CN116804784A - 具有连续布置的锥的边缘耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有连续布置的锥的边缘耦合器，提供用于边缘耦合器的结构以及制造此类结构的方法。该结构包括衬底、第一波导芯、以及在该第一波导芯与该衬底间沿垂直方向设置的第二波导芯。该第二波导芯包括锥以及邻近该锥纵向设置的倒锥。

Description

具有连续布置的锥的边缘耦合器

技术领域

本揭示涉及光子芯片，尤其涉及用于边缘耦合器的结构以及制造此类结构的方法。

背景技术

光子芯片用于许多应用及***中，包括但不限于数据通信***及数据计算***。光子芯片将光学组件(例如波导、光检测器、调制器，以及光功率分配器)与电子组件(例如场效应晶体管)集成于统一的平台中。除其它因素以外，布局面积、成本以及操作开销可通过在同一芯片上集成两种类型的组件来减小。

边缘耦合器(也称为光斑尺寸转换器(spot-size converter))通常用于将来自光源例如激光器或光纤的给定模式的光耦合至该光子芯片上的光学组件。该边缘耦合器可包括波导芯的一段，其定义具有顶端的倒锥(inverse taper)。在该边缘耦合器构造中，该倒锥的窄端提供位于邻近该光源设置的该顶端的端面，且该倒锥的宽端与该波导芯的另一段连接，以将光路由至该光子芯片的该光学组件。

当光从该光源被传输至该边缘耦合器时，该倒锥的逐渐变化的剖面面积支持模式转换(mode transformation)以及与模式转换相关的模式尺寸变化。该倒锥的该顶端不能完全限制自该光源接收的入射模式，因为该顶端的剖面面积显著小于模式尺寸。因此，入射模式的电磁场的很大一部分分布于该倒锥的该顶端周围。随着宽度增加，该倒锥可支持全部入射模式并限制电磁场。

在使用期间，传统的边缘耦合器可能易受至衬底的光的显著泄漏损失(leakageloss)的影响。该泄漏损失可包括来自大模式尺寸与边缘耦合器的顶端的小尺寸之间的不匹配的贡献。当将来自单模光纤的横磁极化模式(transverse magnetic polarizationmode)的光耦合至氮化硅波导芯时，该泄漏损失可能尤其高。

需要改进的用于边缘耦合器的结构以及制造此类结构的方法。

发明内容

在本发明的一个实施例中，提供一种用于边缘耦合器的结构。该结构包括衬底、第一波导芯、以及在该第一波导芯与该衬底之间沿垂直方向设置的第二波导芯。该第二波导芯包括锥以及邻近该锥纵向设置的倒锥。

在本发明的一个实施例中，提供一种形成用于边缘耦合器的结构的方法。该方法包括形成第一波导芯以及形成在该第一波导芯与衬底之间沿垂直方向设置的第二波导芯。该第二波导芯包括锥以及邻近该锥纵向设置的倒锥。

附图说明

包含于并构成本说明书的一部分的附图示例说明本发明的各种实施例，并与上面所作的有关本发明的概括说明以及下面所作的有关该些实施例的详细说明一起用以解释本发明的该些实施例。在该些附图中，类似的附图标记表示不同视图中类似的特征。

图1显示依据本发明的实施例处于处理方法的初始制造阶段的结构的顶视图。

图2显示大体沿图1中的线2-2所作的剖视图。

图3显示处于图1之后的该处理方法的制造阶段的该结构的顶视图。

图4显示大体沿图3中的线4-4所作的剖视图。

图5显示处于图3之后的该处理方法的制造阶段的该结构的顶视图。

图6显示大体沿图5中的线6-6所作的剖视图。

图7显示处于图5之后的该处理方法的制造阶段的该结构的顶视图。

图8显示大体沿图7中的线8-8所作的剖视图。

图9显示依据本发明的替代实施例的结构的顶视图。

图10显示依据本发明的替代实施例的结构的顶视图。

图11显示依据本发明的替代实施例处于处理方法的制造阶段的结构的顶视图。

图12显示大体沿图11中的线12-12所作的剖视图。

图13显示处于图12之后的该处理方法的制造阶段的该结构的剖视图。

图14显示依据本发明的替代实施例的结构的剖视图。

具体实施方式

请参照图1、2并依据本发明的实施例，用于边缘耦合器的结构10包括设置于介电层14及衬底16上方的波导芯12。在一个实施例中，介电层14可由介电材料例如二氧化硅组成，且衬底16可由半导体材料例如单晶硅组成。在一个实施例中，介电层14可为绝缘体上硅衬底的埋置氧化物层，且介电层14可将波导芯12与衬底16隔开。在一个替代实施例中，在介电层14与波导芯12之间可设置由介电材料例如二氧化硅组成的额外介电层。

波导芯12可沿纵轴13排列。波导芯12可包括倒锥18、与倒锥18连接的段20、以及终止(terminate)倒锥18的端部表面22。倒锥是指由沿模式传播方向(mode propagationdirection)宽度逐渐增加所表征的波导芯的锥形段。在此方面，倒锥18的宽度随着沿纵轴13与端部表面22的距离增加而增加。波导芯12的段20可与其它光学组件连接。

波导芯12可由介电材料例如氮化硅组成，其折射率大于二氧化硅的折射率。在一个替代实施例中，波导芯12可由氮氧化硅组成。在一个实施例中，波导芯12可通过在介电层14上通过化学气相沉积沉积其构成材料层并通过光刻及蚀刻工艺图案化该沉积层来形成。

请参照图3、4，其中，类似的附图标记表示图1、2中类似的特征，且在下一制造阶段，在波导芯12上方形成介电层24。介电层24可由介电材料例如二氧化硅组成。因为介电层24厚于波导芯12的高度，波导芯12嵌埋于介电层24中。介电层24的厚度及波导芯12的高度可为可调节的变量。构成介电层24的介电材料与构成波导芯12的介电材料相比可具有较低的折射率。

在介电层24上形成多锥波导芯26。波导芯26可包括段28、倒锥30、以及可通过倒锥30而与段28连接的锥32。段28具有终止波导芯26的端部表面29，且锥32也具有终止波导芯26的端部表面33。波导芯26的宽度W1在端部表面29与端部表面33之间沿其总长度变化。段28可具有长度L1，且宽度W1沿长度L1可为恒定，倒锥30可具有长度L2，且宽度W1可随着与段28的距离增加而沿长度L2增加，以及锥32可具有长度L3，且宽度W1可随着与段28的距离增加而沿长度L3减小。在相对的端部表面29、33之间的波导芯26的总长度可等于长度L1、长度L2及长度L3之和。

波导芯26可由介电材料组成，例如氮化硅碳或氢化氮化硅碳，其折射率大于二氧化硅的折射率。在一个替代实施例中，波导芯26可由氮化硅或氮氧化硅组成。在一个实施例中，波导芯26可通过在介电层24上通过化学气相沉积沉积其构成材料层并通过光刻及蚀刻工艺图案化该沉积层来形成。在一个替代实施例中，板层(slab layer)可沿其长度的全部或部分与波导芯26的下部连接。可在图案化波导芯26时形成该板层，且该板层(设置于介电层24上)的厚度小于波导芯26的厚度。

波导芯26可沿纵轴25排列。倒锥30邻近锥32纵向设置，以提供背靠背或连续的锥作为波导芯26的锥形段。在一个实施例中，倒锥30可与锥32邻接(也就是，附着)。倒锥30沿纵轴25以与锥32的锥化(tapering)相反的方向锥化。在一个实施例中，波导芯26的纵轴25可平行于波导芯12的纵轴13排列。

波导芯12在波导芯26的部分与衬底16之间沿垂直方向设置。在一个实施例中，衬底16在波导芯12下方可为实心的。在一个实施例中，波导芯26的锥32可与波导芯12的倒锥18重叠。在一个实施例中，波导芯26的锥32与波导芯12的倒锥18可具有相等的长度。在一个实施例中，波导芯26的锥32可与波导芯12的倒锥18重叠，且波导芯26的锥32与波导芯12的倒锥18可具有相等的长度。在一个实施例中，波导芯26的锥32可在波导芯12的倒锥18上方居中。在一个实施例中，波导芯26的倒锥30可与波导芯12具有不重叠关系。在一个实施例中，波导芯12的倒锥18可经加长以使波导芯12的端部表面22与波导芯28的端部表面29对齐，这导致段28、倒锥30、以及锥32与波导芯12重叠。

请参照图5、6，其中，类似的附图标记表示图3、4中类似的特征，且在下一制造阶段，可在介电层24及波导芯26上方形成后端工艺堆叠31的介电层34、36。波导芯26嵌埋于介电层34中。介电层34、36可由介电材料组成，例如二氧化硅、正硅酸乙酯二氧化硅、或氟化正硅酸乙酯二氧化硅。

该边缘耦合器可包括在波导芯26上方的后端工艺堆叠31的层级中形成的额外波导芯38、40、42。波导芯38、40、42在介电层36上具有横向间隔的并列布置。波导芯38、40、42可由介电材料例如氮化硅组成，其折射率大于二氧化硅的折射率。在一个实施例中，波导芯38、40、42可通过在介电层34上通过化学气相沉积沉积其构成材料层并通过光刻及蚀刻工艺图案化该沉积层来形成。在一个实施例中，波导芯38、40、42可由与波导芯26不同的介电材料组成。在一个实施例中，波导芯38、40、42可由在其成分中没有碳的介电材料组成。

各波导芯38、40、42可沿纵轴35排列。波导芯38可在相对端部39截断，以定义波导芯38的长度，波导芯40可在相对端部41截断，以定义波导芯40的长度，以及波导芯40可在相对端部43截断，以定义波导芯38的长度。波导芯40横向设置于波导芯38与波导芯42之间，且波导芯40可与波导芯26重叠。在一个实施例中，波导芯38、40、42可相对于波导芯26以对称布置方式横向设置。

在一个实施例中，外周的波导芯38可弯曲远离中央波导芯40，以使波导芯38与波导芯40之间的距离随着与波导芯12的距离减小而增加，且外周的波导芯42可以与波导芯38相反的曲率方向弯曲远离中央波导芯40，以使波导芯42与波导芯40之间的距离随着与波导芯12的距离减小而增加。

请参照图7、8，其中，类似的附图标记表示图5、6中类似的特征，且在下一制造阶段，可在波导芯38、40、42上方形成后端工艺堆叠31的介电层44、46。介电层44、46可由介电材料组成，例如二氧化硅、正硅酸乙酯二氧化硅、或氟化正硅酸乙酯二氧化硅。波导芯38、40、42嵌埋于介电层44中。

该边缘耦合器可包括波导芯48，其形成于波导芯38、40、42上方的后端工艺堆叠31的层级中。在一个实施例中，波导芯48可与波导芯40重叠。波导芯48可沿纵轴45排列。在一个实施例中，波导芯48的纵轴45可平行于波导芯38、40、42的纵轴35排列。波导芯48可在相对端部49截断，以使波导芯48具有一定长度。在一个实施例中，波导芯48与波导芯40可具有相等或基本相等的长度。在一个替代实施例中，波导芯48的长度可短于波导芯40。

波导芯48可由介电材料组成，例如氮化硅，其折射率大于二氧化硅的折射率。在一个实施例中，波导芯48可通过在介电层46上通过化学气相沉积沉积其构成材料层并通过光刻及蚀刻工藝图案化该沉积层来形成。在一个实施例中，波导芯48可由与波导芯38、40、42相同的介电材料组成。在一个实施例中，波导芯48可由与波导芯26不同的介电材料组成。在一个实施例中，波导芯38、40、42可由在其成分中没有碳的介电材料组成。

在替代实施例中，该边缘耦合器可在包括波导芯48的层级中包括额外波导芯。在替代实施例中，该边缘耦合器可在包括波导芯38、40、42的层级中包括额外波导芯。在一个替代实施例中，结合在包括波导芯48的层级中添加额外波导芯，可消除一对波导芯38、40、42。

可在波导芯48上方形成后端工艺堆叠31的额外介电层56(以虚线示意显示)，包括提供防潮层(moisture barrier)的介电层56。

可将光(例如，激光)沿模式传播方向51从光源50向该边缘耦合器引导。该光可具有给定的波长、强度、模式形状(mode shape)、以及模式尺寸，且该边缘耦合器可为该光提供光斑尺寸转换。在一个实施例中，光源50可为邻近该边缘耦合器设置的单模光纤。在一个替代实施例中，光源50可为半导体激光器，并可将该半导体激光器附着在衬底16中所形成的腔体内部。

结构10(在本文中所述的该结构的任意实施例中)可集成于包括电子组件及额外光学组件的光子芯片中。例如，该电子组件可包括通过CMOS处理制造的场效应晶体管。

即使是在该边缘耦合器下方的衬底16中没有底切(undercut)的情况下，结构10的多锥波导芯26可用以减少至衬底16的泄漏的转换及传播损失。由波导芯26提供的该耦合或泄漏损失减少可允许消除作为泄漏损失措施的底切，并可导致该边缘耦合器下方无底切、实心的衬底16。消除该底切简化了用于形成该边缘耦合器的流程，以及因移除介电层14下方的衬底16的部分并因此消除该边缘耦合器下方的支撑的部分而导致的潜在机械问题。

包括波导芯26的边缘耦合器还可具有以下特征：较快的模式转换，以及由较少的模式波动(mode fluctuation)所表征的模式转换。包括波导芯26的结构10还可促进该边缘耦合器的足印(footprint)的减小。此外，横电与横磁极化模式的光的耦合损失可基本相等，以使耦合损失基本独立于极化模式。

请参照图9并依据本发明的替代实施例，可改变多锥波导芯26以包括锥60及倒锥62，它们分别替代倒锥30及锥32，从而改变波导芯26的锥化变化。锥60连接倒锥62与段28。倒锥62具有终止波导芯26的端部表面63。波导芯26的宽度W1在端部表面29与端部表面33之间沿其总长度变化。锥60可具有长度L2，且宽度W1可随着与段28的距离增加而沿长度L2减小，而倒锥62可具有长度L3，且宽度W1可随着与段28的距离增加而沿长度L3增加。

倒锥62邻近锥60纵向设置，以提供背靠背或连续的锥作为波导芯26的段。在一个实施例中，倒锥62可与锥60邻接。倒锥62沿纵轴25以与锥60的锥化相反的方向锥化。在一个实施例中，波导芯26的倒锥62可与波导芯12的倒锥18重叠。在一个实施例中，波导芯26的倒锥62与波导芯12的倒锥18可具有相等的长度。在一个实施例中，波导芯26的倒锥62可与波导芯12的倒锥18重叠，且波导芯26的倒锥62与波导芯12的倒锥18可具有相等的长度。在一个实施例中，波导芯26的倒锥62可在波导芯12的倒锥18上方居中。在一个实施例中，波导芯26的倒锥62与波导芯12的倒锥18可具有不同的锥角。例如，倒锥62的锥角可大于倒锥18的锥角。

通过用锥60及倒锥62分别替代倒锥30及锥32来反转该连续锥的锥化，可允许改变光模式转换。

请参照图10并依据本发明的替代实施例，可改变多锥波导芯26以添加类似于倒锥30的倒锥64以及类似于锥32的锥66作为连续布置的锥，其定义波导芯26的段。锥66具有端部表面65，它与端部表面29相对，端部表面65终止该改变后的波导芯26。锥66可与倒锥64邻接，倒锥64可与锥32邻接，且锥66可通过倒锥64而与锥32连接。倒锥64沿纵轴25的锥化在方向上与锥66的锥化相反。在一个实施例中，波导芯26的倒锥64及锥66可与波导芯12的段20重叠。在一个实施例中，波导芯26的倒锥64及锥66可在波导芯12的段20上方居中。

在一个实施例中，倒锥64及锥66可与倒锥30及锥32同时形成。在一个实施例中，倒锥64及锥66可由与倒锥30及锥32相同的介电材料组成。

请参照图11、12并依据本发明的替代实施例，可在波导芯26上方形成介电层78。介电层78可由介电材料例如二氧化硅组成。因为介电层78厚于波导芯26的高度，波导芯26嵌埋于介电层78中。介电层78的厚度及波导芯26的高度可为可调节的变量。构成介电层78的介电材料与构成波导芯26的材料相比可具有较低的折射率。

波导芯80可被添加至结构10，并可设置于包括波导芯26的层级与包括波导芯38、40、42的层级之间的后端工艺堆叠31的层级中。波导芯80可包括段68、倒锥70、以及通过倒锥70而与段68连接的锥72。段68具有终止波导芯80的端部表面69，且锥72也具有终止波导芯80的端部表面73。波导芯80的宽度W2在端部表面69与端部表面73之间沿其总长度变化。段68可具有长度L4，且宽度W2沿长度L4可为恒定，倒锥70可具有长度L5，且宽度W2可随着与段68的距离增加而沿长度L5增加，以及锥72可具有长度L6，且宽度W2可随着与段68的距离增加而沿长度L6减小。波导芯80的总长度可等于长度L4、长度L5、以及长度L6之和。在一个实施例中，各长度L4、L5、L6可分别等于或基本等于波导芯26的各长度L1、L2、L3。

波导芯80可由介电材料组成，例如氮化硅碳或氢化氮化硅碳，其折射率大于二氧化硅的折射率。在一个实施例中，波导芯80可通过在介电层78上通过化学气相沉积沉积其构成材料层并通过光刻及蚀刻工艺图案化该沉积层来形成。在一个替代实施例中，波导芯80可由氮化硅或氮氧化硅组成。在一个实施例中，波导芯26与波导芯80可由相同的介电材料组成。

倒锥70邻近锥72纵向设置，以提供背靠背或连续的锥作为波导芯80的段。在一个实施例中，倒锥70可与锥72邻接。波导芯80可沿纵轴75排列。倒锥70沿纵轴75的锥化在方向上与锥72的锥化相反。在一个实施例中，纵轴75可平行于波导芯26的纵轴25排列。

在一个实施例中，波导芯80的锥72可与波导芯26的锥32重叠，且两锥32、72可与波导芯12的倒锥18重叠。在一个实施例中，锥32、72与波导芯12的倒锥18可具有相等的长度。在一个实施例中，波导芯80的段68可与波导芯26的段28重叠，且波导芯80的倒锥70可与波导芯26的倒锥30重叠。在一个实施例中，波导芯80的锥72可在波导芯26的锥32上方居中。

请参照图13，其中，类似的附图标记表示图12中类似的特征，且在下一制造阶段，如上所述继续该处理，以完成结构10，该结构包括添加的波导芯80。

请参照图14并依据本发明的替代实施例，在波导芯12下方的衬底16中可形成底切76。为形成底切76，可图案化导孔(pilot opening)，该些导孔穿过介电层14，接着，利用由横向及垂直蚀刻分量表征的等向性蚀刻工艺，通过该些导孔所提供的通道蚀刻衬底16。底切76可提供至衬底16的泄漏损失的额外减少。

上述方法用于集成电路芯片的制造。制造者可以原始晶片形式(例如，作为具有多个未封装芯片的单个晶片)、作为裸管芯，或者以封装形式分配所得的集成电路芯片。可将该芯片与其它芯片、分立电路元件和/或其它信号处理装置集成，作为中间产品或最终产品的部分。该最终产品可为包括集成电路芯片的任意产品，例如具有中央处理器的计算机产品或智能手机。

本文中引用的由近似语言例如“大约”、“大致”及“基本上”所修饰的术语不限于所指定的精确值。该近似语言可对应于用以测量该值的仪器的精度，且除非另外依赖于该仪器的精度，否则可表示所述值的+/-10％。

本文中引用术语例如“垂直”、“水平”等作为示例来建立参考框架，并非限制。本文中所使用的术语“水平”被定义为与半导体衬底的传统平面平行的平面，而不论其实际的三维空间取向。术语“垂直”及“正交”是指垂直于如刚刚所定义的层级的方向。术语“横向”是指在该水平平面内的方向。

与另一个特征“连接”或“耦接”的特征可与该另一个特征直接连接或耦接，或者可存在一个或多个中间特征。如果不存在中间特征，则特征可与另一个特征“直接连接”或“直接耦接”。如存在至少一个中间特征，则特征可与另一个特征“非直接连接”或“非直接耦接”。在另一个特征“上”或与其“接触”的特征可直接在该另一个特征上或与其直接接触，或者可存在一个或多个中间特征。如果不存在中间特征，则特征可直接在另一个特征“上”或与其“直接接触”。如存在至少一个中间特征，则特征可“不直接”在另一个特征“上”或与其“不直接接触”。若一个特征延伸于另一个特征上方并覆盖其部分，则不同的特征“重叠”。

对本发明的各种实施例所作的说明是出于示例说明的目的，而非意图详尽无遗或限于所揭示的实施例。许多修改及变更对于本领域的普通技术人员将显而易见，而不背离所述实施例的范围及精神。本文中所使用的术语经选择以最佳解释实施例的原理、实际应用或在市场已知技术上的技术改进，或者使本领域的普通技术人员能够理解本文中所揭示的实施例。

Claims (20)

1.一种用于边缘耦合器的结构，其特征在于，该结构包括：

衬底；

第一波导芯；以及

第二波导芯，在该衬底与该第一波导芯间沿垂直方向设置，该第二波导芯包括第一锥以及邻近该第一锥纵向设置的第一倒锥。

2.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该第二波导芯的该第一锥与该第二波导芯的该第一倒锥邻接。

3.如权利要求1所述的结构，其特征在于，还包括：

第三波导芯，在该第二波导芯与该衬底间沿该垂直方向设置。

4.如权利要求3所述的结构，其特征在于，该第二波导芯的该第一锥与该第三波导芯重叠。

5.如权利要求3所述的结构，其特征在于，该第三波导芯包括倒锥，且该第二波导芯的该第一锥与该第三波导芯的该倒锥重叠。

6.如权利要求3所述的结构，其特征在于，该第二波导芯的该第一倒锥与该第三波导芯重叠。

7.如权利要求3所述的结构，其特征在于，该第三波导芯包括倒锥，且该第二波导芯的该第一倒锥与该第三波导芯的该倒锥重叠。

8.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该第二波导芯终止于端部表面，且该第二波导芯的该第一倒锥纵向设置于该第一锥与该端部表面间。

9.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该第二波导芯终止于端部表面，且该第二波导芯的该第一锥纵向设置于该第一倒锥与该端部表面之间。

10.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该第二波导芯包括第二锥及第二倒锥，且该第二锥纵向设置于该第一锥与该第二锥间。

11.如权利要求10所述的结构，其特征在于，该第二波导芯的该第一锥与该第二波导芯的该第一倒锥邻接，该第二波导芯的该第二倒锥与该第二波导芯的该第一锥邻接，且该第二波导芯的该第二锥与该第二波导芯的该第二倒锥邻接。

12.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该第一波导芯包括氮化硅，且该第二波导芯包括氮化硅碳或氢化氮化硅碳。

13.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该第一波导芯包括氮化硅，且该第二波导芯包括氮化硅或氮氧化硅。

14.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该衬底包括底切，且该第一波导芯及该第二波导芯与位于该衬底中的该底切具有重叠布置。

15.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该衬底在该第一波导芯及该第二波导芯下方为实心。

16.如权利要求1所述的结构，其特征在于，还包括：

光源，邻近该第一波导芯设置，该光源经配置以沿模式传播方向向该边缘耦合器提供光。

17.如权利要求1所述的结构，其特征在于，还包括：

第三波导芯，邻近该第一波导芯沿横向方向设置。

18.一种方法，其特征在于，包括：

形成第一波导芯；以及

形成在该第一波导芯与衬底间沿垂直方向设置的第二波导芯，其中，该第二波导芯包括锥以及邻近该锥纵向设置的倒锥。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，该第二波导芯终止于端部表面，且该第二波导芯的该倒锥纵向设置于该锥与该端部表面间。

20.如权利要求18所述的方法，其特征在于，该第二波导芯终止于端部表面，且该第二波导芯的该锥纵向设置于该倒锥与该端部表面间。