TWI491952B - 包含光隔離器之積體光結構 - Google Patents

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Description

包含光隔離器之積體光結構
本發明係關於意欲整合至光學裝置中之光隔離器，諸如光電子組件，且詳言之係關於光子積體電路或PIC。此等光學裝置主要用於高速數位電信之領域中。本發明亦擴展至用於製造此光隔離器之方法。
本申請案係基於2011年10月20日申請之法國專利申請案第11,59,501號，該法國專利申請案之揭示內容係以全文引用之方式併入本文中，且在此根據35 U.S.C.§119主張其優先權。
光隔離器為在一個方向上具有高衰減且在相反方向上具有低衰減之非互易被動裝置；光隔離器使得有可能在僅一個方向上透射光，但防止光在相反方向上傳播。為此，光隔離器為用於消除光纖傳輸(尤其在高速下)中之反射及雜散光束之負效應的必要元件。
現今，商業產品不含有整合至其晶片中之任何光隔離器。光電子組件(尤其光子積體電路或PIC)之製造商等待解決方案。在本文之剩餘部分中，術語「積體組件」指代單體地併入至裝置中之組件，意謂由與裝置之組件共用之基板支撐的組件。
已研究了兩種類型之光隔離器。第一類型之光隔離器實施非互易光學效應使得其可充當光隔離器，光學效應中最熟知之效應為法拉第效應(Faraday effect)。當經受外部磁 場時，稱為磁光材料之某些材料改變光之偏振方向。此第一類型之光隔離器通常由下列各者組成：(i)具有法拉第效應之磁性石榴石晶體；(ii)用於施加界定之磁場之永久磁體；及(iii)僅允許具有給定偏振方向之光(入射光)通過同時阻斷具有正交於入射光之偏振方向的偏振方向之光通過的偏光元件。此第一類型之光隔離器難以整合至光學裝置中，此係因為其需要積體版本尚不可得之多個組件。
存在第二類型之光隔離器-吸收型光隔離器，其複合光學指數為非互易的。在存在磁場之情況下，諸如鐵-鈷金屬合金之某些鐵磁性材料之光學指數取決於光傳播之方向。取決於光之傳播方向，光將因此更多或更少地衰減。此第二類型之光隔離器十分適合於整合至尤其包含半導體雷射源之光學裝置中。
在此第二種光隔離器中，鐵磁性金屬引入常常大於20dB之高的光功率損失(包括在入射方向上)。因此，必須亦整合半導體光放大器或SOA以便補償此等光功率損失。因此，由SOA提供之光學信號之放大使得有可能抵銷鐵磁性材料在入射光傳播之第一方向上的光功率損失。在與傳播相反之方向上，鐵磁性材料之衰減保持顯著，以便防止光向後行進。
此第二類型之光隔離器通常包含由下列各者之堆疊的光放大器SOA：(i)n型摻雜之半導體材料層；(ii)放大作用部分，其具有大於圍繞該部分之層之光學指數；及(iii)p型摻雜之半導體材料層。為了整合光隔離器，可將鐵磁性金屬 沈積至SOA之波導之頂部或側面上。
在將鐵磁性金屬沈積至SOA之波導之頂部上的情況下，因為光學信號之傳播模式需要與該等鐵磁性金屬相互作用，所以條帶之高度非常關鍵。此係因為波導之厚度判定分離鐵磁性金屬與放大作用層之距離。在此情況下，將存在由電接觸層(常常由InGaAs、三元半導電材料製成)及電接觸傳遞金屬層(其置放於波導上方)兩者引起之相當大的光功率損失。
若將鐵磁性金屬沈積於SOA之波導之側面上，則一般在繼之以蝕刻步驟之沈積步驟中進行的鐵磁性金屬層沈積操作為極關鍵操作。藉由蝕刻移除材料之步驟結果變得非常難以在此類型之光隔離器中進行。
本發明之目的為揭示一種積體光結構，其包含第二類型之光隔離器，該光隔離器不展現此類型之光隔離器自先前技術已知之缺點。
本發明之另一目的為揭示一種積體光結構，其包含尤其藉由光功率損失之減小而使效能得到改良之光隔離器，光功率損失之減小有助於SOA光放大器之功率消耗之減小。
本發明之另一目的為揭示一種積體光結構，其包含製造較容易且較便宜之光隔離器。
本發明之目標為一種積體光結構，其包含- 至少一SOA光放大器，其包含一波導，該波導包含一n型摻雜之半導體層、一p型摻雜之半導體層及安置於該n型摻 雜之半導體層與該p型摻雜之半導體層之間的一作用分區，該至少一SOA光放大器與以下者相關聯- 至少一光隔離器，其安置於一SOI基底與該SOA光放大器波導之間，該至少一光隔離器包含安置於一下部絕緣層與一上部絕緣層之間的一磁光層。
該光隔離器之積體光結構使用將III-V半導電材料整合於矽基基板上之混合技術，稱為「SOI(「隔離器上矽」)上III-V」。在本發明情況下，替代如在先前技術中在III-V半導體波導之頂部上或側面上具有磁光層，現將磁光層安置於該波導之作用分區下方。
根據一個實施例，該光隔離器之磁光層為鐵磁性金屬材料層。鐵磁性材料包括鐵、鈷、鎳、鐵基合金(尤其鐵氧體)及/或Co，及化學式為X2 YZ之豪斯勒(HEUSLER)合金，諸如Cu2 MnAl、Cu2 MnIn、Cu2 MnSn等。較佳地，該光隔離器之磁光層為具有等原子組合物Fe50 Co50 之金屬合金層。
根據另一實施例，該光隔離器之磁光層為一磁性氧化物層(石榴石、鈣鈦礦等)。
根據第一態樣，該上部絕緣層及該下部絕緣層係由選自氮化矽SiN及矽氧化物SiOx 之間的一絕緣材料製成。
根據第二態樣，該波導之該n型摻雜之半導體層及該p型摻雜之半導體層係由III-V族之半導電材料(尤其磷化銦InP或砷化鎵GaAs)製成。
根據第三態樣，該波導之該作用區包含具有多個量子井 之一結構。
本發明之另一目標為具有包含如上文所描述之至少一積體光結構之光學裝置，該至少一積體光結構包含至少一光隔離器及至少一SOA光放大器。
本發明之另一目標為具有一種用於產生先前所描述之積體光結構之方法。該方法包含以下步驟：- 將一絕緣材料之一第一層沈積至一SOI基底上，- 將一磁光層沈積至絕緣材料之該第一層上，- 將一絕緣材料之一第二層沈積至該磁光層上，- 將一半導電晶粒貼附至絕緣材料之該第二層，- 處理該半導電晶粒以便產生一光波導。
較佳地，該磁光層係藉由一陰極噴塗方法沈積。
有利地，該磁光層經蝕刻以便給予該磁光層使得有可能增加磁光效應之一結構。
根據一變體，該方法包含意欲使用一CMP方法使一絕緣材料層之表面平滑的至少一操作。
本發明具有若干優點，包括：- 現分離將電流注入至放大作用區中與該磁光層，此情形允許獨立於該磁光層之最佳化來最佳化電流注入；- 用於產生光學裝置之技術係基於SOI上III-V之混合整合，因此隔離器之製造比在先前技術中容易得多，且光隔離器可藉此在矽PIC光子積體電路上使用。
本發明意欲供光電子組件製造商使用，尤其供PIC光子積體電路使用。
本發明之其他特性及優點將在閱讀自然地藉由非限制性實例給出的一個實施例之以下描述之後變得顯而易見。
當然，由於此等圖僅用來說明本發明，因此所描繪之各種元件之尺寸未必按比例繪製。
圖1描繪藉由混合技術SOI上III-V產生之包含光隔離器的積體光結構。SOI技術由將矽氧化物SiOx (諸如，SiO2 )之電絕緣層插入於矽Si的半導電之薄上部層與矽Si的半導電之厚下部層之間組成，其中該總成構成SOI基底。
光隔離器1經整合至SOI基底2上，SOI基底包含藉由絕緣層4(例如，由如矽石SiO2 之矽氧化物SiOx 製成之絕緣層)覆蓋、用第二晶態矽Si層5封頂之晶態矽Si層3或任何其他半導電基板。通常，矽層之厚度為至多0.5μm且矽氧化物層之厚度為約2μm。
光隔離器1與光波導6相關聯，該光波導6由下列各者之堆疊製成：半導電下部n型摻雜之III-V層7(例如，基於磷化銦InP之層)、作用區8及半導電上部p型摻雜之III-V層9(亦例如，基於磷化銦InP之層)。半導電材料III-V可尤其為磷化銦InP或砷化鎵GaAs。作用區8包含(例如)MQW(「多量子井」)結構。
SOA 10包含具有半導電多層結構之波導6，其係用(例如)由InGaAs三元半導電材料製成之上部電接觸層11封頂。上部電接觸層11本身經金屬膜12塗佈，金屬膜12使得有可能經由金屬接點將電流注入至SOA放大半導電結構之 作用層中。在此情況下，下部半導電層7起SOA光放大器10之下部電接觸層的作用。金屬層13可接著貼附至下部半導電層7上以允許電流繼續。藉此，光損失可藉由將電流注入至具有多個量子井之SOA半導體光放大器結構中來補償。
光隔離器1包含上部絕緣層14及下部絕緣層15，例如，由如Si3 N4 之矽氮化物Six Ny 或矽氧化物SiOx 製成之絕緣層。較佳地，絕緣層係由SiO2 製成。鐵磁性金屬之磁光層16包夾於上部絕緣層14與下部絕緣層15之間。磁光層16包含(例如)鐵磁性金屬，諸如鐵-鈷[Fe：Co]金屬合金，鐵之原子百分比包含在50%與90%之間，且金屬合金較佳為等原子組合物Fe50 Co50 。磁光層16產生在光波導6內傳播之光波17之衰減。鐵磁性金屬磁光層16係垂直於光信號傳播所在之方向進行磁化。磁光層16在此藉由包含繼之以蝕刻步驟之沈積步驟之方法建構，以便使由鐵磁性金屬合金[Fe：Co]製成之磁光層16佔據判定表面。包含具有III-V半導體之波導6的SOA光放大器10使得有可能獲得光放大，而鐵磁性金屬16引入折射率或非互易損失以便充當光隔離器。
在此實施例中，波導之寬度可(例如)自0.5μm變化至2μm。磁光層16(例如，鐵磁性金屬合金[Fe：Co])較佳具有介於30nm與150nm之間的厚度，且置放於磁光層16上且與磁光層16接觸之上部絕緣層14及下部絕緣層15(例如，由矽石SiO2 製成)具有約30nm之厚度。
此處基於III-V半導體之光波導6具有典型分層結構，其允許III-V半導體與整合至使用SOI技術建構之基底2上之光隔離器1之間的耦接。然而，為了在TM模式(用於「橫向磁場」，鐵磁性金屬之損失及折射率為非互易之模式)與金屬磁光層16(在磁光層16中具有0.5%以上之模式束縛因子)之間具有足夠耦接，有必要建構極窄III-V波導6(寬度在2μm以下)或更改III-V材料之分層垂直結構。
若不更改III-V材料之分層垂直結構，則存在如圖2a及圖2b中所描繪之波導結構。此結構包含放大器之兩個極端區域20A及20B，在極端區域中，III-V波導通常具有2μm之寬度。該結構亦包含中心隔離器區域21，其寬度為約0.5μm。該結構最後包含兩個中間區域22A及22B，在中間區域中，兩個錐形實現隔離器區域與放大器區域之間的過渡。在極端區域20A及20B中，光模在SOA光放大器內傳播而不與光隔離器相互作用。在中心區域31中，剖面已更改之光模部分地在光隔離器內傳播。
該光隔離器之積體光結構可插入至PIC光子積體電路中(例如)以允許兩個光學裝置之間的絕緣。
本發明亦可用以使用由諸如磁光石榴石(YIG、BIG、Ce：YIG等)之磁性氧化物(而非鐵磁性金屬)製成之磁光層來建構光絕緣體積體光結構。在此情況下，石榴石層沈積或貼附至覆蓋基底SOI之下部絕緣層上。
在圖3中示意地描繪用於製造積體光結構之方法。不管磁光層之性質如何，積體光結構之建構均以類似方式進 行。
該方法藉由產生SOI基底30開始。接下來，在第一沈積步驟40期間，將如二氧化矽SiO2 之絕緣材料之厚層沈積至SOI基底30上以便覆蓋基底之表面。接著將化學及機械拋光或CMP方法應用於該總成以獲得平坦表面。此情形產生用厚度介於30nm與150nm之間的下部絕緣層31封頂之SOI基底30。
在第二沈積步驟41期間，接著(例如)藉由陰極噴塗方法將磁光層32沈積至下部絕緣層31上。有利地，蝕刻磁光層32以便給予該磁光層使得有可能增加磁光效應之結構。此結構之實例為布雷格光柵(Bragg grating)，其中週期性地蝕刻磁光層，此情形使磁光效應在波長範圍內增加。
第三沈積步驟42用以將絕緣材料(例如，二氧化矽SiO2 )之第二層沈積於經蝕刻之磁光層32頂上以便獲得上部絕緣層33。藉由CMP方法使新總成之表面本身平坦。
最後，在第四步驟43期間，將III-V半導電晶粒34貼附至沈積於磁光層32(例如，由鐵磁性金屬或石榴石製成之磁光層)頂上之上部絕緣層33上。處理III-V半導電晶粒34以便產生SOA光放大器之III-V作用波導，該波導之存在使得有可能抵銷此種光隔離器中之光功率損失。
1‧‧‧光隔離器
2‧‧‧SOI基底
3‧‧‧晶態矽Si層
4‧‧‧絕緣層
5‧‧‧第二晶態矽Si層
6‧‧‧光波導
7‧‧‧半導電下部n型摻雜之III-V層
8‧‧‧作用區
9‧‧‧半導電上部p型摻雜之III-V層
10‧‧‧SOA光放大器
11‧‧‧上部電接觸層
12‧‧‧金屬膜
13‧‧‧金屬層
14‧‧‧上部絕緣層
15‧‧‧下部絕緣層
16‧‧‧金屬磁光層/鐵磁性金屬
17‧‧‧光波
20A‧‧‧極端區域
20B‧‧‧極端區域
21‧‧‧中心隔離器區域
22A‧‧‧中間區域
22B‧‧‧中間區域
30‧‧‧SOI基底
31‧‧‧下部絕緣層
32‧‧‧磁光層
33‧‧‧上部絕緣層
34‧‧‧III-V半導電晶粒
圖1描繪包含光隔離器之積體光結構之一個實施例的側向透視圖，圖2a及圖2b分別自頂部及側面描繪包含光隔離器之積體 光結構的另一實施例之視圖，圖3示意地描繪產生包含光隔離器之積體光結構之方法。
1‧‧‧光隔離器
2‧‧‧SOI基底
3‧‧‧晶態矽Si層
4‧‧‧絕緣層
5‧‧‧第二晶態矽Si層
6‧‧‧光波導
7‧‧‧半導電下部n型摻雜之III-V層
8‧‧‧作用區
9‧‧‧半導電上部p型摻雜之III-V層
10‧‧‧SOA光放大器
11‧‧‧上部電接觸層
12‧‧‧金屬膜
13‧‧‧金屬層
14‧‧‧上部絕緣層
15‧‧‧下部絕緣層
16‧‧‧金屬磁光層/鐵磁性金屬
17‧‧‧光波

Claims (12)

  1. 一種積體光結構，其包含至少一SOA光放大器，其包含一波導，該波導包含一n型摻雜之半導體層、一p型摻雜之半導體層及安置於該n型摻雜之半導體層與該p型摻雜之半導體層之間的一作用分區，該至少一SOA光放大器與至少一光隔離器相關聯：該至少一光隔離器安置於一SOI基底與該SOA光放大器之波導之間，該至少一光隔離器包含一磁光層，其中該磁光層係安置於一下部絕緣層與一上部絕緣層之間。
  2. 如請求項1之積體光結構，其中該光隔離器之磁光層為一鐵磁性金屬材料層。
  3. 如請求項2之積體光結構，其中該光隔離器之磁光層為一Fe-Co金屬合金層。
  4. 如請求項1之積體光結構，其中該光隔離器之磁光層為一磁性氧化物層。
  5. 如請求項1之積體光結構，其中該上部絕緣層及該下部絕緣層係由選自一矽氮化物Six Ny 及一矽氧化物SiOx 中之一絕緣材料製成。
  6. 如請求項1之積體光結構，其中該波導之該n型摻雜之半導體層及該p型摻雜之半導體層係由一III-V族半導體材料製成。
  7. 如請求項1之積體光結構，其中該波導之作用區包含一 多量子井結構。
  8. 一種包含如請求項1之至少一積體光結構之光學裝置，該至少一積體光結構包含至少一光隔離器及至少一SOA光放大器。
  9. 一種用於建構如請求項1之積體光結構之方法，其包含將一絕緣材料之一第一層沈積至一SOI基底上，將一磁光層沈積至絕緣材料之該第一層上，將一絕緣材料之一第二層沈積至該磁光層上，將一半導電晶粒貼附至絕緣材料之該第二層，處理該半導電晶粒以便產生一光波導。
  10. 如請求項9之方法，其中該磁光層係藉由一陰極噴塗方法沈積。
  11. 如請求項9及10中之一項之方法，其中該磁光層經蝕刻以便給予該磁光層使得有可能增加磁光效應之一結構。
  12. 如請求項9之方法，其包含意欲使用一機械及化學拋光方法使一絕緣材料層之表面平滑的至少一操作。
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