀光波導或肋狀光波導常用於為光訊號設定軌跡(routing)。此外，TPA還可能在元件中導致增加的功率相依光損耗，該元件支持傳播光的複數光學模式，例如方向性光學耦合器或複數模式光學干涉儀(interferometer)。
在一些應用中，可增加光波導寬度，以增加光學模式區域並降低光學模式的光強度，這進而降低TPA。然而，光波導寬度的增加導致光波導支持不用於承載光訊號之額外的光學模式。任何被散射到這些額外的光學模式中的傳播光可能干擾光學系統中下游某處的光訊號，且在光傳輸光譜中產生不樂見的偽影(aitifact)。
本文揭露用於光波導的諸多實施例，該光波導設置為包括矽、鍺、或矽-鍺合金平板層以及用作橫向方向光引導機構的覆蓋介電條。上述光波導配置被稱為帶狀加載光波導。與支持特定數量光學模式的帶狀或肋狀光波導中的光學模式相比，支持相同數量光學模式的帶狀加載光波導(如帶狀或肋狀光波導)中的光學模式可具有顯著較大的光學模式區域，從而降低TPA在高光功率情形中的影響。
圖1A顯示根據一些實施例在CMOS平台內製造的帶狀加載光波導100的垂直剖面圖。帶狀加載光波導100包括具有光學折射率n1和垂直厚度t1的平板層101。在諸多實施例中，平板層101由矽、鍺、或矽-鍺合金等其他材料形成。在一些實施例中，平板層101是未摻雜的。在其他實施例中，平板層101係摻雜的。帶狀加載光波導100還包括帶狀層103，其具有光學折射率n2、沿y方向量測的垂直厚度t2、和沿x方向量測的寬度ws。在一些實施例中，帶狀層103由與CMOS製造製程相容的介電材料形成。在一些實施例中，帶狀層103的光學折射率n2小於平板層101的光學折射率n1。例如，在一些實施例中，帶狀層103由矽氮化物(SiNx)形成。然而，在一些實施例中，帶狀層103由另一CMOS相容的介電材料形成，例如矽氮氧化物(SiON)或鋁氮化物(AlN)，以及其他材料。如沿x方向量測之平板層101的寬度實質上大於由帶狀層103所引導的之傳播光的光學模式或複數光學模式。
在一些實施例中，帶狀加載光波導100包括設置在平板層101和帶狀層103之間的中間層105。中間層105具有光學折射率n3和沿y方向量測的垂直厚度t3。中間層105的光學折射率n3小於或等於平板層101的光學折射率n1。在諸多實施例中，中間層105由CMOS相容的介電材料形成。在帶狀加載光波導100的一些實施例中，不存在中間層105，即t3等於零。
帶狀加載光波導100位於下方絕緣體層107的頂部上，下方絕緣體層107具有的光學折射率n5小於平板層101的光學折射率n1。在一些實施例中，下方絕緣體層107由矽氧化物形成。在一些實施例中，下方絕緣體層107由二氧化矽(SiO 2)形成。然而，在一些實施例中，下方絕緣體層107由另一CMOS相容的絕緣體材料形成，例如鋁氧化物等。此外，包覆區109形成在帶狀加載光波導100的頂部的範圍。包覆區109具有的光學折射率n4大於1且小於帶狀層103的光學折射率n2，即1＜n4＜n2。在一些實施例中，包覆區109由矽氧化物形成(SiOx)。在一些實施例中，包覆區109由二氧化矽形成(SiO 2)。
帶狀層103沿x方向提供局部增加的有效光學折射率，這用於光波導。在垂直方向(y方向)上，光波導和光限制由平板層101和相鄰之(複數)絕緣體層或(複數)介電層(例如，帶狀層103、中間層105(存在時)、下方絕緣體層107、和包覆區109之相鄰部分)之間的光學折射率對比加以提供。對於平板層101厚度t1和帶狀層103厚度t2的給定組合而言，帶狀層103的寬度ws定義為支持單一準TE模式或複數準TE模式，其用於透過帶狀加載光波導100的光傳播。
圖1B顯示根據一些實施例在CMOS平台內製造的複數帶狀加載光波導150的垂直剖面圖。複數帶狀加載光波導150設置成類似於圖1A的帶狀加載光波導100，但帶狀加載光波導100的帶狀層103被複數帶狀層111代替。複數帶狀層111包括多個(N)帶(帶1至帶N，其中N大於1)，其定義傳播光引導區110，傳播光引導區110沿x方向具有增加的有效光學折射率。N個帶(帶1至帶N)在複數帶狀層111內設置成陣列配置。N個帶(帶1至帶N)的每一者具有光學折射率n2。在一些實施例中，N個帶(帶1至帶N)的每一者由與CMOS製造製程相容的介電材料形成。例如，在一些實施例中，N個帶(帶1至帶N)的每一者由矽氮化物(SiNx)形成。然而，在一些實施例中，N個帶(帶1至帶N)的每一者由另一CMOS相容的介電材料形成，諸如矽氮氧化物(SiON)或鋁氮化物(AlN)等材料。
N個帶(帶1至帶N)具有沿x方向量測的分別的寬度(w1到wN)。在一些實施例中，N個帶(帶1至帶N)的不同寬度(w1到wN)在尺寸上實質上相等，即彼此均勻。然而，在一些實施例中，N個帶(帶1至帶N)的不同寬度(w1至wN)不均勻且尺寸相關於彼此改變。N個帶(帶1到帶N)的每一者具有垂直厚度t2。N個帶沿x方向以間距s1到sN-1彼此隔開，其中間距s1是沿x方向在帶1和帶2之間量測的，且間距s2是沿x方向在帶2和帶3之間量測等，間距sN-1是沿x方向在帶N-1和帶N之間量測。在一些實施例中，N個帶(帶1至帶N)之相鄰定位者之間的不同間距(s1到sN-1)彼此尺寸實質上相等，即均勻。然而，在一些實施例中，N個帶(帶1至帶N)的不同間距(s1到sN-1)不均勻，且尺寸相對於彼此不同。對於平板層101厚度t1和複數帶狀層111厚度t2的給定組合而言，N個帶(帶1到帶N)的不同寬度(w1到wN)，及N個帶(帶1至帶N)之相鄰定位者之間的不同間距(s1到sN-1)共同定義成支持透過複數帶狀加載光波導150之光傳播的單一準TE模式或多個準TE模式。
圖2A顯示根據一些實施例在CMOS平台內製造的帶狀加載光波導100A的垂直剖面圖。帶狀加載光波導100A是圖1A的帶狀加載光波導100的例示性實施例。帶狀加載光波導100A中的平板層101由矽(Si)形成。帶狀加載光波導100A中的帶狀層103由矽氮化物(SiNx)形成。帶狀加載光波導100A中的下方絕緣體層107由二氧化矽(SiO 2)形成。帶狀加載光波導100A中的中間層105由二氧化矽(SiO 2)形成。在一些實施例中，帶狀加載光波導100A中的包覆區109由矽氧化物形成。在一些實施例中，帶狀加載光波導100A中的包覆區109由二氧化矽(SiO 2)形成。圖2A包括光學折射率(n)標度(scale)，其指示帶狀加載光波導100A內的諸多元件的光學折射率。
在例示性帶狀加載光波導100A中，平板層101的厚度t1約為160 奈米(nm)，帶狀層103的厚度t2約為300nm，中間層105的厚度t3約為25nm，帶狀層103的寬度ws約為1.45微米(μm)。帶狀加載光波導100A是單模式帶狀加載光波導的範例。在一些實施例中，對於帶狀加載光波導100A而言，平板層101的厚度t1在從約50奈米(nm)延伸至約4000nm的範圍內。在一些實施例中，對於帶狀加載光波導100A而言，帶狀層103的厚度t2在約20nm至約2000nm的範圍內。在一些實施例中，對於帶狀加載光波導100A而言，中間層105的厚度t3在從0nm延伸至約250nm的範圍內。在一些實施例中，對於帶狀加載光波導100A而言，帶狀層103的寬度ws在從約500nm延伸至約3000nm的範圍內。本文中使用的用語「約 」通常表示所述值的正或負10%。
圖2B顯示根據一些實施例透過帶狀加載光波導100A的光傳播的模擬準TE光學模式201。在一些實施例中，透過如圖2B所示之帶狀加載光波導100A的光傳播的TE0模式201為帶狀加載光波導100A在1290nm的傳播光波長下所支持的僅有的光學模式。在一些實施例中，用於帶狀加載光波導100A的單模式操作的傳播光波長在從約1微米延伸至約17微米的範圍內。在一些實施例中，帶狀加載光波導100A的單模式操作的傳播光波長設定為覆蓋矽和鍺二者的透明窗部。
圖2C顯示根據一些實施例的圖2A的帶狀加載光波導100A的垂直剖面的近視圖。圖2D顯示根據一些實施例透過圖2B的帶加載光波導100A的光傳播的模擬準TE光學模式的近視圖。
圖3A顯示根據一些實施例在CMOS平台內製造的單模式帶狀光波導300的垂直剖面圖。單模式帶狀光波導300包括光波導結構301，其形成為由包覆區303圍繞的矽帶(Si)，包覆區303由二氧化矽(SiO 2)形成。圖3A包括光學折射率(n)標度，其指示單模式光波導300內諸多元件的光學折射率。與圖1A的帶狀加載光波導100A相比，單模式帶狀光波導300不包括相鄰的帶狀層103。因此，應該理解，單模式帶狀光波導300不是帶狀加載光波導，例如關於圖1A至2D所描述。相對於圖1A的帶狀加載光波導100A的平板層101，光波導結構301具有沿x方向量測的較小的寬度wx。在例示性單模式帶狀光波導300中，光波導結構301的寬度wx約為250nm，其接近用於傳播具有1290nm之波長的光的單一準TE模式截止寬度wx。類似於圖1A的帶狀加載光波導100A的平板層101，光波導結構301具有沿y方向量測的約160nm的垂直厚度ty。
圖3B顯示根據一些實施例透過圖3A的單模式帶狀光波導300光傳播的模擬準TE光學模式305。如上所述，沿x方向量測的光波導結構301的寬度wx接近用於支持傳播光之僅有的單一TE模式305的最大允許寬度。單一準TE模式截止寬度是光波導結構301的寬度，在該寬度上光波導結構301支持複數準TE模式。圖2D與圖3B的比較顯示，與圖3A的單模式帶狀光波導300提供的TE模式305區域相比，圖1A的帶狀加載光波導100A提供的TE模式201區域是增加的。圖2D與圖3B的比較顯示，帶狀加載光波導100A的TE0模式201可顯著大於在相同矽層中實施之單模式帶狀光波導300的TE0模式305。
圖4A顯示根據一些實施例在CMOS平台內製造的帶狀加載光波導100B的垂直剖面圖。帶狀加載光波導100B是圖1A的帶狀加載光波導100的例示性實施例。帶狀加載光波導100B中的平板層101由矽(Si)形成。帶狀加載光波導100B中的帶狀層103由矽氮化物(SiNx)形成。帶狀加載光波導100B中的下方絕緣體層107由二氧化矽(SiO 2)形成。帶狀加載光波導100B中的中間層105由二氧化矽(SiO 2)形成。帶狀加載光波導100B中的包覆區109由二氧化矽(SiO 2)形成。圖4A包括光學折射率(n)標度，其指示帶狀加載光波導100B內的諸多元件的光學折射率。
在例示性帶狀加載光波導100B中，平板層101的厚度t1約為160nm，帶狀層103的厚度t2約為300nm，中間層105 的厚度t3約為25nm，且帶狀層103的寬度ws約為5μm。帶狀加載光波導100B是複數模式帶狀加載光波導的範例，其中帶狀層103的寬度ws定義為足夠大，以支持使用平板層101之傳播光的複數模式。在一些實施例中，對於複數模式帶狀加載光波導100B而言，平板層101的厚度t1在約50nm延伸至約4000nm的範圍內。在一些實施例中，對於複數模式帶狀加載光波導100B而言，帶狀層103的厚度t2在從約20nm延伸至約2000nm的範圍內。在一些實施例中，對於複數模式帶狀加載光波導100B而言，中間層105的厚度t3在從0nm延伸至約250nm的範圍內。在一些實施例中，對於複數模式帶狀加載光波導100B而言，帶狀層103的寬度ws在從約0.5微米延伸至約100微米的範圍內。在一些實施例中，帶狀層103的寬度ws設定成足夠大，以包括對大自由空間區域或複數模式干涉儀(MMI, multi-mode interferometer)區域的覆蓋，其為有效高的複數模式光波導。
圖4B顯示根據一些實施例透過圖4A的帶狀加載光波導100B的光傳播的模擬準TE0光學模式400。圖4C顯示根據一些實施例透過圖4A的帶狀加載光波導100B的光傳播的模擬準TE1光學模式401。圖4D顯示根據一些實施例透過圖4A的帶加載光波導100B的光傳播的模擬準TE2光學模式402。在圖4B、4C、和4D的範例中，透過帶狀加載光波導100B的光傳播具有1290nm的波長。在一些實施例中，用於帶狀加載光波導100B的複數模式操作的傳播光波長在從約1微米延伸至約17微米的範圍內。在一些實施例中，帶狀加載光波導100B的複數模式操作的傳播光波長設定為覆蓋矽和鍺二者的透明窗部。
圖5A顯示根據一些實施例在CMOS平台內製造的複數帶狀加載光波導150A的垂直剖面圖。複數帶狀加載光波導150A是圖1B的複數帶狀加載光波導150的例示性實施例，其中 N 等於七(7)，使得複數帶狀加載光波導150A的帶狀層111包括七個帶(帶1到帶7)。複數帶狀加載光波導150A中的平板層101由矽(Si)形成。複數帶狀加載光波導150A中的七個帶(帶1至帶7)的每一者由矽氮化物(SiNx)形成。複數帶狀加載光波導150A中的下方絕緣體層107由二氧化矽(SiO 2)形成。複數帶狀加載光波導150A中的中間層105由二氧化矽(SiO 2)形成。複數帶狀加載光波導150A中的包覆區109由二氧化矽(SiO 2)形成。圖5A包括光學折射率(n)標度，其指示複數帶狀加載光波導150A內的諸多元件的光學折射率。
在例示性複數帶狀加載光波導150A中，平板層101的厚度t1約為160nm，七個帶(帶1至帶7)的每一者的厚度t2約為300nm，且中間層105的厚度t3約為25nm。七個帶(分別為帶1至帶7)的寬度w1至w7的每一者約為200nm。七個帶(帶1至帶7)中相鄰定位者之間的帶到帶間距s1至s6的每一者約為200nm。複數帶狀加載光波導150A是單模式複數帶狀加載光波導的範例。
圖5B顯示根據一些實施例透過複數帶狀加載光波導150A的光傳播的模擬準TE(TE0)光學模式501。在一些實施例中，透過圖5B中顯示的複數帶狀加載光波導150A的光傳播的TE0模式501是在1290nm之傳播光波長下由複數帶狀加載光波導150A支持的一光學模式。
圖6A顯示根據一些實施例在CMOS平台內製造的複數帶狀加載光波導150B的垂直剖面圖。複數帶狀加載光波導150B是圖1B的複數帶狀加載光波導150的例示性實施例，其中N等於十七(17)，使得複數帶狀加載光波導150B的帶狀層111包括十七個帶(帶1到帶17)。複數帶狀加載光波導150B中的平板層101由矽(Si)形成。複數帶狀加載光波導150B中的十七個帶(帶1至帶17)的每一者由矽氮化物(SiNx)形成。複數帶狀加載光波導150B中的下方絕緣體層107由二氧化矽(SiO 2)形成。複數帶狀加載光波導150B中的中間層105由二氧化矽(SiO 2)形成。複數帶狀加載光波導150B中的包覆區109由二氧化矽(SiO 2)形成。圖6A包括光學折射率(n)標度，其指示複數帶狀加載光波導150B內的諸多元件的光學折射率。
在例示性複數帶狀加載光波導150B中，平板層101的厚度t1約為160nm，十七個帶(帶1至帶17)的每一者的厚度t2約為300nm，且中間層105的厚度t3約為25nm。十七個帶(分別為帶1到帶17)的寬度w1到w7的每一者約為200nm。十七個帶(帶1至帶17)中相鄰定位者之間的帶到帶間距s1到s16的每一者約為200nm。複數帶狀加載光波導150B是複數模式複數帶狀加載光波導的範例。
圖6B顯示根據一些實施例透過複數帶狀加載光波導150B的光傳播的模擬準TE0光學模式600。圖6C顯示根據一些實施例透過複數帶狀加載光波導150B的光傳播的模擬準TE1光學模式601。圖6D顯示根據一些實施例透過複數帶狀加載光波導150B的光傳播的模擬準TE2光學模式602。在圖6B、6C、和6D的範例中，透過複數帶狀加載光波導150B的光傳播具有1290nm的波長。
圖7A顯示根據一些實施例圖1A的帶狀加載光波導100的垂直剖面圖，其中PIN接面二極體沿x方向實施於帶狀加載光波導100的範圍。p型摻雜區701形成在平板層101的階層，其在帶狀層103相對於x方向的第一側上。n型摻雜區703形成在平板層101的階層，其在帶狀層103相對於x方向的第二側上。第一導電金屬接觸部705形成為沿y方向垂直延伸穿過包覆區109及中間層105(存在時)，以電性接觸p型摻雜區701。第二導電金屬接觸部707形成為沿y方向垂直延伸穿過包覆區109和中間層105(存在時)，以電性接觸n型摻雜區703。以這種方式，第一金屬接觸部705和第二金屬接觸部707形成在帶狀加載光波導100內的傳播光引導區的相對側上。
在p型摻雜區701和n型摻雜區703之間延伸的平板層101的一部分用作內在區，使得p型摻雜區701、n型摻雜區703、和在p型摻雜區701和n型摻雜區703之間延伸的平板層101的部分共同形成帶狀加載光波導100內的PIN接面二極體。在一些實施例中，p型摻雜區701的寬度和n型摻雜區703的寬度定義成使得p型摻雜區701和n型摻雜區703在帶狀層103下方的位置處彼此接觸，使得p型摻雜區701和n型摻雜區703共同形成帶狀加載光波導100內的PN接面二極體。
在一些實施例中，在第一金屬接觸部705和第二金屬接觸部707之間施加電壓電勢，使得電壓電勢被施加在延伸於p型摻雜區701和n型摻雜區703之間的平板層101的部分上。在一些實施例中，施加在延伸於p型摻雜區701和n型摻雜區703之間的平板層101的一部分之範圍內的電壓電勢受到控制，以局部地降低平板層101的傳播光引導部分內的自由載體濃度。在一些實施例中，施加在延伸於p型摻雜區701和n型摻雜區703之間的平板層101的一部分之範圍內的電壓電勢受到控制，以在平板層101的傳播光引導部分的範圍內施加特定控制的電場。
根據一些實施例，圖7B顯示圖1B的複數帶狀加載光波導150的垂直剖面圖，其中PIN接面二極體沿x方向實施於複數帶狀加載光波導150的範圍。p型摻雜區721形成在平板層101的階層，其在複數帶狀層111相對於x方向的第一側。n型摻雜區723形成在平板層101的階層，其在複數帶狀層111相對於x方向的第二側。第一導電金屬接觸部725形成為沿y方向垂直延伸穿過包覆區109和中間層105(存在時)，以電性接觸p型摻雜區721。第二導電金屬接觸部727形成為沿y方向垂直延伸穿過包覆區109和中間層105(存在時)，以電性接觸n型摻雜區723。以這種方式，第一金屬接觸部725和第二金屬接觸部727形成在複數帶狀加載光波導150內之傳播光引導區110的相對側。
在p型摻雜區721和n型摻雜區723之間延伸的平板層101的一部分用作內在區，使得p型摻雜區721、n型摻雜區723、和在p型摻雜區721與n型摻雜區723之間延伸的平板層101的部分共同地形成複數帶狀加載光波導150內的PIN接面二極體。在一些實施例中，p型摻雜區721的寬度和n型摻雜區723的寬度定義為使得p型摻雜區721及n型摻雜區723在複數帶狀層111下方位置處彼此接觸，使得p型摻雜區721和n型摻雜區723共同地形成複數帶狀加載光波導150內的PN接面二極體。
在一些實施例中，電壓電勢被施加在第一金屬接觸部725和第二金屬接觸部727之間，使得電壓電勢被施加於在p型摻雜區721和n型摻雜區723之間延伸的平板層101的部分的範圍內。在一些實施例中，施加於在p型摻雜區721和n型摻雜區723之間延伸的平板層101的部分的範圍內的電壓電勢受到控制，以局部地降低平板層101的傳播光引導區110內的自由載體濃度 。在一些實施例中，施加於在p型摻雜區721和n型摻雜區723之間延伸的平板層101的部分的範圍內的電壓電勢受到控制，以局部地增加平板層101的傳播光引導區110內的自由載體濃度。在一些實施例中，施加於在p型摻雜區721和n型摻雜區723之間延伸的平板層101的部分的範圍內的電壓電勢受到控制，以在平板層101的傳播光引導區110的範圍內施加特定控制的電場。
根據一些實施例，圖8A顯示圖1A的帶狀加載光波導100的俯視圖，其中交錯的PIN/PN接面二極體實施在帶狀加載光波導100內。圖8B顯示根據一些實施例透過圖8A的帶狀加載光波導100的垂直剖面圖，參考為視圖A-A。圖8C顯示根據一些實施例透過圖8A的帶狀加載光波導100的另一垂直剖面圖，參考為視圖B-B。
p型重摻雜區801形成在平板層101的階層，其在帶狀層103相對於x方向的第一側。n型重摻雜區803形成在平板層101的位準，其在帶狀層103相對於x方向的第二側。第一導電金屬接觸部809形成為沿y方向垂直延伸穿過包覆區109和中間層105(存在時)，以電性接觸p型重摻雜區801。第二導電金屬接觸部811形成為沿y方向垂直延伸穿過包覆區109和中間層105(存在時)，以電性接觸n型重摻雜區803。以這種方式，p型重摻雜區801和n型重摻雜區803形成為提供歐姆金屬接觸。第一金屬接觸部809和第二金屬接觸部811形成在帶狀加載光波導100內的傳播光引導區110的相對側。
一系列p型摻雜區805形成在平板層101階層，以從p型重摻雜區801延伸於帶狀層103下方的傳播光引導區的範圍內。一系列n型摻雜區807形成在平板層101階層，以從n型重摻雜區803延伸於帶狀層103下方的傳播光引導區的範圍內。p型摻雜區805和n型摻雜區807在z方向上沿帶狀加載光波導100的長度交替定位。以這種方式，該系列之p型摻雜區805和該系列之n型摻雜區807在z方向上沿帶狀加載光波導100的長度係交錯的。位於p型摻雜區805和n型摻雜區807之相鄰者之間的平板層101的部分用作內在區，使得p型摻雜區805、n型摻雜區807、和位於n型摻雜區805與n型摻雜區807之間的平板層101的部分共同地形成帶狀加載光波導100內的諸多PIN接面二極體。
在一些實施例中，沿z方向量測的p型摻雜區805的長度d1與沿z方向量測的n型摻雜區807的長度d2定義為相對於彼此分開，且可因實施例不同而改變。在一些實施例中，沿z方向量測的p型摻雜區805的長度d1在z方向上沿帶狀加載光波導100的長度形成的一系列p型摻雜區805內是實質上均勻的。在一些實施例中，沿z方向量測的不同的p型摻雜區805具有不同的長度d1，其在z方向上沿帶狀加載光波導100的長度形成的一系列p型摻雜區805內。在一些實施例中，p型摻雜區805的長度d1在從0微米延伸至約20微米的範圍內。
在一些實施例中，沿z方向量測的n型摻雜區807的長度d2在z方向上沿帶狀加載光波導100的長度形成的一系列n型摻雜區807內是實質上均勻的。在一些實施例中，沿z方向量測的不同的n型摻雜區807具有不同的長度d2，其在z方向上沿帶狀加載光波導100的長度形成的一系列n型摻雜區807內。在一些實施例中，n型摻雜區807的長度d2在從0微米延伸至約20微米的範圍內。
p型摻雜區805與n型重摻雜區803隔開沿x方向量測的距離d3。n型摻雜區807與p型重摻雜區801隔開沿x方向量測的距離d4。給定的一n型摻雜區807與p型摻雜區805中的第一相鄰者隔開沿z方向量測的距離d5，且與p型摻雜區805的第二相鄰者隔開沿z方向量測的距離 d6。距離d3、d4、d5、和d6定義內在區的尺寸，該內在區存在於p型摻雜區801/805和n型摻雜區803/807之間。
在諸多實施例中，帶狀加載光波導100內給定位置處的距離d3大於零，使得PIN接面二極體由以下者形成：p型摻雜區805、n型重摻雜區803、以及給定位置處之平板層101的中間部分。在諸多實施例中，帶狀加載光波導100內給定位置處的距離d3為零，使得PN接面二極體由給定位置處的p型摻雜區805及n型重摻雜區803形成。在一些實施例中，帶狀加載光波導100內給定位置處的距離d3在從0nm延伸至約500nm的範圍內。
在諸多實施例中，帶狀加載光波導100內給定位置處的距離d4大於零，使得PIN接面二極體由以下者形成：n型摻雜區807、p型重摻雜區801、以及給定位置處之平板層101的中間部分。在諸多實施例中，帶狀加載光波導100內給定位置處的距離d4為零，使得PN接面二極體由給定位置處的n型摻雜區807及n型重摻雜區801形成。在一些實施例中，帶狀加載光波導100內給定位置處的距離d4在從0nm延伸至約500nm的範圍內。
在諸多實施例中，帶狀加載光波導100內給定位置處的距離d5大於零，使得PIN接面二極體由相鄰的以下者形成：p型摻雜區805、及n型摻雜區807、以及給定位置處之平板層101的中間部分。在諸多實施例中，帶狀加載光波導100內給定位置處的距離d5為零，使得PN接面二極體由給定位置處的p型摻雜區805及n型摻雜區807形成。在一些實施例中，帶狀加載光波導100內給定位置處的距離d5在從0nm延伸至約500nm的範圍內。
在諸多實施例中，帶狀加載光波導100內給定位置處的距離d6大於零，使得PIN接面二極體由相鄰的以下者形成：p型摻雜區805、及n型摻雜區807、以及給定位置處之平板層101的中間部分。在諸多實施例中，帶狀加載光波導100內給定位置處的距離d6為零，使得PN接面二極體由給定位置處的p型摻雜區805及n型摻雜區807形成。在一些實施例中，帶狀加載光波導100內給定位置處的距離d6在從0nm延伸至約500nm的範圍內。
圖9A顯示根據一些實施例圖1B的複數帶狀加載光波導150的俯視圖，其中交錯的PIN/PN接面二極體實施在複數帶狀加載光波導150內。圖9B顯示根據一些實施例透過圖9A的複數帶狀加載光波導150的垂直剖面圖，參考為視圖A-A。圖9C顯示根據一些實施例透過圖9A的複數帶狀加載光波導150的另一垂直剖面圖，參考為視圖B-B。
p型重摻雜區901形成在平板層101的階層，其在帶狀層111相對於x方向的第一側。n型重摻雜區903形成在平板層101的階層，其在帶狀層111相對於x方向的第二側。第一導電金屬接觸部909形成為沿y方向垂直延伸穿過包覆區109和中間層105(存在時)，以電性接觸p型重摻雜區901。第二導電金屬接觸部911形成為沿y方向垂直延伸穿過包覆區109和中間層105(存在時)，以電性接觸n型重摻雜區903。以這種方式，p型重摻雜區901和n型重摻雜區903形成為提供歐姆金屬接觸。第一金屬接觸部909和第二金屬接觸部911形成在複數帶狀加載光波導150內的傳播光引導區110的相對側。
一系列p型摻雜區905形成在平板層101階層，以從p型重摻雜區901延伸於帶狀層103下方的傳播光引導區的範圍內。一系列n型摻雜區907形成在平板層101階層，以從n型重摻雜區903延伸於帶狀層103下方的傳播光引導區的範圍內。p型摻雜區905和n型摻雜區907在z方向上沿複數帶狀加載光波導150的長度交替定位。以這種方式，該系列之p型摻雜區905和該系列之n型摻雜區907在z方向上沿複數帶狀加載光波導150的長度係交錯的。位於p型摻雜區905和n型摻雜區907之相鄰者之間的平板層101的部分用作內在區，使得p型摻雜區905、n型摻雜區907、和位於p型摻雜區905與n型摻雜區907之間的平板層101的部分共同地形成複數帶狀加載光波導150內的諸多PIN接面二極體。
在一些實施例中，沿z方向量測的p型摻雜區905的長度d1與沿z方向量測的n型摻雜區907的長度d2定義為相對於彼此分開，且可因實施例不同而改變。在一些實施例中，沿z方向量測的p型摻雜區905的長度d1在z方向上沿複數帶狀加載光波導150的長度形成的一系列p型摻雜區905內是實質上均勻的。在一些實施例中，沿z方向量測的不同的p型摻雜區905具有不同的長度d1，其在z方向上沿複數帶狀加載光波導150的長度形成的一系列p型摻雜區905內。在一些實施例中，p型摻雜區905的長度d1在從0微米延伸至約20微米的範圍內。
在一些實施例中，沿z方向量測的n型摻雜區907的長度d2在z方向上沿複數帶狀加載光波導150的長度形成的一系列n型摻雜區907內是實質上均勻的。在一些實施例中，沿z方向量測的不同的n型摻雜區907具有不同的長度d2，其在z方向上沿複數帶狀加載光波導150的長度形成的一系列n型摻雜區907內。在一些實施例中，n型摻雜區907的長度d2在從0微米延伸至約20微米的範圍內。
p型摻雜區905與n型重摻雜區903隔開沿x方向量測的距離d3。n型摻雜區907與p型重摻雜區901隔開沿x方向量測的距離d4。給定的一n型摻雜區907與p型摻雜區905中的第一相鄰者隔開沿z方向量測的距離d5，且與p型摻雜區805的第二相鄰者隔開沿z方向量測的距離 d6。距離d3、d4、d5、和d6定義內在區的尺寸，該內在區存在於p型摻雜區901/905和n型摻雜區903/907之間。
在諸多實施例中，複數帶狀加載光波導150內給定位置處的距離d3大於零，使得PIN接面二極體由以下者形成：p型摻雜區905、n型重摻雜區903、以及給定位置處之平板層101的中間部分。在諸多實施例中，複數帶狀加載光波導150內給定位置處的距離d3為零，使得PN接面二極體由給定位置處的p型摻雜區905及n型重摻雜區903形成。在一些實施例中，複數帶狀加載光波導150內給定位置處的距離d3在從0nm延伸至約500nm的範圍內。
在諸多實施例中，複數帶狀加載光波導150內給定位置處的距離d4大於零，使得PIN接面二極體由以下者形成：n型摻雜區907、p型重摻雜區901、以及給定位置處之平板層101的中間部分。在諸多實施例中，複數帶狀加載光波導150內給定位置處的距離d4為零，使得PN接面二極體由給定位置處的n型摻雜區907及n型重摻雜區901形成。在一些實施例中，複數帶狀加載光波導150內給定位置處的距離d4在從0nm延伸至約500nm的範圍內。
在諸多實施例中，複數帶狀加載光波導150內給定位置處的距離d5大於零，使得PIN接面二極體由相鄰的以下者形成：p型摻雜區905、及n型摻雜區907、以及給定位置處之平板層101的中間部分。在諸多實施例中，複數帶狀加載光波導150內給定位置處的距離d5為零，使得PN接面二極體由給定位置處的p型摻雜區905及n型摻雜區907形成。在一些實施例中，複數帶狀加載光波導150內給定位置處的距離d5在從0nm延伸至約500nm的範圍內。
在諸多實施例中，複數帶狀加載光波導150內給定位置處的距離d6大於零，使得PIN接面二極體由相鄰的以下者形成：p型摻雜區905、及n型摻雜區907、以及給定位置處之平板層101的中間部分。在諸多實施例中，複數帶狀加載光波導150內給定位置處的距離d6為零，使得PN接面二極體由給定位置處的p型摻雜區905及n型摻雜區907形成。在一些實施例中，複數帶狀加載光波導150內給定位置處的距離d6在從0nm延伸至約500nm的範圍內。
在一些實施例中，帶狀加載光波導100、100A、100B包括平板層101、帶狀層103、和包覆區 109。平板層101具有光學折射率(nl)和沿橫向方向(x方向)量測的第一寬度，該橫向方向(x方向)垂直於透過帶狀加載光波導100、100A、100B的光傳播方向(z方向)。帶狀層103設置在平板層101上方。帶狀層103具有光學折射率(n2)和沿橫向方向(x方向)量測的第二寬度(ws)。帶狀層103的第二寬度(ws)小於平板層101的第一寬度。帶狀層103的光學折射率(n2)小於平板層101的光學折射率(n1)。包覆區109具有的光學折射率(n4)小於帶狀層103的光學折射率(n2)。在一些實施例中，帶狀加載光波導100、100A、100B包括絕緣體層107，其中平板層101設置在絕緣體層107上。絕緣體層107具有的光學折射率(n5)小於平板層101的光學折射率(n1)。在一些實施例中，帶狀加載光波導100、100A、100B包括設置在平板層101上方且帶狀層103下方的中間層105。中間層105具有的光學折射率(n3)小於或等於平板層101的光學折射率(nl)。
帶狀層103在橫向方向(x方向)上提供局部增加的有效光學折射率。在一些實施例中，帶狀層103的第二寬度(ws)定義為支持透過帶狀加載光波導100、100A、100B的單模式的光傳播。在一些實施例中，帶狀層103的第二寬度(ws)定義為支持透過帶狀加載光波導100、100A、100B的光傳播的複數模式。在一些實施例中，帶狀層103的第二寬度(ws)在從約0.5微米延伸至約100微米的範圍內。在一些實施例中，平板層101的垂直厚度(t1)在從約50奈米延伸至約4000奈米的範圍內，且帶狀層103的垂直厚度(t2)在從約20奈米延伸到約2000奈米的範圍內。
在一些實施例中，平板層101由矽、鍺、和矽鍺合金中的一或更多者形成，且帶狀層103由矽氮化物、矽氮氧化物、和鋁氮化物中的一或更多者形成。在一些實施例中，包覆區109由矽氧化物形成。在一些實施例中，絕緣體層107由二氧化矽或鋁氧化物形成。在一些實施例中，中間層105由介電材料形成。
在一些實施例中，帶狀加載光波導100、100A、100B包括p型摻雜區701，其形成在平板層101的第一部分內，沿橫向方向(x方向)之帶狀層103的第一側上。在這些實施例中，帶狀加載光波導100、100A、100B還包括第一金屬接觸結構705，其穿過包覆區109和中間層105(存在時)而形成，以電性接觸p型摻雜區701。在這些實施例中，帶狀加載光波導100、100A、100B還包括n型摻雜區703，其形成在平板層101的第二部分內，沿橫向方向(x方向)之帶狀層103的第二側上。在這些實施例中，帶狀加載光波導100、100A、100B還包括第二金屬接觸結構707，其穿過包覆區109和中間層105(存在時)而形成，以電性接觸n型摻雜區703。在一些實施例中，第一金屬接觸結構705和第二金屬接觸結構707係電性連接，以在延伸於p型摻雜區701和n型摻雜區703之間的平板層101的一部分的範圍內施加電壓電勢。
在一些實施例中，p型摻雜區701是第一p型摻雜區801，其配置成沿帶狀加載光波導100、100A、100B的長度延伸，該長度係沿透過帶狀加載光波導100、100A、100B之光傳播方向(z方向)量測。此外，n型摻雜區703是第一n型摻雜區803，其配置成沿帶狀加載光波導100、100A、100B的長度延伸，該長度係沿透過帶狀加載光波導100、100A、100B之光傳播方向(z方向)量測。帶狀加載光波導100、100A、100B還包括形成在平板層101內的一系列p型摻雜區805。該系列p型摻雜區805的每一p型摻雜區805在帶狀層103下方在橫向方向(x方向)上從第一p型摻雜區801向第一n型摻雜區803延伸。該系列p型摻雜區805內的相鄰p型摻雜區805在透過帶狀加載光波導100、100A、100B的光傳播方向(z方向)上彼此間隔開。在這些實施例中，帶狀加載光波導100、100A、100B還包括形成在平板層101內的一系列n型摻雜區807。該系列n型摻雜區807的每一n型摻雜區807在帶狀層103下方在橫向方向(x方向)上從第一n型摻雜區803向第一p型摻雜區801延伸。該系列n型摻雜區807的每一n型摻雜區807定位在該系列p型摻雜區805之對應一對的相鄰定位的p型摻雜區805之間。
在一些實施例中，該系列n型摻雜區807的每一者與以下兩者間隔開：第一p型摻雜區801和該系列p型摻雜區805，從而形成一或更多PIN接面二極體。在一些實施例中，該系列p型摻雜區805的每一者與以下兩者間隔開：第一n型摻雜區803和該系列n型摻雜區807，從而形成一或更多PIN接面二極體。在一些實施例中，該系列n型摻雜區807的每一者與第一p型摻雜區801和該系列p型摻雜區805中一或更多者接合，以形成一或更多PN接面二極體。在一些實施例中，該系列p型摻雜區805的每一者與第一n型摻雜區803和該系列n型摻雜區807中一或更多者接合，以形成一或更多PN接面二極體。
圖10顯示根據一些實施例用於製造帶狀加載光波導100、100A、100B的方法的流程圖。方法包括操作1001，用於將帶狀層103設置在平板層101上方。帶狀層103具有沿橫向方向(x方向)量測的寬度(ws)，該橫向方向(x方向)垂直於透過帶狀加載光波導100、100A、100B的光傳播方向(z方向)。平板層101具有沿橫向方向(x方向)量測的寬度，使得帶狀層103的寬度(ws)小於平板層101的寬度。帶狀層103具有光學折射率(n2)，其小於平板層101的光學折射率(n1)。帶狀層103的寬度(ws)設定為使平板層101內帶狀層103下方之0階光學模式的尺寸最大，且實質上不激發相對於0階光學模式的更高階的光學模式。方法還包括操作1003，用於在平板層101和帶狀層103二者上設置包覆層109。包覆層109具有光學折射率(n4)，其小於帶狀層103的光學折射率(n2)。
在一些實施例中，複數帶狀加載光波導150、150A、150B包括平板層101、複數帶狀層111內的複數帶、和包覆區109。平板層101具有光學折射率(n1)和沿橫向方向(x方向)量測的寬度，該橫向方向(x方向)垂直於透過複數帶狀加載光波導150、150A、150B的光傳播方向(z方向)。複數帶設置複數帶狀層111內，平板層101上方。複數帶的每一者具有沿橫向方向(x方向)量測的帶寬度。複數帶中相鄰定位者係彼此隔開帶到帶距離，如沿橫向方向(x方向)量測。複數帶的每一者具有光學折射率(n2)，其小於平板層101的光學折射率(n1)。在橫向方向(x方向)上跨越複數帶的總距離小於平板層101的寬度。包覆區109設置在平板層101上方、複數帶上方、以及複數帶中相鄰定位者之間。包覆區109具有光學折射率(n4)，其小於複數帶的光學折射率(n2)。在一些實施例中，複數帶狀加載光波導150、150A、150B包括絕緣體層107，其中平板層101設置在絕緣體層107上。絕緣體層107具有光學折射率(n5)，其小於平板層101的光學折射率(n1)。在一些實施例中，複數帶狀加載光波導150、150A、150B包括設置在平板層101上方且複數帶下方的中間層105。中間層105具有光學折射率(n3)，其小於或等於平板層101的光學折射率(n1)。
在一些實施例中，複數帶在橫向方向(x方向)上提供局部增加的有效光學折射率。在一些實施例中，沿橫向方向(x方向)跨越複數帶的總距離定義為支持透過複數帶狀加載光波導150、150A、150B的單模式的光傳播。在一些實施例中，沿橫向方向(x方向)跨越複數帶的總距離定義為支持透過複數帶狀加載光波導150、150A、150B的複數模式的光傳播。
在一些實施例中，複數帶在橫向方向(x方向)上的總距離在從約0.5微米延伸至約100微米的範圍內。在一些實施例中，帶寬度(w2)在從約100奈米延伸至約1000奈米的範圍內。在一些實施例中，帶寬度(w2)對於複數帶的每一者實質上相同。在一些實施例中，帶寬度(w2)對於複數帶中的至少兩者不同。在一些實施例中，帶到帶距離(即，沿橫向方向(x方向)量測之相鄰定位的帶之間的間距)在從約100奈米延伸至約1000奈米的範圍內。在一些實施例中，帶到帶距離在複數帶內的每對相鄰帶之間實質上相同。在一些實施例中，帶到帶距離在複數帶內的至少兩不同對的相鄰帶之間不同。在一些實施例中，平板層101的垂直厚度(t1)在約50奈米延伸至約4000奈米的範圍內，且複數帶的每一者的垂直厚度(t2)在約20奈米延伸至約2000奈米的範圍內。
在一些實施例中，平板層101由矽、鍺、和矽-鍺合金中的一或更多者形成，且複數帶的每一者由矽氮化物、矽氮氧化物、和鋁氮化物中的一或更多者形成。在一些實施例中，包覆區109由矽氧化物形成。在一些實施例中，絕緣體層107由二氧化矽或鋁氧化物形成。在一些實施例中，中間層105由介電材料形成。
在一些實施例中，複數帶狀加載光波導 150、150A、150B包括p型摻雜區721，其形成在平板層101的第一部分內，在橫向方向(x方向)上之複數帶的第一側上。此外，第一金屬接觸結構725形成為穿過包覆區109和中間層105(存在時)，以電性接觸p型摻雜區721。此外，n型摻雜區723形成在平板層101的第二部分內，在複數帶的第二側的上，該第二側在橫向方向(x方向)上與複數帶的第一側相對。此外，第二金屬接觸結構727形成為穿過包覆區109和中間層105(存在時)，以電性接觸n型摻雜區723。在一些實施例中，第一金屬接觸結構725和第二金屬接觸結構727係電性連接，以在延伸於p型摻雜區721和n型摻雜區723之間的平板層101的部分的範圍內施加電壓電勢。
在一些實施例中，p型摻雜區721是第一p型摻雜區901，其配置成沿複數帶狀加載光波導150、150A、150B的長度延伸，該長度係沿透過複數帶狀加載光波導150、150A、150B之光傳播方向(z方向)量測。此外，n型摻雜區723是第一n型摻雜區903，其配置成沿複數帶狀加載光波導150、150A、150B的長度延伸，該長度係沿透過複數帶狀加載光波導150、150A、150B之光傳播方向(z方向)量測。此外，複數帶狀加載光波導150、150A、150B包括形成在平板層101內的一系列p型摻雜區905。該系列p型摻雜區905的每一p型摻雜區905在複數帶下方在橫向方向(x方向)上從第一p型摻雜區901向第一n型摻雜區903延伸。該系列p型摻雜區905內的相鄰p型摻雜區905在透過複數帶狀加載光波導150、150A、150B的光傳播方向(z方向)上彼此間隔開。此外，複數帶狀加載光波導150、150A、150B包括形成在平板層101內的一系列n型摻雜區907。該系列n型摻雜區907的每一n型摻雜區907在複數帶下方在橫向方向(x方向)上從第一n型摻雜區903向第一p型摻雜區901延伸。該系列n型摻雜區907的每一n型摻雜區907定位在該系列p型摻雜區905之對應一對的相鄰定位的p型摻雜區905之間。
在一些實施例中，該系列n型摻雜區907的每一者與以下兩者間隔開：第一p型摻雜區901和該系列p型摻雜區905，從而形成一或更多PIN接面二極體。在一些實施例中，該系列p型摻雜區905的每一者與以下兩者間隔開：第一n型摻雜區903和該系列n型摻雜區907，從而形成一或更多PIN接面二極體。在一些實施例中，該系列n型摻雜區907的每一者與第一p型摻雜區901和該系列p型摻雜區905中一或更多者接合，以形成一或更多PN接面二極體。在一些實施例中，該系列p型摻雜區905的每一者與第一n型摻雜區903和該系列n型摻雜區907中一或更多者接合，以形成一或更多PN接面二極體。
圖11顯示根據一些實施例用於製造複數帶狀加載光波導150、150A、150B的方法的流程圖。方法包括操作1101，用於將複數帶設置在平板層101上方。複數帶的每一者具有沿橫向方向(x方向)量測的帶寬度(ws)，該橫向方向(x方向)垂直於透過複數帶狀加載光波導150、150A、150B的光傳播方向(z方向)。複數帶中相鄰定位者係彼此隔開帶到帶距離，如沿橫向方向(x方向)量測。複數帶的每一者具有光學折射率(n2)，其小於平板層101的光學折射率(n1)。在橫向方向(x方向)上跨越複數帶的總距離小於平板層101沿橫向方向(x方向)量測的寬度。在橫向方向(x方向)上跨越複數帶的總距離設定為使平板層101內複數帶下方之0階光學模式的尺寸最大，且實質上不激發相對於0階光學模式的更高階的光學模式。方法還包括操作1103，用於在平板層101上方、複數帶上方、及複數帶之相鄰定位者之間設置包覆層109。包覆層109具有光學折射率(n4)，其小於複數帶的光學折射率(n2)。
前述描述已針對說明和描述的目的而提供實施例，且不意圖為詳盡的或限制性的。特定實施例的分別的元件或特徵通常不限於該特定實施例，但是在適用的情況下，即使沒有特別顯示或描述，其仍為可互換的且可用於選擇的實施例中。以此方式，來自本文揭露一或更多實施例的一或更多特徵可與來自本文揭露一或更多其他實施例的一或更多特徵加以組合，以形成未在本文中明確揭露但在本文中隱含揭露的另一實施例。該其他實施例也可以多種方式改變。這樣的實施例改變不應被視為背離本文的揭露內容，且全部這樣的實施例改變和修改旨在包括在本文提供的揭露內容的範圍內。
雖然一些方法操作在本文中可以特定的順序描述，但是應該理解，其他內部處理操作可在方法操作之間執行，及/或方法操作可被調整使得其在稍微不同的時間或同時發生，或者可分佈在系統中，該系統允許處理操作發生於與處理相關的諸多時間間隔，只要方法操作的處理係以提供方法的成功實施的方式執行即可。
雖然為了清楚理解的目的已經對前述實施例進行了一些詳細的描述，但顯而易見的是，在所附專利申請範圍的範圍內可作出某些改變及修改。因此，本文揭露實施例係被認為是說明性而非限制性，且因此不受限於僅本文給出的細節，但可在所附申請專利範圍的範圍及等效物內加以調整。
100:光波導 100A:光波導 100B:光波導 101:平板層 103:帶狀層 105:中間層 107:絕緣體層 109:包覆區 110:光引導區 111:帶狀層 150:光波導 150A:光波導 150B:光波導 201:模式 300:光波導 301:光波導結構 303:包覆區 305:模式 400:模式 401:模式 402:模式 501:模式 600:模式 601:模式 602:模式 721:p型摻雜區 723:n型摻雜區 725:接觸部 727:接觸部 801:p型重摻雜區 803:n型重摻雜區 805:p型摻雜區 807:n型摻雜區 809:接觸部 811:接觸部 901:p型重摻雜區 903:n型重摻雜區 905:p型摻雜區 907:n型摻雜區 909:接觸部 911:接觸部 1001:操作 1003:操作 1101:操作 1103:操作 d1~d6:距離 n1~n5:光學折射率 s1~Sn-1:間距 t1~t3:厚度 w1~wN:寬度 ws:寬度
圖1A顯示根據一些實施例在CMOS平台內製造的帶狀加載光波導的垂直剖面圖。
圖1B顯示根據一些實施例在CMOS平台內製造的複數帶狀加載光波導的垂直剖面圖。
圖2A顯示根據一些實施例在CMOS平台內製造的帶狀加載光波導的垂直剖面圖。
圖2B顯示根據一些實施例透過帶狀加載光波導之光傳播的模擬準TE光學模式。
圖2C顯示根據一些實施例圖2A的帶狀加載光波導的垂直剖面的近視圖。
圖2D顯示根據一些實施例透過圖2B的帶狀加載光波導的光傳播的模擬準TE光學模式的近視圖。
圖3A顯示根據一些實施例在CMOS平台內製造的單模式帶狀光波導的垂直剖面圖。
圖3B顯示根據一些實施例透過圖3A之單模式帶狀光波導的光傳播的模擬準TE光學模式。
圖4A顯示根據一些實施例在CMOS平台內製造的帶狀加載光波導的垂直剖面圖。
圖4B顯示根據一些實施例透過圖4A之帶狀加載光波導的光傳播的模擬準TE0光學模式。
圖4C顯示根據一些實施例透過圖4A的帶狀加載光波導的光傳播的模擬準TE1光學模式。
圖4D顯示根據一些實施例透過圖4A的帶狀加載光波導的光傳播的模擬準TE2光學模式。
圖5A顯示根據一些實施例在CMOS平台內製造的複數帶狀加載光波導的垂直剖面圖。
圖5B顯示根據一些實施例透過複數帶狀加載光波導的光傳播的模擬準TE(TE0)光學模式。
圖6A顯示根據一些實施例在CMOS平台內製造的複數帶狀加載光波導的垂直剖面圖。
圖6B顯示根據一些實施例透過複數帶狀加載光波導的光傳播的模擬準TE0光學模式。
圖6C顯示根據一些實施例透過複數帶狀加載光波導的光傳播的模擬準TE1光學模式。
圖6D顯示根據一些實施例透過複數帶狀加載光波導的光傳播的模擬準TE2光學模式。
圖7A顯示根據一些實施例圖1A的帶狀加載光波導的垂直剖面圖，其中PIN接面二極體沿x方向實施於帶狀加載光波導範圍內。
圖7B顯示根據一些實施例圖1B的複數帶狀加載光波導的垂直剖面圖，其中PIN接面二極體沿x方向實施於複數帶狀加載光波導範圍內。
圖8A顯示根據一些實施例圖1A的帶狀加載光波導的俯視圖，其中交錯的PIN/PN接面二極體實施於帶狀加載光波導範圍內。
圖8B顯示根據一些實施例穿過圖8A的帶狀加載光波導的垂直剖面圖，參考為視圖A-A。
圖8C顯示根據一些實施例穿過圖8A的帶狀加載光波導的另一垂直剖面圖，參考為視圖B-B。
圖9A顯示根據一些實施例圖1B的複數帶狀加載光波導的俯視圖，其中交錯的PIN/PN接面二極體實施於複數帶狀加載光波導的範圍內。
圖9B顯示根據一些實施例穿過圖9A的複數帶狀加載光波導的垂直剖面圖，參考為視圖A-A。
圖9C顯示根據一些實施例穿過圖9A的複數帶狀加載光波導的另一垂直剖面圖，參考為視圖B-B。
圖10顯示根據一些實施例用於製造帶狀加載光波導的方法的流程圖。
圖11顯示根據一些實施例用於製造複數帶狀加載光波導的方法的流程圖。
100:帶狀加載光波導
101:平板層
103:帶狀層
105:中間層
107:絕緣體層
109:包覆區
n1~n5:光學折射率
t1~t3:厚度
ws:寬度

Claims (46)

  1. 一種帶狀加載光波導，包括： 一平板層，具有一第一光學折射率和沿一橫向方向量測的一第一寬度，該橫向方向垂直於透過該帶狀加載光波導的一光傳播方向； 一帶狀層，設置在該平板層上方，該帶狀層具有一第二光學折射率和沿該橫向方向量測的一第二寬度，該第二寬度小於該平板層的該第一寬度，該第二光學折射率小於該平板層的該第一光學折射率； 一包覆區，設置於該平板層上方及該帶狀層上方，該包覆區具有一第三光學折射率，該第三光學折射率小於該帶狀層的該第二光學折射率。
  2. 如請求項1的帶狀加載光波導，其中該帶狀層在該橫向方向上提供局部增加的有效光學折射率。
  3. 如請求項1的帶狀加載光波導，其中該帶狀層的該第二寬度定義為支持透過該帶狀加載光波導的單模式的光傳播。
  4. 如請求項1的帶狀加載光波導，其中該帶狀層的該第二寬度定義為支持透過該帶狀加載光波導的複數模式的光傳播。
  5. 如請求項1的帶狀加載光波導，其中該帶狀層的該第二寬度在從約0.5微米延伸至約100微米的範圍內。
  6. 如請求項1的帶狀加載光波導，其中該平板層由矽、鍺、和矽-鍺合金中的一或更多者形成，且其中該帶狀層由矽氮化物、矽氮氧化物、和鋁氮化物中的一或更多者形成。
  7. 如請求項1的帶狀加載光波導，其中該包覆區由矽氧化物形成。
  8. 如請求項1的帶狀加載光波導，其中該平板層的一垂直厚度在從約50奈米延伸至約4000奈米的範圍內，且其中該帶狀層的一垂直厚度在從約20奈米延伸到約2000奈米的範圍內。
  9. 如請求項1的帶狀加載光波導，更包括： 一絕緣體層，該平板層設置在該絕緣體層上，該絕緣體層具有一第四光學折射率，該第四光學折射率小於該平板層的該第一光學折射率。
  10. 如請求項9的帶狀加載光波導，其中該絕緣體層由二氧化矽或鋁氧化物形成。
  11. 如請求項1的帶狀加載光波導，更包括： 一中間層，設置在該平板層上方和該帶狀層下方，該中間層具有一第四光學折射率，該第四光學折射率小於或等於該平板層的該第一光學折射率。
  12. 如請求項11的帶狀加載光波導，其中該中間層由介電材料形成。
  13. 如請求項12的帶狀加載光波導，更包括： 一p型摻雜區，其沿該橫向方向形成在該平板層的一第一部分中，且在該帶狀層的一第一側上； 一第一金屬接觸結構，其形成穿過該包覆區和該中間層，以電性接觸該p型摻雜區； 一n型摻雜區，其沿該橫向方向形成在該平板層的一第二部分中，且在該帶狀層的一第二側上，該第二側與該帶狀層的該第一側相對；以及 一第二金屬接觸結構，其形成穿過該包覆區和該中間層，以電性接觸該n型摻雜區。
  14. 如請求項13的帶狀加載光波導，其中該第一金屬接觸結構和該第二金屬接觸結構電性連接，以在延伸於該p型摻雜區和該n型摻雜區之間的該平板層的一部分的範圍內施加一電壓電勢。
  15. 如請求項13的帶狀加載光波導，其中該p型摻雜區是第一p型摻雜區，其配置為沿該帶狀加載光波導的一長度延伸，該長度係沿透過該帶狀加載光波導的該光傳播方向量測，且其中該n型摻雜區是第一n型摻雜區，其配置為沿該帶狀加載光波導的該長度延伸，該長度係沿透過該帶狀加載光波導的該光傳播方向量測，該帶狀加載光波導更包括： 一系列p型摻雜區，其形成在該平板層內，該系列p型摻雜區的每一p型摻雜區沿該橫向方向在該帶狀層下方從該第一p型摻雜區向該第一n型摻雜區延伸，其中該系列p型摻雜區內之相鄰p型摻雜區在透過該帶狀加載光波導的該光傳播方向上彼此間隔開，以及 一系列n型摻雜區，其形成在該平板層內，該系列n型摻雜區的每一n型摻雜區沿該橫向方向在該帶狀層下方從該第一n型摻雜區向該第一p型摻雜區延伸，其中該系列n型摻雜區內的每一n型摻雜區定位於該系列p型摻雜區的對應一對之相鄰定位的p型摻雜區之間。
  16. 如請求項15的帶狀加載光波導，其中該系列n型摻雜區的每一者與該第一p型摻雜區和該系列p型摻雜區二者皆間隔開，以形成一或更多PIN接面二極體。
  17. 如請求項15的帶狀加載光波導，其中該系列p型摻雜區的每一者與該第一n型摻雜區和該系列n型摻雜區二者皆間隔開，以形成一或更多PIN接面二極體。
  18. 如請求項15的帶狀加載光波導，其中該系列n型摻雜區的每一者與該第一p型摻雜區和該系列p型摻雜區中的一或更多者接合，以形成一或更多PN接面二極體。
  19. 如請求項15的帶狀加載光波導，其中該系列p型摻雜區的每一者與該第一n型摻雜區和該系列n型摻雜區中的一或更多者接合，以形成一或更多PN接面二極體。
  20. 一種用於製造光波導的方法，包括： 在一平板層上設置一帶狀層，該帶狀層具有沿一橫向方向量測的一寬度，該橫向方向垂直於透過該光波導的一光傳播方向，該平板層具有沿該橫向方向量測的一寬度，該帶狀層的該寬度小於該平板層的該寬度，該帶狀層具有一光學折射率，其小於該平板層的一光學折射率，其中該帶狀層的該寬度設定為使該平板層內於該帶狀層下方的0階光學模式的尺寸最大，且不激發相對於該0階光學模式的更高階的光學模式；以及 在該平板層和該帶狀層上設置一包覆層，該包覆層具有一光學折射率，其小於該帶狀層的該光學折射率。
  21. 一種複數帶狀加載光波導，包括： 一平板層，具有一第一光學折射率和沿一橫向方向量測的一第一寬度，該橫向方向垂直於透過該複數帶狀加載光波導的一光傳播方向； 複數帶，設置於一帶狀層內，該帶狀層在該平板層上方，該複數帶的每一者具有沿該橫向方向量測的一帶寬度，該複數帶的相鄰定位者彼此間隔開一帶到帶距離，該帶到帶距離係沿該橫向方向量測，該複數帶的每一者具有一第二光學折射率，其小於該平板層的該第一光學折射率，其中該複數帶範圍內沿該橫向方向的一總距離小於該平板層的該第一寬度；以及 一包覆區，設置於該平板層上方、該複數帶上方、以及在該複數帶之相鄰定位者之間，其中該包覆區具有一第三光學折射率，其小於該複數帶的該第二光學折射率。
  22. 如請求項21的複數帶狀加載光波導，其中該複數帶在該橫向方向上提供局部增加的有效光學折射率。
  23. 如請求項21的複數帶狀加載光波導，其中該複數帶範圍內沿該橫向方向的該總距離定義為支持透過該複數帶狀加載光波導的單模式的光傳播。
  24. 如請求項21的複數帶狀加載光波導，其中該複數帶範圍內沿該橫向方向的該總距離定義為支持透過該複數帶狀加載光波導的複數模式的光傳播。
  25. 如請求項21的複數帶狀加載光波導，其中該複數帶範圍內沿該橫向方向的該總距離係在從約0.5微米延伸至約100微米的範圍內。
  26. 如請求項21的複數帶狀加載光波導，其中該帶寬度在從約100奈米延伸到約1000奈米的範圍內。
  27. 如請求項26的複數帶狀加載光波導，其中對於該複數帶的每一者而言，該帶寬度實質上相同。
  28. 如請求項26的複數帶狀加載光波導，其中對於該複數帶的至少兩者而言，該帶寬度不同。
  29. 如請求項21的複數帶狀加載光波導，其中該帶到帶距離在從約100奈米延伸至約1000奈米的範圍內。
  30. 如請求項29的複數帶狀加載光波導，其中在該複數帶內的每一相鄰對的帶之間，該帶到帶距離實質上相同。
  31. 如請求項29的複數帶狀加載光波導，其中在該複數帶內的至少兩不同的相鄰對的帶之間，該帶到帶距離不同。
  32. 如請求項21的複數帶狀加載光波導，其中該平板層由矽、鍺、和矽-鍺合金中的一或更多者形成，且其中該複數帶的每一者由矽氮化物、矽氮氧化物、和鋁氮化物中的一或更多者形成。
  33. 如請求項21的複數帶狀加載光波導，其中該包覆區由矽氧化物形成。
  34. 如請求項21的複數帶狀加載光波導，其中該平板層的一垂直厚度在從約50奈米延伸至約4000奈米的範圍內，且其中該複數帶的每一者的一垂直厚度在從約20奈米延伸至約2000奈米的範圍內。
  35. 如請求項21的複數帶狀加載光波導，更包括： 一絕緣體層，該平板層設置在該絕緣體層上，該絕緣體層具有一第四光學折射率，其小於該平板層的該第一光學折射率。
  36. 如請求項35的複數帶狀加載光波導，其中該絕緣體層由二氧化矽或鋁氧化物形成。
  37. 如請求項21的複數帶狀加載光波導，更包括： 一中間層，其設置在該平板層上方及該複數帶下方，該中間層具有一第四光學折射率，其小於或等於的該平板層的該第一光學折射率。
  38. 如請求項37的複數帶狀加載光波導，其中該中間層由介電材料形成。
  39. 如請求項38的複數帶狀加載光波導，更包括： 一p型摻雜區，其沿該橫向方向形成在該平板層的一第一部分中，且位在該複數帶的一第一側上； 一第一金屬接觸結構，其形成穿過該包覆區和該中間層，以電性接觸該p型摻雜區； 一n型摻雜區，其沿該橫向方向形成在該平板層的一第二部分中，且位在該複數帶的一第二側上，該第二側與該複數帶的該第一側相對；以及 一第二金屬接觸結構，其形成穿過該包覆區和該中間層，以電性接觸該n型摻雜區。
  40. 如請求項39的複數帶狀加載光波導，其中該第一金屬接觸結構和該第二金屬接觸結構電性連接，以在延伸於該p型摻雜區和該n型摻雜區之間的該平板層的一部分的範圍內施加一電壓電勢。
  41. 如請求項39的複數帶狀加載光波導，其中該p型摻雜區是第一p型摻雜區，其配置為沿該複數帶狀加載光波導的一長度延伸，該長度係沿透過該複數帶狀加載光波導的該光傳播方向量測，且其中該n型摻雜區是第一n型摻雜區，其配置為沿該複數帶狀加載光波導的該長度延伸，該長度係沿透過該複數帶狀加載光波導的該光傳播方向量測，該複數帶狀加載光波導更包括： 一系列p型摻雜區，其形成在該平板層內，該系列p型摻雜區的每一p型摻雜區沿該橫向方向在該複數帶下方從該第一p型摻雜區向該第一n型摻雜區延伸，其中該系列p型摻雜區內之相鄰p型摻雜區在透過該複數帶狀加載光波導的該光傳播方向上彼此間隔開，以及 一系列n型摻雜區，其形成在該平板層內，該系列n型摻雜區的每一n型摻雜區沿該橫向方向在該複數帶下方從該第一n型摻雜區向該第一p型摻雜區延伸，其中該系列n型摻雜區內的每一n型摻雜區定位於該系列p型摻雜區之對應一對的相鄰定位的p型摻雜區之間。
  42. 如請求項41的複數帶狀加載光波導，其中該系列n型摻雜區的每一者與該第一p型摻雜區和該系列p型摻雜區二者皆間隔開，以形成一或更多PIN接面二極體。
  43. 如請求項41的複數帶狀加載光波導，其中該系列p型摻雜區的每一者與該第一n型摻雜區和該系列n型摻雜區二者皆間隔開，以形成一或更多PIN接面二極體。
  44. 如請求項41的複數帶狀加載光波導，其中該系列n型摻雜區的每一者與該第一p型摻雜區和該系列p型摻雜區中的一或更多者接合，以形成一或更多PN接面二極體。
  45. 如請求項41的複數帶狀加載光波導，其中該系列p型摻雜區的每一者與該第一n型摻雜區和該系列n型摻雜區中的一或更多者接合，以形成一或更多PN接面二極體。
  46. 一種用於製造光波導的方法，包括： 在一平板層上方設置複數帶，該複數帶的每一者具有沿一橫向方向量測的一帶寬度，該橫向方向垂直於透過該光波導的一光傳播方向，該複數帶的相鄰定位者係彼此間隔開一帶到帶距離，該帶到帶距離係沿該橫向方向量測，該複數帶的每一者具有一第二光學折射率，其小於該平板層的一第一光學折射率，其中該複數帶範圍內沿該橫向方向的一總距離小於該平板層沿該橫向方向量測的一寬度，其中該複數帶範圍內沿該橫向方向的該總距離設定為使該平板層內於該複數帶下方之0階光學模式的尺寸最大，且不激發相對於該0階光學模式的更高階的光學模式；以及 於該平板層上方、該複數帶上方、以及在該複數帶之相鄰定位者之間設置一包覆層，該包覆層具有一光學折射率，其小於該複數帶的該光學折射率。
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