CN103119487B - 配置成从中间波导抽头光信号的部分的光监视器 - Google Patents

Abstract

所述设备包括基部上的波导。所述波导包括输入部、吸光部以及输出部。所述波导的所述输入部由透光介质部分地限定。所述波导的所述吸光部被配置成将光信号的透射部分引导到所述波导的所述输出部。此外，所述波导的所述吸光部由不同于所述透光介质的吸光介质部分地限定。所述波导的所述输出部被配置成从所述波导的所述吸光部接收所述光信号的所述透射部分，并且被配置成引导所述光信号的所述透射部分远离所述吸光部。所述波导的所述输出部由所述透光介质部分地限定。所述设备还包括被定位于所述基部上的监视器，并且被配置成监测所述光信号的被吸收部分的吸收。

Description

配置成从中间波导抽头光信号的部分的光监视器

相关申请

本申请是2010年7月28日提交、标题为“LightMonitorConfiguredtoTapPortionofLightSignalfromMid-Waveguide”的美国专利申请序号12/804,769的继续。

技术领域

本发明涉及光学设备并且更特别地涉及具有内嵌光监视器的设备。

背景技术

在通信应用中光学和/或光电子设备的使用越来越多。在这些设备的操作期间，常常需要在波导的中点处而不是在波导的末端处监测沿着波导行进的光。抽头（tap）波导常常被用于此目的。抽头波导与正携带待监测的光信号的主波导相交。抽头波导从主波导中提取光信号的一小部分，并且然后将光信号的所提取部分携带到定位于抽头波导的末端处的光传感器。光传感器的输出然后被用来监测主波导上的光信号。

这些抽头波导的存在能够增加光学和/或光电子设备的尺寸和/或复杂性。然而，需要在通信设备中使用的光学和/或光电子设备被减少或者最小化。结果，存在对于用于在波导的中点处监测沿着波导行进的光信号的改进技术的需要。

发明内容

所述设备包括基部上的波导。所述波导包括输入部、吸光部以及输出部。所述波导的输入部被配置成将光信号引导到该波导的吸光部并且由透光介质部分地限定。所述波导的吸光部被配置成吸收光信号的一部分，并且配置成将光信号的透射部分引导到该波导的输出部。此外，所述波导的吸光部由不同于透光介质的吸光介质部分地限定。该吸光介质具有每个在吸光介质的顶面与底面之间延伸的横向侧面，其中所述底面在基部与吸光介质的顶面之间。所述波导的输出部被配置成从所述波导的吸光部接收光信号的所述透射部分。此外，所述波导的输出部被配置成引导光信号的所述透射部分远离所述波导的吸光部。所述波导的输出部由透光介质部分地限定。所述设备还包括定位于基部上的监视器。所述监视器被配置成监测光信号的被吸收部分的吸收。所述监视器包括场源，其每个被配置成用作吸光介质中的电场的源。所述场源每个都接触横向侧面中的一个，并且被所述场源接触的横向侧面是在吸光介质的相对侧面上。

在一些实例中，所述波导的吸光部具有小于1μm的长度，并且所述长度被选择使得光信号的被吸收部分的功率小于该光信号的功率的5%。

在一个实施例中，所述吸光介质包括限定所述波导的吸光部的一部分的顶面，而所述透光介质包括限定所述波导的输入部的一部分的顶面。在一些实例中，所述吸光介质的顶面比所述透光介质的顶面离基部更远。

附图说明

图1A至图1J图示了具有光学监视器的光学设备。该监视器包括被配置成在吸光介质中产生基本上水平的电场的场源。图1A至图1J中图示的设备采用吸光介质的掺杂区作为场源。图1A是设备的透视图。

图1B是包括光学监视器的图1A中示出的光学设备的部分的顶视图。

图1C是沿着标记C的线所截取的图1B中示出的设备的横截面。

图1D是沿着标记D的线所截取的图1B中示出的光学设备的横截面。

图1E是沿着标记E的线所截取的图1B中示出的光学设备的横截面。

图1F是沿着标记F的线所截取的图1B中示出的光学设备的横截面。

图1G是沿着标记F的线所截取的图1B中示出的光学设备的横截面。

图1H是沿着标记F的线所截取的图1B中示出的光学设备的横截面。图1F、图1G以及图1H中示出的实施例是可替换的实施例。

图1J是沿着标记J的线所截取的图1B中示出的光学设备的横截面。该横截面通过在具有根据图1F的结构的波导上构建的监视器。

图2A是可以被构建在具有根据图1H构建的结构的波导上的监视器的实施例的横截面。

图2B是可以被构建在具有根据图1G构建的结构的波导上的监视器的实施例的横截面。

图2C是可以被构建在具有根据图1F构建的结构的波导上的监视器的实施例的横截面。

图3是通过波导的经线所截取的带有具有根据图1F的结构的监视器的光学设备的横截面。

图4是其中波导包括水平锥度并且排除垂直锥度的图1B的光学设备的顶视图。

图5A至图14图示了形成具有根据图1A至图1F和图1J构建的监视器的光学设备的方法。

具体实施方式

所述设备包括基部上的波导。所述波导包括输入部、吸光部以及输出部。波导的输入部被配置成将光信号引导到波导的吸光部。波导的吸光部被配置成吸收光信号的一部分，并且配置成将光信号的透射部分引导到波导的输出部。波导的输出部被配置成从波导的吸光部接收光信号的所透射部分，并且还配置成引导光信号的所透射部分远离波导的吸光部。所述设备还包括定位于基部上的监视器。该监视器包括每个被配置成用作吸光介质中的电场的源的场源。在一些实例中，场源被配置成在波导的吸光部中产生偏置电场。所述结果得到的电场与基部基本上水平。

场源还可以被采用来监测通过波导的吸光部的电流。电流在波导的吸光部中的存在指示光信号的吸收。结果，监视器可以被采用来监测光信号的被吸收部分的吸收。此外，波导的吸光部的长度可以被选择使得吸光介质吸收小于由输入波导所引导的光信号的功率的100%、50%、10%或5%。因此，光信号功率的大部分继续通过监视器，被输出波导接收，以及被引导远离监视器。

上述布置的效率允许监视器具有紧凑尺寸。例如，当波导的吸光部的长度是这样的以致吸光介质吸收小于由输入波导所引导的光信号的功率的5%时，波导的吸光部能够具有小于1μm的长度。与波导的输入部和/或波导的输出部相比较，波导的吸光部的这个减少的长度允许波导的吸光部具有不同的横截面面积和/或形状。例如，波导的吸光部中的吸光介质的顶面可以位于在输出波导和/或输入波导中的透光介质的顶面上。从波导的吸光部的尺寸向输入波导和/或输出波导的尺寸的过渡可能是陡峭的（abrupt）。例如，从波导的吸光部的顶部向输入波导和/或输出波导的顶部的过渡可能是陡峭的。这些陡峭过渡是容许的，因为作为波导的吸光部的减少的长度的结果，光信号在吸光介质中的发散的水平被降低。因为在波导的吸光部中存在很少发散，所以与陡峭过渡相关联的损失被减少。这些陡峭过渡能够简化制造工艺。例如，如在下面将变得明显那样，建立具有这些陡峭过渡的设备能够从制造工艺中消除一个或多个平面化步骤。这些步骤的消除能够降低制造工艺的成本和/或复杂性，并且能够提高为可能的其他制造步骤的数目。

因为该设备不依赖渐逝耦合来抽头信号的某一部分，所以偏振相关损耗(PDL)的数量也被减少。这是因为一般而言光在波导内的模式的渐逝尾部中的场强度正好是偏振相关的，而这对于在波导中心的场强度来说不是如此。在这里所描述的设备主要与在波导中心的光相互作用。结果，监视器可以是内嵌的、紧凑的、易于制造的，并且具有较低水平的PDL。

图1A至图1J图示了具有包括光监视器的波导的光学设备，所述光监视器被定位与波导一致并且配置成监测在沿着波导的中路位置处的光信号。图1A是设备的透视图。图1B是包括光学监视器的图1A中示出的光学设备的部分的顶视图。图1C是沿着标记C的线所截取的图1B中示出的设备的横截面。图1D是沿着标记D的线所截取的图1B中示出的光学设备的横截面。图1E是沿着标记E的线所截取的图1B中示出的光学设备的横截面。图1F是沿着标记F的线所截取的图1B中示出的光学设备的横截面。图1G是沿着标记F的线所截取的图1B中示出的光学设备的横截面。图1H是沿着标记F的线所截取的图1B中示出的光学设备的横截面。图1F、图1G以及图1H中示出的实施例是可替换的实施例。图1J是沿着标记J的线所截取的图1B中示出的光学设备的横截面。

所述设备是在称为平面光学设备的这类光学设备范围内。这些设备典型地包括相对于衬底或基部固定的一个或多个波导。光信号沿着该波导的传播的方向通常与设备的平面平行。设备的平面的示例包括基部的顶面、基部的底面、衬底的顶面和/或衬底的底面。

所图示的设备包括从顶面12向底面14延伸的横向侧面10(或边缘)。光信号沿着平面光学设备上的波导的长度的传播方向通常贯穿设备的横向侧面10。该设备的顶面12和底面14是非横向侧面。

所述设备包括携带到和/或从光学部件17的光信号的一个或多个波导16。可以在该设备上包括的光学部件17的示例包括但不限于选自由以下各项构成的组的一个或多个部件：光信号通过其可以进入和/或离开波导的刻面（facet）；光信号通过其能够从设备上方或下方进入和/或离开波导的进入/离开端口；用于将多个光信号组合到单个波导上的多路复用器，用于分离多个光信号使得不同的光信号在不同的波导、光学耦合器、光学开关上被接收到的多路分用器；充当光信号的源的激光器；用于放大光信号的强度的放大器；用于衰减光信号的强度的衰减器；用于调制光信号的调制器；将光信号转换为电信号的监视器；以及为从设备的底面14向设备的顶面12穿过该设备而行进的光信号提供光学通路的贯穿孔。此外，该设备可选地能够包括电部件。例如，该设备能够包括用于对波导施加电位或电流和/或用于控制光学设备上的其他部件的电连接。

波导的一部分包括其中波导16的一部分被限定在定位于基部20上的透光介质18中的第一结构。例如，波导16的一部分由从如图1C中所示出的透光介质的平板(slab)区向上延伸的脊22部分地限定。在一些实例中，平板区的顶部由部分地延伸到透光介质18中或者贯穿透光介质18的沟槽24的底部来限定。适当的透光媒体包括但不限于硅、聚合物、二氧化硅、SiN、GaAs、InP以及LiNbO₃。一个或多个包覆层(未示出)被可选地定位于透光介质上。所述一个或多个包覆层能够用作用于波导16和/或用于设备的包覆。当透光介质18是硅时，适当的包覆层包括但不限于聚合物、二氧化硅以及SiN。

凹槽25(图1B)延伸到平板区中，使得脊22被定位于凹槽25之间。凹槽25能够仅部分地延伸到透光介质18中。显然从图1D中看出，凹槽25可以与脊22隔开。结果，波导16的一部分包括第二结构，其中波导16的上部由从平板区向上延伸的脊22部分地限定，而波导的下部由延伸到平板区并且与脊隔开的凹槽25部分地限定。

如图1E中所示，凹槽25能够靠近脊22使得脊22的侧面和凹槽25的侧面组合成单个表面26。结果，波导的一部分包括其中波导由表面26部分地限定的第三结构。

显然从图1B中看出，波导的一部分包括吸光介质27。吸光介质27被配置成从具有第三结构的波导的一部分接收光信号，并且被配置成将所接收到的光信号引导到具有第三结构的波导的另一部分。

吸光介质27从凹槽25的底部向上延伸。吸光介质27被配置成引导光信号。例如，显然从图1F中看出，波导的一部分包括其中波导由吸光介质27的顶部和横向侧面部分地限定的第四结构。

在图1F中，吸光介质27被定位于透光介质18的种子（seed）部34上。透光介质18的种子部34被定位于基部20上。特别地，透光介质18的种子部34接触绝缘体28。在一些实例中，当光信号从透光介质行进到吸光介质27中时，光信号的一部分进入透光介质18的种子部34中，而光信号的另一部分进入吸光介质27。在设备的制造期间，透光介质18的种子部34可以被用来生长吸光介质27。例如，当透光介质18是硅并且吸光介质27是锗-硅时，吸光介质27可以在该硅上生长。结果，透光介质18在波导16中并且作为用于吸光介质27的生长的种子层的使用能够简化用于制造该设备的工艺。

图1G是图1F中图示的第四结构的替代方案。在图1G中，吸光介质27被定位于透光介质18的种子部34上而不用透光介质18的种子部34基本上越过吸光介质27的横向侧面延伸。此外，透光介质18的平板区不存在于吸光介质27的脊邻近处。因此，波导的一部分包括其中波导由吸光介质27的顶部和横向侧面部分地限定的第四结构。在一些实例中，当光信号从透光介质行进到吸光介质27中时，光信号的一部分进入透光介质18的种子部34中，而光信号的另一部分进入吸光介质27。如上所述，吸光介质27可以在透光介质18的种子部上生长。

图1H是图1F和图1G中图示的第四结构的替代方案。在图1H中，吸光介质27的脊22从吸光介质27的平板区向上延伸。因此，波导的一部分包括其中波导由吸光介质27的顶部和横向侧面部分地限定的第四结构。吸光介质27的平板区和吸光介质27的脊22皆被定位于透光介质18的种子部34上。结果，透光介质18的种子部34是在吸光介质27与基部20之间。在一些实例中，当光信号从透光介质行进到吸光介质27中时，光信号的一部分进入透光介质18的种子部34，而光信号的另一部分进入吸光介质27。如上所述，吸光介质27可以在透光介质18的种子部上生长。

显然从图1B中看出，在吸光介质27的每个刻面与透光介质18的刻面之间存在界面。相对于光信号在界面处通过波导16的传播的方向，该界面能够具有为非垂直的角度。在一些实例中，界面相对于基部20是基本上垂直的而相对于传播的方向是非垂直的。所述界面的非垂直性减少了背反射的影响。用于界面相对于传播的方向的适当角度包括但不限于80°与89°之间的角度和80°与85°之间的角度。

与透光介质18邻近的基部20的部分被配置成将来自波导16的光信号往回反射到波导16中，以便将光信号约束在波导16中。例如，与透光介质18邻近的基部20的部分可以是具有比透光介质18更低折射率的光学绝缘体28。折射率的下降能够引起来自透光介质18的光信号往回进入到透光介质18的反射。基部20能够包括定位于衬底29上的光学绝缘体28。如在下面将变得明显那样，衬底29可以被配置成透射光信号。例如，衬底29可以由不同于透光介质18或和透光介质18相同的透光介质18构成。在一个示例中，所述设备被构建在绝缘体上硅(silicon-on-insulator)晶片上。绝缘体上硅晶片包括用作透光介质18的硅层。绝缘体上硅晶片还包括定位于硅衬底上的硅石层。所述硅石层能够用作光学绝缘体28，而硅衬底能够用作衬底29。

光学设备包括监视器30。监视器在光学设备上的位置由图1B中的标记K的线图示。尽管图1B示出了吸光介质27越过监视器延伸，但是监视器的周边能够延伸到吸光介质27的周边。

为了简化图1B，在图1B中未示出监视器构造的细节。然而，监视器构造从诸如1J之类的其他图示中是明显的。图1J是沿着标记J的线所截取的图1B中示出的光学设备的横截面。图1J的监视器可以被构建在具有根据图1F构建的第四结构的波导的部分上。该监视器被配置为使得在监视器的操作期间，电场被施加到吸光介质27使得该电场与基部20是基本上平行的。

吸光介质27能够包括连接底面36和顶面37的横向侧面35。底面位于顶面与基部20之间。在一些实例中，横向侧面相对于基部20是基本上垂直的。

吸光介质27的横向侧面能够包括掺杂区40。如从图1J中明显的，掺杂区40中的每一个都延伸直到吸光介质27的顶面。掺杂区40中的每一个都可以是N型掺杂区或P型掺杂区。例如，N型掺杂区中的每一个都能够包括N型掺杂剂，而P型掺杂区中的每一个都能够包括P型掺杂剂。在一些实例中，吸光介质27包括为N型掺杂区的掺杂区40和为P型掺杂区的掺杂区40。吸光介质27中的掺杂区40之间的分离导致PIN(p型区-绝缘体-n型区)结在监视器30中的形成。

在吸光介质27中，用于N型区的适当的掺杂剂包括但不限于磷和/或砷。用于P型区的适当的掺杂剂包括但不限于硼。掺杂区40被掺杂以便为导电的。P型掺杂区中的用于P型掺杂剂的适当浓度包括但不限于大于1x10¹⁵cm^-3、1x10¹⁷cm^-3或1x10¹⁹cm^-3，和/或小于1x10¹⁷cm^-3、1x10¹⁹cm^-3或1x10²¹cm^-3的浓度。N型掺杂区中的用于N型掺杂剂的适当浓度包括但不限于大于1x10¹⁵cm^-3、1x10¹⁷cm^-3或1x10¹⁹cm^-3，和/或小于1x10¹⁷cm^-3、1x10¹⁹cm^-3或1x10²¹cm^-3的浓度。

透光介质18还包括掺杂区42。透光介质18中的每个掺杂区42接触吸光介质27中的掺杂区40中的一个。透光介质18中的掺杂区42和被接触的掺杂区40是相同类型的掺杂区。例如，当吸光介质27中的掺杂区40是P型区时，该掺杂区40接触透光介质18中的P型掺杂区。结果，在一些实例中，透光介质18中的掺杂区42中的一个是P型掺杂区并且透光介质18中的掺杂区42中的一个是N型掺杂区。

在透光介质18中，用于N型区的适当的掺杂剂包括但不限于磷和/或砷。用于P型区的适当的掺杂剂包括但不限于硼。掺杂区42被掺杂以便为导电的。P型掺杂区中的用于P型掺杂剂的适当浓度包括但不限于大于1x10¹⁵cm^-3,1x10¹⁷cm^-3或1x10¹⁹cm^-3，和/或小于1x10¹⁷cm^-3、1x10¹⁹cm^-3或1x10²¹cm^-3的浓度。N型掺杂区中的用于N型掺杂剂的适当浓度包括但不限于大于1x10¹⁵cm^-3、1x10¹⁷cm^-3或1x10¹⁹cm^-3，和/或小于1x10¹⁷cm^-3、1x10¹⁹cm^-3或1x10²¹cm^-3的浓度。

透光介质18中的每个掺杂区42接触诸如金属之类的电导体44。因此，透光介质18中的掺杂区42中的每一个都提供了电导体44与吸光介质27中的掺杂区40中的一个之间的电通信。结果，电能可以被施加到电导体44以便对吸光介质27施加电场。显然从图1J中标记E的箭头中看出，吸光介质27中的掺杂区40用作用于电场的场源。结果，结果得到的电场与基部20是基本上平行的。

图2A表示能够简化制造工艺的监视器的另一构造。图2A的监视器可以被构建在具有根据图1H构建的第四结构的波导的部分上。

吸光介质27的脊22从吸光介质27的平板区向上延伸。掺杂区40既在吸光介质27的平板区中又同样地在吸光介质27的脊中。例如，吸光介质27的掺杂区40被定位于吸光介质27的脊22的横向侧面上。此外，掺杂区40从脊22延伸到吸光介质27的平板区中。如图2A中所示出的那样，掺杂区40从吸光介质27的脊22到吸光介质27的平板区中的过渡可以是连续的和完整的。

电导体44被定位于吸光介质27的平板区上。特别地，电导体44每个接触在吸光介质27的平板区中的掺杂区40的一部分。

相对于诸如图1J中所图示的布置，图2A的布置可以具有简化的制造工艺。例如，在图1J中，掺杂区40被形成在透光介质18中并且还在吸光介质27中。可能需要不同的条件以用不同的材料形成这些区。例如，当透光介质18是硅并且吸光介质27是锗-硅时，使用不同的温度来将掺杂区40形成在吸光介质27中与被用来将掺杂区42形成在透光介质18中相比较可能是备受期待的。然而，因为图2A的布置需要掺杂区仅被形成在吸光介质中，所以图2A的布置可能是更易于制造的。

尽管图2A图示了掺杂区中的每一个都仅部分地延伸到吸光介质的平板区中，但掺杂区中的一个或多个能够贯穿吸光介质的平板区。因此，掺杂区中的一个或多个能够接触透光介质18。另外，掺杂区中的一个或多个能够贯穿吸光介质的平板区并且进入到透光介质18。

与其将吸光介质27中的掺杂区40用作为场源，倒不如诸如金属之类的电导体44可以被用作为场源。例如，图2B是采用电导体44作为场源的监视器的横截面。图2B的监视器可以被构建在具有根据图1G构建的第四结构的波导的部分上。电导体44从基部20向吸光介质27的顶面延伸。例如，图2B图示了电导体44从绝缘体28延伸到吸光介质27的顶面。透光介质18的种子部34是在基部20与吸光介质27之间。

显然从图2B中看出，电导体44能够接触基部20。然而，如图2C中所图示的那样电导体44可以与基部20隔开。图2C的监视器可以被构建在具有根据图1F构建的第四结构的波导的部分上。在图2C中，间隔层46被形成在透光介质18的顶部上并且靠着吸光介质27的横向侧面。电导体44从间隔层46的顶部向吸光介质27的顶面延伸。结果，间隔层46抬高了电导体44相对于基部20的底部。电导体44还被抬高超过吸光介质27与透光介质18的种子部34之间的界面。电导体44的抬高减少了结果得到的电场与介于吸光介质27与透光介质18的种子部34之间的界面之间的相互作用。

监视器被配置为使得在监视器的操作期间，电场被施加到吸光介质27使得该电场与基部20是基本上平行的。

在监视器的操作期间，可以横跨吸光介质27施加偏置电场。虽然偏置电场是存在的，但是波导的一部分作为将光信号引导到吸光介质27并且到监视器的输入波导。吸光介质27吸收光信号的一部分(光信号的被吸收部分)。光信号的另一部分穿过吸光介质27(光信号的透射部分)并且在波导的输出部中被接收。波导的输出部引导光信号的透射部分远离监视器，并且能够引导光信号远离吸光介质27。光信号的被吸收部分通过吸光介质27的吸收允许电流流过吸光介质27。结果，通过吸光介质27的电流的水平指示了光信号的接受。此外，电流的幅值能够指示光信号的功率和/或强度。

不同的吸光媒体27能够吸收不同的波长，并且因此取决于监视器的功能适于用在监视器中。适于在通信应用中使用的光信号的检测的吸光介质27包括但不限于硅锗、硅-锗量子阱以及Ge。硅锗适于具有1300nm~1600nm范围内的波长的光信号的检测。硅-锗的示例包括Si_1-xGe_x，其中x大于或等于零。在一些实例中，x小于1或0.9和/或大于0或0.005。改变变量x能够转移监测在其下是最有效的波长的范围。例如，当x是1时，监视器适于1610-1640nm的范围。减小x的值能够将波长的范围转移到较低的值。例如，约0.8至0.9的x适于c波段(1530-1565nm)内的监测。因此，x的值可以被选择为对于待监测的波长来说是最佳的。

提高具有吸光介质27的波导的部分(波导的吸光部)的长度引起光信号的较大部分被吸收。因为光监视器被设计成抽头仅光信号的一部分，所以波导的吸光部的长度被选择使得所期望的光信号的部分被吸收。例如，在一些实例中，波导的吸光部的长度被选择使得波导的吸光部吸收小于光信号功率的95%、小于光信号功率的20%或小于光信号功率的15%。

波导的吸光部的所需要的长度还可能受到用作为吸光介质27的材料影响。例如，吸光介质27吸收光信号越有效，需要的波导的吸光部越短以便吸收所期望的光信号的小部分。锗当被用作为吸光介质27时是效率高的。结果，当锗被用作为吸光介质27时，波导的吸光部的长度可能比当使用其他材料时更短。然而，当锗被用作为吸光介质27并且监视器被用于通信应用时，波导的吸光部的长度的长度可能是如此小以致监视器难以制造。例如，当锗被用作为吸光介质27并且监视器被用于通信应用时，波导的吸光部的长度可能像0.1μm一样小。在一些实例中，波导的吸光部的长度大于0.1以便提供更易管理的制造尺寸。可以使用诸如硅-锗(其中x大于0的Si_1-xGe_x)之类的效率较低的吸光介质27，以便提供具有适于容易制造的长度的波导的吸光部。

在一个示例中，当监视器适于通信应用并且吸光介质是硅-锗时，波导的吸光部的长度大于0.5μm、1μm或10μm和/或小于5μm、10μm、20μm、30μm或50μm。通信应用当前采用1300nm~1600nm的波长。波导的吸光部的长度的示例在图1B中被标记为L。所图示的长度对应于其中吸光介质27横跨脊的宽度延伸的波导的部分。在另一示例中，波导的吸光部的长度大于0.5μm、1μm或10μm和/或小于5μm、10μm、20μm、30μm或50μm，并且被选择为吸收小于光信号功率的95%、小于光信号功率的50%、小于光信号功率的20%、小于光信号功率的15%、或小于光信号功率的5%。

吸光介质的顶部可以在波导的邻近部分的顶部上。例如，图3是通过波导的经线所截取的光学设备的横截面。吸光介质27的顶部与基部之间的距离大于邻近透光介质18的顶部之间的距离。监视器以及因此吸光介质27的减少的长度意味着当光信号穿过吸光介质27而行进时发生的发散的量也被减少。这个降低的发散水平降低了当光信号穿过吸光介质27而行进时发生的光学损耗的水平。因此，与吸光介质27的被抬高的高度相关联的光学损耗可能不合需要的高。如在下面将变得明显那样，吸光介质27的被抬高的高度可能是在设备的制造期间跳过平面化的结果。结果，吸光介质27的抬高能够简化和/或降低制造工艺的成本。尽管使用图1F的第四结构示出图3，但是吸光介质27和透光介质的顶部之间的所图示的关系在具有根据图1G至图2C的第四结构的设备中可能是真的。另外，吸光介质的顶部不需要在波导的邻近部分的顶部上。例如，在一些实例中，吸光介质27的顶部和波导的邻近部分的顶部可以处于相对于基部的相同水平。

为了转移监测在其下是最高效率的波长的范围，应变可选地可以被放置在吸光媒体27上。例如，提高的拉伸应变能够将适当的监测波长的范围转移到较长的波长。许多技术可以被采用来将应变强加在吸光介质27上。例如，可以在吸光介质27在透光介质18的种子部34上的生长期间产生热致应变。在这种情况下，应变由吸光介质27与种子部34之间的不同晶格(lattice)结构产生。此外，或者可替换地，应变诱导材料的层可以在吸光介质27的顶部上生长或者沉积。应变诱导介质可以被选择，使得吸光介质27和应变诱导介质的晶格结构的差异提供应变诱导介质上的应变。当吸光介质27是锗-硅时，适当的应变诱导媒体包括但不限于诸如SiO₂和SiN之类的电介质和诸如铝之类的金属。应变诱导介质能够接触吸光介质27但不必。例如，应变诱导介质可以被定位于衬底29的底部上。在本实例中，应变诱导介质可以被选择使得应变诱导介质和衬底29的晶格结构的差异能够使设备弯曲并且因此拉紧吸光介质27。当衬底29是硅时，适当的应变诱导媒体包括但不限于诸如SiO₂和SiN之类的的电介质和诸如铝之类的金属。

提高脊的横向侧面的部分，被场源所接触的吸光介质27能够提高监视器的效率。因此，显然从图1A、图2B以及图2A中看出，场源中的每一个都能够横跨被场源接触的横向侧面的顶部与被场源接触的横向侧面的底部之间的距离。在一些实例中，场源中的每一个都从被场源所接触的横向侧面的顶部朝基部20延伸。可替换地，场源中的每一个都能够从在被场源所接触的横向侧面的顶部与被场源所接触的横向侧面的底部之间的距离的90%之上的位置朝基部20延伸。场源中的每一个都能够从在被场源所接触的横向侧面的顶部与被场源所接触的横向侧面的底部之间的距离的80%之上的位置朝基部20延伸。在一个示例中，场源中的每一个都从在被场源所接触的横向侧面的顶部的1.0μm内的位置朝基部20延伸。

具有第四结构的波导的部分的宽度能够影响监视器的性能。波导或波导的一部分的宽度指的是将波导限定在波导的该部分中的宽度。例如，吸光介质27的脊的顶部的宽度能够影响响应时间。较窄的宽度能够提高更快的响应时间。监视器中的针对吸光介质27的脊的顶部的适当宽度包括但不限于大于0.2μm、0.5μm以及0.75μm，和/或小于1.25μm、5μm以及10μm的宽度。监视器中的针对吸光介质27的脊的顶部的优选宽度的示例是1μm。

波导的宽度能够包括配置为使得吸光介质27在监视器中具有所期望的宽度的水平锥度。例如，图4是其中波导16包括锥度48的光学设备的顶视图。锥度48可以是水平锥度并且不必包括垂直锥度，尽管垂直锥度是可选的。锥度48中的一个被定位在监视器之前，并且能够使波导逐渐变细到监视器中的吸光介质27所期望的宽度。另一锥度48被定位在监视器之后并且使波导回到所期望的尺寸。

水平锥度出现在透光介质18中而不是在吸光介质27中。水平锥度能够各在具有第一结构的波导的一部分与波导的扩展部分之间。光学设备优选地排除锥度与监视器之间的附加的部件，尽管其他部件可能是存在的。

波导的扩展部分可以是多模或单模。此外，具有第一结构的波导的部分可以是单模或多模。具有第三结构的波导的部分可以是多模或单模。然而，甚至当具有第一结构的波导的部分是单模时，作为相对于脊在具有第一结构的波导的部分中的高度具有提高的高度的脊的结果，具有第三结构的波导的部分能够变成垂直多模。一般而言，当具有第三结构的波导的部分是单模时具有第四结构的波导的部分是单馍，而当具有第三结构的波导的部分是多模时具有第四结构的波导的部分是多模。

鉴于上文，具有第二结构的波导的部分可以是为单模的波导的一部分与为至少垂直多模的波导的一部分之间的过渡。例如，在一个示例中，第一结构是单模，第二结构是单模与多模之间的过渡，第三结构是多模，以及第四结构是多模。在这些实例中，凹槽与脊之间的距离能够逐渐减少以便减少较高阶模式在这个过渡期间的激发。例如，凹槽与脊之间的距离能够提供绝热锥度。在实例中，在具有第二结构的波导的部分不提供为单模的波导的一部分与为多模的波导的一部分之间的过渡的情况下，凹槽与脊之间的距离还能够逐渐减少以便减少较高阶模式的激发。

因为作为使用上述结构的结果而形成的电场与基部是基本上平行的，所以改变吸光介质27在监视器中的高度基本上不影响光电流响应。结果，不存在对于大尺寸波导与监视器之间的垂直锥度的需要。因此，具有第二结构、第三结构以及第四结构的波导的部分每个都能够排除垂直锥度。

如上所述，监视器适于与适于在通信应用中使用的波导尺寸一起使用。因此，针对具有第一结构(图1C)的波导16的部分的适当高度(脊22的顶部与基部之间的距离)包括但不限于大于1μm、2μm以及3μm的高度。针对具有第一结构(图1C)的波导16的部分的脊的适当宽度包括但不限于大于0.25μm、0.5μm以及0.75μm的宽度。

因为具有第二结构、第三结构以及第四结构的波导的部分每个都能够排除垂直锥度，所以波导的这些部分中的每一个的高度(脊22的顶部与基部之间的距离)可以是大约相同的。在一些实例中，具有第一结构的波导的部分的高度(脊22的顶部与基部之间的距离)是和第二结构、第三结构以及第四结构的高度相同的。可替换地，如上所述，吸光介质27的顶部可以在波导的其余部分上面。

用于凹槽延伸到透过介质的平板区中的适当深度包括但不限于大于1.5μm、2.5μm以及2.8μm和/或小于3.0μm、4μm以及4.5μm的深度。针对具有第一结构的波导的部分中的脊的适当高度(脊的顶部与透光介质的平板部的顶部之间的距离)包括但不限于大于0.5μm、0.8μm以及1.2μm，和/或小于1.5μm、2μm以及3μm的高度。

光学设备可以使用在集成电路、光电子电路和/或光学设备的制造中所采用的制造技术来构建。图5A至图14图示了形成具有根据图1A至图1F和图1J构建的监视器的光学设备的方法。图示了使用绝缘体上硅晶片或芯片作为光学设备的起动前体的方法。然而，该方法可以适用于不同于绝缘体上硅平台的平台。

图5A至图5C图示了在绝缘体上硅晶片或芯片上形成的第一掩模50以提供设备前体。图5A是设备前体的顶视图。图5B是沿着标记B的线所截取的图5A中示出的设备前体的横截面。图5C是沿着标记C的线所截取的图5A中示出的设备前体的横截面。第一掩模50让其中吸光腔52将被形成的设备前体的区暴露，而该设备前体的所图示部分的其余部分被保护。吸光腔52是其中吸光介质将被形成的设备前体的区。第一蚀刻然后被执行以便形成吸光腔52。第一蚀刻产生图5A至图5C的设备前体。第一蚀刻被执行使得透光介质18的种子部34剩余在基部20上。因此，第一蚀刻在达到基部20之前被终止。

适当的第一掩模50包括但不限于诸如硅石掩模的硬掩模。适当的第一蚀刻包括但不限于干法蚀刻。

如图6A至图6C中所示，吸光介质28被形成在图5A至图5C的传感器腔52中。图6A是设备前体的顶视图。图6B是沿着标记B的线所截取的图6A中示出的设备前体的横截面。图6C是沿着标记C的线所截取的图6A中示出的设备前体的横截面。当透光介质18是硅并且吸光介质27是锗或锗-硅时，吸光介质27可以在硅的种子部34上生长。在吸光介质27的形成之后，第一掩模50可以被移除并且设备前体可以被平面化。用于抛光的适当的方法包括但不限于化学机械抛光(CMP)工艺。作为替代方案，第一掩模50可以被移除并且不执行平面化以便提供具有图3中示出的设备。这允许诸如CMP步骤之类的步骤将被跳过。因为CMP工艺和EPI生长可能是非兼容工艺，所以跳过CMP步骤的能力能够准许其他制造选项。

第二掩模54可以形成在设备前体上以便提供图7A至图7C的设备前体。图7A是设备前体的顶视图。图7B是沿着标记B的线所截取的图7A中示出的设备前体的横截面图。图7C是沿着标记C的线所截取的图7A中示出的设备前体的横截面图。第二掩模54被形成使得其中波导的脊将被形成的区被保护而该设备前体的所图示部分的其余部分保持暴露。适当的第二掩模54包括诸如硅石掩模之类的硬掩模。

对图7A至图7C的设备前体执行第二蚀刻以提供图8A至8C的设备前体。图8A是设备前体的顶视图。图8B是沿着标记B的线所截取的图8A中示出的设备前体的横截面图。图8C是沿着标记C的线所截取的图8A中示出的设备前体的横截面图。因为第二蚀刻同时蚀刻透光介质18和吸光介质27，所以第二蚀刻将透光介质18和吸光介质27蚀刻到不同的深度。例如，图8B图示了比透光介质18蚀刻更深的吸光介质27。第二蚀刻被执行穿过定位于脊22的任一面上的吸光介质27直到底层透光介质18。适当的第二蚀刻包括但不限于干法蚀刻，所述干法蚀刻能够蚀刻透光介质18和吸光介质27两者。

第三掩模56形成在如由图9A至9C的设备前体所示出的图8A至图8C的设备前体上。图9A是设备前体的顶视图。图9B是沿着标记B的线所截取的图9A中示出的设备前体的横截面图。图9C是沿着标记C的线所截取的图9A中示出的设备前体的横截面图。第三掩模56的部分形成在第二掩模54上。第三掩模56被形成使得其中凹槽的锥度部将被形成的设备前体上的位置保持暴露而设备前体的所图示部分的剩余区被保护。凹槽的锥度部是与脊22隔开的凹槽的部分。

第三蚀刻然后被执行以便提供图10A至图10C的设备前体。图10A是设备前体的顶视图。图10B是沿着标记B的线所截取的图10A中示出的设备前体的横截面图。图10C是沿着标记C的线所截取的图10A中示出的设备前体的横截面图。第三蚀刻被执行到约吸光介质27在第二蚀刻期间被蚀刻到的深度。结果，第三蚀刻形成了凹槽25的锥度部。

适当的第三掩模56包括但不限于光刻胶。适当的第三蚀刻包括但不限于干法蚀刻。

第三掩模56被移除并且掺杂区40、42形成在透光介质18中和在吸光介质27中，以便提供图11A和图11B的设备前体。图11A是设备前体的顶视图。图11B是沿着标记B的线所截取的图11A中示出的设备前体的横截面图。n型掺杂区可以通过在设备前体上形成掺杂掩模以便n型掺杂区的位置被暴露而设备前体的所图示部分的剩余部分被保护来产生。高角掺杂剂注入工艺可以被采用来形成n型掺杂区。掺杂掩模然后可以被移除。相同的顺序然后可以被采用来形成p型掺杂区。p型掺杂区可以在n型掺杂区之前形成，或者n型掺杂区可以在p型掺杂区之前形成。

第二掩模54被从图11A和图12B的设备前体移除，而第一包层58被形成在设备前体上以便提供图12的设备前体。图12是该设备前体通过其中监视器正被形成的横截面图，诸如图11B的横截面图。第一包层58被形成使得将被电导体44所接触的掺杂区42的部分保持暴露而设备前体的所图示部分的剩余部分被第一包层58保护。适当的第一包层58包括但不限于使用光刻法随后图形化的PECVD沉积的硅石。

电导体44被形成在图12的设备前体上以便提供图13的设备前体。图12是该设备前体通过其中监视器正被形成的区的横截面图，诸如图11B的横截面图。电导体44可以被形成以致每个电导体44从掺杂区42中的一个延伸、自凹槽25离开以及在透光介质18上延伸。适当的电导体44包括诸如钛和铝之类的金属。所述金属可以通过溅射来沉积并且通过光刻法来图形化。

第二包层60可以可选地被形成在图13的设备前体上，以便提供图14的设备前体。图12是该设备前体通过其中监视器正被形成的区的横截面图，诸如图11B的横截面图。显然从图14中看出，第二包层60可以图形化使得第二包层60限定电导体44的接触垫。适当的第二包层60包括但不限于使用光刻法随后图形化的PECVD沉积的SiN。在移除了在光刻法期间所形成的光刻胶之后，图14的设备前体可以被烧结以形成光学设备。

在一些实例中，所述设备与和接触垫电通信的电子设备相结合地使用。电子设备能够将电能施加到接触垫。用于操作上述监视器的适当的电子设备能够包括控制器。适当的控制器包括但不限于通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑设备、离散门或晶体管逻辑、分立硬件部件、或设计为执行归于电子设备的功能的其任何组合。通用处理器可以是微处理器，但在替代方案中，控制器可以包括或者由任何常规处理器、微控制器或状态机构成。控制器还可以被实现为计算设备的组合，例如，DSP和微处理器、多个微处理器、结合DSP核的一个或多个微处理器或任何其他这样的配置的组合。

电子设备能够可选地包括与控制器通信的存储器。电子设备能够将用于执行该电子设备的功能的数据存储在存储器中。存储器可以是任何存储器设备或适于读取和/或写入操作的存储器设备的组合。

在一些实例中，电子设备包括与控制器通信的计算机可读介质。计算机可读介质能够具有待被控制器执行的一组指令。控制器能够读取和执行在计算机可读介质上包括的指令。控制器执行指令使得电子设备执行所描述的功能中的一个或多个。计算机可读介质可以不同于存储器或者可以和存储器相同。适当的计算机可读媒体包括但不限于光盘诸如CD、磁存储磁碟、Zip盘、磁带、RAM和ROM。与用固件和/或软件执行这些功能形成对照，电子设备的一些功能可以使用硬件来执行。

图5A至图14的方法可以被适配为形成在上文中所公开的另一实施例。例如，图1G的结构可以通过执行第二蚀刻穿过定位于脊22的任一面上的吸光介质27，并且穿过底层透光介质18直到基部20。可替换地，图1H的结构可以在蚀刻穿过定位于脊22的任一面上的吸光介质27之前停止第二蚀刻，并且让吸光介质27的层留在底层透光介质18上。

尽管波导的一部分在上文中被描述为输入波导而波导的另一部分被描述为输出波导，但是所述光学设备可以被反向操作。例如，输出波导可以被采用来将光信号携带到监视器，而输入波导可以被采用来携带波导的透射部分远离监视器。

考虑到这些教导本领域的普通技术人员将容易地想到本发明的其他实施例、组合以及修改。因此，本发明应当仅由以下权利要求来限定，所述以下权利要求当与上述说明书和附图相结合地考虑时包括所有此类实施例和修改。

Claims (20)

1.一种光学设备，包括：

基部上的波导，所述波导包括输入部、吸光部以及输出部，

所述波导的所述输入部被配置成将光信号引导至所述波导的所述吸光部并且由光透光介质部分地限定，

所述波导的所述吸光部被配置成吸收所述光信号的一部分，并且被配置成将所述光信号的透射部分引导至所述波导的所述输出部，而且所述波导的所述吸光部由不同于所述透光介质的吸光介质部分地限定，

所述波导的所述输出部被配置成从所述波导的所述吸光部接收所述光信号的所述透射部分，并且被配置成引导所述光信号的所述透射部分远离所述波导的所述吸光部，而且所述波导的所述输出部由所述透光介质部分地限定；以及

监视器，其被定位于所述基部上并且被配置成监测所述光信号的被吸收部分的吸收；

其中，所述吸光介质包括限定所述波导的所述吸光部的一部分的顶面，所述透光介质包括限定所述波导的所述输入部的一部分的顶面，以及

所述吸光介质的所述顶面比所述透光介质的所述顶面离所述基部更远。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述波导的所述吸光部具有被选择使得所述光信号的所述被吸收部分的功率小于所述光信号的所述功率的20%的长度，并且具有小于5μm的长度。

3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述波导的所述吸光部具有被选择使得所述光信号的所述被吸收部分的功率小于所述光信号的所述功率的5%的长度，并且具有小于1μm的长度。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述透光介质是硅而所述吸光介质是由Si_1-xGe_x表示的锗-硅，其中x大于零。

5.根据权利要求1所述的设备，其中，x是在0.005与1之间。

6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述吸光介质具有每个在顶面与底面之间延伸的横向侧面，所述底面是在所述基部与所述顶面之间，

所述监视器包括每个被配置成用作所述吸光介质中的电场的源的场源，

所述场源每个都接触所述横向侧面中的一个，并且被所述场源所接触的所述横向侧面在所述吸光介质的相对侧面上。

7.根据权利要求6所述的设备，其中，被所述场源中的一个所接触的所述横向侧面中的每一个都与所述基部垂直。

8.根据权利要求6所述的设备，其中，所述透光介质和所述吸光介质在界面处彼此接触，所述界面被配置为使得所述光信号穿过所述界面而行进，所述界面相对于所述光信号在所述界面处通过所述波导的传播的方向成非垂直角度。

9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述角度是在80°与89°之间。

10.根据权利要求6所述的设备，其中，所述场源每个都是所述吸光介质的掺杂区。

11.根据权利要求6所述的设备，其中，所述场源每个都是金属。

12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述透光介质的种子部被定位于所述吸光介质与所述基部之间，

所述吸光介质接触所述透光介质的所述种子部，以及

每个场源被定位使得在所述场源中包括的所述金属的最低部分在所述透光介质的所述种子部之上。

13.根据权利要求6所述的设备，其中，所述场源中的每一个都横跨被所述场源所接触的所述横向侧面的顶部与被所述场源所接触的所述横向侧面的底部之间的距离。

14.根据权利要求6所述的设备，其中，所述场源中的每一个都从被所述场源所接触的所述横向侧面的顶部朝所述基部延伸。

15.根据权利要求6所述的设备，其中，所述场源中的每一个都从在被所述场源所接触的所述横向侧面的顶部与被所述场源所接触的所述横向侧面的底部之间的距离的90%之上的位置朝所述基部延伸。

16.根据权利要求6所述的设备，其中，所述监视器包括从平板区延伸的脊，所述平板区定位于所述脊的相对侧面上，并且所述吸光介质被包括在所述脊中以及同样地被包括在所述平板区中。

17.根据权利要求16所述的设备，其中，所述场源被定位于所述脊的相对侧面上。

18.根据权利要求16所述的设备，其中，在每个平板区中包括的所述吸光介质与所述脊中包括的所述吸光介质的是连续的。

19.根据权利要求16所述的设备，其中，所述场源每个都是所述吸光介质的掺杂区，并且一个或多个掺杂区每个都被包括在所述平板区中的一个和所述脊中。

20.一种光学设备，包括：

基部上的波导，所述波导包括输入部、吸光部以及输出部，

所述波导的所述输入部被配置成将光信号引导至波导的所述吸光部并且由光透光介质部分地限定，

所述波导的吸光部被配置成吸收光信号的一部分，并且被配置成将光信号的透射部分引导至所述波导的所述输出部，并且所述波导的所述吸光部由不同于所述透光介质的吸光介质部分地限定，所述吸光介质具有每个在所述吸光介质的顶面与底面之间延伸的横向侧面，所述底面是在所述基部与所述吸光介质的所述顶面之间，

所述波导的所述输出部被配置成从所述波导的所述吸光部接收所述光信号的所述透射部分，并且被配置成引导所述光信号的所述透射部分远离所述波导的所述吸光部，而且所述波导的所述输出部由所述透光介质部分地限定；以及

监视器，其被定位于所述基部上并且被配置成监测所述光信号的被吸收部分的吸收，所述监视器包括每个被配置成用作所述吸光介质中的电场的源的场源，

所述场源每个都接触所述横向侧面中的一个，并且被所述场源所接触的所述横向侧面在所述吸光介质的相对侧面上；

其中，所述吸光介质包括限定所述波导的所述吸光部的一部分的顶面，所述透光介质包括限定所述波导的所述输入部的一部分的顶面，以及

所述吸光介质的所述顶面比所述透光介质的所述顶面离所述基部更远。