TWI498614B - 光子裝置、設備及系統、窄表面波紋光柵、以及形成窄表面波紋光柵之方法 - Google Patents

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Description

光子裝置、設備及系統、窄表面波紋光柵、以及形成窄表面波紋光柵 之方法 發明領域
本發明之實施例是積體光學元件(IOC)的領域，且尤其是關於表面波紋光柵。
 發明背景
通訊網路在覆蓋廣度和資料密度方面持續的成長。此持續成長的重要驅使技術是漸增的積體光學(光子)元件。例如，都會區域網路和廣域網路現在是以利用波長選擇濾波器來增/減通道的波長劃分多工(WDM)來佈署，而波長選擇濾波器是利用超大型積體電路製造技術整合至矽或其他半導體基板上。
在光學通訊中，除了波長選擇濾波器之外，還有許多應用，其等至少在某種程度上利用了一布拉格光柵，例如雷射(即分散式布拉格反射器(DBR)雷射或分散式回饋(DFB)雷射)、光柵輔助耦合器以及色散補償器，這裡僅舉出幾例。積體布拉格光柵的一類型，通常稱為「波紋光柵」，是由物理性波紋化一波導(即平面或肋形/脊形波導)的表面形成，且該波導被圖案化到一基板上面的薄膜中。對於操作於1550nm波長的第一階波紋光柵，光柵週期或「齒」距是約略介於200nm到250nm之間。此相當小的特徵間距對於利用VLSI製造技術來調整光柵強度提供了很少的自由。
依據本發明之一實施例，係特地提出一種光子裝置，其包含：在一基板上面的一第一和第二被動半導體波導區；及一衰減半導體波導區，其耦接於該等第一和第二被動波導區之間，其中，該等被動波導區或衰減波導區中的一者包括一第一布拉格反射器，該第一布拉格反射器包含有一表面波紋光柵，且該表面波紋光柵具有較形成有該光柵之波導區之寬度窄的一寬度。
圖式簡單說明
本發明之實施例是透過舉例的方式來說明，並非出於限制性，在附圖的所有圖式中，其中：第1A圖繪示了依據一實施例的一波紋化表面光柵的等角視圖；第1B圖繪示了依據一實施例的一波紋化表面光柵的等角視圖；第2圖繪示了依據一些實施例在一恆定波導寬之下，以光柵寬為函數的光柵強度圖；第3圖繪示了依據一實施例的一波紋化表面光柵的平面圖；第4A圖繪示了依據一實施例的一波紋化表面光柵的平面圖；第4B圖繪示了依據一實施例的一波紋化表面光柵的平面圖；第5圖是依據一實施例形成一波紋化表面光柵之方法的流程圖；第6A圖繪示了依據一實施例的一光子裝置的截面圖，且該光子裝置包括在相鄰於一主動波導區之多個被動波導區的一對光柵鏡；第6B圖繪示了依據一實施例的一光子裝置的截面圖，且該光子裝置包括在被動波導區及一主動波導區的一對光柵鏡；以及第7圖描述了包括整合在一共同基板上的多個光子裝置的一光學通訊系統。
 較佳實施例之詳細說明
窄表面波紋光柵的多個實施例，其等在積體光學元件的製造和應用是參考圖式於此被描述。如這裡所說的，一表面波紋光柵是「窄」的，係指其中光柵寬度是較供光柵形成於其上之波導的寬度窄。
於此所描述的特定實施例可以在沒有一或多個這些特定細節下實施，或與其他已知方法、材料及裝置結合而獲得實施。例如，當一光柵鏡於矽基DBR和DFB雷射之內文中描述到時，一窄表面波紋光柵和於此所描述的技術可輕易地適用於其他積體光學元件，例如，但不限於：光學增/減濾波器、信號調節器等。在下面的描述中，多個特定細節被提出，例如特定材料、尺寸和材料參數等，以提供對本發明之實施例的完整理解。在其他例子中，已知的光學設計和VLSI製造技術的特定細節沒有予以描述，以避免不必要的混淆了本發明。於此說明書通篇中所稱的「一實施例」意指所描述的與此實施例有關的一特定特徵、結構、材料或特性是被包括在本發明之至少一實施例中。因而，在本說明書通篇任一處中所出現的用語-「在一實施例中」，不必然是指本發明相同的實施例。此外，在一或多個實施例中，此等特定的特徵、材料或特性可以任何適當的方式結合。也應理解的是，沒有彼此排斥的特定實施例可以予以結合。
在此所使用的「在...之上面」、「在...之下(面)」、「介於...之間」以及「在...上」的用語，意指一元件相對於其他元件的相對位置。例如，就其本身而言，一元件設於另一元件之上面或之下(面)，可以是直接接觸該另一元件或可能有一或多個中間元件。此外，一元件設於多個元件之間，可為直接接觸二個元件或可有一或多個中間元件。相反的，一第一元件在一第二元件上，是指緊密接觸該第二元件。此外，一元件相對於其他元件的相對位置，是假設操作是相對於該等元件共同的一基板被執行而予以提供，而沒有考慮該基板或該等元件的絕對方位。
參考第1A圖，一示範性窄表面波紋光柵100之等角視圖被描繪出。該窄表面波紋光柵100包括一光柵115，該光柵115是透過波紋化一基板105上面之一波導110的一部分而予以形成。該波導110具有一頂面111，該頂面111具有由一第一波導側壁112和一第二波導側壁113所定義的寬WWG ，該第二波導側壁113進一步定義了肋高或脊高HR 。因為該等波導側壁112和113可能不是精準的垂直(即正交於該頂面111)，頂面111之寬度WWG 這裡是被用於當作波導寬。在一特定實施例中，寬度WWG 是介於約0.3和2.5μm，且該肋高HR 是介於約0.2μm和2μm間。典型的，一光柵將是在一具有一恆定波導寬之波導的一部分或區域上形成，如第1A圖所示。然而，在另一實施例中，一窄表面波紋光柵是在一波導之一逐漸減小的部分中形成。
窄波紋表面光柵通常是可應用於波紋表面光柵之技術領域中的任何已知的材料系統。例如，基板105可由任何適用於積體光學元件製程的材料組成。在一實施例中，基板105是由一單一材料晶體組成的一塊狀基板，該單一材料晶體包括但不限於以下：矽或III-V族化合物半導體材料，例如磷化銦(InP)。在另一實施例中，基板105包括一塊狀層，該塊狀層具有形成於該塊狀層上面的一頂部磊晶層。在一特定實施例中，該塊狀層是由一單一晶體材料組成，該單一晶體材料可包括但不限於：矽或一III-V族化合物半導體材料，同時該頂部磊晶層是由可包括但不限於矽或一III-V族化合物半導體材料的一單一晶體層組成。在另一實施例中，該頂部磊晶層是藉由例如二氧化矽、氮化矽和氧-氮化矽的一中介絕緣層而與該塊狀層分隔開(例如：形成一絕緣體上的矽基板)。該波導110可以是例如所述之基板105的候選材料或此技藝中已知的其他材料(例如SU-8等的聚合物)中的任何一種材料。
光柵115包括溝槽G1 、G2 、G3 至Gn 的多個溝槽，其等沿著一光柵長LG 形成至波導頂面111中。該等溝槽G1 -Gn 波紋化波導110的頂面111，產生該等溝槽週期性的排列且介於溝槽間的「齒」或「脊」形成一布拉格光柵以調變在一部分波導110中的折射指數。溝槽G1 -Gn 具有一光柵間距或週期PG ，該間距或週期PG 取決於一實施例而可以是一致的或分段性的，且可設於或分布在一上層結構中。窄光柵的某些實施例也可是傾斜的，使得溝槽G1 -Gn 自第1A圖所描述的方位上傾斜(即溝槽非正交於波導的長度)。這些溝槽G1 -Gn 具有通常是遠小於肋高HR 的波紋深度DG ，且較深的溝槽深度增加了光柵強度。在一實施例中，其中該光柵是形成在一矽波導中，該矽波導具有介於約1-1.5μm的寬度和約0.5μm的肋高HR ，且深度DG 是介於約10-300nm。
進一步顯示在第1A圖中，該等溝槽G1 -Gn 具有基於該光柵週期PG 定義出一光柵工作週期DC的長度大小。該光柵工作週期是介於溝槽間的空間(即脊長)和光柵週期之比，且因而是最小溝槽空間和一給定圖樣化方法可實現的最小溝槽大小(即溝槽長)的函數。對於一特定光柵間距PG ，光柵工作週期隨著溝槽對齒的長度比增大而減少。例如，當一溝槽具有與一齒相等的長度時，一光柵工作週期是50%，且對於240nm的光柵間距和150nm的溝槽長(90nm齒長)產生了37.5%的工作週期，同時90nm的溝槽長度產生了62.5%的工作週期。在一特定實施例中，其中一光柵是形成在一矽波導中，該矽波導具有約1-1.5μm寬且肋高HR 約0.5μm，該光柵波紋深DG 約10-300nm、光柵長度LG 約1-200μm且該等溝槽具有約190-250nm間距(即光柵週期PG )。該示範性實施例尤其適用於利用標稱波長1550nm之電信的積體光學波長應用中。
在一些實施例中，溝槽G1 -Gn 中的至少一個具有較波導之寬度窄的寬度。在此示範性窄波紋表面光柵100中，該等溝槽中的每一個具有較波導之寬度WWG 窄的寬度WG 。一般來說，要達到降低光柵強度的目的，實質上全部的溝槽G1 -Gn 具有較波導之寬度窄的寬度。然而，一或多個溝槽可具有等於波導之寬度的寬度WG ，而沒有脫離窄波紋表面光柵之精神，只要較波導寬度窄之溝槽G1 -Gn 的數目是足夠來實現光柵強度的可察覺性降低。在特定的實施例中，然而，在一窄光柵中至少95%的溝槽是具有較波導窄的寬度。在其他實施例中，大部分溝槽的寬度是較波導之寬度窄了大約相同的數量(即大部分的溝槽具有相同的寬度)。如第1A和1B所描述的特定實施例中，全部(或實質上全部)的光柵溝槽G1 -Gn 或光柵齒T1 -Tn 沿著光柵長度LG 分別具有近乎相同的窄寬度。
在一些實施例中，一窄表面波紋光柵包括寬度小於或等於90%之波導寬度的至少一溝槽。從而，對於約1.5μm寬的示範性波導來說，窄表面波紋光柵將具有約小於1.35μm的光柵寬。在另一實施例中，一窄表面波紋光柵包括至少一溝槽其寬度是波導寬WWG 的至少5%，但沒有大於90%。從而，對於約1.5μm寬的示範性波導，一窄表面波紋光柵將具有介於約75nm和1.35μm間的光柵寬。
窄化光柵之寬度使其小於波導寬允許了光柵強度κ受到控制。因而，反射能力和頻寬也可受到控制而為光柵寬之函數，以在設計和形成一表面波紋光柵時提供了額外的自由度。光柵的反射能力R 大約如式1所示：
其中，L 是光柵長度(例如第1A圖的LG )。一窄表面波紋光柵的實驗資料和場模擬資料是如第2圖所示。如所示，圖案化於一1.5μm寬之波導的光柵，其光柵強度κ是以光柵寬的函數被模型化。對於光柵寬介於1.3μm和0.3μm之間的光柵強度，光柵強度是以實驗的方式判斷出，光柵強度自光柵寬1.3μm時的320cm-1 減少到光柵寬0.3μm時的78cm-1 。
回歸參考第1A圖，設定光柵寬以控制光柵強度κ具有獨立於光柵間距PG 或光柵深度DG 的好處，且光柵間距或光柵深度在尺寸上都遠小於波導寬WWG 。從而，光柵圖案化法的解析度沒有造成相同的限制，例如如果光柵強度是透過改變光柵工作週期來調變。在某些應用中，光柵深度可以是很小的，可能在10奈米的等級，從而溝槽的蝕刻變成相當困難來操控製程。窄光柵溝槽具有相對於全寬溝槽來的低的光柵強度，然而可以蝕刻至一相當大的深度，例如2-3倍深，以實現一特定光柵強度。從而，額外的溝槽蝕刻製程自由度和可控性在此所描述的窄表面波紋光柵中是可獲得的。此外，因為光柵深度典型地在一相同基板上的光柵間是很難改變的，一相當大的光柵深度可被提供給所有光柵，以實現有最大光柵強度的第一光柵，此最大強度接著透過窄化在此基板上的其他光柵之光柵寬度而在一光柵特定基礎上可被降低。基於這些理由，對於一給定光柵長度，透過一窄波紋表面光柵，大範圍的光柵強度κ可獲得實現。
如第1A圖所進一步描述的，光柵115具有大致與波導110之縱向中線對齊的一縱向中線，且留有介於溝槽和波導側壁112、113之間的空間S1 和S2 。在所描述的示範性實施例中，由於中線的對齊和沿著光柵長的恆定光柵寬，S1 的大小與S2 的大小近似相等，但是應理解的是，波導之縱向中線和光柵之縱向中線間的某些偏移量可被期望為所使用之製造方法和實現該方法之特定設備的公差的函數。一般來說，已發現到波導之縱向中線和光柵之縱向中線間的偏移的敏感度是反比於光柵寬WG 。
第1B圖描述了窄表面波紋光柵的一實施例，且為第1A圖所說明之實施例的替代方式。在此替代的實施例中，該窄表面波紋光柵101包括具有窄於波導寬WWG 的光柵齒T1 -Tn 。如所述，波導的一連續部分被移走以定義光柵齒T1 -Tn ，且從而形成沿著整個光柵長LG 的空間S1 和S2 。空間S1 和S2 接著以一適當的包覆材料被實質上填充，且介於該等齒T1 -Tn 之間的該等溝槽也是，正如同第1A圖之實施例的溝槽G1 -Gn 。依據該光柵間距PG 和工作週期DC，圍繞該獨立的光柵齒T1 -Tn 的包覆填充可是多於第1A圖之溝槽G1 -Gn 中的包覆填充。第1B中所描述之窄表面波紋光柵101的其餘特徵實質上與第1A圖中所描述之窄表面波紋光柵100相同。
在另一實施例中，光柵寬度以光柵長為函數而改變，使得該等溝槽中的每一溝槽的寬度所形成的表面波紋光柵不是全部相等的。此一光柵架構允許光柵強度沿著光柵長改變以提供一變跡化而可減少旁瓣強度的窄表面波紋光柵。此光柵寬度的變跡可以用於改變光柵的反射能力和頻寬，以減少插入損失且/或平緩了傳輸頻譜。光柵寬度WG 的調變可提供任何類型的變跡，例如但不限於：高斯及上升餘弦。
第3圖說明了一光柵寬度變跡化的表面波紋光柵300之實施例的平面圖。如所示，光柵315形成於位在一基板305之上面的波導310上。該光柵寬WG 沿著光柵長LG 從WG,MIN 改變至WG,MAX 。雖然在第3圖所描述的示範性實施例中，該光柵之每一部分的光柵寬WG 是小於波導的寬WWG ，在其他實施例中，形成該光柵之該等溝槽的一些子集可具有相等於該波導寬WWG 的寬度。
在第3圖所描述的實施例中，光柵間距和工作週期DC在光柵長LG 的範圍中保持恆定。然而，在其他實施例中，工作週期DC和光柵寬WG 兩者在光柵長的範圍中可以改變，以可能提供較大的耦合係數變化，且透過寬度或工作週期任一者的調變來單獨實現是可能的。第4A圖描述了一波導410，其一部分包括光柵415。光柵415具有一恆定光柵間距PG ，同時，光柵之寬度沿著光柵長自WG,1 改變到WG,2 、WG,3 。光柵工作週期也沿著光柵長自DC1 改變到DC2 、DC3 。
在另一實施例中，一窄光柵寬度是與沿著光柵長的一經調變光柵週期一同被使用(即頻擾窄表面波紋光柵)。例如，第4B圖描述了一光柵415，其具有自WG,1 改變至WG,n 的光柵寬，且同時光柵週期自PG,1 改變至PG,2 。在其他實施例中，光柵週期是以此領域中任何已知的方法而呈階梯式變化，以控制反射/傳送頻譜(例如加寬反射頻譜)，並結合具有固定寬度且小於波導之寬度的光柵。
在實施例中，參考第1-4B圖所描述的窄表面波紋光柵是以遮罩式光刻被圖案化。遮罩式光刻相較於典型的圖案化光柵法(例如全像式(干涉)和電子束圖案化技術)具有許多優點。例如，遮罩式光刻具有成為被廣泛使用之VLSI製造流程的優點，且平版印刷術的形式提供形成窄於一典型波導之光柵的能力且還足以對齊波導。相反的，全像式技術通常依賴在橫跨非常大區域(例如一整個基板)上圖案化一干涉圖案，而電子束寫入是有著相對較糟之對齊能力的相對緩慢方式。使用遮罩式光刻也致能了光柵強度在一相同基板上被調諧到不同的值，從而允許了光柵濾波器或鏡在相同基板的光學元件之間或甚至於相同光學元件的兩個不同部分之間於不同波長被調諧。
第5圖描述形成一窄表面波紋光柵的一示範性遮罩式光刻法500的流程圖。該方法500始於在操作501中提供一基板，例如第1A圖中所描述的那些基板105中的任何一個。例如在一實施例中，即提供了一絕緣體上的矽基板。
接著，在操作505中，一具有一特定長度、週期和寬度的光柵利用一第一光罩圖案在一材料層上圖案化。該圖案化操作505可包括在此技術領域中任何習知的光刻流程。然而，在一實施例中，在193nm的平版印刷術節點的光刻步進器可印製足夠小的特徵大小(例如在90nm的等級)，以對於形成在該矽且設計供使用在光通訊之標稱1550nm波長的光波導，印製具有一足夠週期(例如在200nm to 250nm的等級)的光柵。
從而，在一實施例中，在操作505，一SOI基板被塗佈有一感光層且以193nm波長的電磁能量曝光，以基於該第一光罩印製該感光層一光柵圖案。依據該實施例，該光柵圖案可是以下任一種：提供窄光柵溝槽將被蝕刻的抗蝕孔或窄光柵齒將在基板中被形成的抗蝕柱。在任一情形中，該第一光罩可是一明視野光罩(只遮蔽住光柵的一部分和一稍微大於該波導的區域)或一暗視野遮罩(只曝露該光柵的一部分)。該感光層接著被顯影至一蝕刻遮罩，且使用此技術領域中已知的任何濕式或乾式蝕刻製程，該圖案轉移到下面的一中介硬遮罩層或直接到該波導層。例如，一SOI基板的一頂部矽層可被蝕刻以轉移該蝕刻遮罩的光柵圖案到該矽層。在一些實施例中，一雙重圖案法是予以使用，以減少在第一光罩之間距下的光柵之間距。任何於VLSI技術領域中已知的習知雙重圖案法可予以使用。在一示範性實施例中，所曝光的圖案被轉移到一下方的蝕刻遮罩層，一間隔物形成在遮罩層的每一邊上，該遮罩層被移除，且該間隔物接著以蝕刻一光柵至該基板(例如一SOI基板的頂部矽層)的一半間距遮罩被使用。
在該示範性遮罩式光刻法500中，在光柵圖案形成在基板之上面的一層、或在基板上的一層、或在基板之內的一層(例如：SOI基板的頂部矽層)之後，一波導接著在操作510中以一第二光罩光刻式圖樣化。該第二光罩與光柵圖案對齊以使波導圖案包含光柵(即波導圖案較光柵的至少某部分是較長且是較寬的)。在一實施例中，193nm的平版印刷術被用於圖案化該波導。在193nm平版印刷術節點的光刻步進器可以足夠小的定位失準(即100nm等級)使該波導光罩對齊該光柵光罩，使得一寬範圍的光柵寬可出於控制光柵強度的目的而被利用。在另一實施例中，波導可首先被圖案化且光柵圖案之後對齊波導圖案並以該第二光罩圖案被印製。然而，在圖案化該波導前，圖案化該光柵是有利的，因為有較平坦的基板表面，光柵相對較小的尺寸是較容易實現的。
在圖案化光柵和波導兩者之後，完成了方法500，且波導及/或光柵的任何進一步的習知流程可接著被執行。例如，可形成圍繞該波導和光柵的一包覆，填充該等溝槽及/或封裝該光柵的齒。提供充分指數對比的任何包覆層材料當是從屬於波導所使用的材料系統時，都可用於包覆。在一示範性SOI實施例中，該矽波導使用二氧化矽包覆層以覆蓋該波導和填充該光柵溝槽。在另一SOI實施例中，SU-8被用作在一矽波導上的包覆。
該等窄表面波紋光柵和形成此等光柵的方法可應用到一些光學應用中，例如但不限於：積體光柵濾波器和積體光柵鏡。積體光柵鏡可更特定地用於形成DFB和DBR雷射的光學腔。
第6A圖說明了顯示一電氣幫浦式混合半導體衰減雷射之實施例的橫截面圖，且該電氣幫浦式混合半導體衰減雷射使用了至少一窄表面波紋光柵。所描述的橫截面是沿著該混合半導體衰減雷射和光柵的縱向中線而獲得。如所示，DBR雷射601是整合至一SOI基板上，該基板包括一單一晶體半導體層603，有一埋入氧化物層629設於半導體層603和基體層631之間。在一實施例中，該半導體層603和該基體層631是由被動矽所形成。如所示，一光波導605是設於半導體層603中，且透過該光波導605，一光束619受到引導。在第6A圖所說明的範例中，光波導605是一肋型波導、帶狀波導或與其類似。一光學腔622形成該波導的一主動部分，且是介於在該光波導605之一被動部分的光柵反射器607和609之間，而該光柵反射器607和609相鄰於光學腔622之任一端。如第6A圖所示，反射器607和609是布拉格光柵反射器，且在一特定實施例中，至少一反射器607、609是具有一光柵寬小於該光波導605之一被動部分之寬的一窄表面波紋光柵，例如在之前所描述的那些中的任何一者。
一III-V族增益媒介物623結合到該半導體層603之頂部或磊晶生長在該半導體層603之頂部，且橫越光波導605之頂部且與其鄰接，以提供一增益媒介物-半導體材料界面633。界面633沿著光波導605平行於光束619傳播方向延伸。在一範例中，該增益-媒介物-半導體材料界面633是一衰減耦合界面，該衰減耦合界面包括介於該主動增益媒介物材料623和光波導605之半導體層603間的一接合界面。例如，此一接合界面可包括薄的二氧化矽層或其他適當的接合界面材料。作為一範例，該增益媒介物材料623是一主動III-V族增益媒介物，且在介於該光波導605和該增益媒介物材料623之間的該增益媒介物-半導體材料界面633有一衰減光耦合。取決於光波導605的波導大小，光束619之光模態的一部分是在該III-V族增益媒介物材料623內，且光束619之光模態的一部分是在該光波導605內。該增益媒介物材料623可是電氣幫浦式以在光學腔622中產生光。
在一些實施例中，該增益媒介物材料623是主動半導體材料且是III-V族半導體條，其包括例如InP、AlGaInAs、InGaAs及/或InP/InGaAsP及/或此領域中已知的適當材料以及其等以適當厚度和參雜濃度結合的III-V族半導體材料。在一特定實施例中，該增益媒介物材料623是一偏移多量子井(MQW)區增益晶片，該增益晶片是一被接合的倒裝晶片或被接合的晶圓或在一SOI晶圓之矽層橫越一或多個光波導的頂部磊晶生長。
在一實施例中，該增益媒介物材料623包括主動材料，例如MQWs，且有被動矽波導式光柵作為反射器或鏡(其等至少一個是窄表面波紋光柵)，雷射可在光學腔622中獲得。在第6A圖中，雷射是以光學束619在光學腔622中的反射器607和609間來回反射而予以顯示。在此說明的範例中，在雷射後端的反射器607具有較反射器609高的功率反射能力。反射器609是部分反射使得光束619自雷射的前端輸出至光波導的被動部分，且透過此被動部分，該光束619可傳導到其他元件。
反射器607和609之每一個的反射功率可基於光柵長和光柵強度此二者或任一者而予以調諧。在一實施例中，反射器607和609之每一個的功率反射能力基於該兩個反射器的光柵寬而獨立地調諧。在一實施例中，反射器607和609兩者是窄表面波紋光柵，以經由光柵寬與光柵深獨立來調諧光柵強度。作為一範例，該反射器607是具有小於被動波導寬之第一光柵寬的一第一窄表面波紋光柵，同時反射器609是具有小於被動波導寬之第二光柵寬的一第二窄表面波紋光柵。該第二光柵寬與第一光柵寬相同或不同。在此實施例中，反射器607和609每一個都具有介於5和500μm之間的鏡長，以及小於被動波導寬(介於約1和1.5μm之間)之90%的光柵寬。
在另一實施例中，反射器609是具有光柵寬小於被動波導寬的窄表面波紋光柵，而同時反射器607是具有一光柵寬實質上等於被動波導寬的光柵(即只有反射器609是一窄表面波紋光柵)。在另一實施例中，反射器607和609的兩者或任一者可是一變跡化的窄表面波紋光柵，如此文中別處所描述的。
第6B圖描述另一實施例，其中一DFB雷射602是整合至一SOI基板中，而該SOI基板包括單一晶體半導體層603，且有設於該半導體層603和一基板層631之間的一埋入氧化物層629。如進一步的描述，一光束619在光學腔622內的反射器607和609之間來回反射。在特定實施例中，光柵被使用為反射器607和609且這些光柵是設於該矽波導光學腔622之主動部分內。在一實施例中，反射器607和609都是利用光柵寬度以調諧光柵強度(無關於光柵深度和光柵長)的窄表面波紋光柵。例如，該反射器607是具有小於主動波導寬之第一光柵寬的一第一窄表面波紋光柵，同時反射器609是具有小於主動波導寬之第二光柵寬的一第二窄表面波紋光柵，該第二光柵寬是相同於或不同於該第一光柵寬。
在另一實施例中，該反射器609是具有小於主動波導寬之第一光柵寬的一第一窄表面波紋光柵，同時反射器607是具有實質上等於主動波導寬之寬度的光柵(即只有反射器609是一窄表面波紋光柵)。在另一實施例中，反射器607和609兩者或任一者可是一變跡化的窄表面波紋光柵，如本文中其他地方所描述的。
第7圖是使用積體光學元件的一示範性光學系統751的說明，該等積體光學元件包括具有電氣幫浦式混合半導體衰減雷射陣列701的一積體半導體調變器多波長雷射，且該電氣幫浦式混合半導體衰減雷射陣列701耦合至基板之上面的一被動半導體層、或耦合至位於基板上的一被動半導體層、或耦合至在基板中的一被動半導體層。在一實施例中，在雷射陣列701中的每一個雷射實質上可以是參考第6A-6B圖中所描述的電氣幫浦式混合半導體衰減雷射。在另一實施例中，該雷射陣列701包括使用一低光柵強度的DBR雷射和使用一高光柵強度的DFB雷射兩者。在所說明的示範例中，第7圖中的半導體基板703是包括多個光波導 705A-705N的一光學晶片，一單一條增益媒介物材料723是接合到該等光波導705A-705N上面以產生一雷射陣列，該雷射陣列分別在該等光波導705A-705N中產生多個光束719A-719N。該等光束719A-719N是被調變器(例如：光學調變器713A-713N)調變，且接著該等光束中所選出的波長在光增刪多工器717中被結合以輸出一單一光束721，該單一光束721接著經由一單一光纖753輸出至一外部光接收器757。
在一實施例中，該等反射器709A-709N中的至少一個是一窄表面波紋光柵，其具有小於波導(該光柵形成於其中)之寬(依據該雷射的類型為被動及/或主動)的光柵寬度，如本文其他地方所述。在一特定實施例中，該等反射器709A-709N中的每一個是一窄表面波紋光柵，這些光柵中的一或多個具有彼此不同的寬度。在另一實施例中，多工器717包括至少一窄表面波紋光柵，該至少一窄表面波紋光柵具有小於光波導705A-705N(該光柵形成於其中)之寬的光柵寬，如本文其他地方所述。在其他實施例中，該等反射器709A-709N的任何一個或多工器717可包括一變跡化窄表面波紋光柵。就其本身而言，當該等反射器709A-709N的任何一個及/或多工器717同時以整合至半導體基板703上的光學元件被製造時，光刻技術可被使用以成像包括多個光柵的一單一光罩，且每一光柵針對特定應用(例如雷射、多工器濾波器等)所需的特定光柵功率具有一指定寬。
在一實施例中，該積體半導體調變器多波長雷射可以 用含於該單一光束721中之多波長在該單一光纖753上以超過1Tb/s的速度來發送資料。在一範例中，該等光波導705A-705N是在半導體基板703上面的單一層中以大約50-100μm被間隔設置。因此，在一範例中，光學資料的整個匯流排可自具有小於4mm的一片基板703的積體半導體調變器多波長雷射發送。
第7圖也顯示在光學系統此範例中，該單一半導體基板703也可被耦接以透過一光纖755自一外部光發送器759接收一光束721。因而，在此所說明的實施例中，該單一半導體基板703在一小型化尺寸中是一超高容量發送器-接收器。當光接收器757和外部光發送器都是被說明為存在於相同的晶片761時，須注意的是，外部光接收器757和外部光發送器759可被設置於獨立的晶片。在此所說明的實施例中，所接受的光束722是透過一光增刪解多工器718接收，該解多工器718將所接收的光束722分離成多個光束720A-720N。在一示範性實施例中，該等光束720A-720N是依據各自波長被該解多工器718中的一或多個窄表面波紋光柵分離，之後經由多個光波導706A-706N被引導，且該等光波導706A-706N是設於半導體基板703之上面的一薄膜層、或設於半導體基板703上的一薄膜層、或設於半導體基板703中的一薄膜層。
如所例示的實施例所顯示，一或多個光偵測器是光耦合於該等光波導706A-706N的每一個，以偵測各該光束720A-720N。一光偵測器陣列763A-763N是光耦合於該等光 波導706A-706N。作為一範例，該等光偵測器763A-763N的每一個是SiGe式的光偵測器或與其類似。在另一實施例中，也顯示在第7圖中，一單一條半導體材料724可接合至在基板703之上面的一層、或接合至基板703之上的一層、或接合至基板703中的一層，且該層橫越該等光波導706A-706N，以形成耦接到該等光波導706A-706N的光偵測器陣列。作為一範例，該單一條半導體材料724包括III-V族半導體材料以產生III-V族光偵測器。如所示的是以SiGe和III-V族為基的光偵測器光耦合於該等光波導，該等光束720A-720N的各種波長可予以偵測。
控制/幫浦電路也可包括於該基板703中或整合至該基板703中。在一實施例中，其中該基板703包括一矽層(例如：SOI基板)，控制電路762可直接整合至該矽中。在一範例中，該控制電路762可被電耦接以控制、監控及/或電幫浦該多波長雷射陣列701中的任一雷射、該等光學調變器713A-713N、光偵測器陣列(例如763A-713N)或設置於基板703中的其他裝置或其他結構。
因此，一窄表面波紋光柵、製造方法及在光學元件積體中的應用已經予以描述。雖然本發明之實施例已經以結構特徵或方法動作的特定表達描述出，但應理解的是由後附申請專利範圍所定義的本發明不必然限於所描述的此等特定特徵或動作。所揭露的特定特徵和動作須被理解為僅僅是所請發明之特定且適當的實現方式，且是試圖來解釋本發明而非限制了本發明。
100、101‧‧‧窄表面波紋光柵
105、305、703‧‧‧基板
110、310、410‧‧‧波導
111‧‧‧頂面
112‧‧‧第一波導側壁
113‧‧‧第二波導側壁
115、315、415‧‧‧光柵
300‧‧‧變跡化的表面波紋光柵
500‧‧‧遮罩式光刻法
501-510‧‧‧操作
601‧‧‧DBR雷射
602‧‧‧DFB雷射
603‧‧‧半導體層
605、705A-705N、706A-706N‧‧‧光波導
607、609‧‧‧光柵反射器
619、719A-719N、720A-720N、721、722‧‧‧光束
622‧‧‧光學腔
623‧‧‧增益媒介物(材料)
629‧‧‧埋入氧化物層
631‧‧‧基體層
633‧‧‧界面
701‧‧‧雷射陣列
709A-709N‧‧‧反射器
713A-713N‧‧‧調變器
717‧‧‧多工器
718‧‧‧解多工器
723‧‧‧增益媒介物材料
724‧‧‧半導體材料
751‧‧‧光學系統
753、755‧‧‧光纖
757‧‧‧光接收器
759‧‧‧光發送器
761‧‧‧晶片
762‧‧‧控制電路
763A-763N‧‧‧光偵測器陣列
DC、DC1 -DC3 ‧‧‧光柵工作週期
DG ‧‧‧光柵波紋深
G1 -Gn ‧‧‧溝槽
HR ‧‧‧肋高
LG ‧‧‧長度
PG 、PG,1 -PG,2 ‧‧‧光柵週期/光柵間距
WWG ‧‧‧波導之寬度
WG 、WG,1 -WG,N 、WG,MIN 、WG,MAX ‧‧‧溝槽寬度
S1 、S2 ‧‧‧空間
T1 -Tn ‧‧‧齒
第1A圖繪示了依據一實施例的一波紋化表面光柵的等角視圖；第1B圖繪示了依據一實施例的一波紋化表面光柵的等角視圖；第2圖繪示了依據一些實施例在一恆定波導寬之下，以光柵寬為函數的光柵強度圖；第3圖繪示了依據一實施例的一波紋化表面光柵的平面圖；第4A圖繪示了依據一實施例的一波紋化表面光柵的平面圖；第4B圖繪示了依據一實施例的一波紋化表面光柵的平面圖；第5圖是依據一實施例形成一波紋化表面光柵之方法的流程圖；第6A圖繪示了依據一實施例的一光子裝置的截面圖，且該光子裝置包括在相鄰於一主動波導區之多個被動波導區的一對光柵鏡；第6B圖繪示了依據一實施例的一光子裝置的截面圖，且該光子裝置包括在被動波導區及一主動波導區的一對光柵鏡；以及第7圖描述了包括整合在一共同基板上的多個光子裝置的一光學通訊系統。
100‧‧‧窄表面波紋光柵
105‧‧‧基板
110‧‧‧波導
111‧‧‧頂面
112‧‧‧第一波導側壁
113‧‧‧第二波導側壁
115‧‧‧光柵
DC‧‧‧光柵工作週期
DG ‧‧‧光柵波紋深
G1 -Gn ‧‧‧溝槽
HR ‧‧‧肋高
LG ‧‧‧長度
PG ‧‧‧光柵間距/光柵週期
WWG ‧‧‧波導寬度
WG ‧‧‧溝槽寬度
S1 、S2 ‧‧‧空間

Claims (23)

  1. 一種光子裝置，其包含：在一基板上面的一第一和第二被動半導體波導區；及一衰減半導體波導區，其耦接於該等第一和第二被動波導區之間，其中，該等被動波導區或衰減波導區中的一者包括一第一布拉格反射器，該第一布拉格反射器包含有一表面波紋光柵，且該表面波紋光柵具有較形成有該光柵之波導區之寬度窄的一寬度，其中，該衰減波導區包括第一布拉格反射器光柵和第二布拉格反射器光柵以形成一分散式回饋(DFB)雷射，且其中該第一布拉格反射器光柵和該第二布拉格反射器光柵中的每一個包含一表面波紋光柵，其具有窄於該衰減波導區的寬度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光子裝置，其中，包括該第一布拉格反射器之該波導區包含在相反於該基板之一頂面處界定出該波導寬度的二相反側壁；及其中該表面波紋光柵包含沿著一光柵長度形成於該波導頂面中的多個溝槽，其中大部分溝槽的寬度是較該波導寬度窄了大約相同的量。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之光子裝置，其中，包括該第一布拉格反射器之該波導區包含在相反於該基板之一頂面處界定出該波導寬度的二相反側壁；及其中該表面波紋光柵包含沿著一光柵長度形成於 該波導頂面中的多個齒，其中大部分齒的寬度是較該波導寬度窄了大約相同的量。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之光子裝置，其中，該半導體包含矽，且其中該衰減波導區包含設於該波導上面的一電氣抽泵式發光層。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之光子裝置，其中，該第一光柵寬度與該第二光柵寬度不同，以使該第一光柵較該第二光柵具有較高的光柵強度。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之光子裝置，其中該半導體包含矽，該第一布拉格反射器具有介於5和500μm間的一鏡長，包括該第一布拉格反射器的該波導區具有介於約1和1.5μm間的寬度，且該光柵寬度小於該波導寬度之90%。
  7. 一種光子設備，其包含如申請專利範圍第1項所述之一第一光子裝置；及如申請專利範圍第1項所述之一第二光子裝置，其中該第一光子裝置和該第二光子裝置整合在相同基板上。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之光子設備，其中該第一光子裝置之第一光柵寬度與該第二光子裝置之第一光柵寬度不同。
  9. 一種光子系統，其包含：如申請專利範圍第1項所述之光子裝置；以及一光學調變器，其耦接至該光子裝置以調變由該光子 裝置所產生之光。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之光子系統，其中，該半導體波導包含矽，且其中該光柵界定了一混成矽衰減雷射之一光學腔。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之光子系統，其中，該光柵包含在該半導體波導之一頂面中的多個溝槽，且其中大部分溝槽之一寬度都較該波導頂面之一寬度窄了約相同的量。
  12. 一種光子裝置，其包含：在一基板上面的一第一和第二被動半導體波導區；及一衰減半導體波導區，其耦接於該等第一和第二被動波導區之間，其中，該第一被動波導區包括一第一布拉格反射器，該第一布拉格反射器包含有一表面波紋光柵，且該表面波紋光柵具有較形成有該光柵之該第一被動波導區之寬度窄的一第一光柵寬度；及該第二被動波導區包括一第二布拉格反射器，形成一分散式布拉格反射器(DBR)雷射，該第二布拉格反射器包含一表面波紋光柵，且該表面波紋光柵具有較該第二被動波導區之寬度窄的一第二光柵寬度。 其中，該第一光柵寬度與該第二光柵寬度不同，以使該第一光柵較該第二光柵具有較高的光柵強度。
  13. 一種光子裝置，其包含：在一基板上面的一第一和第二被動半導體波導 區；及一衰減半導體波導區，其耦接於該等第一和第二被動波導區之間，其中該第一被動波導區包括一第一布拉格反射器，該第一布拉格反射器包含有一表面波紋光柵，且該表面波紋光柵具有較形成有該光柵之該波導區之寬度窄的一第一光柵寬度；及該第二被動波導區包括一第二布拉格反射器，形成一分散式布拉格反射器(DBR)雷射，該第二布拉格反射器包含一表面波紋光柵，且該表面波紋光柵具有不同於該第一光柵寬度的一第二光柵寬度，以使該第一光柵具有和該第二光柵不同的光柵強度。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之光子裝置，其中，該第二光柵寬度係寬於該第一光柵寬度，以使該第一光柵具有較該第二光柵低的光柵強度。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之光子裝置，其中，該第二光柵寬度窄於該第二被動波導區的寬度。
  16. 一種光子系統，其包含：如申請專利範圍第13項所述之光子裝置；以及一光學調變器，其耦接至該光子裝置以調變由該光子裝置所產生之光。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之光子系統，其中，該半導體波導包含矽，且其中該光柵界定了一混成矽衰減雷射之一光學腔。
  18. 一種窄表面波紋光柵，其包含： 在一基板上面的一光學波導，該波導包括界定出相反於該基板之一頂面的寬度的兩個相反側壁；及多個齒和介於該等齒之間的多個溝槽，沿著一光柵長度形成於該波導頂面中，其中實質上所有溝槽或齒的一寬度較該波導頂面之寬度窄，其中，在該等溝槽或齒的大部分中，該溝槽或齒的寬度大約相等，且不大於該波導頂面之寬度的90%。
  19. 一種窄表面波紋光柵，其包含：在一基板上面的一光學波導，該波導包括界定出相反於該基板之一頂面的寬度的兩個相反側壁；及多個齒和介於該等齒之間的多個溝槽，沿著一光柵長度形成於該波導頂面中，其中實質上所有溝槽或齒的一寬度較該波導頂面之寬度窄，其中，該波導包含矽，該波導頂面寬度是介於約1和1.5μm之間，該光柵長度是介於約1和200μm之間，且該光柵具有介於約190和250nm之間的一節距。
  20. 如申請專利範圍第18或19項所述之波紋光柵，其中，該等多個溝槽中的一子集具有一變化的溝槽寬度，而使該窄光柵變跡化。
  21. 一種形成窄表面波紋光柵的方法，其包含以下步驟：基於一第一遮罩光刻曝光，圖案化多個光柵溝槽和介於該等溝槽之間的多個光柵齒到一矽半導體層之一表面中，以將該表面波紋化，並形成一個具有介於5和500μm間的一鏡長之一布拉格反射器；及 基於一第二遮罩光刻曝光，圖案化一波導到該矽半導體層中，該波導具有界定出介於約1和1.5μm間的一波導寬度的兩個相反側壁，其中，該波紋化表面是設於該等波導側壁之間以形成一波導頂面的一部分，其中實質上全部溝槽或齒之寬度小於該波導寬度之90%。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之方法，其中，圖案化該光柵和圖案化該波導這兩步驟各更包含以下步驟：在該基板上面沉積一感光層；經由一光罩讓該感光層於電磁輻射中曝光；以及在曝光之後顯影該感光層以形成一蝕刻遮罩圖案。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之方法，其中，該電磁輻射具有約193nm的波長，該波導被圖案化到介於約1和1.5μm之間的寬度，且該表面波紋光柵被圖案化介於約1和200μm之間的長度、介於約190和250nm之間的節距以及介於約0.3μm和1.3μm之間的寬度。
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