光耦合器的制作方法

光耦合器
相关申请的交叉引用
1.本pct申请要求于2019年1月3日提交的名称为“光耦合(optical coupling)”的美国临时专利申请第62/788116号的权益，所述申请通过引用整体并入本文。
技术领域
2.本文所描述的实施方式涉及光耦合结构，并且更具体地涉及波导和光纤之间的光耦合。


背景技术：

3.示例实施方式大体上涉及光子集成电路(pic)横向耦合器领域。例如，示例实施方式提供梯度折射率(grin)波导横向耦合器。
4.云计算、企业网络和数据中心网络继续推动地铁和长途线路对光纤通信带宽需求的增长，并且数据中心内机架间布线高达100gbps及以上。使用单模光纤(smf)的光纤传输系统通常用于此类高容量通信系统。普通光纤传输系统包括与单模光纤耦合的侧面(边缘)发射激光二极管。已经提出了各种耦合结构来提高激光器和单模光纤之间的耦合效率。此类通常采用的耦合结构包括dfb激光器与smf的对接耦合(光路的直接对准)，或者在激光器和波导之间以及类似地在波导和smf之间集成柱面透镜或者柱面透镜和渐变折射率棒透镜的组合。然而，这些系统具有体积大和组装成本高的缺点。
5.使用互补金属氧化物半导体(cmos)兼容工艺，例如以光子ic(pic)的形式，可以获得用于生产紧凑型光通信系统的技术。然而，由于波导
‑
光纤接口处的模式失配，pic波导和外部光纤之间的高效耦合可能是主要挑战。由于波导模式的引导性质，当光纤在波导平面的外部时(例如，当波导
‑
光纤接口不垂直于波导限定的传播方向时)，波导和外部光纤之间耦合的模式失配尤其会是更大的挑战。目前，光栅耦合件通常用于将平面外部光纤耦合到波导。例如，光栅耦合件通常用作波导横向耦合器。然而，光栅耦合件可能难以设计和制造，并且通常导致光束功率的显著损耗。
6.因此，在本领域中需要用于将pic波导耦合到外部光纤的改进的方法、装置和/或类似物，以获得更紧凑和高效的装置来代替当前的互连光耦合器。


技术实现要素：

7.示例实施方式提供光互连装置和用于制造装置的方法。各种示例实施方式提供通用耦合器、用于制造用于向外部光纤进行模式转移的通用耦合器的方法等。
8.公开了一种将激光输出端连接到外部光纤的光互连装置。互连装置构建在衬底的顶部表面上。光互连装置包括：激光腔模块，其沿着第一方向传输来自激光器的光束；光调制器模块，其沿着第一方向传输光束，其中光束具有第一斑点大小；模式转移模块，其包括：锥形结构，其沿着第一方向设置在光调制器模块之后；以及通用耦合器，其用于控制光束传播方向，其中锥形结构将光束的第一斑点大小扩展到第二斑点大小，其中第二斑点大小大
于第一斑点大小；以及外部光纤，其附接到表面透镜，其中表面透镜接收来自通用耦合器的扩展的光束并且将光束聚焦到外部光纤。
9.可选地，锥形结构线性地改变其横截面大小。
10.可选地，锥形结构非线性地改变其横截面大小。
11.在一个示例性实施方式中，外部光纤沿着第一方向设置，并且通用耦合器是平面内耦合器以将扩展的光束传输到平面内放置的外部光纤中。
12.在另一个示例性实施方式中，外部光纤沿着垂直于第一方向的第二方向设置，并且通用耦合器是竖直耦合器，其被配置为在垂直于所述第一方向的第二方向上反射所述扩展的光束。
13.可选地，光调制器模块是包括波导和波导中的gesi通道的弗朗兹
·
凯尔迪什(franz keldysh)(或fk)调制器。
14.可选地，在通用耦合器之后的光束的扩展的第二斑点大小匹配外部光纤的芯部的直径。
15.可选地，外部光纤是单模光纤。
16.可选地，第二光斑至少是第一光斑的两倍大。
17.可选地，光调制器模块具有抗反射涂层。
18.另一个实施方式公开了一种制作光互连设备的方法，所述方法包括首先提供si衬底，所述si衬底具有构建光互连设备的顶部表面和具有嵌入的氧化物层的底部表面。所述方法还包括制作激光腔、邻近激光腔的光调制器模块和机械转移模块，其全部都沿着相同的方向顺序设置。激光腔模块被配置为传输平面内激光，光调制器模块耦合到激光腔模块，并且机械转移模块具有用于将平面内激光扩展到更大束斑的锥形结构，以及用于控制激光向外部单模光纤的传播方向的通用耦合器。然后将激光腔模块、光调制器模块和机械转移模块封装成集成的光互连系统。最后，激光器和集成的光互连系统与表面透镜和外部单模光纤组装在一起。
19.一种方法包括形成通用耦合器，所述通用耦合器被配置为当外部光纤沿着第一方向放置时将扩展的光束沿着第一方向传输到外部光纤中。
20.另一个方法包括在外部单模光纤垂直于第一方向放置的情况下，将通用耦合器形成为邻近锥形结构的倾斜镜结构。倾斜镜结构被配置为将来自锥形结构的激光的方向改变90度进入表面透镜和外部单模光纤，并且倾斜镜结构涂覆有高反射金属材料。
21.可选地，锥形结构线性地改变其横截面大小。
22.可选地，锥形结构非线性地改变其横截面大小。
23.可选地，制作激光腔模块包括图案化多个平面内激光光栅并且在多个平面内光栅结构上沉积sin层和siox层。
24.可选地，制作光调制器模块包括以下步骤：形成硅调制器结构；在si衬底的顶部表面上的光模块区域的第一子区域中沉积氧化硅层；图案化光模块区域的第一子区域中的硅调制器结构，暴露硅衬底的底部表面的嵌入的氧化物层；在光模块区域的第一子区域中的沟槽壁上执行硅的选择性外延生长；在选择性外延硅的顶部执行硅的非选择性外延生长以过度填充第一子区域的沟槽；对所述沟槽进行cmp，其中控制所述cmp以暴露所述沟槽外部的氧化硅层，并且在所述沟槽内部留下预定的凹陷深度；以及对光模块区域进行退火。
25.可选地，形成光模块还包括以下步骤：形成锗调制器结构；在光模块区域的第二子区域中沉积氮化硅层；在光模块区域的第二子区域中的氮化硅上沉积氧化硅层；图案化所述光模块区域的第二子区域中的锗调制器结构，其中所述图案化暴露沟槽内部的si衬底的底部表面上的嵌入的氧化物层；在光模块区域的第二子区域中的沟槽壁上执行硅的选择性外延生长；在所述光模块区域的第二子区域中的沟槽的壁上的选择性外延硅上执行混合硅和锗的选择性外延生长；在选择性外延硅的顶部执行混合硅和锗的非选择性外延生长，以过度填充沟槽；对所述沟槽进行cmp，其中控制所述cmp以暴露所述沟槽外部的氧化硅层，并且在所述沟槽内部留下预定的凹陷深度；以及最后对光模块区域进行退火。
26.可选地，在光模块区域的第二子区域中形成锗调制器结构还包括：图案化锗调制器结构以与沟槽的壁间隔开；在邻近锗调制器结构的空间中沉积多晶硅；通过注入n型离子在锗调制器结构中的每个的一侧掺杂n ；通过注入p型离子在所述锗调制器结构的另一侧掺杂p ；以及对多晶硅进行退火。
27.可选地，所述方法还包括图案化光模块区域的第一子区域和第二子区域中的波导结构、刻面结构，其在激光腔模块前面；光弯曲结构，其邻近硅调制器结构；以及邻近锗调制器结构的中阶梯光栅结构，其中中阶梯光栅结构被图案化以在面对的侧表面上具有金属层。
28.可选地，所述方法还包括稍后图案化所述锗调制器结构体的一侧处的加热器。
29.可选地，所述方法还包括图案化锗调制器结构中的每个的两侧处的接触结构，以及图案化用于外部连接的焊盘结构。
30.形成机械转移模块的方法包括图案化硅衬底的开口中的锥形结构，锥形结构具有沿着波导方向增加的横截面大小；在锥形结构上方沉积氧化物；图案化硅衬底的开口中的锥形结构，其中锥形结构沿着波导的方向逐渐增加其横截面大小；在锥形结构上方沉积氧化物；以及形成通用耦合器，所述通用耦合器被配置为在当外部光纤沿着第一方向放置时的情况下将扩展的光束沿着第一方向传输到外部光纤中；在外部单模光纤垂直于第一方向放置的情况下，将通用耦合器形成为邻近锥形结构的倾斜镜结构，其中倾斜镜结构被配置为将来自锥形结构的激光的方向改变90度进入表面透镜和外部单模光纤，并且其中倾斜镜结构涂覆有高反射金属材料。
31.可选地，波导和锥形结构沉积有抗反射涂层。
32.本公开的另一个实施方式包括：图案化竖直耦合器：将第一光刻胶设置在锥体前面的部分和锥体区域两者中，其中光刻胶使用灰色调掩模覆盖vt和mt之间的间隙外部的区域，以保护vt外部的区域，并且第二光刻胶图案化vt和mt之间的si，从而在锥体的前侧形成具有低粗糙度的高质量竖直刻面。
附图说明
33.已经如此概括地描述了本发明，现在将参考附图，所述附图不一定按比例绘制，在附图中：
34.图1是根据示例实施方式的具有竖直放置的光纤的光互连装置的示意图；
35.图2是根据示例实施方式的具有图1的竖直放置的光纤的光互连装置的图；
36.图3至图27示出了根据各种示例实施方式制作光互连装置的各种步骤；
37.图3是根据示例实施方式的图1中的光互连装置的前端的示意图；
38.图4a、图4b和图4c示出了根据示例实施方式的俯视图和横截面视图中的图案化期间的机械变换区域；
39.图5a、图5b和图5c示出了根据示例实施方式的生长第一硅外延阶梯的横截面视图；
40.图6a至图6f示出了根据示例实施方式的生长第二硅外延阶梯的横截面视图；
41.图7a至图7i示出了根据示例实施方式的生长锗
‑
硅外延阶梯的横截面视图；
42.图8是根据示例实施方式的图案化光波导上方氧化物的示意图；
43.图9a和图9b示出了根据示例实施方式的图案化fk光调制器内部硅波导阶梯的示意图；
44.图10示出了根据示例实施方式的图案化fk光调制器内部的弯曲硅结构；
45.图11示出了根据示例实施方式的fk光调制器内部的锗
‑
硅波导的图案化步骤；
46.图12a和图12b示出了根据示例实施方式移除锗
‑
硅波导周围的氧化物以便稍后在fk光调制器内部进行多晶沉积的步骤；
47.图13a和图13b示出了根据示例实施方式的在氧化物上方沉积多晶硅并且从除锗
‑
硅波导周围之外的fk光调制器内部的任何地方移除多晶硅的步骤；
48.图14a示出了根据示例实施方式的在锗
‑
硅波导的两侧注入不同离子的步骤；
49.图14b和图14c示出了根据示例实施方式的图案化光波导的前端的激光刻面以及图案化后端的中阶梯光栅的步骤；
50.图15b和图15c示出了根据示例实施方式的图案化和移除光调制器中表面氧化物的步骤；
51.图16a和图16b示出了根据示例实施方式的在光调制器中的中阶梯光栅的面对侧壁上沉积金属层的步骤；
52.图17a、图17b、图17c和图17d示出了根据示例实施方式的在锗
‑
硅波导的竖直侧壁中的一个上选择性地沉积加热器层的步骤；
53.图18a和图18b示出了根据示例实施方式的移除锗
‑
硅波导两侧的sinx和siox并且形成接触结构的步骤；
54.图19示出了根据示例实施方式的图案化新氧化物上的金属层以准备接触结构和焊盘结构的步骤；
55.图20a、图20b、图20c和图20d示出了根据示例实施方式的在光调制器区域上方、在包括竖直耦合器外部的模式转移区域上方以及直接在竖直耦合器上方沉积抗反射涂层(arc)的步骤；
56.图21示出了根据示例实施方式的图案化光调制器前端的刻面后面的激光腔的步骤；
57.图22a、图22b和图22c示出了根据示例实施方式的图案化包括在锥体(22b)的外部以及直接在锥体(22c)上方打开锥体区域的模式转移区域的第一步骤；
58.图23a、图23b和图23c示出了根据示例实施方式的图案化包括移除锥体外部的氧化物的模式转移区域的第二步骤；
59.图24a和图24b示出了根据示例实施方式的图案化模式转移区域中的锥形si和竖
直耦合器的俯视图和横截面视图；
60.图24c示出了根据示例实施方式的模式转移区域的图案化后的横截面视图；
61.图25a和图25b示出了根据示例实施方式的图案化模式转移区域中的锥形硅开口的焊盘层的横截面视图；
62.图26a和图26b示出了根据示例实施方式的图案化模式转移区域中的竖直耦合器的焊盘层的俯视图和横截面视图；
63.图27示出了根据示例实施方式的在沉积siox和sin并且图案化激光腔区域和光调制器区域中的焊盘层之后的横截面视图；
64.图28是根据另一个示例实施方式的具有平面内放置的光纤的光互连装置的示意图；
65.图29详细示出了根据示例实施方式的具有图28的平面内放置的光纤的光互连装置的图；
66.图30示出了根据示例实施方式的制作工艺流程的示意图；
67.图31示出了根据示例实施方式的模式转移光斑图像的模拟结果；
68.图32a和图32b示出了取决于示例实施方式的线性和非线性锥形硅模式转移模块的模式转移损耗和偏振相关损耗相对于长度的模拟结果；以及
69.图33a、图33b和图33c示出了根据示例实施方式的具有不同mt到光纤间隙的smf光纤到mt面耦合损耗的模拟结果。
具体实施方式
70.现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的一些但不是全部实施方式。实际上，本公开可以以许多不同的形式实施，并且不应被解释为局限于本文阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式是为了使本公开满足适用的法律要求。相同的附图标记贯穿指代相同的元件。
71.在各种实施方式中，参考附图进行描述。然而，某些实施方式可在没有这些具体细节中的一个或多个的情况下实践，或者与其他已知的方法和配置相结合来实践。在以下描述中，阐述了许多具体细节，诸如具体配置、大小和工艺等，以便提供对实施方式的透彻理解。在其他情况下，没有特别详细地描述众所周知的工艺和制造技术，以免不必要地模糊实施方式。贯穿本说明书中提到“一个实施方式”意味着在至少一个实施方式中包括结合所述实施方式描述的具体特征、结构、配置或特性。因此，贯穿本说明书各处出现的短语“在一个实施方式中”不一定是指同一实施方式。此外，在一个或多个实施方式中，特征、结构、配置或特性可以以任何合适的方式组合。
72.如本文中使用的术语“上方”、“跨越”、“到”、“之间”和“上”可以指一层相对于其他层的相对位置。一层在另一层“上方”、“跨越”另一层或在另一层“上”或“结合到”另一层或与另一层“接触”可以是直接地与另一层接触，或者可以具有一个或多个中间层。“在层之间”的一层可以直接与这些层接触或者可以具有一个或多个中间层。
73.光子集成耦合器是当前用于多种应用的研究领域。例如，各种类型的光子集成耦合器在光纤通信、生物医学领域、光子计算和其他领域具有应用。例如，各种光纤通信应用可能需要将来自光波导的信号传送到外部光纤电缆。因此，需要用于耦合的高效方法和/或
高效的耦合装置来将集成光波导耦合到外部光纤电缆。
74.在一些应用中，光纤可以定位在来自激光器和平面内放置的光调制器的传播光束的平面内。在其他应用中，光纤可以被定位成垂直于来自激光器和平面内放置的光调制器的传播光束。在以下段落中公开了通用耦合方案。一些实施方式包括竖直耦合的互连系统，首先在图1至图27中描述了所述竖直耦合的互连系统。其他实施方式包括随后在图28和图29中描述的平面内耦合互连系统。图30中提供的简要制作流程图和图31至图33中示出的模拟结果可适用于两个实施方式。
75.现在参考图1，图1示出了根据示例性实施方式的具有竖直放置的光纤的光互连装置的示意图。互连装置制作在衬底的顶部表面上(在图2中示出)。平面内激光器将激光束发射到激光腔110中。激光腔之后通常是激光光栅区域。激光束沿着衬底表面传播并且进入平面内光调制器120。光调制器120可以是传统的马赫
‑
曾德尔(mach
‑
zehnder)干涉仪型调制器。例如，它可以是先进的弗朗兹
·
凯尔迪什调制器(fk调制器)，这是基于体半导体弗朗兹
·
凯尔迪什效应的电吸收(ea)装置，其中施加的电场改变并且扭曲了fk调制器中材料的能带。
76.fk调制器的一个优点是它们可以比传统的马赫
‑
曾德尔干涉仪型调制器小25倍。fk调制器的长度小于50μm，而马赫
‑
曾德尔干涉仪型调制器的测量单位为毫米。小大小减小了驱动电容和功耗。此外，驱动器可在纯cmos平台上实现。使用ge量子阱的fk调制器可以制作成小至10μm长，预计其操作速度高达500gb/s。
77.尽管fk调制器使光束小型化，但它必须与外部光纤对准并且通过外部光纤传播。标准单模光纤具有5
‑
10μm的更大直径。而且，外部光纤的取向可以相对于平面内激光束成角度。直径失配和取向变化在将光纤电缆组装到光子装置时带来了巨大的挑战，导致高的集成损耗。
78.通常需要高效且通用的模式转移装置来将较小的调制器与同激光束放置在同一平面内或平面外的更大的光纤匹配。
79.在图1中，锥形硅件130和通用耦合器140被组合以形成模式转移模块。图1中的通用耦合器140是在光纤相对于衬底的顶部表面竖直放置的情况下的90度竖直耦合器。然而，通用耦合器可用于将激光束导向其他方向，诸如图28中的示例，其中光纤沿着激光束方向放置。与这两个示例不同的其他方向
‑
0度或90度
‑
可以通过适当设计的通用耦合器来实现。
80.在所描绘的示例中，调制光进入锥体硅件130，并且来自锥体的输出光是大小与外部光纤160的尺寸匹配，并且特别是与纤芯的尺寸匹配的放大得多的光束。放置在外部光纤前面的表面透镜150将来自通用耦合器140的出射光束聚焦到外部光纤160(在一些情况下，其可以是单模光纤)中，以获得更好的耦合效率。表面透镜150可以是光纤160前端的熔入透镜。
81.图2示出了图1的具有竖直放置的光纤的光互连装置的横截面的细节视图。衬底被示出为互连装置的支撑件。衬底可以是硅晶片、绝缘体上硅或soi晶片，或者结合到衬底的单独的薄板。对于更常用硅衬底的硅光子装置，图2在左侧示出了由激光器(未示出)、前端激光腔和激光光栅件(lsgt)发射的激光，接着是平面内fk调制器和模式转移模块，所述模式转移模块包括锥形硅件和竖直耦合器，所述竖直耦合器被配置为将光束向上转向导透镜和外部光纤中。fk调制器结构包括硅波导件(wgsi)、含有锗
‑
硅混合物的锗波导(wgge)、硅
弯曲件(bend)、中阶梯光栅(echelle)和互连输出端口(pad)。根据本发明的实施方式制作互连涉及许多步骤，所述许多步骤将在以下段落中参考其他附图更详细地描述。
82.图3至图27示出了制作光互连装置的各个步骤。当可能没有绘制其他结构时，将在各个图中单独地讨论各种结构。
83.图3是图1和图2中的光互连装置的前端的示意图。衬底soi包括底部硅表面301和体硅层303，其中嵌入的氧化物层302是结合层或氧注入层。激光光栅结构310被设计成配置输入激光束。吸收器320限定可以通过电场改变电吸收器(ea)装置的区域。提供光对准标记330以准确地引导输入激光与光调制器对准。
84.图4a、图4b和图4c以俯视图和横截面视图示出了在开口310的图案化期间的模式转移区域。soi衬底具有硅层301、嵌入的氧化物层302和体硅303。在图4a中，开口310围绕锥形硅件309。
85.俯视图示出模式转移区域具有三个子区域，所述三个子区域覆盖有三个顶部层
‑‑
氧化物307覆盖锥体结构309，开口区域310被底部氧化物302覆盖，并且锥体和开口的外部的其他区域被氧化物308覆盖。参考图4b和图4c可以更好地理解这一点。
86.图4b示出了在开口310被图案化之前，图4a中的小区域沿着线a和a'的横截面。在锥形结构中，一层氧化物304深深嵌入体硅中，但此氧化物304没有添加到另一个体硅区域303中。此外，在氧化物307铺设在锥形区域309的顶部表面上之前，先沉积一层sin306。顶部氧化物层308沉积在整个表面上方。图4c示出了在蚀刻开口310一直到嵌入的氧化物302顶部表面之后沿着线a
‑
a'的区域横截面。
87.图5a、图5b和图5c示出了生长第一硅外延阶梯以形成硅波导的横截面视图。示出了相同的soi衬底301、302、303来支撑硅波导。在图5a中，一层氧化物315沉积在硅晶片上方。抗蚀剂311在氧化物315中限定波导沟槽线的边缘。图5b示出了在图案化之后，移除氧化物315和体硅303中的沟槽材料的步骤。图5c示出了顶部氧化物315和沟槽320底部的嵌入的氧化物302两者都被移除之后的仅暴露硅表面的波导沟槽320。
88.图6a至图6f示出了继续生长硅外延阶梯的横截面视图。图6a示出了一层新沉积的氧化物318，其从沟槽底部、沟槽侧壁到沟槽堤部顶部表面覆盖波导。然后可以施加抗蚀剂330以限定波导320的堤部的凹入边缘。然后可以使用光刻和蚀刻来从沟槽320内部移除氧化物318，保持沟槽堤部上方的氧化物318从边缘凹入，如图6b中示出的。此时，硅波导沟槽320为外延硅做好准备。
89.图6c示出了在外延工艺中将籽晶硅单晶层321沉积到沟槽中之后的结构。此外延硅层321覆盖沟槽底部、侧壁和由凹入的氧化物318留下的开放的堤部边缘。边缘a处和沟槽底角b处的虚线区域已被放大，如图6c左侧的图6c(aa)和图6c(1b)中示出的。在图6c(1a)或a中，单晶硅321已经在凹入的氧化物318(也称为硬掩模(hm))上方生长，以准备侧向多晶硅生长。在图6c(1b)或图b中，单晶硅321覆盖沟槽底角处的嵌入的氧化物302。
90.图6d示出了在选择性单晶硅321上方生长外延非选择性单晶硅333并且在硬掩模顶部氧化物318上方侧向生长多晶硅332之后的硅波导的横截面。
91.图6e示出了在化学机械抛光(cmp)之后的硅波导横截面，所述化学机械抛光(cmp)移除了沟槽堤部上方的不平坦的顶部非选择性单晶硅和多晶硅332。cmp的目标是总顶部氧化物318(硬掩模)保持小于100nm。沟槽320的边缘340被放大以在左图中示出更多细节。cmp
抛光可以留下单晶硅顶部表面的凹陷，其中外延硅333的凹陷的目标是比硅的顶部低小于100nm。凹陷可以控制在 /
‑
100nm。
92.cmp之后的气体退火工艺使图6f中沟槽350中的硅再结晶。
93.在制作调制器的工艺中，保护了模式转移区域，尤其是锥形硅结构。
94.图7a至图7i示出了形成锗波导的外延锗
‑
硅生长步骤中的每个之后的横截面视图。如前所描述的soi衬底301、302和303支撑锗波导。图7a开始于在soi衬底的顶部表面上沉积一层氮化物(sin)356，随后在氮化物356上沉积一层氧化物(siox)355。光刻胶353被图案化以限定锗波导的边缘。图7b示出了在移除波导中的氮化物355和氧化物356之后的图案化后的横截面。另一层氧化物456可以沉积到中心顶部表面，并且图案化光刻胶453限定图7c中的波导沟槽。图7d中示出了图案化后的横截面，其中沟槽460被打开，并且沟槽堤部被氮化物356和氧化物355覆盖，其中氧化物355远离沟槽边缘凹入。通过外延工艺在沟槽460的底部表面上沉积一层种子硅461。然后移除堤部355上方的氧化物层，留下凹入的氮化物层356作为图7e中堤部上方的保护顶部层。
95.图7f示出了在晶种硅层461上的堤部、沟槽侧壁和沟槽底部上沉积另一层氧化物475和477之后的横截面。在蚀刻沟槽460内部的氧化物477期间，堤部上的凹入抗蚀剂保护氧化物475和氮化物356。
96.在图7g中，锗
‑
硅在外延生长工艺(epitx)中通过以适当比例的锗原子和硅原子的混合物沉积到沟槽460中。例如ge1‑
x
si
x
(其中x为0.02至0.3)。在图7g的左侧波导470边缘的过度生长的外延被放大以示出细节。如图7h中示出的，顶部氧化物475远离沟槽侧壁凹入约1μm，下面的氮化物356远离沟槽侧壁凹入约3μm。
97.在随后的cmp工艺中，为了从沟槽顶部移除过量的锗
‑
硅，沉积一层氧化物478来辅助抛光工艺，如图7i中示出的。图7i中的cmp引起的凹陷479被放大为在图7i顶部绘制的细节图490。如490中示出的，凹陷被控制在 /
‑
100nm。锗
‑
硅波导沟槽因此被填充。
98.图8是示出光波导上方氧化物的图案化的示意图。氧化物层可以沉积在激光腔区域和fk调制器区域上，图案化工艺可以保护顺序定位的激光刻面、激光光栅、硅波导、硅弯曲、锗波导(其可由锗和硅的混合物组成)和中阶梯光栅，但它暴露了锗波导外部的沟槽。
99.图9a和图9b示出了在图案化fk光调制器内的硅波导步骤之前(9a)和之后(9b)的光互连装置的横截面示意图。在此光刻
‑
蚀刻工艺之后，硅波导在硅波导外部形成侧沟槽。
100.图10示出了图案化的fk光调制器内弯曲硅结构。在图10中，抗蚀剂层和蚀刻后结构涉及多个步骤，所述多个步骤都示出在一个图中。
101.图11示出了fk光调制器内部的锗
‑
硅波导的图案化步骤。如图所示，设置光刻胶以打开锗波导周围的沟槽区域，并且蚀刻工艺将所述区域中的材料移除到沟槽底部以暴露嵌入的氧化物。
102.图12a示出了设置光刻胶以覆盖光互连中除锗波导底部附近的氧化物以外的所有区域以便暴露锗波导底部的单晶种子层的步骤。
103.图12b示出了图案化后的fk光调制器内部的锗波导。根据所描绘的实施方式，在工艺的这一点上，此结构准备在锗波导周围进行多晶沉积。
104.图13a示出了首先在fk光调制器内部的氧化物上方沉积多晶硅，然后沉积光刻胶以保护锗波导的沟槽的步骤。此图中仅绘制了两个多晶硅箭头，代表锗沟槽内部和外部的
所有多晶硅层。
105.图13b示出了从除锗波导的沟槽中的底部表面之外的任何地方移除多晶硅之后的fk光调制器的横截面视图。
106.图14a示出了在锗
‑
硅波导的两侧相应地注入两种不同离子p 和n 的步骤。p 和n 两者的掺杂浓度都应高于10
17
。
107.图14b和图14c示出了图案化光调制器波导的前端的激光腔面以及图案化后端的中阶梯光栅的步骤。在图14b中，光刻胶设置在调制器上方，在刻面上方具有开口，并且在中阶梯光栅中具有多个光栅开口。在图14c中，示出了图案化之后的调制器的横截面视图。
108.图15b和图15c示出了移除光调制器中表面氧化物的步骤。设置光刻胶以保护图15a中的硅波导和锗波导的侧壁以及弯曲结构的侧壁。在图15b中示出了互连模块的图案化后的横截面视图，其中如图中示出的氧化物也从硅和锗波导的顶部移除。
109.图16a和图16b示出了在中阶梯光栅中形成金属涂层的步骤。在光调制器上淀积一层金属，诸如铝、钨或铜，随后淀积一层光刻胶，以保护图16a内中阶梯光栅中相对光栅的侧壁。执行蚀刻以移除大部分金属层，仅留下覆盖有金属的中阶梯光栅的面对侧壁。
110.此时，在锗波导的一个侧壁上添加加热器层。加热层的材料包括金属材料，诸如铝、钨或合金。图17a示出了金属层的覆盖范围。然后在图17b中用各向同性/各向异性蚀刻金属工艺移除水平金属表面，并且所有竖直表面仍然被金属层覆盖。为了将加热器金属层仅保持在锗波导的一个竖直壁上，可在选定的锗壁上设置光刻胶层，如图17c所示。在图案化金属层之后，可以移除所有其他竖直金属层，仅在锗波导的竖直侧壁中的一个上选择性地留下加热器层，如图17d中示出的。
111.接下来在锗波导的沟槽中形成互连接触结构。首先，光刻胶层设置在光调制器的大部分表面上方，在图18a中仅暴露邻近锗波导的部分。随后进行蚀刻工艺来移除顶部氧化物(siox)和氮化物(sinx)，以暴露锗波导侧面沟槽中的底部晶体表面。在图案化步骤之后，掺杂的锗
‑
硅混合物层被打开，如图18b中示出的。在所述工艺的这一点上，接触结构准备好被构建。
112.图案化接触金属的步骤在图19中被简化，其中光刻胶层通过光刻和蚀刻被沉积和图案化。因此，图19中示出的横截面示出了锗波导附近选定区域上的金属结构，用于接触和未来的焊盘结构。互连材料可以是铝、钨、铜或金属合金。
113.在一些实施方式中，抗反射涂层(arc)对于减小杂散光信号是必要的。arc由一定厚度的氧化物形成以产生抗反射节点。由于顶部材料的差异，装置的不同区域需要不同的arc，因此需要用覆盖其他区域的光刻胶来单独地图案化它们。首先，激光刻面区域获得图20a中的arc。图20b中的俯视图和图20c中的横截面视图的模式转移区域被图案化，其中光刻胶覆盖锥形硅前面的部分，并且一层氧化物(siox)沉积在包括锥形硅的模式转移区域上方。沉积后，接着进行蚀刻，从锥形硅的顶部表面移除新沉积的氧化物，如图20d中示出的。
114.图21示出了在刻面附近的光调制器前端的激光腔的若干图案化步骤之后的横截面。
115.图22a、图22b和图22c示出了如何制作模式转移模块。在所描绘的实施方式中，在制造此模块中涉及三个光刻胶图案化工艺。第一次图案化包括设置光刻胶以覆盖锥形硅前面的部分，并且蚀刻锥形硅外部的氧化物，一直到衬底的底部表面附近的嵌入的氧化物。图
22b和图22c中示出了在第一次图案化之前和之后的模式转移的横截面。
116.图23a、图23b和图23c中示出了准备竖直耦合器的第二次图案化工艺。光刻胶层设置在包括锥形硅的部段上方。光刻胶的俯视图如图23a中示出的，并且横截面视图如图23b中示出的。图23c是蚀刻后的横截面，其中锥体硅区域受到保护，并且锥体周围的切口保持不变。
117.图24a、图24b和图24c示出了形成竖直耦合器的第三图案化工艺的实施方式。一层光刻胶设置在锥体前面的部分和锥体部段两者上方。在图24a中，模式转移模块的俯视图包括覆盖vt和mt之间间隙外部区域的光刻胶。图24b示出了图案化模式转移区域中的竖直耦合器之后和竖直耦合器的横截面视图的实施方式。在此步骤中可以施加两种抗蚀剂：一种是使用灰色调掩模来图案化竖直耦合器(vt)，同时保护vt外部的区域，并且第二种是图案化vt和mt之间的硅，在锥体的前侧形成具有低粗糙度的高质量竖直刻面。模式转移模块的俯视图包括覆盖图24a中竖直耦合器外部区域的光刻胶。图24b示出了图案化模式转移区域中的竖直耦合器之后和竖直耦合器的横截面视图的实施方式。在此步骤中可以应用两种抗蚀剂。
118.图24c示出了在第三次图案化工艺之后的模式转移模块的横截面。一层高反射金属沉积在竖直耦合器(vt)的表面上。
119.制作模式转移模块区域的互连。图25a和图25b示出了蚀刻步骤之前和之后的此焊盘工艺的横截面视图。在图案化模式转移模块中的前件和锥形硅区域的焊盘层期间，首先设置(25a)光刻胶层，并且在(25b)之后进行蚀刻。
120.图26a示出了示出了图案化模式转移区域中的竖直耦合器的焊盘层的俯视图，并且图26b示出了图案化模式转移区域中的竖直耦合器的焊盘层的横截面视图。
121.图27示出了在沉积siox和sin并且图案化激光腔区域和光调制器区域中的焊盘层之后的横截面视图。
122.以上描述已经公开了光互连装置的结构和制作步骤，其中通用耦合器是竖直耦合器以适应竖直放置的外部光纤。
123.以下描述公开了用于沿着激光方向放置的外部光纤的平面内放置通用耦合器的实施方式。
124.图28是根据另一个示例性实施方式的具有平面内放置的光纤的光互连装置的示意图。
125.互连装置制作在衬底的顶部表面上(在图29中示出)。平面内激光器将激光束发射到激光腔1010中。激光腔之后通常是激光光栅区域。激光束沿着衬底表面传播并且进入平面内光调制器1020。光调制器1020可以是传统的马赫
‑
曾德尔(mach
‑
zehnder)干涉仪型调制器。例如，它可以是先进的弗朗兹
·
凯尔迪什调制器(fk调制器)，这是基于体半导体弗朗兹
·
凯尔迪什效应的电吸收(ea)装置，其中施加的电场改变并且扭曲了fk调制器中材料的能带。
126.在图28中，锥形硅件1030和通用耦合器140被组合以形成模式转移模块。图28中的通用耦合器1040在不改变其传播方向的情况下传播激光束。然而，通用耦合器可以用于将激光束导向其他方向。与这两个示例不同的其他方向
‑
0度或90度
‑
可以通过适当设计的通用耦合器来实现。
127.调制后的光进入锥形硅件1030，并且来自锥形件1030的输出光是大小与外部光纤1060的尺寸相匹配，并且别是与纤芯的尺寸相匹配的放大得多的光束。放置在外部光纤前面的表面透镜1050将来自通用耦合器1040的出射光束聚焦到单模光纤1060中，以获得更好的耦合效率。表面透镜1050可以是光纤1060前端的熔入透镜。
128.图29示出了图28中具有平面内放置的光纤的光互连装置的细节视图。
129.图29是图28中具有平面内放置的光纤的光互连装置的细节横截面视图。衬底被示出为互连装置的支撑件。衬底可以是硅晶片、绝缘体上硅或soi晶片，或者结合到衬底的单独的薄板。对于硅光子装置，更常用的是硅衬底。图29在左侧示出了由激光器(未示出)、前端激光腔和激光光栅件(lsgt)发射的激光，接着是平面内fk调制器和模式转移模块，所述模式转移模块包括锥形硅件和平面内耦合器，以将光束传输到透镜和外部光纤中。fk调制器结构包括硅波导件(wgsi)、含有锗
‑
硅混合物的锗波导(wgge)、硅弯曲件(弯曲)、中阶梯光栅(中阶梯)和互连输出端口(焊盘)。
130.图30示出了制作工艺流程的示意图。a.步骤901包括提供si衬底和平面内激光器；b.步骤902描述了在si衬底的顶部表面上制作激光腔模块，其中激光腔模块传输平面内激光器的光；c.步骤903描述了在si衬底的同一表面上制作连接到激光腔模块的光调制器；d.步骤904描述了制作模式转移模块，所述模块包括：锥形si部分，其用于将激光扩展到更大的束斑；以及通用耦合器，其用于将激光导向垂直放置的或平面内单模光纤；e.步骤905描述了将激光腔模块、光模块和模式转移模块封装成集成的光互连系统；以及f.步骤906描述了通过组装激光器、光互连系统和光纤来完成产品。示例模拟结果
131.已经执行了功能和特性的模拟，并且在下图中描述了结果。
132.图31示出了锥形模式转移装置在不同的锥形纵向轴向长度(w)下的模式转移光斑图像的模拟结果。锥形件具有非线性锥形形状，发明人发现所述非线性锥形形状比线性锥形(直线)模式转移模块更高效。通用耦合器不会改变斑点行为。
133.图32a总结了线性和非线性锥体硅模式转移模块的模式转移损耗和偏振相关损耗(pdl)对锥体长度的模拟结果。上曲线代表线性锥体结果，并且下曲线代表非线性锥体结果。如图中示出的，非线性锥形显著减小了损耗。图32b以更大的比例扩展了非线性锥体结果，以示出损耗的细节。
134.三个模拟的结果证明了硅波导的使用。图33a、图33b和图33c展示了单模光纤(smf)与mt面耦合损耗的模拟结果，其中13μm硅波导具有不同的mt到光纤间隙。图33a示出了水平错位对三个间隙的影响。顶部曲线为20μm间隙，中间曲线为10μm间隙，底部曲线为0μm间隙。图33b示出了竖直错位对三个间隙的影响。顶部曲线为20μm间隙，中间曲线为10μm间隙，底部曲线为0μm间隙。模拟表明，间隙越小，损耗越少。图33c绘制了耦合损耗与mt到光纤间隙的关系图，示出耦合损耗随间隙快速增加。
135.在利用实施方式的各个方面时，鉴于本公开内容，对于本领域技术人员来说容易理解的是，上述实施方式的组合或变化对于制作光耦合结构是可能的。尽管已经用特定于
结构特征和/或方法动作的语言描述了实施方式，但应理解，所附权利要求不一定限于所描述的特定特征或动作。相反，所公开的具体特征和动作应被理解为用于说明的权利要求的实施方式。因此，应理解，本发明不限于所公开的具体实施方式，并且修改和其他实施方式意图包括在所附权利要求的范围内。尽管本文采用了特定的术语，但它们仅用于通常的描述性意义，而不是为了限制的目的。