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TWI475269B - 提供一耦合光子結構之方法及裝置 - Google Patents

提供一耦合光子結構之方法及裝置 Download PDF

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TWI475269B
TWI475269B TW102114061A TW102114061A TWI475269B TW I475269 B TWI475269 B TW I475269B TW 102114061 A TW102114061 A TW 102114061A TW 102114061 A TW102114061 A TW 102114061A TW I475269 B TWI475269 B TW I475269B
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Roy Meade
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Micron Technology Inc
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Description

提供一耦合光子結構之方法及裝置
本文中所揭示之實施例一般而言係關於電子器件(例如，半導體器件)之領域，且更特定而言係關於電子-光子器件。
光學傳輸可用作單獨積體電路晶片之間(晶片間連接)及同一晶片上之組件內(晶片內連接)之一通信手段。電子-光子器件(亦稱為光電子器件)係一類能夠提供、控制及/或偵測光之電子器件。電子-光子器件包含電子功能及光子功能兩者。回應於諸如半導體器件之電子器件之更苛刻的通信頻寬、能量消耗及效能標準，電子器件越來越多地與光學電路/電氣電路整合以形成稱作一電子-光子積體電路之一類型之電子-光子器件。
舉例而言，在半導體工業中，光子器件具有各種應用，包含一晶片內、一電腦板之晶片之間及電腦板之間的通信。在經由光學互連件之晶片對晶片通信中，可將電路板上之每一晶片與一光子-電子傳輸器-接收器電路介接，其中兩個晶片經由一光學波導可操作地連接。同樣地，可使用光學波導來連接一晶片內之組件，諸如在一整合光學源與一光子偵測器之間。電子-光子器件之另一益處係，可使用現有製造程序(諸如互補金屬氧化半導體(CMOS)半導體製造程序)在相同或不同基板上同時形成執行純光學功能、純電功能及光電子功能 之元件。
圖1圖解說明一習用電子-光子器件100之一項實例之一方塊圖。電子-光子器件100可用於可操作地連接一單個晶片或基板上之元件(諸如積體電路)或單獨基板上之器件。
電子-光子器件100包含經組態以產生一光學束之一光源120。舉例而言，光源120可係一同調光源，諸如一雷射(諸如一混合矽雷射或一砷化鎵雷射)、一同調發光二極體(LED)、一超發光二極體或此項技術中習知的其他適當光源。一同調光源係通常具有係一致且同相之一窄波長頻帶之一光源。光源120可經組態以輸出具有在大約1,200nm至1,550nm之一範圍內之一波長之一光學束。
一光學波導130將光源120之光學束連接至一調變器140(諸如具有一PIN接面之一光環諧振器)。調變器140用所接收之電數據145調變所接收之光學束且沿著另一波導150輸出經調變光學數據。調變器140亦能夠在不進行調變之情形下使光學束通過，諸如當該光學束已由一相同電子-光子系統中之另一調變器140調變時。
光子偵測器160包含經組態以接收並收集經調變光學束之一半導體材料162(諸如鍺(Ge)、矽鍺(SiGe)、砷化銦鎵(InGaAs)、磷酸銦(InP)或其他適當材料)。將電回應傳輸至一或多個電極164，電極164在接收到經調變光學數據之波長之能量之後旋即產生一電回應並為所接收之光學數據提供一外部電連接。
圖2A及圖2B分別展示光學波導150a、150b之兩個實例之剖面圖。光學波導150a、150b兩者包含一各別內芯152a、152b及外包層154a、154b。
光學波導150a(圖2A)係一橢圓形狀之光學波導。光學波導150a代表可形成為一光纖(諸如一單模或多模光纖)或與其他光子器件(例如，光源120、光子偵測器160等)形成至其的基板或晶片分離之其他 元件之一波導。舉例而言，外芯154a可係二氧化矽(SiO2 )材料。舉例而言，內芯152a可係摻雜有雜質(諸如GeO2 )之一矽(Si)材料(諸如SiO2 )且與外包層154a相比通常具有極小尺寸。舉例而言，內芯152a可具有大約9μm之一半徑，而外包層154a可具有大約125μm之一半徑。
光學波導150b(圖2B)係一矩形形狀之波導。光學波導150b代表可使用微影處理形成於一半導體(諸如一矽基板、一絕緣體上矽(SOI)基板或一印刷電路板(PCB))上之一整合光學波導。舉例而言，形成於充當外包層154b之一SiO2 基板上之一整合光學波導150b可具有由(舉例而言)一矽(Si)材料形成之一矩形內芯152b。內芯152b可具有大約300nm之一直徑，而外包層154b係其上形成光學波導150b之較大基板之部分且可具有大約1μm或可能大得多的一直徑。
透過一光學束之電磁波在較高折射率內芯152a、152b與較低折射率外包層154a、154b之間的界面處之內部反射而發生穿過波導150a、150b之一光學束之波導引。內芯152a、152b由具有比形成外包層154a、154b之材料之折射率大之一折射率的一材料形成。內芯152a、152b之折射率可僅稍高於(例如，1%)外包層154a、154b之折射率或可顯著更高(稱為「高對比波導」)以便提供較大全內折射(TIR)。舉例而言，內芯152a、152b可由具有大約3.5之一折射率之一矽(Si)材料形成，而外包層154a、154b可由具有大約1.5之一折射率之二氧化矽(SiO2 )材料形成。
應理解，外包層154a、154b可由具有比內芯152a、152b之折射率低之一折射率之任何材料形成。舉例而言，可使用具有大約1.0之一折射率之環境空氣作為用於具有一Si內芯之一光學波導150之外包層且因此該包層未必需要使用一單獨材料。亦應理解，光學波導130、150(圖1)兩者可具有類似於或不同於上文連同圖2A及圖2B一 起闡述之特性的特性。
圖3A及圖3B圖解說明一光學波導150與一光子偵測器160a、160b之間的光學連接之兩個俯視圖。圖3A展示一光子偵測器160a，其具有對接耦合至光子偵測器160a之光學波導150。光子偵測器之對接耦合之連接需要用於互連之最小長度。然而，光學波導150與光子偵測器160a之半導體材料之間的不同折射率可致使來自光學束之能量被往回反射至光學波導150中。舉例而言，光學波導150可由具有大約1.5之一折射率之Si構成，而光子偵測器160a可由(例如)具有大約4.34之一折射率之Ge構成。此反射稱為「回波損耗」，且除減小由光子偵測器160a接收之光學信號之強度以外，其亦可干擾光源120(圖1)之操作。
圖3B展示由光子偵測器部分160b1 及160b2 構成之一光子偵測器160b，其具有消散耦合至光子偵測器160b之光學波導150。光子偵測器部分160b1、160b2環繞光學波導150，但分別與光學波導150分離距離d1 、d2 。在消散耦合中，光學波導150靠近光子偵測器部分160b1 、160b2 放置以使得由光學束在光學波導150中之傳輸產生之一消散場(即，形成於圖2B之內芯152b與外包層154b之間的邊界處之一近場駐波)在完全衰退之前到達光子偵測器部分160b1 、160b2 。距離d1 、d2 必須足夠小以使得來自光學波導150之消散場之強度在其由光子偵測器部分160b1 、160b2 偵測之前不完全減小。舉例而言，距離d1 、d2 可係大約10μm或更小。來自光學波導150之消散場引起光子偵測器部分160b1 、160b2 上之傳播波模式，藉此將來自光學波導150之波連接(或耦合)至光子偵測器部分160b1 、160b2 。
消散耦合之光子偵測器160b具有比對接耦合之光子偵測器160a(圖3A)低之回波損耗，但通常需要比對接耦合之光子偵測器160a長之路徑長度(例如，大約50μm或更大)。此增加光子偵測器160b所 需之佔用面積且因此增加電子-光子器件100(圖1)之總體大小。
因此，期望提供一種具有低回波損耗但具有一小路徑長度的介於一光學波導與一光子偵測器之間的光學連接。
100‧‧‧電子-光子器件
120‧‧‧光源
130‧‧‧光學波導
140‧‧‧調變器
145‧‧‧電數據
150‧‧‧光學波導/波導
150a‧‧‧光學波導
150b‧‧‧光學波導
152a‧‧‧內芯
152b‧‧‧內芯
154a‧‧‧外包層/外芯
154b‧‧‧外包層
160‧‧‧光子偵測器
160a‧‧‧光子偵測器
160b1 ‧‧‧光子偵測器部分
160b2 ‧‧‧光子偵測部分
164‧‧‧電極
400‧‧‧光學連接
410‧‧‧光學波導
412‧‧‧內芯/內部芯
414‧‧‧外包層
418‧‧‧接頭端點
420‧‧‧光子偵測器
425‧‧‧反射邊緣
430‧‧‧電極
500‧‧‧光學連接
520‧‧‧光子偵測器
525‧‧‧反射邊緣
527‧‧‧反射邊緣
θ1 ‧‧‧角度
θ2 ‧‧‧角度
r1 ‧‧‧曲率半徑
d1 ‧‧‧距離
d2 ‧‧‧距離
圖1係一習用電子-光子器件之一方塊圖。
圖2A及圖2B圖解說明習用光學波導之剖面圖。
圖3A及圖3B圖解說明一光學波導及一光子偵測器之習用光學連接之俯視圖。
圖4圖解說明根據本文中所闡述之實施例之一光學連接之一俯視圖。
圖5圖解說明根據本文中所闡述之實施例之一光學連接中之光學路徑之一俯視圖。
圖6圖解說明根據本文中所闡述之實施例之另一光學連接中之光學路徑之一俯視圖。
在以下詳細說明中，參考本發明之各種實施例。以足夠細節闡述此等實施例以使熟習此項技術者能夠實踐該等實施例。應理解，可採用其他實施例，且可作出各種結構、邏輯及電改變。另外，在闡述各種程序之處，應理解，該等程序之步驟可以除具體闡述該等步驟之方式以外之一次序發生，除非另有說明。
本文中所闡述之實施例有利地利用稱為隨光學波導發生之彎曲損耗之一現象。當一光學束在一光學波導中行進時，一近場駐波(稱為一消散波)形成於光學波導之內芯與外包層之間的邊界處。當在光學波導中發生一彎曲時，位於內芯與外包層之間的邊界外部之消散波之部分必須比位於內芯內部之波之部分更快地行進，以便維持相同角速度。在稱為「臨界半徑」之一點處，消散波無法在各別介質中足夠 快地行進而維持與在波導內部之波之部分相同之角速度，且此部分之能量沿遠離彎曲波導之一徑向方向自波導向外傳播。
通常將彎曲損耗視為一光學波導設計中之一障礙。然而，下文所闡述之實施例加重且利用此現象來提供一光學波導與一光子偵測器之間的一連接。
圖4圖解說明一光學波導410與一光子偵測器420之間的一光學連接400之一俯視圖。舉例而言，光學連接400可形成於一基板(諸如一矽基板、一絕緣體上矽(SOI)基板、二氧化矽(SiO2 )基板)或一印刷電路板(PCB)上。另一選擇係，光學連接400之元件可形成於多個單獨基板(例如，Si、SiO2 、SOI或其他適合基板)上。
光學波導410包含一內部芯412及外包層414且可整合至一基板(例如，與光子偵測器420共同之一基板)中或可係(例如)一單模或雙模光纖。內芯412可由(舉例而言)一Si材料形成且具有大約300nm之一寬度。外包層414可由(舉例而言)SiO2 形成。可使用習知程序在外包層414中圖案化內芯412。
光子偵測器420由在自光學波導410接收到一光波之後旋即產生一電回應之一半導體材料構成，諸如鍺(Ge)、矽鍺(SiGe)、砷化銦鎵(InGaAs)、磷酸銦(InP)或其他適當材料，如下文所闡述。光子偵測器420包含至少一個電極430，舉例而言，其可由諸如鋁、銅或鈦之一金屬構成。可使用晶圓接合及其他現有製造程序(諸如互補金屬氧化物半導體(CMOS)半導體製造程序)來製作光子偵測器420。
光學波導410之可操作地連接之端以一角度θ1 彎曲，具有一對應曲率半徑r1 。可使用一微影程序形成光學波導410之彎曲部分。曲率半徑r1 可沿著光學波導410之曲線係恆定的，或另一選擇係，可隨著角度θ1 而變化。若曲率半徑r1 充分小(即，等於或小於「臨界半徑」)，藉此在光學波導410中形成一足夠急銳之曲線，則來自光學 波導410之消散波離開光學波導410且朝向光子偵測器420徑向傳播。波導410之臨界半徑將取決於內芯412之寬度以及內芯412及外包層414之材料及各別折射率。針對包含(舉例而言)一300nm寬之Si內芯412及一SiO2 外包層之一光學波導410，半徑r1 可等於或小於1μm。
圖5圖解說明在光學連接400中消散波自光學波導410徑向傳播至光子偵測器420之路徑之一俯視圖。
用於形成光子偵測器420之半導體材料可經塑形以將傳播之消散波反射至一共同點(例如，電極430)。可使用(舉例而言)諸如電子束微影之一微影程序或透過蝕刻技術來塑形半導體材料。光子偵測器420之反射邊緣425較佳地距光學波導410在約5μm至15μm之一範圍內，從而為傳播之消散波之波長提供一足夠路徑長度，同時達成一精巧光子偵測器420。
由光子偵測器420接收之徑向傳播之消散波可以一實質上均一角度θ2 自邊緣425朝向電極430反射。舉例而言，光子偵測器420之反射邊緣425可經塑形以將消散波以大約一20°角度朝向電極430反射。在其他實施例中，角度θ2 可隨著其與光學波導410之距離而改變。選擇相對靠近(即，在10μm內)光學波導410之電極430之一共同點達成一較平滑反射邊緣425，此乃因不需要複雜反射點。
為了更佳地促進光學束之反射率，光子偵測器420可由具有比環繞基板高之一折射率之一材料形成。舉例而言，可在具有大約1.5之一折射率之一SiO2 基板中使用具有大約4.34之一折射率之一鍺(Ge)光子偵測器420。亦可使用其他材料來形成光子偵測器420，諸如InP、SiGe、GaAs及其他適當材料。
圖6圖解說明一光子偵測器520之另一實施例中之一光學連接500中之光學路徑之一俯視圖。光子偵測器520包含類似於上文連同 圖4一起闡述之邊緣425之一經塑形反射邊緣525以便反射由於彎曲損耗而自光學波導410徑向傳播之消散波。另外，光子偵測器520之一底部部分對接耦合至光學波導410之接頭端點418，以便將來自內芯414之任何剩餘光學束耦合至光子偵測器520。該光學束自光子偵測器520之另一反射邊緣527反射且可在到達共同點(例如，電極430)之前被數次地反射。可使用晶圓接合及其他現有製造程序(諸如互補金屬氧化物半導體(CMOS)半導體製造程序)來製作光子偵測器520。
可在各種電子-光子器件中使用包含如連同圖4至圖6一起闡述之一光學波導410及/或一光子偵測器420、520之光學連接。舉例而言，該等光學連接可與包含至少一個光源120及調變器140(圖1)之晶片間系統或晶片內系統一起使用以便連接多個記憶體元件(例如，一或多個核心或DRAM、SDRAM、SRAM、ROM或其他類型之固態或靜態記憶體元件)。
以上說明及圖式應僅視為說明達成本文中所闡述之特徵及優點之特定實施例。可對特定程序、組件及結構作出修改及替代。舉例而言，應理解，可使用除連同以上實施例一起具體闡述之彼等以外之適當類型之半導體材料及記憶體元件。因此，不應將本發明之實施例視為由前述說明及圖式限制，而是僅由隨附申請專利範圍之範疇限制。
400‧‧‧光學連接
410‧‧‧光學波導
412‧‧‧內芯/內部芯
414‧‧‧外包層
420‧‧‧光子偵測器
425‧‧‧反射邊緣
430‧‧‧電極
θ1 ‧‧‧角度
r1 ‧‧‧曲率半徑

Claims (18)

  1. 一種光學裝置，其包括：一光學波導，其經組態以載運一光學束，其中該光學波導包含經組態以發射對應於該光學束之徑向傳播之消散波之一彎曲部分；及一光子偵測器，其可操作地連接至該光學波導以接收自該光學波導之該彎曲部分之該消散波其中該光子偵測器包括經塑形以將該等徑向傳播之消散波內部地反射至一共同點之至少一個反射邊緣。
  2. 如請求項1之光學裝置，其中該共同點係一電極之一位置。
  3. 如請求項1之光學裝置，其中該光學波導包括由具有一第一折射率之一材料構成之一內芯及由具有一第二折射率之一材料構成之一外包層。
  4. 如請求項3之光學裝置，其中該第一折射率大於該第二折射率。
  5. 如請求項3之光學裝置，其中該內芯具有在大約300nm至500nm之一範圍內之一寬度。
  6. 如請求項5之光學裝置，其中該光學波導之該彎曲部分具有大約1μm之一曲率半徑。
  7. 如請求項3之光學裝置，其中該內芯包括矽，且該外包層包括二氧化矽。
  8. 如請求項1之光學裝置，其中該光學波導及該光子偵測器整合於一共同基板上。
  9. 如請求項8之光學裝置，其中該光學波導包括： 一外包層，其由形成於該共同基板上之一第一材料構成；及一內芯，其由形成於該第一材料中之一第二材料構成。
  10. 如請求項1之光學裝置，該光學波導進一步包括一接頭端，且該光子偵測器具有光學地耦合至該光學波導之該接頭端之一部分。
  11. 如請求項10之光學裝置，其中該光子偵測器之該部分對接耦合至該接頭端。
  12. 如請求項11之光學裝置，其中對接耦合至該光學波導之該接頭端之該光子偵測器之該部分包括經組態以將自該接頭端發射之一光學束內部地反射至該共同點之一第二反射邊緣。
  13. 一種光子裝置，其包括：一半導體材料，其經組態以接收一光學能量波，其中該半導體材料包括經塑形以將複數個所接收之光學能量波反射至一共同點之至少一個反射邊緣，且設有一個鄰近該共同點之一導體以基於該等所接收之光學能量波而提供一電輸出。
  14. 如請求項13之光子裝置，其中該光子偵測器具有在大約5μm至15μm之一範圍內之一寬度。
  15. 如請求項13之光子裝置，其中該光子偵測器包括以下材料中之至少一者：鍺；矽鍺；砷化銦鎵；及磷酸銦。
  16. 一種形成一光學裝置之方法，該方法包括：在一基板上提供一包層材料； 在該包層材料中圖案化一光學波導之一內芯，其中該內芯包含經組態以發射對應於由該內芯載運之一光學束之徑向傳播之消散波之一彎曲部分；及形成一光子偵測器以接收該等徑向傳播之消散波，該光子偵測器包括經塑形以將該等徑向傳播之消散波內部地反射至一共同點之至少一個反射邊緣。
  17. 如請求項16之方法，其進一步包括在該共同點處形成一電極。
  18. 如請求項16之方法，其中圖案化該內芯包括：圖案化具有在大約300nm至500nm之一範圍內之一寬度及小於或等於大約1μm之一曲率半徑之一矽內芯。
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