WO2016050242A1 - Photonisch integrierter chip, optisches bauelement mit photonisch integriertem chip und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Photonisch integrierter chip, optisches bauelement mit photonisch integriertem chip und verfahren zu deren herstellung Download PDF

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WO2016050242A1
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waveguide
chip
optical
layer
grating coupler
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PCT/DE2015/200463
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Hanjo Rhee
Marvin Henniges
Stefan Meister
Christoph Theiss
David Selicke
David Stolarek
Lars Zimmermann
Harald H. Richter
Original Assignee
Technische Universität Berlin
Ihp Gmbh - Innovations For High Performance Microelectronics/Leibniz-Institut Für Innovative Mikroelektronik
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Definitions

  • the invention relates to photonics integrated chips, optical components with such chips and method for their preparation.
  • photonically integrated chips is understood to mean integrated chips which have a substrate and material layers (eg grown or deposited) located thereon and in which one or more photonic components (eg waveguides, couplers, etc.) in one or more of the material layers , etc.) are integrated.
  • material layers eg grown or deposited
  • photonic components eg waveguides, couplers, etc.
  • the two components there are on the one hand the possibility to place the two components next to each other and to couple the light in the horizontal plane of the waveguide, including Butt Coupling ge ⁇ Nannt.
  • the components can be placed on top of each other to transmit the light vertically or nearly vertically to the plane of the waveguide.
  • the light incident on the waveguide, at a small angle to the surface normal is generally deflected via a grating coupler into the waveguide and carried on in it.
  • the present methods entail great losses because the mostly used grating couplers have only a limited angular acceptance.
  • these other optical components have in coupling out of light from a waveguide in other optical components, such as.
  • fibers eg, glass or polymer fibers
  • fibers also have an angular acceptance.
  • the proportions of radiation that occur outside of the angular acceptance, are not in z. B. the waveguide or the fiber coupled and are lost.
  • These losses are greater the more divergent or convergent the incident light is. Due to the beam divergence, the coupling losses can increase with a greater distance between the coupling elements, if the aperture of the target coupling element is insufficient.
  • the obe ⁇ ren material layers of optical components technical terminology also called "back-end of line" of the device, with examples game, five metal layers have a thickness of about 20 .mu.m. When propagating a divergent light beam over this distance, its beam diameter increases significantly.
  • a fiber is nowadays interposed between the light source and the grating coupler of the waveguide.
  • the light is first coupled into the fiber, and coupled, and the walls ⁇ ren fiber end of the fiber coupled via the grid ⁇ couplers in the waveguide. This is associated with large production costs, additional components and coupling losses at the input and output facets of the fiber [1].
  • micro-optics e.g. As lenses
  • this method requires high Production costs with additional components (eg injection molding or glass microlenses), production steps and associated tolerances and poor scalability [2].
  • Another way consists in the use of lenses that are etched into the exit facet of a laser, to collimate the light emit ⁇ oriented or focus before it emerges from the laser [3].
  • a photonic integrated chip with the features according to the preamble of claim 1 is known from 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 known...
  • the invention is based on the object of the last-mentioned prior art to improve the achievable coupling efficiency in the chip in a simple manner.
  • the invention provides that layers of material ⁇ within an opening located above or below the optical grating coupler Ma ⁇ terial Anlagen of the chip or in multiple located above or below the optical grating coupler or on the backside of the substrate an optical diffraction and refraction structure is integrated, the one Beam shaping of the radiation before coupling into the waveguide or after coupling out of the waveguide makes.
  • the wave front of the incident light can be formed in an arbitrary wavefront of the emerging light trans ⁇ .
  • the collimation and focusing of the incident light can be made possible if the diffraction and refraction structure is converted according to the principle of a discretized lens or Fresnel lens.
  • the beam divergence of the incident light can be reduced to such an extent that the entire beam propagates within the acceptance angle of the grating coupler and can be coupled into the waveguide with only very small losses.
  • the diffraction and refraction structure can also be used to adapt the diameter of the incident light to the aperture of the grating coupler, thereby minimizing losses due to beam portions that do not strike the grating coupler.
  • the incident light can thereby ⁇ example, both of a fiber (eg. As glass or polymer fibers), another photonic integrated chip, as well as directly from a laser (eg. B. HCSEL, VCSEL) originate.
  • the extraction of light via the diffraction and refraction structure of upper material layers of the chip (the so-called "backend of line") te in a second optical Komponen ⁇ , such.
  • the diffraction and refraction structure can be adapted so that a beam divergence of the emergent
  • the optical diffraction and refraction structure is preferably formed by steps in one or more material layers of the chip located above or below the optical grating coupler or at least also includes such steps.
  • the waveguide is preferably a ridge waveguide comprising a ⁇ be formed in a wave-guiding layer of material of the chip rib.
  • the optical diffraction and refraction structure is integrated in such an embodiment, preferably in one or more above or below the rib befind ⁇ Licher layers of the chip.
  • the substrate of the chip is preferably a semiconductor material, such as silicon.
  • the chip is particularly preferably based on SOI (silicon on insulator) material.
  • SOI silicon on insulator
  • the grating coupler may be a one-dimensional or two-dimensional grating coupler.
  • the grating is preferably a Bragg grating or comprises a sol ⁇ ches preferably at least also.
  • the diffraction and refraction structure is preferably configured kanndi ⁇ dimensional and is preferably in a plane parallel to the waveguiding material layer or the wel ⁇ lengeden material layers. With a view to an optimum coupling efficiency, it is considered particularly advantageous if the diffraction and Bre ⁇ monitoring structure is two-dimensional location dependent, depending in one dimension along the longitudinal direction from the place of the waveguide and in a perpendicular dimension depending on the location perpendicular to the longitudinal direction of the waveguide.
  • the diffraction and refraction structure preferably forms a two-dimensional Fresnel lens.
  • the waveguide is preferably an SOI rib waveguide with a rib which is formed in one of a silicon dioxide layer be ⁇ -sensitive wave-conducting silicon layer of an SOI material and whose longitudinal direction ent ⁇ long the propagation direction of guided in the SOI ridge waveguide radiation extends.
  • the diffraction and Bre ⁇ monitoring structure is two-dimensionally arranged and is parallel to the wave-conducting silicon layer in a plane where ⁇ is two-dimensionally spatially ⁇ depending on the diffraction and refraction structure, namely in one dimension depending on the location along the longitudinal direction of the rib of the SOI waveguide and in a dimension perpendicular thereto depending on the location perpendicular to the longitudinal direction of the rib of the SOI waveguide.
  • ribs In addition to the rib are preferably webs whose layer height is smaller than that of the rib.
  • the wave-guiding silicon layer has been removed at least in sections.
  • the invention also relates to an optical component having a photonically integrated chip.
  • a component preferably comprises a fiber whose fiber end is coupled to the side of the optical diffraction and refraction structure facing away from the grating coupler, wherein the longitudinal direction of the fiber in the region of the fiber end is almost perpendicular to the waveguide or waveguide
  • Layers of the chip is aligned.
  • the optical component may comprise a radiation emitter which is coupled to the side facing away from the grating coupler of the optical diffraction and refraction structure, wherein the radiation direction of the radiation emitter is aligned almost perpendicular to the one or more waves ⁇ leading layers of the chip.
  • the optical component may comprise a radiation detector, which is coupled to the side of the optical diffraction and refraction structure facing away from the grating coupler, the active receiving surface of the radiation detector being aligned parallel to the waveguiding layer (s) of the chip.
  • the invention also relates to a method for
  • a photonic integrated chip comprising a substrate and a plurality of positioned on a top surface of the substrate ⁇ applied material layers, wherein is integrated in the process, an optical waveguide in one or more wellenware- leaders material layers of the chip and formed in the optical waveguide, a grating coupler is which deflects radiation guided in the waveguide in the direction of the layer plane of the wave guiding beam. the material layer or the wave-guiding material layers out or a beam deflection of radiation to be coupled into the waveguide in the direction of the layer plane of the wave-guiding material layer or the wave-guiding ma- material layers into effected.
  • optical diffraction and refraction structure is preferably produced by etching steps in one or more material layers of the chip located above or below the optical grating coupler, or preferably at least also comprises etching steps.
  • one or more lithographs are used in advance. Fie suitse performed for applying one or more etching masks.
  • the number of etching steps and thus the steps graduated in depth can be kept low, whereby the production costs can remain low.
  • the Realisie ⁇ tion of a binary diffractive and refractive structure is possible, also called phase plate which achieves a per ⁇ but slightly lower coupling efficiency with the same aperture, as ei ⁇ ne diffraction and refraction structure with multiple stages. If a sufficient aperture can be realized on the chip, however, a sufficient coupling efficiency can easily be achieved even with a binary structure.
  • the individual stages of the generated optical diffraction and refraction structure in both spatial directions of the plane of the substrate can be carried out independently of each other.
  • a spatial separation of the incident light beam into individual separated partial beams can take place, which can be continued independently of each other.
  • Such a separation can also be implemented via different polarization directions of the separated partial beams.
  • the invention will be explained in more detail with reference tojurisbeispie ⁇ len; thereby show by way of example ment an exemplary embodiment of an optical Bauele, which is equipped with a diffractive and refractive structural structure,
  • Figure 2 shows an embodiment of a photonic integrated circuit chip, in which a diffraction and Bre ⁇ monitoring structure is a Fresnel lens,
  • FIG. 3 shows the structure of the Fresnel lens according to FIG.
  • FIG. 4 shows an embodiment of a photonic integrated circuit chip, in which a diffraction and Bre ⁇ monitoring structure is carried out in several stages
  • FIG. 5 shows a further embodiment of a photo ⁇ cally integrated chip having a plurality of stages executed diffraction and refraction structure
  • Figure 6 shows an embodiment for an optical Bauele ⁇ ment in which a diffractive and refractive structure of a photonic integrated chips is performed in one stage from ⁇ and a two-dimensional binary Stu ⁇ fenlinse forms
  • FIG. 7 shows the binary stepped lens according to FIG. 6 in one
  • FIG. 8 shows an exemplary embodiment of an SOI waveguide which is used for the optical components according to FIGS. 1 and 6 or the photonically integrated chips according to FIGS. 2 and 4 to 5 is suitable, and for example with reference to the photonically integrated chip according to Figure 2, and
  • FIG. 9 shows a further exemplary embodiment of an SOI waveguide which is suitable for the optical components according to FIGS. 1 and 6 or the photonically integrated chips according to FIGS. 2 and 4 to 5, by way of example with reference to the photonically integrated chip according to FIG ,
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of an optical component 1 which comprises a photonically integrated chip 2 or may be formed solely by it.
  • the optical component 1 has, in addition to the chip 2, a radiation-emitting component 3, for example in the form of a laser or a radiation emitter.
  • the photonically integrated chip 2 comprises a substrate 20, on whose upper side 21 a plurality of material layers is arranged.
  • a silicon dioxide layer 30 on which in turn a wave-guiding silicon layer 40 is arranged.
  • the substrate 20, the silicon dioxide layer 30 and the wave-guiding silicon layer 40 may be formed by a so-called SOI (Silicon on Insulator) material, which is commercially available prefabricated.
  • a Rippenwel ⁇ lenleiter 50 is provided, which can for example be formed by etching the wave-conducting silicon layer 40th
  • a grating coupler 60 in the form of a Bragg grating in combination, which has preferably also been prepared by etching the wave-guiding silicon layer 40.
  • top layer 80 has a diffraction and Brechungsstruk- structure 100 is integrated, which not nearer Darge ⁇ in the figure 1.
  • the diffractive and refractive structure 100 is prepared prior ⁇ preferably by one or more lithography steps and using one or more etching steps; Exemplary embodiments will be explained in more detail below.
  • the optical component 1 according to FIG. 1 can be operated, for example, as follows: With the radiation-emitting component 3, a divergent light beam Pe is generated whose curved wavefront 200 has a divergence.
  • the divergent light beam incident on the diffraction and Pe refractive structure 100 which is arranged in the embodiment according to FIG 1 in the cover layer 80 and thus in the so-called "back-end of line" area of the photo ⁇ cally integrated chips. 2
  • the diffraction and refraction structure 100 transforms the incident wavefront 200 of the divergent light beam Pe into a planar wavefront 201, which subsequently enters the grating coupler 60 and couples it via this into the ridge waveguide 50.
  • the guided in the rib waveguide 50 light is indicated in the figure 1 by the reference Pa.
  • the diffractive and refractive structure 100 used in the embodiment according to figure 1 to make a beam ⁇ modeling and transform the curved wavefront 200 in a plane wavefront 201, whereby the efficiency of coupling into the grating 60 and in the ridged waveguide 50 is improved.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a diffraction and refraction ⁇ structure 100 that may be used in the photonic integrated chip 2 of the device 1 according to Figure 1 in further detail.
  • the diffraction and refraction structure 100 in the exemplary embodiment according to FIG. 2 is formed by a single-stage step profile comprising etched sections 101 and unetched sections 102.
  • the arrangement of the etched portions 101 and the unetched portions 102 is selected such that the diffraction and refraction structure 100 forms a Fresnel lens 300.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of a diffraction and refraction structure 100 which can be used in the photonically integrated chip 2 of the optical component 1 according to FIG.
  • the diffraction and refraction structure 100 is formed by a three-step step profile which has been formed in the upper or top cover layer 80 of the chip 2 by lithography and etching steps.
  • the steps ⁇ height and step arrangement of the steps is chosen such that the beam shaping of the divergent light beam Pe with a view to planar as possible wavefront 201 and optimum coupling efficiency to the grating 60 and to Rippenwel ⁇ lenleiter 50 is possible favorable.
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment of a diffraction and refraction structure 100 which can be used in the photonically integrated chip 2 of the optical component 1 according to FIG.
  • a multi-stage lens profile has been formed in the upper cover layer 80 of the photonic integrated chip 2 by a plurality of lithographic and etching steps, which may include, for example, thirteen Stu ⁇ fen.
  • the stepped profile and the outer Formge ⁇ bung of the lens is selected such that the Koppel strigs- in the direction of the grating coupler is possible optimal level 60 and in the direction of the ridge waveguide 50th
  • FIG. 6 shows a further exemplary embodiment of an optical component 1 which is equipped with a photonically integrated chip 2.
  • the optical component 1 comprises a radiation ⁇ receiving component 4, which may be, for example, a radiation detector.
  • the photonic integrated chip 2 includes a substrate 20, a buried silicon dioxide layer 30, a wave-guiding Si ⁇ lizium Anlagen 40, an intermediate layer 70 and an upper cover layer 80, in which a diffractive and refractive structural ⁇ structure is provided 100a.
  • a rib waveguide 50 and a grating coupler 60 are integrated, preferably by etching.
  • the diffraction and refraction structure 100a in the cover layer 80 is formed by a single-stage step profile or a binary step filter comprising etched sections 101 and unetched sections 102.
  • the optical component 1 according to FIG. 6 can be operated, for example, as follows:
  • a light beam Pe which is guided in the ridge waveguide 50, passes to the grating coupler 60, which decouples the light beam Pe and deflects in the direction of the radiation-receiving component 4.
  • the deflected beam preferably has ei ⁇ ne plane wavefront two hundred and first
  • the planar wavefront 201 reaches the diffraction and refraction structure 100a, which performs beamforming and converts the formerly planar wavefront 201 into a convergent wavefront 203 with a divergence ⁇ .
  • the resulting con ⁇ vergente light beam is indicated in the figure 6 with the reference Pa.
  • FIG. 7 shows a diffraction and refraction structure 100a which can be produced with only one etching step and has etched portions 101 and unetched portions 102.
  • the diffraction and refraction structure 100a forms a binary step lens 400.
  • FIG. 8 shows an exemplary embodiment of an SOI waveguide in the form of an SOI rib waveguide, which is suitable for the optical components according to FIGS. 1 and 6 or the photonically integrated chips according to FIGS. 2 and 4 to 5, in cross section, and Although by way of example with reference to the photonically integrated chip according to FIG. 2
  • FIG. 8 shows the substrate 20, on the upper side 21 of which a plurality of material layers is arranged.
  • the silicon dioxide layer 30 On the upper side 21 of the substrate 20 there is, inter alia, the silicon dioxide layer 30, on which in turn the wave-guiding silicon layer 40 is arranged.
  • the substrate 20, the Sili ⁇ ziumdioxid für 30 and the wave-guiding layer of silicon 40 are ge ⁇ represented by an SOI (silicon on insulator) material.
  • a Rippenwel ⁇ lenleiter 50 is provided; the rib width of the rib 51 is indicated by the reference B in FIG.
  • the webs 52 and 53 the web height or layer height is smaller than that of the rib 51.
  • the Ausbrei ⁇ power direction of the light beam Pa according to FIG 2 is perpendicular to the image plane ⁇ right in Figure 8 and may be directed out of the image plane or in the image plane of projection; in the embodiment according to FIG. 8, it is assumed by way of example that the light beam Pa is directed into the image plane.
  • the diffraction and refraction structure 100 is integrated, which is designed two-dimensional and performs beam shaping in two axes, namely along the direction of arrow or along the propagation direction of the light beam Pa according to Figures 2 and 8 - ie along the longitudinal direction of the rib waveguide 50 and also perpendicular thereto, ie along the direction of the arrow Y in FIG. 8.
  • the diffraction and refraction structure 100 is preferably produced by means of one or more lithography steps and by means of one or more etching steps.
  • FIG. 8 also shows that the diffraction and refraction structure 100 along the direction of the arrow Y is formed by a single-stage step profile comprising etched sections 101 and unetched sections 102.
  • the arrangement of the etched portions 101 and the unetched portions 102 is, for example, selected such that the diffraction and refraction structure 100 forms a two-dimensional Fresnel lens 300.
  • the etched portions 101 and the non-etched from ⁇ sections 102 of the diffractive and refractive structure 100 fabric ⁇ te Fresnel lens 300 is shown in Figure 3 in a plan view in further detail.
  • the diffraction and refraction structure 100 along the direction of the arrow Y can also be multi-level, such as this has been explained in connection with FIGS. 4 and 5.
  • FIG. 9 shows a further exemplary embodiment of an SOI waveguide which is suitable for the optical components according to FIGS. 1 and 6 or the photonically integrated chips according to FIGS. 2 and 4 to 5, in cross section, specifically by way of example by means of photonics integrated chips according to FIG. 2
  • the substrate 20 on whose upper ⁇ page 21 is a plurality of material layers.
  • the substrate 20, the Sili ⁇ ziumdioxid für 30 and the wave-guiding silicon layer 40 form SOI (silicon on insulator) material.
  • a rib waveguide 50 is provided in the wave-guiding silicon layer 40; the rib width of the rib 51 is indicated by reference B in FIG.
  • the silicon has been completely removed in sections, for example, has been etched away, so that the webs 52 and 53 shown in FIG. 8 are missing.
  • one or more upper material layers preferably the uppermost material layer (cover layer 80), of the photonically integrated chip 2, that is to say the so-called "backend of line” region of the photonically integrated chip, are lithographically phically generated optical diffraction and refractive structure 100 introduced for beam shaping of light.
  • ⁇ as step-like structures in the top or one or more upper layers of material are etched.
  • the z. B. may be limited by the number of available exposure masks, structures can be realized with one or more graduated in depth levels.
  • These structures act in their entirety as a refractive and diffractive beam shaping element for a particular Wellenatnbe ⁇ rich through specific spatial variation of refractive index.
  • the etched and non-etched regions have different refractive indices.
  • the run times and Ausbrei ⁇ tung directions of light waves through these different loading ranges are thus different, so that the wave front of the incident light wave is deformed after propagation through the diffraction and refraction structure.
  • This effect can be used, for example, to collimate or even focus the light beam, before moving it to a lower layer of the chip 2, the so-called "front end of line" region of the chip, onto the grating coupler 60 in the waveguide Material layer hits.
  • the diffractive and refractive structure 100 is preferably manufactured by a photo-lithographic exposure and etching process that can be combinatorial ⁇ defined with a plasma etch, or by ion beam etching. This process usually takes place at the end of the complete processing of the chip.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich unter anderem auf einen photonisch integrierten Chip (2) mit einem Substrat (20), einer Mehrzahl an auf einer Oberseite (21) des Substrats (20) angeordneten Materialschichten, einem optischen Wellenleiter, der in einer oder mehreren wellenführenden Materialschichten des Chips (2) integriert ist, und einem in dem optischen Wellenleiter ausgebildeten Gitterkoppler (60), der eine Strahlumlenkung von in dem Wellenleiter geführter Strahlung in Richtung aus der Schichtebene der wellenführenden 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 Materialschichten hinein bewirkt. Erfindungsgemäß ist bezüglich des Chips vorgesehen, dass in einer oberhalb oder unterhalb des optischen Gitterkopplers (60) befindlichen Materialschicht des Chips (2) oder in mehreren oberhalb oder unterhalb des optischen Gitterkopplers (60) befindlichen Materialschichten oder auf der Rückseite des Substrats (20) eine optische Beugungs- und Brechungsstruktur (100, 100a) integriert ist, die eine Strahlformung der Strahlung vor Einkopplung in den Wellenleiter oder nach dem Auskoppeln aus dem Wellenleiter vornimmt.

Description

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

Claims

23 Patentansprüche
1. Photonisch integrierter Chip (2) mit
- einem Substrat (20),
- einer Mehrzahl an auf einer Oberseite (21) des Substrats (20) angeordneten Materialschichten,
- einem optischen Wellenleiter, der in einer oder mehreren wellenführenden Materialschichten des Chips (2) integriert ist, und
- einem in dem optischen Wellenleiter ausgebildeten Gitter- koppler (60), der eine Strahlumlenkung von in dem Wellenleiter geführter Strahlung in Richtung aus der Schichtebene der wellenführenden Materialschicht oder der wellenführenden Materialschichten heraus oder eine Strahlumlenkung von in den Wellenleiter einzukoppelnder Strahlung in Richtung in die Schichtebene der wellenführenden Material¬ schicht oder der wellenführenden Materialschichten hinein bewirkt,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einer oberhalb oder unterhalb des optischen Gitterkopplers (60) befindlichen Materialschicht des Chips (2) oder in meh¬ reren oberhalb oder unterhalb des optischen Gitterkopplers (60) befindlichen Materialschichten oder auf der Rückseite des Substrats (20) eine optische Beugungs- und Brechungs- struktur (100, 100a) integriert ist, die eine Strahlformung der Strahlung vor Einkopplung in den Wellenleiter oder nach dem Auskoppeln aus dem Wellenleiter vornimmt.
2. Photonisch integrierter Chip (2) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die optische Beugungs- und Brechungsstruktur (100, 100a) eine Linse, einen Strahlteiler oder einen Polarisationstrenner bildet . 24
3. Photonisch integrierter Chip (2) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die optische Beugungs- und Brechungsstruktur (100, 100a) durch Stufen in einer oder mehrerer oberhalb oder unterhalb des optischen Gitterkopplers (60) befindlicher Material¬ schichten des Chips (2) gebildet ist oder solche Stufen zu¬ mindest auch umfasst.
4. Photonisch integrierter Chip (2) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
- der Wellenleiter ein Rippenwellenleiter (50) ist, der eine in eine wellenführende Materialschicht des Chips (2) aus¬ gebildete Rippe umfasst, und
- die optische Beugungs- und Brechungsstruktur (100, 100a) in einer oder mehrerer oberhalb oder unterhalb der Rippe befindlicher Schichten des Chips (2) integriert ist.
5. Photonisch integrierter Chip (2) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
- der Rippenwellenleiter (50) in einer Siliziumdeckschicht eines SOI-Materials ausgebildet ist und
- die optische Beugungs- und Brechungsstruktur (100, 100a) in einer oder mehrerer oberhalb der Siliziumdeckschicht befindlicher Schichten des Chips (2) integriert ist.
6. Photonisch integrierter Chip (2) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass 25
- die Beugungs- und Brechungsstruktur (100) zweidimensional ausgestaltet ist und in einer Ebene parallel zu der wel¬ lenführenden Materialschicht bzw. den wellenführenden Materialschichten (40) liegt, und
- die Beugungs- und Brechungsstruktur (100) zweidimensional ortsabhängig ist, und zwar in einer Dimension abhängig vom Ort entlang der Längsrichtung des Wellenleiters und in ei¬ ner dazu senkrechten Dimension abhängig vom Ort senkrecht zur Längsrichtung des Wellenleiters.
7. Photonisch integrierter Chip (2) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Beugungs- und Brechungsstruktur (100) eine zweidimensio¬ nale Fresnellinse bildet.
8. Photonisch integrierter Chip (2) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
- der Wellenleiter ein SOI-Rippenwellenleiter (50) mit einer Rippe (51) ist, die in einer auf einer Siliziumdioxid¬ schicht (30) befindlichen wellenführenden Siliziumschicht (40) eines SOI-Materials ausgebildet ist und deren Längs¬ richtung sich entlang der Ausbreitungsrichtung der im SOI- Rippenwellenleiter geführten Strahlung erstreckt, und
- die Beugungs- und Brechungsstruktur (100) zweidimensional ausgestaltet ist und in einer Ebene parallel zur wellen¬ führenden Siliziumschicht (40) liegt, wobei die Beugungs¬ und Brechungsstruktur (100) zweidimensional ortsabhängig 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. 26
9. Photonisch integrierter Chip (2) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
sich neben der Rippe (51) Stege (52, 53) befinden, deren Schichthöhe kleiner als die der Rippe (51) ist.
10. Photonisch integrierter Chip (2) nach einem der voranstehenden Ansprüche 8-9,
dadurch gekennzeichnet, dass
neben der Rippe (51) die wellenführende Siliziumschicht (40) zumindest abschnittsweise entfernt worden ist.
11. Photonisch integrierter Chip (2) nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Gitterkoppler (60) ein eindimensionaler oder ein zweidimensionaler Gitterkoppler (60) ist.
12. Bauelement (1) mit einem photonisch integrierten Chip (2) nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 11.
13. Bauelement (1) nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
- das optische Bauelement (1) eine Faser umfasst, deren Fa- serende an der dem Gitterkoppler (60) abgewandten Seite der optischen Beugungs- und Brechungsstruktur (100, 100a) an diese angekoppelt ist,
- wobei die Längsrichtung der Faser im Bereich des Faserendes nahezu senkrecht zu der oder den wellenführenden
Schichten des Chips (2) ausgerichtet ist.
14. Bauelement (1) nach Anspruch 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet, dass 27
- das optische Bauelement (1) einen Strahlungsemitter um- fasst, der an der dem Gitterkoppler (60) abgewandten Seite der optischen Beugungs- und Brechungsstruktur (100, 100a) an diese angekoppelt ist,
- wobei die Strahlungsrichtung des Strahlungsemitters nahezu senkrecht zu der oder den wellenführenden Schichten des Chips (2) ausgerichtet ist.
15. Bauelement (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche 12 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
- das optische Bauelement (1) einen Strahlungsdetektor um- fasst, der an der dem Gitterkoppler (60) abgewandten Seite der optischen Beugungs- und Brechungsstruktur (100, 100a) an diese angekoppelt ist,
- wobei die aktive Empfangsfläche des Strahlungsdetektors parallel zu der oder den wellenführenden Schichten des Chips (2) ausgerichtet ist.
16. Verfahren zum Herstellen eines photonisch integrierten Chips (2), der ein Substrat (20) sowie mehrere auf einer 0- berseite (21) des Substrats (20) aufgebrachte Materialschich¬ ten umfasst, wobei bei dem Verfahren
- ein optischer Wellenleiter in einer oder mehreren wellen- führenden Materialschichten des Chips (2) integriert wird und
- in dem optischen Wellenleiter ein Gitterkoppler (60) ausgebildet wird, der eine Strahlumlenkung von in dem Wellenleiter geführter Strahlung in Richtung aus der Schichtebe- ne der wellenführenden Materialschicht oder der wellenführenden Materialschichten heraus oder eine Strahlumlenkung von in den Wellenleiter einzukoppelnder Strahlung in Richtung in die Schichtebene der wellenführenden Material- 28
Schicht oder der wellenführenden Materialschichten hinein bewirkt,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einer oberhalb oder unterhalb des Wellenleiters befindli- chen Materialschicht oder in mehreren oberhalb oder unterhalb des Wellenleiters befindlichen Materialschichten des Chips (2) oder auf der Rückseite des Substrats (20) eine optische Beugungs- und Brechungsstruktur (100, 100a) integriert wird, die eine Strahlformung der Strahlung vor Einkopplung in den Gitterkoppler (60) oder nach dem Auskoppeln aus dem Gitter- koppler (60) vornimmt.
17. Verfahren nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet, dass
als optische Beugungs- und Brechungsstruktur (100, 100a) eine Linse, ein Strahlteiler oder ein Polarisationstrenner hergestellt wird.
18. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 16-17, dadurch gekennzeichnet, dass
das Herstellen der optischen Beugungs- und Brechungsstruktur (100, 100a) mindestens einen Lithografieschritt sowie mindes¬ tens einen Ätzschritt zum Ätzen von Stufen in einer oder mehrerer oberhalb oder unterhalb des optischen Gitterkopplers (60) befindlicher Materialschichten des Chips (2) zumindest auch umfasst.
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