CN116819678A - 包括超材料结构的槽形波导 - Google Patents

Abstract

本发明涉及包括超材料结构的槽形波导，提供包括槽形波导的光子结构以及制造此类光子结构的方法。该光子结构包括具有第一波导芯以及邻近该第一波导芯横向设置的第二波导芯的槽形波导。该第一波导芯通过槽与该第二波导芯隔开。该光子结构还包括具有由多个间隙隔开的多个元件以及位于该多个间隙中的介电材料的超材料结构。该超材料结构与该槽形波导的该槽以重叠布置方式设置。

Description

包括超材料结构的槽形波导

技术领域

本揭示涉及光子芯片，尤其涉及包括槽形波导的光子结构以及制造此类光子结构的方法。

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)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其它光学组件。该边缘耦合器可包括波导芯段，其定义具有顶端的倒锥。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远小于模式尺寸。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。

由于光传播的群折射率(也就是，群速度)不同，波导在横电模式与横磁模式极化之间可能遭遇时间/群延迟。当由双折射光学介质(例如构成波导的波导芯的材料，由极化相关的折射率表征)引导时，不同极化模式的光基本上以不同的速度传播。该时间/群延迟(可为仅几皮秒的量级)对于包含于边缘耦合器中的波导可能尤其重要。

需要改进的包括槽形波导的光子结构以及制造此类光子结构的方法。

发明内容

在本发明的一个实施例中，一种光子结构包括槽形波导，其包括第一波导芯以及邻近该第一波导芯设置的第二波导芯。该第一波导芯通过槽与该第二波导芯隔开。该光子结构还包括超材料结构，其包括由多个间隙隔开的多个元件以及位于该多个间隙中的介电材料。该超材料结构与该槽形波导的该槽以重叠布置方式设置。

在本发明的一个实施例中，一种形成光子结构的方法包括形成包括第一波导芯以及邻近该第一波导芯设置的第二波导芯的槽形波导。该第一波导芯通过槽与该第二波导芯隔开。该方法还包括形成包括由多个间隙隔开的多个元件以及位于该多个间隙中的介电材料的超材料结构。该超材料结构与该槽形波导的该槽以重叠布置方式设置。

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制程方法的初始制造阶段的光子结构的顶视图。

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之后的该制程方法的制造阶段的该光子结构的顶视图。

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4之后的该制程方法的制造阶段的该光子结构的剖视图。

图6显示依据本发明的实施例处于制程方法的初始制造阶段的光子结构的顶视图。

图7显示大体沿图6中的线7-7所作的剖视图。

图8显示处于图6之后的该制程方法的制造阶段的该光子结构的顶视图。

图9显示大体沿图8中的线9-9所作的剖视图。

图10显示处于图9之后的该制程方法的制造阶段的该光子结构的剖视图。

图11显示依据本发明的替代实施例的光子结构的顶视图。

图12显示大体沿图11中的线12-12所作的剖视图。

具体实施方式

请参照图1、2并依据本发明的实施例，光子结构10包括沿纵轴11以间隔布置方式按行设置的多个元件12。相邻成对的元件12由间隙13隔开。元件12可在介电层14及衬底16上方沿垂直方向设置。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可将元件12与衬底16隔开。元件12可由半导体材料例如单晶硅组成。在一个实施例中，可利用光刻及蚀刻制程通过图案化绝缘体上硅衬底的单晶硅装置层来形成元件12，且在图案化元件12时，介电层14可充当蚀刻停止层。

在一个实施例中，各元件12沿平行于纵轴11的方向可具有方形或矩形剖面。在一个实施例中，元件12可实施为具有平坦的或基本平坦的面的立方体或长方体。在一个实施例中，元件12可彼此断开。在一个实施例中，元件12可具有相等或基本相等的长度、宽度，以及高度尺寸。在一个实施例中，元件12可具有沿横向于纵轴11的方向的宽度尺寸W1以及沿平行于纵轴11的方向的长度尺寸L。在一个实施例中，元件12的间距及占空比可为均匀的，以定义周期性布置。在替代实施例中，元件12的间距及/或占空比可变迹(也就是，非均匀)，以定义非周期性布置。元件12可经尺寸设计并以足够小的间距设置，以定义亚波长光栅，该亚波长光栅不会辐射或反射在操作波长(例如在1260nm至1360nm范围内的波长(O波段))的光。

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，在元件12上方形成介电层18。介电层18可由介电材料组成，例如二氧化硅，可沉积该材料并接着在沉积之后平坦化。元件12嵌埋于介电层18中，因为介电层18厚于元件12的高度。介电层18的厚度及元件12的高度可为可调节的变量。构成介电层18的介电材料的折射率可小于构成元件12的半导体材料的折射率。

介电层18的介电材料设置于相邻成对元件12之间的间隙13中。元件12以及位于间隙13中的介电层18的介电材料可定义超材料结构，其中，构成元件12的半导体材料与介电层18的介电材料相比具有较高的折射率。包括元件12以及位于间隙13中的介电层18的介电材料的该超材料结构可被视为均质材料，其有效折射率介于构成元件12的半导体材料的折射率与介电层18的介电材料的折射率之间。

在元件12上方形成波导芯20及波导芯22。波导芯20、22(它们定义槽形波导)在介电层18上具有横向间隔的并列(也就是，并排)布置，波导芯20邻近波导芯22横向设置。波导芯20、22沿垂直方向堆叠于该下方超材料结构的元件12上方。波导芯20、22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20、22可通过在介电层18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制程图案化该沉积层来形成。

波导芯20可具有侧壁24、25，并可沿纵轴28对齐。波导芯22可具有侧壁26、27，并可沿纵轴29对齐。波导芯20的侧壁24可邻近波导芯22的侧壁26设置，并通过具有宽度尺寸W2的槽30与侧壁26横向隔开。在一个实施例中，槽30的宽度尺寸W2在元件12的纵向范围上可为恒定。在一个实施例中，波导芯20的纵轴28可平行于波导芯22的纵轴29对齐。在一个实施例中，元件12的纵轴11可平行于波导芯20、22的纵轴28、29对齐。

包括元件12的该超材料结构在衬底16与该槽形波导的波导芯20、22之间沿垂直方向设置。各波导芯20、22可与元件12具有部分重叠关系。在此方面，邻近侧壁24的波导芯20的部分可与元件12的相应侧边部分重叠，邻近侧壁26的波导芯22的部分可与元件12的相应侧边部分重叠，且槽30可与元件12具有重叠布置。在一个实施例中，槽30可与元件12完全重叠。邻近侧壁25的波导芯20的部分可与元件12具有不重叠关系，且邻近侧壁27的波导芯22的部分可与元件12具有不重叠关系。在一个实施例中，波导芯20、22可相对于元件12以对称布置的方式横向设置，以使在波导芯20、22之间的槽30相对于元件12居中。

在替代实施例中，元件12及波导芯20、22可由不同类型的材料组成，例如III-V族化合物半导体材料。

请参照图5，其中，类似的附图标记表示图4中类似的特征，且在下一制造阶段，可在介电层18及波导芯20、22上方形成介电层32。波导芯20、22嵌埋于介电层32中，可沉积该介电层并接着在沉积之后平坦化，且介电层32的介电材料填充槽30。介电层32可由介电材料组成，例如二氧化硅，其折射率小于构成波导芯20、22的介电材料的折射率。

可在介电层32上方形成后端工艺堆叠34。后端工艺堆叠34可包括堆叠介电层，其由介电材料组成，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。

光子结构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制程制造的场效应晶体管。

包括元件12的该超材料结构可有效降低由波导芯20、22定义的该槽形波导中的双折射及差分群延迟。具体地说，可减少由波导芯20、22引导的传播光的横电模式与横磁模式极化之间的时间/群延迟，且当由波导芯20、22引导时，不同极化模式的传播光可以更相似的速度传播。例如，与传统的槽形波导相比，在具有横电模式极化的光与具有横磁模式极化的光之间的时间/群延迟可减少约三个量级，这与预期相比大幅减少。

请参照图6、7并依据本发明的替代实施例，可颠倒光子结构10，以使包括元件12的该超材料结构设置于波导芯20、22上方，且该槽形波导的波导芯20、22在该超材料结构与衬底16之间沿垂直方向设置。为此，波导芯20，22可形成于介电层14上，并彼此相邻横向设置，以定义槽30。波导芯20、22可由半导体材料例如单晶硅组成。例如，波导芯20、22可通过利用光刻及蚀刻制程图案化绝缘体上硅衬底的单晶硅装置层来形成，且在图案化元件12时，介电层14可充当蚀刻停止层。

请参照图8、9，其中，类似的附图标记表示图6、7中类似的特征，且在下一制造阶段，可在波导芯20、22上方沉积介电层18并平坦化，接着可在介电层18上及波导芯20、22上方形成元件12。元件12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，元件12可通过在介电层18上通过化学气相沉积沉积其构成介电材料层并通过光刻及蚀刻制程图案化该沉积的介电材料来形成。元件12可与位于波导芯20与波导芯22之间的槽30具有重叠布置。在一个实施例中，元件12可与槽30完全重叠。在一个实施例中，元件12可在波导芯20、22之间相对于槽30居中。

请参照图10，其中，类似的附图标记表示图9中类似的特征，且在下一制造阶段，元件12嵌埋于随后形成的介电层32中。构成介电层32的介电材料(可为二氧化硅)的折射率可小于构成元件12的材料的折射率。介电层32的介电材料设于相邻成对的元件12之间的间隙13中。元件12以及位于间隙13中的介电层32的介电材料可定义超材料结构，其中，构成元件12的介电材料与介电层32的介电材料相比具有较高的折射率。包括元件12以及位于间隙13中的介电层32的介电材料的该超材料结构可被视为均质材料，其有效折射率介于构成元件12的介电材料的折射率与介电层32的介电材料的折射率之间。包括波导芯20、22的该槽形波导在衬底16与包括元件12的该超材料结构之间沿垂直方向设置。

请参照图11、12并依据本发明的替代实施例，可将光子结构10包含于边缘耦合器中。在此方面，该槽形波导的波导芯20、22可包括端部表面40、42，且波导芯20、22可定义以多个锥角锥化的槽形倒锥。倒锥是指由沿模式传播方向宽度逐渐增加表征的波导芯的锥形段。

可沿模式传播方向44从光源46向波导芯20、22的端部表面40、42提供光(例如，激光)。该光可具有给定的波长、强度、模式形状，以及模式尺寸，且提供该代表性光学组件的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46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46可为邻近该边缘耦合器设置的半导体激光器，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。光源46可设置于衬底16中所形成的凹槽中，该凹槽可延伸作为在该边缘耦合器下方可选的底切48。作为替代，可省略可选底切48，以使衬底16在元件12及波导芯20、22下方为实心。

包括元件12以及位于间隙13中的介电层18的介电材料的该超材料结构用以减少该边缘耦合器中的双折射及差分群延迟。

上述方法用于集成电路芯片的制造。制造者可以原始晶圆形式(例如，作为具有多个未封装芯片的单个晶圆)、作为裸芯片，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电脑产品或智能手机。

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)

1.一种光子结构，其特征在于，包括：

槽形波导，包括第一波导芯以及邻近该第一波导芯横向设置的第二波导芯，该第一波导芯通过槽与该第二波导芯隔开；以及

超材料结构，包括由多个间隙隔开的多个元件以及位于该多个间隙中的介电材料，

其中，该超材料结构与该槽形波导的该槽以重叠布置方式设置。

2.如权利要求1所述的光子结构，其特征在于，该第一波导芯包括第一端部表面且该第二波导芯包括第二端部表面，且还包括：

光源，邻近该第一端部表面及该第二端部表面设置，该光源经配置以沿模式传播方向向该槽形波导提供光。

3.如权利要求2所述的光子结构，其特征在于，该光源为半导体激光器。

4.如权利要求2所述的光子结构，其特征在于，该光源为光纤。

5.如权利要求2所述的光子结构，其特征在于，该槽形波导定义槽形倒锥。

6.如权利要求1所述的光子结构，其特征在于，还包括：

衬底，

其中，该超材料结构在该衬底与该槽形波导间沿垂直方向设置。

7.如权利要求6所述的光子结构，其特征在于，该多个元件包括硅，且该第一波导芯及该第二波导芯包括氮化硅。

8.如权利要求1所述的光子结构，其特征在于，还包括：

衬底，

其中，该槽形波导在该衬底与该超材料结构间沿垂直方向设置。

9.如权利要求8所述的光子结构，其特征在于，该多个元件包括氮化硅，且该第一波导芯及该第二波导芯包括硅。

10.如权利要求1所述的光子结构，其特征在于，该多个元件包括硅，且该介电材料包括二氧化硅。

11.如权利要求1所述的光子结构，其特征在于，该多个元件包括氮化硅，且该介电材料包括二氧化硅。

12.如权利要求1所述的光子结构，其特征在于，该第一波导芯包括第一纵轴，该第二波导芯包括第二纵轴，该超材料结构包括平行于该第一纵轴及该第二纵轴对齐的第三纵轴，且该多个元件沿该第三纵轴以间隔布置的方式设置。

13.如权利要求1所述的光子结构，其特征在于，该多个元件相对于该槽居中。

14.如权利要求1所述的光子结构，其特征在于，该第一波导芯包括第一侧壁，该第二波导芯包括第二侧壁，且该槽从该第一侧壁延伸至该第二侧壁。

15.一种形成光子结构的方法，其特征在于，该方法包括：

形成包括第一波导芯以及邻近该第一波导芯设置的第二波导芯的槽形波导，其中，该第一波导芯通过槽与该第二波导芯隔开；以及

形成包括由多个间隙隔开的多个元件以及位于该多个间隙中的介电材料的超材料结构，其中，该超材料结构与该槽形波导的该槽以重叠布置方式设置。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，形成包括由该多个间隙隔开的该多个元件以及位于该多个间隙中的该介电材料的该超材料结构包括：

图案化半导体层，以定义该多个元件；以及

在该多个间隙中沉积该介电材料。

17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，形成包括由该多个间隙隔开的该多个元件以及位于该多个间隙中的该介电材料的该超材料结构包括：

图案化介电层，以定义该多个元件；以及

在该多个间隙中沉积该介电材料。

18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，该第一波导芯包括第一端部表面且该第二波导芯包括第二端部表面，且还包括：

邻近该第一端部表面及该第二端部表面设置光源，

其中，该光源经配置以沿模式传播方向向该槽形波导提供光。

19.如权利要求15所述的方法，其特征在于，该超材料结构在衬底与该槽形波导间沿垂直方向设置，该超材料结构的该多个元件包括硅，以及该第一波导芯及该第二波导芯包括氮化硅。

20.如权利要求15所述的方法，其特征在于，该槽形波导在衬底与该超材料结构间沿垂直方向设置，该超材料结构的该多个元件包括氮化硅，以及该第一波导芯及该第二波导芯包括硅。