用于光学组件的超材料层制造技术

本发明专利技术涉及用于光学组件的超材料层，提供包括光学组件例如边缘耦合器的结构以及制造此类结构的方法。该结构包括衬底、位于该衬底上方的波导芯、以及在该波导芯与该衬底间沿垂直方向设置的超材料层。该超材料层包括由一组间隙隔开的一组元件以及位于该组间隙中的介电材料。电材料。电材料。

【技术实现步骤摘要】
用于光学组件的超材料层


[0001]本揭示涉及光子芯片，尤其涉及包括光学组件例如边缘耦合器(edge coupler)的结构以及制造此类结构的方法。

技术介绍

[0002]光子芯片用于许多应用及系统中，包括但不限于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。
[0003]边缘耦合器(也称为光斑尺寸转换器(spot
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size converter))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光学组件。该边缘耦合器可包括波导芯的一段，其定义具有顶端的倒锥(inverse taper)。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该光学组件。
[0004]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显著小于模式尺寸。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。
[0005]传统的边缘耦合器可能易受至衬底的泄漏损失的影响。当将来自单模光纤的横磁模式的光耦合至氮化硅波导芯时，该泄漏损失可能尤其高。用于减轻至衬底的泄漏损失的一种方法是移除位于边缘耦合器下方的衬底的部分，以定义底切(undercut)。
[0006]需要改进的包括光学组件(例如边缘耦合器)的结构以及制造此类结构的方法。

技术实现思路

[0007]在本专利技术的一个实施例中，一种结构包括衬底、位于该衬底上方的波导芯、以及在该波导芯与该衬底之间沿垂直方向设置的超材料层。该超材料层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。
[0008]在本专利技术的一个实施例中，一种方法包括在衬底上方形成波导芯，以及形成在该波导芯与该衬底之间沿垂直方向设置的超材料层。该超材料层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。
附图说明
[0009]包含于并构成本说明书的一部分的附图示例说明本专利技术的各种实施例，并与上面所作的有关本专利技术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专利技术的该些实施例。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。
[0010]图1显示依据本专利技术的实施例处于处理方法的初始制造阶段的结构的顶视图。
[0011]图2显示大体沿图1中的线2
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2所作的该结构的剖视图。
[0012]图3显示处于图1之后的该处理方法的制造阶段的结构的顶视图。
[0013]图4显示大体沿图3中的线4
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4所作的该结构的剖视图。
[0014]图5显示处于图3之后的该处理方法的制造阶段的结构的顶视图。
[0015]图6显示大体沿图5中的线6
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6所作的该结构的剖视图。
[0016]图7显示处于图5之后的该处理方法的制造阶段的结构的顶视图。
[0017]图8显示大体沿图7中的线8
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8所作的该结构的剖视图。
[0018]图9显示依据本专利技术的替代实施例的结构的剖视图。
[0019]图10显示依据本专利技术的替代实施例的结构的顶视图。
[0020]图11显示依据本专利技术的替代实施例的结构的顶视图。
[0021]图12显示依据本专利技术的替代实施例的结构的剖视图。
具体实施方式
[0022]请参照图1、2并依据本专利技术的实施例，边缘耦合器的结构10包括并列(也就是，并排)布置的多个元件12。元件12可在介电层14及衬底16上方呈一维阵列设置。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，为形成元件12，可利用光刻及蚀刻工艺图案化绝缘体上硅衬底的单晶硅装置层，且在图案化元件12时，介电层14可充当蚀刻停止层。
[0023]元件12由细长的脊(也就是，条带)构成，且间隙13可将相邻元件12隔开，以定义栅状结构。元件12可沿相应的纵轴11排列。在一个实施例中，元件12可具有平行的排列。在该代表性实施例中，元件12实施为彼此断开的细长脊。在一个实施例中，元件12的间距及占空比(duty cycle)可为均匀的，以定义周期性并列布置。在替代实施例中，元件12的间距及/或占空比可切趾(apodized)(也就是，非均匀)，以定义非周期并列布置。在一个实施例中，各元件12沿平行于纵轴11的方向可具有矩形或方形剖面形状。在一个实施例中，元件12可具有相等或基本相等的长度。
[0024]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可由介电材料例如二氧化硅组成。因为介电层18厚于元件12的高度，故元件12嵌埋于介电层18中。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的介电材料与构成该些元件的材料相比可具有较低的折射率。
[0025]介电层18的介电材料位于相邻成对的元件12之间的间隙13中。元件12以及位于间隙13中的介电层18的介电材料可定义超材料层。可将包括元件12以及位于间隙13中的介电层18的介电材料的该超材料层视为有效的均匀材料，其有效折射率介于构成元件12的材料的折射率与填充元件12之间的空间的介电材料的折射率之间。在一个实施例中，该超材料层可沿横向于元件12的纵轴11的方向延伸超出给定宽度W。在替代实施例中，该超材料层可形成于多个层级中，且在各层级中针对元件12由不同的材料形成。
[0026]边缘耦合器可形成于介电层18上，设置于元件12上方。该边缘耦合器可包括波导芯20，其具有倒锥22、倒锥24、通过倒锥24而与倒锥22连接的段26，以及定义终止倒锥22的
端面28的端部表面。倒锥22的宽度随着与端面28的距离增加而增加。倒锥是指由沿模式传播方向(mode propagation direction)宽度逐渐增加所表征的波导芯的锥形段。波导芯20的段26可与其它光学组件连接。
[0027]波导芯20可由介电材料例如氮化硅组成。在一个实施例中，波导芯20可通过化学气相沉积沉积其构成材料层并通过光刻及蚀刻工艺图案化该沉积层来形成，且在图案化波导芯20时，介电层18可充当蚀刻停止层。
[0028]波导芯20可沿纵轴30排列，且波导芯20可具有相对的侧壁19、21，其会聚于终止倒锥22的端面28本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种结构，其特征在于，包括：衬底；波导芯，位于该衬底上方；以及超材料层，在该波导芯与该衬底间沿垂直方向设置，该超材料层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。2.如权利要求1所述的结构，其特征在于，还包括：光源，经配置以向该波导芯提供光，其中，该超材料层经配置以将该光反射离开该衬底。3.如权利要求2所述的结构，其特征在于，该波导芯由端部表面终止，且该光源经配置以沿与该端部表面对齐的模式传播方向提供该光。4.如权利要求1所述的结构，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。5.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该波导芯包括第一材料，且该多个元件包括第二材料。6.如权利要求5所述的结构，其特征在于，该第一材料为硅，且该第二材料为氮化硅。7.如权利要求5所述的结构，其特征在于，该第一材料为硅，且该第二材料为氮化硅碳或氢化氮化硅碳。8.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该波导芯具有第一纵轴，各该多个元件具有第二纵轴，且该第二纵轴平行于该第一纵轴排列。9.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该波导芯具有第一纵轴，各该多个元件具有第二纵轴，且该第二纵轴与该第一纵轴成一角度排列。10.如权利要求1所述的结构，其特征在于，该波导芯具有第一纵轴，各该多个元件具有第二纵轴，且该第二纵轴垂直于该第一纵轴排列。11.如权利要求1所述的结构，其特征在于，各该多个元件包括第一纵轴...

【专利技术属性】
技术研发人员：卞宇生，
申请(专利权)人：格芯美国集成电路科技有限公司，
类型：发明
国别省市：