集成亞波長光柵元件的製作方法

2023-05-12 05:06:21

集成亞波長光柵元件的製作方法
【專利摘要】一種集成亞波長光柵元件包括：形成在光電子基板層上方的透明層以及形成在被布置於該透明層上的光柵層中的亞波長光柵元件。該亞波長光柵元件與該光電子基板層內的光電子組件的有效區對準地形成。該亞波長光柵元件影響穿過所述光柵元件與所述有效區之間的光。還提供一種用於形成集成亞波長光柵元件的方法。
【專利說明】集成亞波長光柵元件
【背景技術】
[0001]光學引擎常常用來以高速率傳送電子數據。光學引擎包括硬體，該硬體用於將電信號傳送至光信號、發送此光信號、接收該光信號以及將此光信號轉換回電信號。當該電信號用於調製諸如雷射器的光源器件時，該電信號被轉換成光信號。然後，來自該源的光被率禹合到諸如光纖的光傳輸介質內。在經過各種光傳輸媒介穿越光網絡併到達其目的地之後，該光被耦合到諸如檢測器的接收器件內。然後，檢測器基於所接收的光信號產生電信號，以供數字處理電路使用。
[0002]利用光學引擎的電路通常被稱為光子電路。組成光子電路的各種元件可以包括光波導、光放大器、雷射器和檢測器。在光子電路中使用的一個常見元件是垂直腔面發射雷射器(VCSEL)。典型地，多個VCSEL形成單個晶片，並且用作光傳輸電路的光源。典型地，利用透鏡系統將VCSEL發射的光聚焦到光傳輸介質內。此外，諸如光電檢測器之類的光檢測器件經常形成在該晶片內。還利用透鏡系統將光引向那些光檢測器件。然而，製造和對準這樣的透鏡系統是成本高且耗時的複雜過程。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0003]附圖圖示了本文描述的原理的各個示例，並且是本說明書的一部分。這些圖僅僅是示例，並不限制權利要求的範圍。
[0004]圖1是示出根據本文描述的原理的一個示例的說明性光學系統的圖。
[0005]圖2A和圖2B是示出根據本文描述的原理的一個示例的集成亞波長光柵元件的形成的剖視圖。
[0006]圖3是示出根據本文描述的原理的一個示例的說明性亞波長光柵元件的圖。
[0007]圖4是示出根據本文描述的原理的一個示例的、用於對光進行準直的說明性集成亞波長光柵元件的剖視圖。
[0008]圖5是示出根據本文描述的原理的一個示例的、用於以一角度對光進行準直的說明性集成亞波長光柵元件的剖視圖。
[0009]圖6是示出根據本文描述的原理的一個示例的、用於將入射束分離成沿兩個確切方向投射的兩個準直光束的說明性集成亞波長光柵元件的剖視圖。
[0010]圖7是示出根據本文描述的原理的一個示例的說明性堆疊集成亞波長光柵元件的圖。
[0011]圖8是示出根據本文描述的原理的一個示例的、具有用於多個光電子組件的多個亞波長光柵的說明性集成電路晶片的圖。
[0012]圖9是示出根據本文描述的原理的一個示例的、用於形成集成亞波長光柵元件的說明性方法的流程圖。
[0013]在附圖中，相同的附圖標記代表相似但不一定相同的兀件。
【具體實施方式】[0014]如上面提到的，諸如VCSEL和光電檢測器之類的多個光電子組件典型地被形成在單個晶片中，並且用作用於光傳輸電路的光源或接收器。在光電子組件是VCSEL的情況下，則使用透鏡系統將由VCSEL發出的光聚焦到光傳輸介質中。然而，製造和對準這樣的透鏡系統是成本高且耗時的複雜過程。
[0015]鑑於此問題以及其它問題，本說明書公開了用於被集成到其中形成有光電子組件的晶片上的光學元件的方法和系統。光學元件是指影響光的傳播的元件，如光柵元件。根據某些說明性示例，在其上形成有光電子組件的基板上沉積透明層(即，氧化物層)。然後，在該透明層上形成光柵層。然後，可以將亞波長光柵元件形成在該光柵層中的適當位置，使那些亞波長光柵元件與光電子組件的有效區對準。有效區指光電子組件的用於發射或檢測光的那部分。
[0016]亞波長光柵元件是其中光柵之間的間距小於穿過該光柵元件的光的波長的元件。亞波長光柵元件可以被設計為模擬傳統透鏡的行為。具體地，可以根據需要，對光進行準直、聚焦、分離、彎曲和重定向。此外，由於亞波長光柵元件的平面特性，可以堆疊具有附加光柵層的附加透明層，以允許對從VCSEL發出的光進行更多的控制。
[0017]通過使用體現本文描述的原理的方法和系統，光學元件可以直接被製造在其上形成有光電子組件的集成電路晶片上。因此，從諸如VCSEL的光電子組件發出的光可以被聚焦到各種光傳輸介質中，或者可以被配置為進行自由空間傳播，而無需使用複雜的且成本高的透鏡對準步驟。此外，可以在沒有上述成本高的透鏡對準步驟的情況下，將光聚焦到諸如光電檢測器的光電子組件上。
[0018]在以下描述中，為了解釋的目的，許多具體的細節被闡述，以便提供關於本發明的系統和方法的全面理解。然而，對本領域技術人員來說，本發明的設備、系統和方法可以在沒有這些具體細節的情況下實踐，這將是顯而易見的。說明書中對「示例」或類似語言的引用意味著關於該示例描述的特定特徵、結構、或特性正如所描述的那樣包括在內，但是可能不包括在其它示例中。
[0019]現在參照附圖，圖1是示出光學系統(100)的圖。根據某些說明性示例，光學系統
(100)包括光電子組件(102)。光電子組件可以是諸如VCSEL的源器件，或者是諸如光電檢測器的光接收器件。透鏡系統(106)典型地被用於在光電子組件(102)與光傳輸介質(108)之間耦合光(110，112)。
[0020]例如，如果該光電子組件是VCSEL，那麼有效區(104)將光(110)投射到透鏡系統
(106)內。透鏡系統(106)可包括若干個被設計為以預定方式影響光的透鏡。具體地，透鏡系統(106)基於多種因素將光(112)聚焦到光傳輸介質(108)內，多種因素包括系統內透鏡的曲率、透鏡之間的距離以及光電子組件(102)的性質。透鏡系統(106)的使用涉及該透鏡系統在光電子組件(102)與光傳輸介質(108)之間的精確位置。這個精度使製造工藝複雜，從而增加了成本。
[0021]鑑於這一問題，本說明書公開了用於製造光學元件的方法和系統，其中光學元件可以以單片形式直接集成在晶片上。因此，該晶片本身根據晶片的設計用途包括用於聚焦光的光學元件。貫穿本說明書和所附權利要求，術語「亞波長光柵元件」應被理解為其中光柵特徵的尺寸小於穿過該光柵元件的光的波長的光學元件。
[0022]圖2A和圖2B是示出集成光柵元件的形成的剖視圖。圖2A是形成在光電子基板(216)中的VCSEL的剖視圖(200)。光電子基板(216)是其中形成有大量諸如VCSEL或光電檢測器的光電子組件的集成電路晶片的一部分。根據某些說明性示例，形成在光電子基板
(216)中的VCSEL包括形成在η型半導體基底層(202)上的大量η型布拉格反射層(206)。
[0023]然後，在η型布拉格反射層(206)上方形成大量P型布拉格反射層(210)，其中在η型布拉格反射層(206)與P型布拉格反射層(210)之間具有量子阱(208)。ρ型布拉格反射層(210)形成在附加基板層(204)中。當利用一組金屬接觸件(未示出)在P型布拉格反射層(210)與η型布拉格反射層(206)之間施加電流時,光沿與光電子基板(200)垂直的方向從VCSEL的量子阱(208)發出。通過對該電信號進行調製，經調製的光束可以用來通過所發出的光束攜帶信號。
[0024]圖2Β是示出其上形成有亞波長光柵元件的光電子基板(216)的說明性剖視圖
(220)的圖。根據某些說明性示例，透明層(214)直接形成在VCSEL基板上。透明層(210)可以由氧化物材料製成。透明層(214)還可以充當平坦化層。具體地，由於製造工藝的原因，光電子基板(216)的不同區域可位於不同的平面上。例如，光電子基板(216)的形成有VCSEL的位置，與光電子基板(216)的其它區域相比，可位於不同的平面上。
[0025]然後，在透明層(214)上形成光柵層(212)。通過諸如蝕刻的各種製造工藝，在光柵層中形成特定圖案的孔，以便得到亞波長光柵元件。通過非周期性地改變光柵特徵的尺寸和間距，亞波長光柵元件可以被設計為充當透鏡。例如，亞波長光柵元件可以被設計為對從VCSEL中發出的光進行準直。可替代地，亞波長光柵元件可以被配置為對光進行聚焦。除了對光進行準直之外，亞波長光柵元件可以被設計為對從VCSEL中發出的光束進行分離，並且沿具體方向重定向每個子光束。
[0026]圖3是示出亞波長光柵元件(300)的說明性俯視圖的圖。根據某些說明性示例，亞波長光柵元件(300)是形成在光柵層(310)中的二維圖案。光柵層(310)可以由諸如矽或鍺的單元素半導體構成。可替代地，該光柵層可以由諸如II1-V族半導體的化合物半導體構成。羅馬數字III和V表示元素周期表的IIIa和Va列中的元素。
[0027]如以上所描述，光柵層(310)形成在透明層(例如圖2的210)之上。可以選擇光柵層(310)的材料，使其具有比下面的透明層高的折射率。由於光柵層與透明層之間相對大的折射率差，該亞波長光柵兀件可以被稱為聞對比度亞波長光柵兀件。
[0028]可以使用互補金屬氧化物半導體(CMOS)相容的技術將光柵圖案形成在光柵層(310)內，以形成亞波長光柵元件。例如，可以通過使用晶片鍵合或化學或物理氣相沉積在透明層的平坦表面上沉積光柵層(310)，來製造亞波長光柵元件(300)。然後，可以使用光刻技術來去除光柵層(310)的多個部分，以暴露下面的透明層(304)。除去光柵層(310)的多個部分會留下多個光柵特徵(302)。在圖3的示例中，光柵特徵(302)是柱。然而，在一些情況下，光柵特徵可以是槽。
[0029]光柵特徵(302)的中心之間的距離被稱為柵格常數(308)。對柵格常數(308)進行選擇，使得亞波長光柵元件不以不希望的方式散射光。不希望的散射可以通過適當地選擇柵格常數來防止。亞波長光柵還可以是非周期的。也就是說，光柵特徵的參數，如柱的直徑或槽的寬度，可以跨亞波長光柵元件(300)的區域改變。光柵特徵(302)的尺寸(306)和柵格常數(308)的長度小於由VCSEL產生的穿過亞波長光柵元件的光的波長。
[0030]可以對柵格常數(308)和光柵特徵參數進行選擇，使得可以使亞波長光柵元件(300)執行特定功能。例如，亞波長光柵元件(300)可以被設計為以特定方式聚焦光。可替代地，亞波長光柵元件(300)可以被設計成對光進行準直。此外，亞波長光柵元件可以使經準直的光束傾斜特定的角度。在一些情況下，亞波長光柵元件可以分離或彎曲光束。關於亞波長光柵元件的方法的更多細節可以在例如2011年10月27號公布的美國專利公布N0.2011/0261856 中找到。
[0031]圖4是示出用於對光進行準直的說明性集成光柵元件(400)的剖視圖。根據某些說明性示例，從光電子組件(即，VCSEL)的有效區(402)發出的光朝著亞波長光柵元件(412)投射穿過透明層(406)。亞波長光柵元件(412)形成在有效區(402)正上方的光柵層(408)中。當從VCSEL投射的光(404)穿過亞波長光柵元件時，該光變成準直光(410)。然後，準直光(410)如正常那樣傳播穿過自由空間，或者傳播穿過緊靠光柵層(408)放置的任何其它光傳輸介質。
[0032]可替代地，光電子組件可以是源器件。在此情況下，光電檢測器形成在集成電路晶片的表面中。光電檢測器的有效區是用於檢測光並且基於射到該光電檢測器上的光的調製產生交流電信號的材料。在這種情況下，亞波長光柵元件(412)可以被設計為接收準直光，並且使該光經過透明層(406)聚焦到光電檢測器的有效區(402)上。
[0033]圖5是示出用於以一角度對光進行準直的說明性集成亞波長光柵元件(500)的剖視圖。根據某些說明性示例，從光電子組件的有效區(502)發出的光朝著亞波長光柵元件(512)投射穿過透明層(504)。亞波長光柵元件(512)形成在有效區(502)正上方的光柵層(506)中。當從VCSEL投射的光(508)穿過亞波長光柵元件(512)時，其變成準直光(510)。此外，以不同的角度對準直光(510)進行重定向。然後，傾斜的準直光(510)如正常那樣傳播穿過自由空間，或者傳播穿過靠近光柵層(506)放置的任何其它光傳輸介質。
[0034]圖6是示出用於將入射光束分離成沿兩個確切方向投射的兩個準直光束的說明性集成亞波長光柵元件(600)的剖視圖。根據某些說明性示例，從光電子組件(即，VCSEL)的有效區(602)發出的光朝著亞波長光柵元件(612)投射穿過透明層(604)。亞波長光柵元件(612)形成在有效區(602)正上方的光柵層(608)中。當從VCSEL投射的光(608)穿過亞波長光柵元件(612)時，其變成準直光(610)。此外，以多個角度對準直光(610)進行重定向。然後，傾斜的準直光(610)如正常那樣傳播穿過自由空間，或者傳播穿過靠近光柵層(606)放置的任何其它光傳輸介質。
[0035]一個光束(610-1)以第一角度傳播，而另一光束(610-2)以不同的角度傳播。這有效地複製了可通過從有效區(602)發出的光攜帶的光學信號。這些光束中的每一個可以準確地指向目標現場(614)。例如，第一光束(610-2)可以投向第一目標現場(614-1)，而第二光束(610-2)投向第二目標現場(614-2)。目標現場(614)可以是用於對傾斜的準直光(610)進行聚焦或重定向的附加亞波長光柵元件。在一些情況中，準直光束(610)可以被分離成兩個以上的光束。
[0036]圖7是示出說明性堆疊集成光柵元件(700)的圖。根據某些說明性示例，可以堆疊其上形成有附加光柵層的附加透明層。當光穿過每個光柵元件時，其將進一步被調整，以達到最終預定的配置。
[0037]在一個示例中，光(714)從形成在光電子基板中的VCSEL的有效區(702)發出。該光傳播通過第一透明層(704)，到達形成在第一光柵層(710)中的第一亞波長光柵元件(720)。然後,第一亞波長光柵兀件(720)根據該第一亞波長光柵兀件(720)的光柵圖案改變此光。在該示例中，第一亞波長光柵元件(720)的光柵圖案稍微地擴展該光束。
[0038]在穿過第一亞波長光柵兀件(720)之後，光(716)傳播通過形成在第一光柵層(710)之上的第二透明層(706)。該第二透明層(706)實際上充當間隔器。光(716)傳播通過第二透明層(706)，直至其到達形成在第二光柵層(712)中的第二亞波長光柵元件(722)。該第二亞波長光柵元件(722)被設計為對光束進行準直。
[0039]在穿過第二亞波長光柵元件(722)之後，該準直光經過毗鄰第二光柵層(712)放置的第三透明層(708)。在一個示例中，第三透明層(708)是被設計為傳播準直光(718)的光傳輸介質。在一些情況中，第三透明層(708)可以是未被製造在第二光柵層(712)上的可拆卸的一種裝備。相反，第三透明層(708)可以鄰接第二光柵層(712)，以便允許準直光(718)被耦合到第三透明層(708)中。
[0040]可以使用附加透明層和光柵層來形成附加堆疊層。在一個示例中，第一層可以將光束分離成以兩個或更多個確切的角度投射的兩個準直光束。隨後的光柵層可以包括與第一光柵層的這一個亞波長光柵元件對應的兩個亞波長光柵元件。第二層的這兩個亞波長光柵元件中的每一個可以使準直束變直。然後，隨後的光柵層可以包括兩個亞波長光柵元件，以將這些光束中的每一個聚焦到靠近最終光柵層放置的不同光傳輸介質中。
[0041 ] 在本說明書全文中例示的亞波長光柵元件和堆疊配置不旨在是體現本文描述的原理的所有配置的詳盡敘述。可以利用其它各種堆疊組合來執行期望的光學功能。此外，特定晶片可以包括與形成在該晶片中的光電子組件的有效區對準的亞波長光柵元件的陣列。這些亞波長光柵元件中的每一個可以根據設計目的改變。
[0042]圖8是示出具有用於多個光電子組件(802)的多個亞波長光柵元件(808)的說明性集成電路晶片(800)的圖。根據某些說明性示例，光電子組件(802)的陣列形成在光電子基板(804)中。透明層(806)覆蓋光電子組件(802)的陣列。亞波長光柵(808)的陣列形成在透明層(806)上的光柵層中。每個亞波長光柵(808)與光電子組件(802)的有效區對準地形成。此外，每個亞波長光柵元件(808)可以被設計為以不同的方式影響來自其對應的光電子組件(802)的光，以滿足各種設計目的。
[0043]形成具有對應的亞波長光柵元件(808)的光電子組件(802)的陣列，提供了成本較低的、更小型的集成電路。這是因為不使用複雜的透鏡系統。相反，光學元件被直接製造到集成電路晶片上。
[0044]圖9是示出用於形成集成光柵元件的說明性方法的流程圖。根據某些說明性示例，該方法包括:在光電子基板層上形成透明層(框902);在該透明層上形成光柵層(框804);以及在該光柵層中形成與該光電子層內的光電子組件的有效區對準的亞波長光柵元件，該亞波長光柵元件影響從該有效區發出的光(框806)。
[0045]總之，通過使用體現本文描述的原理的方法和系統，光學元件可以直接被製造在其上形成有光電子組件的集成電路晶片上。因此，從光電子組件(如VCSEL)中發出的光可以被聚焦到各種光傳輸介質中，或者被配置為進行自由空間傳播，而無需使用複雜的且成本高的透鏡對準步驟。此外，可以在沒有上述成本高的透鏡對準步驟的情況下，將光聚焦到光電子組件(如光電檢測器)上。
[0046]提供了前面的描述，僅為了說明和描述所描述的原理的示例。該描述不旨在是詳盡的或將這些原理局限於所公開的任何精確形式。鑑於上面的教導，許多修改和變化是可能的。
【權利要求】
1.一種集成亞波長光柵兀件，包括: 透明層，形成在光電子基板層上方； 亞波長光柵元件，形成在被布置於所述透明層上的光柵層中，並與所述光電子基板層內的光電子組件的有效區對準，所述亞波長光柵元件影響穿過所述有效區與所述亞波長光柵元件之間的光。
2.根據權利要求1所述的集成光柵元件，其中所述光柵圖案包括以預定方式影響光的二維非周期性變化的光柵特徵參數。
3.根據權利要求1所述的集成光柵元件，其中所述光柵圖案用於促使所述光柵元件進行以下中的一種:對所述光進行準直，對所述光進行聚焦，對所述光進行分離，對所述光進行彎曲，以及對所述光進行透射。
4.根據權利要求1所述的集成光柵元件，其中所述透明層包括氧化物層。
5.根據權利要求1所述的集成光柵元件，進一步包括: 多個光電子組件，形成在所述光電子基板層中；以及 多個亞波長光柵元件，形成在所述光柵層中，所述多個亞波長光柵元件與所述光電子組件的有效區對準。
6.根據權 利要求1所述的集成光柵元件，進一步包括:毗鄰所述光柵層放置的附加透明間隔層，所述附加透明間隔層包括形成在所述透明間隔層的與毗鄰所述光柵層的一側相對的一側上的第二光柵層，所述第二光柵層包括與所述有效區對準的第二亞波長光柵元件。
7.根據權利要求1所述的集成光柵元件，其中所述光電子元件基板的所述有效區包括以下中的一種:垂直腔面發射雷射器(VCSEL)和光傳感器件。
8.一種用於形成集成亞波長光柵元件的方法，所述方法包括: 在光電子基板層上方形成透明層； 在所述透明層上形成光柵層； 在所述光柵層中形成與所述光電子層的光電子組件的有效區對準的亞波長光柵元件，所述亞波長光柵元件影響穿過所述光柵元件與所述有效區之間的光。
9.根據權利要求8所述的方法，其中所述光柵圖案包括以預定方式影響光的二維平面非周期性變化的光柵特徵參數。
10.根據權利要求8所述的方法，其中所述光柵圖案被配置為進行以下中的一種:對所述光進行準直，對所述光進行聚焦，對所述光進行分離，對所述光進行彎曲，以及對所述光進行透射。
11.根據權利要求8所述的方法，其中所述透明層包括氧化物層。
12.根據權利要求8所述的方法，進一步包括: 在所述光電子基板層中形成多個光電子組件；以及 在所述光柵層中蝕刻多個亞波長光柵兀件，所述多個亞波長光柵兀件與所述多個光電子組件的有效區對準。
13.根據權利要求8所述的方法，進一步包括:毗鄰所述光柵層放置附加透明間隔層，所述附加透明間隔層包括形成在所述透明間隔層的與毗鄰所述光柵層的一側相對的一側上的第二光柵層，所述第二光柵層包括與所述有效區對準的第二亞波長光柵元件。
14.根據權利要求8所述的方法，其中所述光柵層用於影響所述光，使所述光傳播通過光傳輸介質。
15.—種集成電路晶片,包括: 垂直腔面發射雷射器(VCSEL)基板層，包括在其中形成的VCSEL的陣列； 平坦化透明層，形成在所述VCSEL上方；以及 光柵層，包括在其中形成的亞波長光柵元件的陣列，所述亞波長光柵元件與所述VCSEL的陣列的有效區對準， 其中，所述亞波長光柵 元件用於影響從所述有效區發出的光。
【文檔編號】H01S5/183GK103999304SQ201280062622
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2012年1月18日 優先權日:2012年1月18日
【發明者】戴維·A·法塔勒, 雷蒙德·G·博索雷, 馬科斯·菲奧倫蒂諾, 保羅·凱斯勒·羅森伯格, 特雷爾·莫裡斯 申請人:惠普發展公司，有限責任合夥企業