包括具有可调谐折射率的材料的边缘耦合器的制作方法

1.本发明涉及光子芯片，尤其涉及包括边缘耦合器的结构以及制造包括边缘耦合器的结构的方法。


背景技术：

2.光子芯片用于许多应用及系统中，这些系统包括数据通信系统及数据计算系统。光子芯片将光学组件(例如波导、光学开关、边缘耦合器、以及偏振片)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集成两种类型的组件来减小。
3.边缘耦合器通常用于在光纤与光子芯片上的光学组件之间耦合激光。该边缘耦合器可包括一段狭窄的波导芯，其模式尺寸显着小于该光纤所发射的激光束。尽管光纤可以不同的模式尺寸制造，但传统的边缘耦合器具有固定的模式尺寸，其限制了兼容性。由于不匹配的模式尺寸，以及模式形状的差异，可能发生光纤与边缘耦合器之间的光耦合效率低下。此外，引起封装误差的制造瑕疵可导致光纤与边缘耦合器之间的未对齐。这些效率低下等问题可导致严重的耦合损失。遗憾的是，传统的边缘耦合器是不可调谐的，从而无法顾及具有不同模式尺寸的光纤或减轻制造及封装误差的负面影响。
4.需要改进的包括边缘耦合器的结构以及制造包括边缘耦合器的结构的方法。


技术实现要素：

5.在本发明的一个实施例中，一种结构包括边缘耦合器，该边缘耦合器具有波导芯，该波导芯具有邻近衬底的边缘终止的端部表面。该波导芯由一种材料组成，该材料具有第一状态以及第二状态，该第一状态具有响应施加刺激的第一折射率，该第二状态具有不同于该第一折射率的第二折射率。
6.在本发明的一个实施例中，一种方法包括形成边缘耦合器，该边缘耦合器包括波导芯，该波导芯具有邻近衬底的边缘终止的端部表面。该波导芯由一种材料组成，该材料具有第一状态以及第二状态，该第一状态具有响应施加刺激的第一折射率，该第二状态具有不同于该第一折射率的第二折射率。
附图说明
7.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。
8.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俯视图。
9.图2显示大体沿图1中的线2-2所作的该结构的剖视图。
10.图3显示处于图2之后的制造阶段的该结构的剖视图。
11.图4显示依据本发明的替代实施例的结构的俯视图。
12.图5显示依据本发明的替代实施例的结构的剖视图。
13.图6显示依据本发明的替代实施例的结构的剖视图。
14.图7显示依据本发明的替代实施例的结构的俯视图。
15.图8显示依据本发明的替代实施例的结构的俯视图。
具体实施方式
16.请参照图1、图2并依据本发明的实施例，边缘耦合器的结构10包括波导芯12，其具有锥形区段14，邻近光纤20设置的端部表面16，以及与锥形区段14毗邻并连接的非锥形区段18。波导芯12的非锥形区段18可为紧邻锥形区段14的直线区段。波导芯12可沿纵轴17纵向延伸并对齐。在该代表性实施例中，端部表面16终止锥形区段14。
17.可从光纤20向波导芯12的端部表面16引导激光。该激光可具有给定的波长、强度、模式形状，以及模式尺寸。光纤20与波导芯12的端部表面16之间的间隙或空隙可由空气填充，或者，替代地，可由折射率匹配材料(index-matching material)填充，或者可包括透镜。端部表面16提供与光纤20对接的具有给定剖面面积的表面(该光纤可具有较大的剖面面积)，并参与接收自光纤20发射的激光。
18.锥形区段14可沿平行于纵轴17的长度方向从端部表面16延伸至位于向非锥形区段18的过渡的相对端部。锥形区段14的长度被测量为沿纵轴17从端部表面16至锥形区段14与非锥形区段18之间的该过渡的距离。波导芯12包括顶部表面11以及相对的侧壁或侧表面22、24，它们沿锥形区段14的长度随着与端部表面16的距离增加而散开，以定义沿光传播方向的倒锥(inverse taper)。在波导芯12的侧表面22、24之间的间隔在邻近锥形区段14的该过渡的非锥形区段18中可为恒定。在该代表性实施例中，利用由锥角(θ)表征的倒锥来锥形化锥形区段14。在替代实施例中，可利用由具有不同锥角的多个阶段表征的倒锥来锥形化锥形区段14。
19.波导芯12的锥形区段14的宽度尺寸在端部表面16处可等于最小宽度w1，且在向非锥形区段18的该过渡处可等于最大宽度w2。在一个实施例中，锥形区段14的宽度尺寸可沿其长度基于线性函数在宽度w1与宽度w2之间变化。在一个替代实施例中，锥形区段14的宽度尺寸可沿其长度基于非线性函数(例如二次、抛物线或指数函数)在宽度w1与宽度w2之间变化。
20.波导芯12可设置于介电层26上方，该介电层可由二氧化硅组成。在一个实施例中，介电层26可设于绝缘体上硅(soi)衬底的埋置氧化物层27上，该soi衬底还包括由单晶半导体材料(例如单晶硅)组成的衬底28。衬底28具有边缘29，且波导芯12的端部表面16邻近边缘29终止。在一个实施例中，衬底28可包括位于衬底28的边缘29处的凹槽30，该凹槽延伸于介电层26及埋置氧化层27下方，作为紧邻波导芯12的端部表面16的底切(under-cut)。光纤20的尖端可至少部分通过邻近波导芯12的端部表面16的凹槽30的下部插入并支撑。或者，可省略凹槽30。
21.波导芯12可由具有可通过施加刺激的施加而调谐(也就是，改变或变化)的折射率的活性材料组成。在一个实施例中，波导芯12可由以在离散状态之间可逆地变化的折射率表征的材料组成，该些离散状态由在存在及不存在该施加刺激的情况下显着不同的折射率表征。例如，可自光源33(例如外部激光器)提供泵浦光(pump light)31作为该施加刺激。在
一个实施例中，该活性材料的折射率可呈现多种离散状态，其中，实部与虚部显着不同。例如，该活性材料的折射率在一种状态下相较另一种状态可具有较高的实部及较低的虚部。在一个实施例中，当提供泵浦光31时，该活性材料的折射率可由较低的实部及较高的虚部表征。
22.在一个实施例中，波导芯12可由氧化铟锡组成，在不存在该施加刺激的情况下，其折射率的实部及虚部可分别等于约2及约0，且在提供该施加刺激的情况下，其折射率的实部及虚部可分别等于约1及约0.3。在一个替代实施例中，波导芯12可由聚合物组成。
23.请参照图3，其中，类似的附图标记表示图1、图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32。介电层32可由介电材料例如二氧化硅组成，通过化学气相沉积来沉积并通过例如化学机械抛光平坦化，以移除形貌。在其顶部表面11下方，波导芯12由介电层32的介电材料围绕。
24.可在波导芯12及介电层32上方形成介电层34。在一个实施例中，介电层34可由二氧化硅组成。在介电层34上方形成后端工艺堆叠36。后端工艺堆叠36包括可由介电材料例如二氧化硅组成的一个或多个层间介电层。
25.在本文中所述的结构10的任意实施例中，结构10可被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前端工艺(front-end-of-line；feol)处理制造的场效应晶体管。
26.在使用期间，来自光纤20的激光可在端部表面16处及其附近进入结构10。通过向邻近端部表面16的波导芯12中所包含的活性材料选择性地施加泵浦光31作为施加刺激，可将结构10切换至给定的条件或状态。在不施加泵浦光31的状态下，可将结构10调谐为与光纤20输出的激光匹配的模式。在施加泵浦光31的状态下，可将结构10调谐为与不同的光纤20输出的激光匹配的模式。结构10的可调谐性可使从不同的光纤20至结构10的光传输优化，以匹配不同的光纤模式。例如，在不存在泵浦光31的情况下，结构10可经优化以与较大的光纤模式光耦合，或者，当施加泵浦光31时，结构10可经优化以与小光纤模式光耦合。
27.结构10提供用于与光纤20进行有效对接端光耦合的单片集成(monolithically-integrated)的边缘耦合器。结构10可提升与光纤20输出的激光的模式匹配(也就是，模式形状及/或模式尺寸的匹配)，以增强光耦合的效率。结构10的可调谐性可使从光纤20至结构10的光传输优化，以匹配不同的光纤模式。
28.请参照图4，其中，类似的附图标记表示图1中类似的特征，且依据本发明的替代实施例，波导芯12的锥形区段14可被划分成多个片段38，它们沿纵轴17以给定的节距横向间隔并由间隙隔开。可在锥形区段14与非锥形区段18之间添加锥形区段37，其包括由间隙隔开的片段41以及与片段41叠置的锥部39。可在形成波导芯12的光刻及蚀刻期间定义片段38、锥部39，以及片段41。片段38沿横向于纵轴17的方向具有个别的宽度尺寸，以提供锥形区段14的锥形化。在一个实施例中，锥形区段14中的片段38的宽度尺寸可随着与端部表面16的距离增加而增加。在一个实施例中，锥形区段14中的片段38的宽度尺寸可基于线性函数变化。在一个实施例中，锥形区段14中的片段38的宽度尺寸可基于非线性函数变化，例如二次、抛物线或指数函数，以使该锥形化为非线性的。在一个实施例中，锥形区段14中的片段38的宽度尺寸可沿其长度的部分基于线性函数变化，且沿其长度的部分基于非线性函数变化。
29.波导芯12的片段38及片段41可由不同于块体光学属性的光学属性(例如折射率)表征，通常被称为超材料。在一个实施例中，片段38的节距可小于由结构10自光纤20接收的激光的波长。
30.在该代表性实施例中，片段38及片段41沿垂直于顶部表面11的方向具有矩形或基本为矩形的几何形状。在替代实施例中，片段38及片段41沿垂直于顶部表面11的方向可具有非矩形的几何形状，例如椭圆的几何形状。在替代实施例中，片段38及片段41沿垂直于顶部表面11的方向可具有不同的矩形几何形状，例如梯形的几何形状。在该代表性实施例中，片段38及片段41具有沿纵轴17的方向均匀的恒定节距及占空比。在替代实施例中，片段38及片段41的节距及/或占空比可为变迹的(也就是，不均匀的)。
31.请参照图5，其中，类似的附图标记表示图3中类似的特征，且依据本发明的替代实施例，结构10可经改变以包括电极40及电极42，可向其施加偏置电位作为该施加刺激，以调谐波导芯12的活性材料的折射率。在一个实施例中，波导芯12的锥形区段14可位于电极40与电极42之间。在一个实施例中，电极42可部分位于波导芯12的顶部表面11上，且电极40可部分位于波导芯12的底部表面与介电层26之间。电极40、42可由透明的氧化物材料例如氧化铟锡、氧化锌或氧化铟锌组成，其为导电体。
32.在介电层34中形成接触件44，以连接电极40与导线48，且在介电层32、34中形成接触件46，以连接电极42与导线50。导线48、50与电源51耦合，该电源经配置以施加及移除用以调谐波导芯12的活性材料的折射率的偏置电压。通过这些连接，可自导线48、50施加可切换的偏置电压，以使电极40、42通电，并产生电场，从而可导致至少波导芯12的锥形区段14中所包含的活性材料的折射率变化，并可移除该偏置电压，以使电极40、42断电，并反转该折射率变化。在一个实施例中，该偏置电压改变波导芯12的锥形区段14中所包含的活性材料的折射率。接触件44、46及导线48、50相对于结构10定位，以不干扰其操作。
33.请参照图6，其中，类似的附图标记表示图3中类似的特征，且依据本发明的替代实施例，可在邻近波导芯12的介电层34中形成薄膜电阻器60、61。薄膜电阻器60、61可分别通过接触件44、46与导线48、50连接。薄膜电阻器60、61提供电阻加热器，其响应具有焦耳加热的施加电流。薄膜电阻器60、61可由材料例如镍-铬、氮化钽或氮化钛组成，其由足以提供所需的焦耳加热的电阻表征。来自薄膜电阻器60、61的热可被用作施加刺激，以改变活性层14的温度，并提供对结构10内的光调制有效的不同折射率。在一个实施例中，薄膜电阻器60及薄膜电阻器61可相对于波导芯12对称设置。
34.波导芯12的活性材料可由温度依赖折射率表征。在一个实施例中，波导芯12可由相变材料组成，其折射率在由显着不同的折射率表征的离散状态之间响应温度变化而可逆地变化。该相变材料的状态变化可通过大约(也就是，高于及低于)转变温度的微小温度变化而加速。在一个实施例中，在温度升高至该转变温度以上后，该相变材料的相可在冷却期间变为非晶相或晶相，其由不同的折射率表征，取决于冷却速率。在一个实施例中，该相变材料的非晶相可通过快速冷却形成，而该相变材料的晶相可通过缓慢冷却形成。在一个实施例中，波导芯12可由氧化钒组成。在一个实施例中，波导芯12可由锗-锑-碲组成。
35.可将波导芯12的部分的折射率调谐为该相变材料的温度的函数。为此，可自电源51施加电流，以使薄膜电阻器60、61通电，从而通过焦耳加热产生热。自薄膜电阻器60、61传递至波导芯12的热至少使波导芯12的锥形区段14中的相变材料的温度升高。为降低或中断
热能传递的速率(也就是，热通量)，可使薄膜电阻器60、61断电，以允许该相变材料冷却。在一个实施例中，该加热可将该相变材料的温度升高至其转变温度以上，且不同的冷却速率可提供不同的折射率的状态。
36.请参照图7，其中，类似的附图标记表示图1中类似的特征，且依据本发明的替代实施例，波导芯12可包括锥部64，该锥部沿纵轴17设于与端部表面16相对的波导芯12的一端。波导芯12可由位于锥部64的尖端处的端部表面65终止。波导芯12的锥部64定位成与结构10的光耦合区中的波导芯68的锥部66相邻。在一个实施例中，锥部64可以部分与锥部66重叠布置的方式设置。波导芯68的锥部66可沿波导芯12的纵轴17相对于波导芯12的锥部64设置。在一个实施例中，波导芯68可由不可调谐材料例如硅或氮化硅组成。在一个实施例中，在图案化波导芯12之前，可通过光刻及蚀刻工艺自该不可调谐材料的层图案化波导芯68。由结构10自光纤20(图1)接收的光通过垂直光耦合从包括锥部64的波导芯12的部分传输至包括锥部66的波导芯68的部分。
37.请参照图8，其中，类似的附图标记表示图1中类似的特征，且依据本发明的替代实施例，波导芯12的部分可定位成与结构10的光耦合区域中的波导芯68的部分相邻。波导芯68的该相邻部分可沿与波导芯12的纵轴17平行的纵轴69对齐。由结构10自光纤20(图1)接收的光通过横向光耦合从波导芯12的该相邻部分传输至波导芯68。波导芯12还可包括弯曲部70，其增加波导芯12与波导芯68之间的间距，以消除波导芯12、68之间的光耦合。
38.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计算机产品或智能手机。
39.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％。
40.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水平的方向。术语“横向”是指在该水平平面内的方向。
41.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”。
42.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。