光學衰減器及其製造方法與流程
2023-06-05 14:18:01
相關申請的交叉引用
本申請要求2015年08月05日提交的申請號為14/818,453、標題為「光學衰減器及其製造方法」的美國非臨時專利申請的優先權和權益，該申請如同其全文再現一般以引用方式結合在本文中。
本公開涉及光子學領域，並且更具體地涉及一種在集成光子電路環境中使用的光學衰減器。
背景技術：
光子電路是包括用於提供太比特範圍中的高速數據傳輸的光學技術的集成裝置。該電路可以包括利用納米級波長的數百個光學部件。光子電路可以在包括電信和數據計算的許多應用中採用。
技術實現要素：
本公開的實施例的目的是提供一種用於減少光子電路中的背向反射的光學衰減器。
根據本公開中描述的實施例，提供一種包括具有縱向軸線的通道的光學衰減器。該通道具有第一部分，該第一部分與第二部分接觸以在其間限定小平面，其中該小平面至少部分地相對於該縱向軸線以非垂直角度定向。
根據本公開中描述的實施例，提供一種用於製造光學衰減器的方法，該方法包括：選擇性地蝕刻半導體晶片以限定通道；以及向該通道的第二部分中植入摻雜劑以在該第二部分與第一部分之間限定小平面，該小平面至少部分地相對於該通道的縱向軸線以非垂直角度定向。
根據本公開中描述的實施例，提供一種光學衰減器，該光學衰減器包括：具有縱向軸線的第一部分；以及第二部分，該第二部分共享該第一部分的縱向軸線、具有不同於該第一部分的光學性質並且在相對於該縱向軸線以非垂直角度定向的小平面處與該第一部分接觸。
附圖說明
根據以下的具體實施方式並結合附圖，本公開的進一步特徵和優點將變得顯而易見，其中：
圖1(a)是根據一實施例的光學衰減器的平面圖。
圖1(b)是圖1(a)中的光學衰減器的透明透視圖。
圖1(c)示出根據一實施例的圖1(a)至圖1(b)中的光學衰減器的操作。
圖1(d)是根據一實施例的模擬圖1(a)至圖1(b)中的光學衰減器對背向反射的潛在減少作為小平面角的函數的曲線圖。
圖2是根據另一實施例的光學衰減器的透明透視圖。
圖3是根據又一實施例的光學衰減器的透明透視圖。
圖4(a)是根據又一實施例的包括兩個小平面的光學衰減器的平面圖。
圖4(b)示出根據一實施例的圖4(a)中的光學衰減器的操作。
圖4(c)示出根據一實施例的替代性光學衰減器。
圖5是根據又一實施例的包括彎曲部和漸縮部(taper)的光學衰減器的平面圖。
圖6是根據又一實施例的包括彎曲段的光學衰減器的平面圖。
圖7是示出根據一實施例的用於製造光學衰減器的方法的流程圖。
將注意的是，在整個附圖中，相同特徵是由相同附圖標記來識別的。
具體實施方式
光子電路利用許多光學部件以跨該電路且在裝置之間發射和接收光學信號。這些電路中要解決的一個問題是由於信號橫越(traverse)各個光學界面而出現的背向反射。背向反射是引入噪聲至通信通道中並且降低信號質量的非期望現象。背向反射還可以源於所接收信號的不良或有缺陷的終止。控制背向反射的挑戰在較大電路中變得越來越重要，因為單獨的噪聲成分可相干地互相作用以產生不可預測的信號減損。因此，期望一種減小光子電路中背向反射的影響的光學衰減器和/或光學終止器。
本公開中討論的實施例涉及一種光學衰減器，該光學衰減器包括第一部分，該第一部分與第二部分接觸以在其間限定至少部分成角度的小平面。第一部分和第二部分可以具有不同的光學性質，例如其中第二部分比第一部分更吸光。此光學性質差別促成了小平面的限定。該第一部分可以包括本徵半導體材料，而該第二部分可以包括摻雜半導體材料。執行半導體材料、摻雜劑濃度、小平面角以及衰減器尺寸的選擇以便提供光波的選擇性衰減以緩解或消除背向反射。
參考圖1(a)至圖1(b)，示出了根據本公開的光學衰減器100的實施例。圖1(a)以俯視圖示出衰減器，而圖1(b)中則示出透視圖。光學衰減器100包括沿著縱向軸線124延伸的通道101，並且包括與第二部分120接觸的第一部分110。小平面122由第一部分110和第二部分120之間的界面限定，並且根據第一部分110和第二部分120的相對設置來定向和塑形。如圖1(a)至圖1(b)的實施例中所示，小平面122基本上平坦並且相對於垂直於縱向軸線124的橫向軸線126以小平面角137沿著線135而定向。光學衰減器100進一步包括鄰近於第一部分110的輸入端102以及鄰近於第二部分120的輸出端104。在一些實施例中，通道101的寬度w約為500nm。
參考圖1(c)示出光學衰減器100的操作。光學信號150引入至輸入端102中並且傳播通過第一部分110。當光學信號150遇到小平面122時，發生部分反射。反射部分將以由小平面122上的信號的入射角(以及第一部分和第二部分的光學特性的相對差別)確定的角度發散。如所示，反射部分155以非相反傳播方向向通道101外側反射(例如，如圖1(c)中所示從通道的側面向外反射)。橫越小平面122的光學信號150的透射部分160隨著其跨第二部分120傳播(例如，由於第二部分120的光學吸收性質)而衰減。另外未被第二部分120吸收的透射部分160的任何部分可以作為餘光165離開輸出端104。本領域技術人員應當理解的是，由於反射的原因，透射部分160進入第二部分120時已經衰減了。
可以選擇第一部分110和第二部分120的光學性質和尺寸以便實現期望的衰減效果。第一部分110和第二部分120的長度還可以配置成提供期望大小的衰減。還可以選擇第一部分110和第二部分120之間的相對光學性質以實現小平面122處期望的光學效果。例如，在一些實施例中，可以選擇第一部分110和第二部分120的性質使得光學衰減器100可以用作光學終止器。
如上文所指示，小平面122產生可以將光學信號150的一部分155向通道101外側反射的界面，而第二部分120至少部分吸收橫越小平面122的光學信號150的透射部分160。小平面122和所產生的反射的存在可歸因於包括第一部分110和第二部分120的材料的不同光學性質。例如，第二部分120可以包括比第一部分110的材料更吸光的材料。另外，可以根據第一部分110和第二部分120的相對設置(例如通過製造工藝)選擇小平面122的定向(下文稱作「小平面角」)以控制反射部分155並且因此控制光學信號150的衰減。圖1(d)中的曲線圖呈現了根據一實施例的光學信號150從小平面122的潛在背向反射作為小平面角137的函數的模擬結果，其中第一部分110包括本徵矽，第二部分120包括摻雜矽，通道101包括220nm乘以500nm波導，且光學信號150包括1550nm波長。
然而，應注意的是，相對於通道的縱向軸線成非垂直角度的小平面122可以具有垂直於光學通道的相對側壁的限定平面，儘管這些側壁以一定角度交匯。這在例如圖1(b)中示出了。可替代地，本公開的實施例可以包括小平面，其限定平面與光學通道的相對側壁成角度。這在例如圖2和圖3中示出了。
雖然圖1(a)至1(b)示出了包括基本上平坦形狀的小平面122，但是在其它實施例(未示出)中，該小平面可以包括至少具有相對於縱向軸線124的非垂直部分的彎曲形狀。例如，該小平面還可以包括具有相對於縱向軸線124的垂直部分的彎曲板(未示出)，其邊緣以非垂直角度與通道101的側壁交匯。
如上文所指示，還可以選擇包括第一部分110和第二部分120的材料以在光學信號150沿著通道101傳播時進一步控制其衰減。對於半導體光子學，可引入摻雜劑至半導體材料中以產生光學結構中的光學損耗。例如，第二部分120可以包括至少部分吸收穿過其傳播的光波的摻雜半導體材料。還可以改變摻雜劑的類型和摻雜劑濃度以進一步控制光學損耗的水平。例如，可以使用1017/cm3至2×1018/cm3範圍中的摻雜劑濃度。第一部分110可以包括製造至半導體基體上並且與第二部分120晶格匹配的本徵半導體材料。
在一個實施例中，第一部分110包括本徵矽材料，第二部分120包括p型硼摻雜矽，且小平面角137由於通道101的製造和退火工藝而約為60度。在另一個實施例中，第一部分110和第二部分120可以包括足以建立小平面122的不同的本徵半導體材料。例如，第一部分110可以包括本徵矽，而第二部分120包括本徵鍺或不均質集成的iii-v族化合物。在其它實施例中，可以相應改變第一部分110、第二部分120的組成以及小平面角137。下表概述了可以包括通道的部分(諸如第一部分110和第二部分120)的潛在半導體材料連同可以根據給定製造工藝植入在第一部分110或第二部分120中的可能摻雜劑。
表1-潛在半導體材料和摻雜劑的列表
圖2和圖3示出了光學衰減器的替代性實施例，其中小平面具有可替代的定向。為了便於清晰闡述，示出具有矩形橫截面的光學通道內的小平面。然而，將明白的是，可以使用其它形狀的光學通道。
參考圖2，示出類似於圖1(a)至圖1(b)的光學衰減器100的光學衰減器200的另一個實施例。在圖2中，小平面222具有垂直於縱向軸線124的一個邊緣223以及相對於縱向軸線124以非垂直角度271定向的另一個相鄰邊緣225。
參考圖3，示出可相當於圖1(a)至圖1(b)的光學衰減器100的光學衰減器300的另一個實施例。在圖3中，小平面322具有相對於縱向軸線124以各自不同的非垂直角度372、373定向的兩個相鄰邊緣323、325。因而，小平面以非垂直角度與通道的全部四個面相交。
參考圖4(a)至圖4(b)，示出光學衰減器400的另一個實施例的平面圖；此實施例類似於圖1(a)至圖1(b)中的衰減器100，但是如下文將描述的，包括第三部分從而包括第二小平面。光學衰減器400包括沿著縱向軸線124延伸的通道401，並且包括與第二部分420接觸的第一部分410以及與第二部分420接觸的第三部分430。第一小平面422和第二小平面424分別由第一部分410和第二部分420之間的界面以及第二部分420和第三部分430之間的界面限定。光學衰減器400進一步包括鄰近於第一部分410的輸入端402以及鄰近於第三部分430的輸出端404。如圖4(a)中所示，第一小平面422和第二小平面424基本上平坦，並且相對於縱向軸線124以非垂直角度定向。然而，在其它實施例(未示出)中，第一小平面422和第二小平面424的形狀和小平面角可以根據第一部分410、第二部分420以及第三部分430的給定製造工藝和選定材料而改變。例如，小平面422、424可以包括相對於縱向軸線124的垂直部分和非垂直部分這二者。另外，這兩個小平面在其它實施例中可以彼此平行或不平行。
參考圖4(b)描述衰減器400的操作。光學信號450引入至輸入端402，該光學信號從輸入端跨第一部分410傳播。當光學信號450遇到第一小平面422，該光學信號的第一反射部分455以非相反傳播方向反射(例如，如圖4(b)中所示，向通道401外側反射)。透射通過第一小平面422的光學信號450的第一透射部分460隨著其朝第二小平面424傳播而被第二部分420部分衰減。當第一透射部分460遇到第二小平面424，發生第二反射。反射部分465以非相反傳播方向反射。第二透射部分470橫越第二小平面424，並且隨著其朝輸出404傳播通過第三部分430而進一步衰減。另外沒有被第三部分430吸收的第二透射部分470的任何部分作為餘光480離開輸出端404。
類似於圖1(a)至圖1(b)中所示的實施例，可以選擇包括第一部分410、第二部分420以及第三部分430的材料以及第一小平面422和第二小平面424的小平面角以實現期望的衰減效果。例如，第一部分410可以包括本徵半導體材料，而第二部分420和第三部分430可以包括摻雜半導體材料，其中第三部分430包括高於第二部分420的摻雜劑濃度。反射部分455和465中反射的功率大小是不同材料的光學特性差別的函數。
在某些實施例中，第二部分420比第一部分410更吸光，且第三部分430比第二部分420更吸光。這造成光學性質沿著通道401更平緩變化，從而可以輔助減少小平面422、424處的背向反射。這進而可以允許小平面角更接近垂直於縱向軸線。
雖然圖4(a)和圖4(b)的實施例中僅示出兩個小平面422、424，但是應當明白的是，在其它實施例(未示出)中，還可以類似方式提供另外的小平面，其中每個小平面位於通道的中間部分之間的界面處。在某些實施例中，隨著中間部分的數量的增加，可以限制或最小化相鄰部分的光學性質之間的差別，且小平面可能並未充分限定。例如，在一個實施例中，通道的光學性質沿著其長度連續改變。例如，摻雜劑濃度可以沿著光學通道長度(例如，以傳播軸線的方向)以基本上連續的方式改變。通道中此連續改變的開始可以成角度以產生小平面，諸如小平面422。第一部分與第二部分之間在該界面處的折射率的差別將造成從通道向外成角度的背向反射。如果通道的光學性質的改變是平緩的，那麼可能沒有進一步的背向反射。
在各個實施例中，輸出端404可以對應於垂直於縱向軸線124的面處的光學通道的終止部。在此情況中，光學通道的終止部可以引起返回通過第三部分430、第二部分420並且進入第一部分410的背向反射。然而，施用至已經顯著衰減的信號的這種背向反射在橫越第三部分和第二部分時經歷進一步衰減以及以相反方向橫越小平面422、424所引起的反射。因而，背向反射可以具有低於設計容差水平的信號強度。另外，在光學通道輸出端處結合諸如漸縮部、彎曲部、漸縮彎曲部或成角度終止部小平面等的特徵可以進一步緩解背向反射的潛在性。圖1的輸出端104可以類似地配置。
圖4(c)示出了光學衰減器的又一實施例，除明確地示出相對於縱向軸線以非垂直角度定向的端部490之外，該光學衰減器可相當於圖4(a)的光學衰減器。在一些實施例中，成角度端部可以進一步用於緩解背向反射。本領域技術人員將理解的是，第一部分和第二部分以及第二部分和第三部分的折射率之間的差別相對於終止之後該第三部分與材料之間的差別將有可能極小。因此，在許多實施例中，反射角將存在差別。可替代地，光學衰減器可以終止於漸縮段、彎曲段或漸縮和彎曲段中。另外，漸縮或彎曲段的端部可以相對於縱向軸線以非垂直角度定向，該縱向軸線通常描述光學通道在緊靠光學通道的端部區域的區域中的方向。
本公開的實施例涉及一種具有多個衰減部分的光學衰減器或光學終止器。每個部分均可使用不同的衰減技術。一些衰減部分可以依賴於例如使用如上所述的摻雜矽的光學吸收。其它衰減部分可以包括光學衰減器的漸縮、光學衰減器的非絕熱彎曲或其組合。例如，本公開的一個實施例可以對應於具有彎曲和漸縮端段的光學衰減器/終止器，該彎曲和漸縮端段配置成衰減光學信號並且可選地允許歸因於該端段的曲率半徑(radiusofcurvature，roc)小於絕熱曲率的信號洩漏。結合漸縮和彎曲端段可以造成與僅漸縮端段相比改進的光學衰減和/或背向反射性質。在一個實施例中，由於側壁相對於通道的縱向軸線以非垂直角度定向，端段的曲率可以部分減少背向反射。
參考圖5，示出光學衰減器500的另一個實施例。光學衰減器500具有第一段，該第一段可為分別如圖1(a)至圖1(b)、圖2、圖3和圖4(a)至圖4(b)中示出的衰減器100、200、300或400的任何組合。第一段後面是具有漸縮部512和彎曲部514這二者的第二段510。漸縮部512提供適用於無源分裂晶片的另外衰減，而彎曲部514提供改進的無源分裂性能。因此，衰減器500可以適用於用作終止波導。漸縮部512在一些實施例中可以是微米漸縮部或納米漸縮部。漸縮部512可以將光改向至鄰近於光學衰減器500的包層(未示出)中。漸縮部512可以對應於其中光學通道寬度單調地(例如，線性地)降低的區域。
雖然圖5示出重疊的彎曲部514和漸縮部512(即，彎曲部514也是漸縮的)，但是在其它實施例中，它們可以不重疊。在其中衰減器500包括圖1(a)至圖1(b)的衰減器100的實施例中，第二部分120可以具有相對高於第一部分110的吸光性質，第一部分110和第二部分120由成角度小平面122分開。在其中衰減器500包括圖4(a)至圖4(b)的衰減器400的實施例中，第三部分430可以具有相對高於第二部分420的吸光性質，且第二部分420可以具有相對高於第一部分410的吸光性質，其中第一部分410和段部420由小平面422分開，且第二部分420和第三部分430由小平面424分開。
在另外的實施例中，彎曲部514可以是非絕熱彎曲部。因此彎曲部514可以具有使得餘光從彎曲部514的區域中逸出以供鄰近於光學衰減器500的包層(未示出)吸收的足夠緊(tight)的曲率半徑。在一個實施例中，曲率半徑約為2微米。在另一個實施例中，尾段(即，圖1(a)中的第二部分120或圖4(a)中的第三部分430)包括85μm長度的摻雜部分、後面接著10μm漸縮段，例如，其端部處結合2μm曲率半徑的彎曲部。
參考圖6，示出類似於圖5中的衰減器500但進一步在漸縮部612和彎曲部614之前包括彎曲段610的光學衰減器600的另一個實施例；另外的彎曲段610示為絕熱彎曲部，並且減小衰減器600的總長。彎曲段610例如可以跨越5μm寬度。在其它實施例(未示出)中，可以採用不同數量以及二維或三維定向的彎曲段、漸縮部和絕熱彎曲部。光學衰減器100、200、300、400和500中可以提供多個彎曲部以例如給定平坦或非平坦的彎折形狀。這樣的彎曲可以例如促進光學衰減器100、200、300、400、500配合至有限空間中。下表概述與具有以下具體特徵的各種本徵矽波導相比可以由圖1(a)至圖1(b)中所示的衰減器100實現的背向反射的潛在衰減。這些值是使用三維有限差分時域方法通過光學通道的模擬而獲得的。
表2-衰減器/終止器配置的列表
參考圖7，示出用於製造光學衰減器(諸如圖1(a)至圖1(b)中所示的光學衰減器100)的方法700，其中第一部分110和第二部分120包括半導體材料，且第二部分120進一步包括植入的摻雜劑。
在步驟710處，獲得具有期望的衰減器層輪廓(profile)的半導體晶片。例如，半導體晶片可以是包括矽基體、後面接著氧化矽層(或「隱埋的氧化物」)以及頂部上的薄矽層(例如，220nm)的商用soi晶片。氧化矽層可以具有兩微米厚度，其厚於通常用於電子器件的氧化矽層。
在步驟720處，選擇性地蝕刻半導體晶片以形成通道101。可以確定合適的圖案以形成期望的通道配置/尺寸。接著可以相應地施用光致抗蝕劑、暴露至uv光，然後將其洗滌以暴露選定部分用於蝕刻。接著完全蝕刻、部分蝕刻或由完全/部分蝕刻步驟的組合蝕刻晶片的頂層(例如，矽)以在半導體基體上限定通道101。給定的光刻工藝確定每個蝕刻步驟的圖案。
在步驟730處，在通道101的第二部分120上執行摻雜劑植入。確定合適的掩模圖案以覆蓋第一部分110並且暴露第二部分120用於摻雜。摻雜劑植入可以包括多個步驟，其中掩模工藝確定植入的輪廓和圖案。因此，將第一部分和第二部分分開的小平面對應於半導體的摻雜輪廓，並且可以至少部分地相對於縱向軸線以非垂直角度而定向。
在另外的實施例(未示出)中，方法700可以包括進一步步驟。例如，在摻雜劑植入之後，可在通道的頂部上進行鍺的選擇性生長以製造光電二極體。鍺也可以繼掩模工藝之後生長並且植入摻雜劑以產生電接觸件。另外，接著可以進行氧化物層沉積步驟以向衰減器提供氧化物的上包層以及金屬接觸件。這些可以包括蝕刻、化學機械平坦化(chemical-mechanicalplanarization，cmp)以及金屬沉積的至少一個步驟。
在諸如圖2至3中的光學衰減器200、300的一些實施例中，方法700可以進一步包括在摻雜劑植入之前將通道(或半導體晶片)定向，使得小平面222、322可以具有對應配置。例如，當經由垂直轟擊執行摻雜劑植入時，該通道可以適當地用掩模掩蔽以覆蓋第一部分並且暴露第二部分，且可以將該通道以對應於期望的小平面定向的三維定向插入至植入設備中。即，放置該通道使得小平面基本上平行於摻雜劑轟擊的方向。在一些實施例中，可以調整摻雜劑源並且因此調整轟擊方向，而非將通道放置在植入設備腔室內的非正交位置中以便使得能夠提供諸如圖2和圖3中的小平面。
在諸如圖4(a)中的光學衰減器400的一些實施例中，方法700可以進一步包括另外的掩模和摻雜劑植入步驟以對第三部分430提供更高的摻雜劑濃度。例如，可以執行另外的掩模步驟以覆蓋第一部分410和第二部分420並且暴露第三部分430。接著可以將第三部分430暴露於另外的摻雜劑植入以造成與第一部分410和第二部分420相比具有更高的摻雜劑濃度。
在某些實施例中，光學衰減器100、200、300、400、500可以與光學電路的其它部分共同製造。包括光學衰減器的光學電路可以形成在共同的晶片上，且可以在對應的幾批次晶片上將幾批次數個這樣的光學電路製造在一起。獲自該批次的光學電路的樣本可以在施用至該批次的摻雜程序之前進行測試。預摻雜晶片可以稱為無源分裂結構。無源分裂結構可以指代部分製成的晶片，其僅包括獲自蝕刻矽層的無源光學部件(諸如波導、耦接器和跨接器)。
為了促進無源分裂結構的測試，光學衰減器可以包括漸縮部和非絕熱彎曲部。這些特徵可以在缺少摻雜劑的情況下提供光學終止能力，使得可以適當地測試無源分裂結構的光學部件。雖然在摻雜之前這樣的光學衰減器可展現出相對較低水平的衰減，但是未摻雜衰減器可能足以用來抑制寄生信號幹擾為了測試無源分裂結構的目的而獲得的測量。
例如，光學衰減器可以包括圖5中的漸縮部512和/或非絕熱彎曲部514，並且可以因此用於在摻雜光學通道的部分之前至少部分衰減或終止光學信號。一旦對例如衰減器100、400的第二部分120、420進行摻雜，可以執行進一步測試以確認光學電路和/或光學衰減器的足夠性能。因此，本公開的實施例可以涉及一種光學衰減器或光學終止器，其在未摻雜配置中時提供第一衰減量且在摻雜配置中時提供更高的第二衰減量。
本公開的實施例可以用於終止光學部件的輸入或輸出。例如，如本文所述的光學終止器可以耦合至2×2光學交換單元的輸入或輸出以將該單元變換為1×2或2×1交換單元。
雖然已經參考本公開的具體特徵和實施例強調了本公開，但是顯而易見的是，在不脫離由所附權利要求書限定的本公開的範圍的情況下可做出各種修改和組合。相應地，權利要求的範圍不應受實例中闡述的具體實施例限制，而應被給定符合整個說明書的最廣泛解釋。