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TWI705275B - 具有多光錐之波導至波導耦合器 - Google Patents

具有多光錐之波導至波導耦合器 Download PDF

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TWI705275B
TWI705275B TW108111695A TW108111695A TWI705275B TW I705275 B TWI705275 B TW I705275B TW 108111695 A TW108111695 A TW 108111695A TW 108111695 A TW108111695 A TW 108111695A TW I705275 B TWI705275 B TW I705275B
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卞宇生
阿喬伊 布凡努姆帝 雅各布
史蒂芬Ｍ 宣克
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美商格芯（美國）集成電路科技有限公司
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Abstract

本發明揭示數種波導至波導耦合器、包括波導至波導耦合器的系統與波導至波導耦合器的製造方法。第一波導耦合至第一波導光錐，且第二波導耦合至第二波導光錐。該第一波導及該第一波導光錐由矽構成，以及該第二波導與該第二波導光錐由氮化矽構成。該第二波導及該第二波導光錐在垂直方向配置於該第一波導及該第一波導光錐上方。

Description

具有多光錐之波導至波導耦合器
本發明係有關於光子晶片，且更特別的是，有關於波導至波導耦合器、包括波導至波導耦合器的系統、以及波導至波導耦合器的製造方法。
將光學組件及電子組件集成為單一平台的光子晶片能夠使用於許多應用及許多系統，包括但不限於：資料通訊系統與資料運算系統。電子組件可包括，例如，場效電晶體，以及光學組件可包括，例如，波導。藉由包括這兩種組件於單一光子晶片上，可減少佈局面積、成本及操作費用。晶片上(On-chip)通訊及感測可依靠傳送在3微米(μm)至8微米之中紅外線波長範圍內的電磁輻射通過波導，且在某些實例中，該中紅外線波長為小於3微米的波長，例如1微米。
亟須改良的波導至波導耦合器，包括波導至波導耦合器的系統，以及波導至波導耦合器的製造方法。
在本發明之一具體實施例中，提供一種用於波導至波導耦合器之結構。該結構包括第一波導光錐(first waveguide taper)，耦合至該第一波導光錐的第一波導，第二波導光錐，以及耦合至該第二波導光錐的第二波導。該第一波導與該第一波導光錐由矽構成，以及該第二波導與該第二波導光錐由氮化矽構成。在被圖案化時，該第二波導及該第二波導光錐在垂直方向配置於該第一波導及該第一波導光錐上方。
在本發明之一具體實施例中，提供一種用於形成波導至波導耦合器的方法。該方法包括：圖案化半導體層以形成第一波導光錐與耦合至該第一波導光錐的第一波導，沉積介電層於該第一波導光錐及該第一波導上方，且圖案化該介電層以形成第二波導光錐與耦合至該第二波導光錐的第二波導。該半導體層由矽構成，以及該介電層由氮化矽構成。該第二波導及該第二波導光錐在垂直方向配置於該第一波導及該第一波導光錐上方。
在本發明之一具體實施例中，一種系統，包括：輸入光柵耦合器；第一複數個光學組件，由氮化矽構成；第二複數個光學組件，由氮化矽構成；以及多模干擾分割器，其經配置成可與該輸入光柵耦合器耦合、與該第一複數個光學組件耦合、以及與該第二複數個光學組件耦合。該系統進一步包括波導至波導耦合器，其配置於在該輸入光柵耦合器與該多模干擾分割器之間的第一光程中，或配置於包括該第一複數個光學組件的第二光程中。該波導至波導耦合器包括由單晶矽構成的第一波導光錐與由氮化矽構成的第二波導光錐，且該波導至波導耦合器的該第二波導光錐在垂直方向配置於該波導至波導耦合器的該第一波導光錐上方。
10、14‧‧‧下波導
12‧‧‧下波導光錐
13‧‧‧中心線
15、35、40、45、50、55、60、65、70、80、85、90、95、100、165、170、173、176、182、183‧‧‧波導至波導耦合器
16‧‧‧埋藏氧化物(BOX)層
17‧‧‧寬端、末端
18‧‧‧處理晶圓
19‧‧‧窄端、末端
20‧‧‧淺溝槽隔離(STI)區
21‧‧‧末端
22、24、26‧‧‧介電層
23‧‧‧末端、寬端
25‧‧‧末端、窄端、寬端
27、31‧‧‧介面
29‧‧‧末端、寬端、窄端
30、34‧‧‧上波導
32‧‧‧上波導光錐
33‧‧‧中心線
34a‧‧‧上波導光錐
36‧‧‧層間介電層
75‧‧‧耦合器
81‧‧‧下波導彎曲、波導彎曲
83‧‧‧上波導彎曲、波導彎曲
160‧‧‧系統
161、174‧‧‧輸入光柵耦合器
162、164、172、175、177‧‧‧波導
163‧‧‧多模干擾(MMI)分割器、分割器
166‧‧‧晶片上光學組件
167、178‧‧‧輸出光柵耦合器
168‧‧‧電性墊
171‧‧‧MMI分割器、4路分割器
180、181‧‧‧MMI耦合器
263、271‧‧‧附加MMI分割器、分割器、N/4路分割器
L1-L4‧‧‧長度
w1-w4‧‧‧寬度
併入且構成本專利說明書之一部分的附圖係圖示本發明的各種具體實施例，且與以上給出的【發明內容】和以下給出的【實施方式】一起用來解釋本發明的具體實施例。
第1圖的仰視圖圖示根據本發明具體實施例之光子晶片且圖中只圖示波導及波導光錐以改善圖示清晰度。
第1A圖的橫截面圖圖示大體沿著第1圖之直線1A-1A繪出的光子晶片。
第1B圖的橫截面圖圖示大體沿著第1圖之直線1B-1B繪出的光子晶片。
第1C圖的橫截面圖圖示大體沿著第1圖之直線1C-1C繪出的光子晶片。
第1D圖的橫截面圖圖示大體沿著第1圖之直線1D-1D繪出的光子晶片。
第2圖至第5圖根據本發明替代具體實施例圖示與第1圖之光子晶片類似的仰視圖。
第6圖至第10圖根據本發明替代具體實施例圖示與第1圖之光子晶片類似的仰視圖。
第11圖根據本發明替代具體實施例圖示與第1圖之光子晶片類似的仰視圖。
第12圖根據本發明替代具體實施例圖示與第11圖之光子晶片類似的仰視圖。
第13圖根據本發明替代具體實施例圖示與第11圖之光子晶片類似的仰視圖。
第14圖根據本發明替代具體實施例圖示與第1圖之光子晶片類似的仰視圖。
第15圖根據本發明替代具體實施例圖示與第6圖之光子晶片類似的仰視圖。
第16圖的簡圖圖示根據本發明具體實施例之系統。
第16A圖的簡圖圖示根據本發明替代具體實施例之系統的一部分。
第17圖的簡圖圖示根據本發明具體實施例之系統。
第17A圖的簡圖圖示根據本發明替代具體實施例之系統的一部分。
第18圖至第21圖的簡圖圖示根據本發明具體實施例之系統。
第22圖及第23圖的簡圖圖示根據本發明具體實施例之MMI分割器，其係與第17圖至第21圖的系統一起使用。
參考第1圖、第1A圖、第1B圖、第1C圖且根據本發明具體實施例，波導至波導耦合器15包括從絕緣體上覆矽(SOI)基板之裝置層形成的下波導10、下波導光錐12及下波導14。下波導10、下波導光錐12及下波導14配置在SOI基板的埋藏氧化物(BOX)層16上，BOX層16位於SOI基板之處理晶圓18上方。BOX層16用作提供下波導10、下波導 光錐12及下波導14之侷限(confinement)的下包層(lower cladding)。BOX層16可由電絕緣體構成，例如二氧化矽(例如，SiO2)。
下波導光錐12側向配置在下波導10與下波導14之間，且下波導10、下波導光錐12及下波導14可沿著中心線13對齊。下波導光錐12沿著中心線13從過渡到下波導10的寬端17延伸到對面之過渡到下波導14的窄端19。為了圖解說明，在寬端17及窄端19的分段在第1圖用虛線圖示。下波導14有終止下波導10、下波導光錐12及下波導14之配置的末端21，該末端21可為平表面。取決於光線傳播通過波導至波導耦合器15的方向，下波導10可用作波導配置的輸入或者是波導配置的輸出。
下波導10有沿著其長度不變的寬度w1。下波導14有沿著其長度L2不變且小於下波導10之寬度w1的寬度w2。下波導光錐12有沿著其長度L1從寬度w1變成寬度w2的寬度，以便提供下波導10與下波導14之間的連接過渡。
下波導10、下波導光錐12及下波導14可由單晶半導體材料構成，例如單晶矽(Si)，且可從SOI基板之裝置層的單晶半導體材料圖案化而成。在這方面，下波導10、下波導光錐12及下波導14被淺溝槽隔離(STI)區20包圍，淺溝槽隔離(STI)區20可藉由圖案化SOI基板的裝置層形成，例如，用微影及蝕刻來形成溝槽；用例如矽的氧化物(例如，SiO2)的電介質填滿溝槽；以及用化學機械研磨(CMP)平坦化。STI區20可完全延伸穿過裝置層到BOX層16的頂面，且可形成有不同尺寸的溝槽以提供 用於下波導10、下波導光錐12及下波導14的不同的寬度及長度。STI區20用作提供下波導10、下波導光錐12及下波導14之侷限的側向包層。
在下波導10、下波導光錐12、下波導14及STI區20的頂面上方形成為多層堆疊的介電層22、24、26。介電層22、26可由電介質材料構成，例如矽的氧化物，例如用原子層沉積(ALD)沉積的二氧化矽(SiO2)。介電層24可由電介質材料構成，例如用化學氣相沉積(CVD)沉積的氮化矽(Si3N4)。在一具體實施例中，構成介電層22、26的矽氧化物在電磁光譜之中紅外線波長範圍的折射率高於構成STI區20的矽氧化物或構成BOX層16的矽氧化物。構成下波導10、下波導光錐12及下波導14的材料，例如矽，在中紅外線波長範圍的折射率高於構成STI區20、BOX層16及介電層22、24、26的材料，例如，矽氧化物與氮化矽。
波導至波導耦合器15進一步包括上波導30、上波導光錐32及上波導34，彼等配置在下波導10、下波導光錐12及下波導14上方之介電層26的頂面上。上波導34直接且主要配置在下波導光錐12上方，以及上波導光錐32直接且主要配置在下波導14上方。上波導30不上覆(not overlie)在下波導配置的任何部分，同樣，下波導10不下覆(not underlie)在上波導配置的任何部分。上波導光錐32側向配置在上波導30與上波導34之間。
上波導30、上波導光錐32及上波導34可各自沿著彼等之長度與中心線33對齊，中心線33與中心線13垂直位移而分開且朝長度方向與中心線13平行。上波導光錐32沿著中心線33從過渡到上波導30的末端23延伸到對面過渡到上波導34的末端25。為了圖解說明，在寬端 23及窄端25的分段在第1圖中以虛線圖示。上波導34在可為平坦表面且與下波導光錐12之寬端17共面的末端29終止上波導30、上波導光錐32及上波導34的配置。取決於光線傳播通過波導至波導耦合器15的方向，上波導30可用作波導配置的輸入或者是波導配置的輸出。
上波導30有沿著其長度L3不變的寬度w3。上波導34有沿著其長度L4不變且小於上波導30之寬度w3的寬度w4。在該代表性具體實施例中，下波導光錐12的長度L1等於上波導34的長度L3，且下波導14的長度L2等於上波導光錐32的長度L4。上波導光錐32有沿著其長度從寬度w3變成寬度w4的寬度，以便提供上波導30與上波導34之間的過渡。上波導光錐32的寬度變化導致在給定方向(亦即，在x-z平面中的負z軸)沿著其中心線33變細，此方向與下波導光錐12沿著其中心線13變細的方向(亦即，在x-z平面中的正z軸)相反。此外，下波導光錐12沿著其全長比上波導光錐32窄。寬度沿著其長度不變的上波導34比寬度也沿著其長度不變的下波導10寬。
上波導30、上波導光錐32及上波導34可由折射率在中紅外線波長範圍內高於構成介電層22及26之材料的電介質材料構成，例如用化學氣相沉積(CVD)沉積以及用微影及蝕刻製程圖案化的氮化矽(Si3N4)。用微影及蝕刻製程，從一層構成材料，可圖案化成具有各自之寬度及長度的上波導30、上波導光錐32及上波導34。
層間介電層36形成於上波導30、上波導光錐32、上波導34及介電層26上方。層間介電層36可由電介質材料構成，例如用化學氣相沉積(CVD)沉積的低k電介質材料，例如摻碳矽氧化物(SiO：C)。在一 具體實施例中，層間介電層36的材料在電磁光譜的中紅外線波長範圍中的折射率小於構成上波導30、上波導光錐32及上波導34之材料的折射率，且小於構成STI區20及介電層22之材料的折射率。在一具體實施例中，由於它的組合物，層間介電層36的材料在電磁光譜的中紅外線波長範圍中的折射率可能小於二氧化矽(SiO2)的折射率。上波導30、上波導光錐32及上波導34的材料，例如氮化矽，在中紅外線波長範圍內有高於構成層間介電層36之材料的折射率。
波導至波導耦合器15可位於光子晶片上。在正z方向傳播的光線從下波導10、下波導光錐12及下波導14的配置傳達到上波導30、上波導光錐32及上波導34的配置。在負z方向傳播的光線從上波導30、上波導光錐32及上波導34的配置傳達到下波導10、下波導光錐12及下波導14的配置。光子晶片可包括其他類型的電子裝置結構及/或光子裝置結構。
參考其中與第1圖之特徵類似者以相同元件符號表示的第2圖且根據本發明替代具體實施例，波導至波導耦合器35為波導至波導耦合器15的修改版，其中，已改變下波導光錐12及下波導14的長度。特別是，下波導光錐12的長度L1小於上波導34的長度L3，且下波導14的長度L2小於或等於上波導光錐32的長度L4。在這些修改下，下波導光錐12與下波導14的總長度小於上波導光錐32與上波導34的總長度。
參考其中與第1圖之特徵類似者以相同元件符號表示的第3圖且根據本發明替代具體實施例，波導至波導耦合器40為波導至波導耦合器15的修改版，其中，已改變下波導光錐12及下波導14的長度。特別 是，下波導光錐12的長度L1小於上波導34的長度L3，下波導14的長度L2大於上波導光錐32的長度L4。在這些修改下，下波導光錐12與下波導14的總長度和上波導光錐32與上波導34的總長度可相等或不等。
參考其中與第1圖之特徵類似者以相同元件符號表示的第4圖且根據本發明替代具體實施例，波導至波導耦合器45為波導至波導耦合器15的修改版，其中，已改變下波導光錐12及下波導14的長度。特別是，下波導光錐12的長度L1大於上波導34的長度L3，且下波導14的長度L2小於或等於上波導光錐32的長度L4。在這些修改下，下波導光錐12與下波導14的總長度和上波導光錐32與上波導34的總長度可相等或不等。
參考其中與第1圖之特徵類似者以相同元件符號表示的第5圖且根據本發明替代具體實施例，波導至波導耦合器50為波導至波導耦合器15的修改版，其中，已改變下波導光錐12及下波導14的長度。特別是，下波導光錐12的長度L1大於或等於上波導34的長度L3，且下波導14的長度L2大於或等於上波導光錐32的長度L4。在這些修改下，下波導光錐12與下波導14的總長度大於上波導光錐32與上波導34的總長度。
參考其中與第1圖之特徵類似者以相同元件符號表示的第6圖且根據本發明替代具體實施例，波導至波導耦合器55為波導至波導耦合器15的修改版，其中，已重新配置下波導光錐12及下波導14(亦即，互換位置)以使下波導14位於下波導光錐12、下波導10之間，且已重新配置上波導光錐32及上波導34(亦即，互換位置)以使上波導34位於上波導光錐32、上波導30之間。上波導光錐32直接且主要配置在下波導14上方，且上波導34直接且主要配置在下波導光錐12上方。下波導14加寬且下波導光錐12終止下波導10、下波導光錐12及下波導14的配置。同樣，上波導34加寬且上波導光錐32終止上波導30、上波導光錐32及上波導34的配置。
下波導10與下波導14在重新配置所產生的介面27處鄰接，且上波導30與上波導34在重新配置所產生的介面31處鄰接。在該代表性具體實施例中，下波導光錐12的長度L1等於上波導34的長度L3，且下波導14的長度L2等於上波導光錐32的長度L4。結果，下波導光錐12與下波導14的總長度等於上波導光錐32與上波導34的總長度。
參考其中與第6圖之特徵類似者以相同元件符號表示的第7圖且根據本發明替代具體實施例，波導至波導耦合器60為波導至波導耦合器55的修改版，其中，已改變下波導光錐12及下波導14的長度。特別是，下波導14的長度L2小於上波導光錐32的長度L4，且下波導光錐12的長度L1小於或等於上波導34的長度L3。在這些修改下，下波導光錐12與下波導14的總長度小於上波導光錐32與上波導34的總長度。
參考其中與第6圖之特徵類似者以相同元件符號表示的第8圖且根據本發明替代具體實施例，波導至波導耦合器65為波導至波導耦合器55的修改版，其中，已改變下波導光錐12及下波導14的長度。特別是，下波導14的長度L2小於上波導光錐32的長度L4，以及上波導光錐32的長度L1大於上波導34的長度L3。在這些修改下，下波導光錐12與下波導14的總長度和上波導光錐32與上波導34的總長度可相等或不等。
參考其中與第6圖之特徵類似者以相同元件符號表示的第9圖且根據本發明替代具體實施例，波導至波導耦合器70為波導至波導耦合器55的修改版，其中，已改變下波導光錐12及下波導14的長度。特別是，下波導10的長度L2大於上波導光錐32的長度L4，以及下波導光錐12的長度L1小於或等於上波導34的長度L3。在這些修改下，下波導光錐12與下波導14的總長度和上波導光錐32與上波導34的總長度可相等或不等。
參考其中與第6圖之特徵類似者以相同元件符號表示的第10圖且根據本發明替代具體實施例，耦合器75為波導至波導耦合器55的修改版，其中，下波導14的長度L2大於或等於上波導光錐32的長度L4，以及下波導光錐12的長度L1大於或等於上波導34的原始長度L3。在這些修改下，下波導光錐12與下波導14的總長度大於上波導光錐32與上波導34的總長度。
參考其中與第1圖之特徵類似者以相同元件符號表示的第11圖且根據本發明替代具體實施例，波導至波導耦合器80為波導至波導耦合器15的修改版，其中，已排除下波導14及上波導34，且上波導光錐32直接且主要配置在下波導光錐12上方。在該代表性具體實施例中，下波導光錐12的長度L1等於上波導光錐32的長度L4，且上波導光錐32的最寬末端23與下波導光錐12的末端19共面，以及上波導光錐32的最窄末端25與下波導光錐12的末端17共面。在一替代具體實施例中，下波導光錐12的長度L1可大於上波導光錐32的長度L4。在一替代具體實施例中，下波導光錐12的長度L1可小於上波導光錐32的長度L4。
參考其中與第11圖之特徵類似者以相同元件符號表示的第12圖且根據本發明替代具體實施例，波導至波導耦合器85為波導至波導耦合器80的修改版，其中，上波導光錐32相對於下波導光錐12呈顛倒致使波導光錐12、32在相同的光傳播方向變細。在該代表性具體實施例中，上波導光錐32的最寬末端23與下波導光錐12的末端17共面，以及上波導光錐32的最窄末端25與下波導光錐12的末端19共面。
參考其中與第11圖之特徵類似者以相同元件符號表示的第13圖且根據本發明替代具體實施例，波導至波導耦合器90包括配置在下波導光錐12之末端且與下波導光錐12連接的下波導彎曲81。在圖案化下波導10與下波導光錐12時，從SOI基板的裝置層圖案化成下波導彎曲81。波導至波導耦合器90進一步包括配置在上波導30之末端且與上波導30連接的上波導彎曲83。在圖案化上波導30與上波導光錐32時，從沉積介電層圖案化成上波導彎曲83。在該代表性具體實施例中，下波導彎曲81在一方向(亦即，負x方向)彎曲，且上波導彎曲83在反向(亦即，正x方向)彎曲。在數個替代具體實施例中，下波導彎曲81可在任一方向彎曲，且上波導彎曲83可在任一方向彎曲。在該代表性具體實施例中，波導彎曲81及83可具有固定曲率，其中曲率半徑係沿著各自的弧形不變。
在一替代具體實施例中，上波導彎曲83可與上波導光錐32連接，且下波導彎曲81可與下波導10連接，致使波導彎曲81、83的配置互換位置，伴隨著改變光學訊號的傳播方向。在替代具體實施例中，下波導彎曲81及上波導彎曲83可添加至描述於本文之耦合器的任一其他具體實施例。在數個替代具體實施例中，波導彎曲81及83可具有其他類型的 曲率，例如遵循正弦、餘弦或樣條函數(spline function)的曲線以及螺線，例如歐拉螺線(Euler spiral)、螺環、廻旋曲線或羊角形螺線。
參考其中與第1圖之特徵類似者以相同元件符號表示的第14圖且根據本發明替代具體實施例，波導至波導耦合器95為波導至波導耦合器15的修改版，其中，上波導34被另一上波導光錐34a取代。上波導光錐34a沿著中心線33從寬端29到窄端25的變細可與上波導光錐32的變細相反，致使上波導光錐34a的最窄末端25與上波導光錐32在下波導光錐12的窄端19之正上方直接會合。
參考其中與第6圖之特徵類似者以相同元件符號表示的第15圖且根據本發明替代具體實施例，波導至波導耦合器100為波導至波導耦合器55的修改版，其中，上波導34被另一上波導光錐34a取代。上波導光錐34a沿著中心線33從窄端29到寬端25的變細可與上波導光錐32的變細相反，致使上波導光錐34a的最寬末端25與上波導光錐32在下波導光錐12的末端17上面匯合。
描述於本文的波導至波導耦合器可提供由矽及氮化矽製成的波導光錐之間的絕熱耦合且有短而緊湊的佔用面積、高度耦合效率、低背向反射、低損失、以及高製造誤差容限。該等波導光錐在與光傳播路徑垂直的垂直方向可串接或者是重疊。配置在上波導光錐與下波導光錐之間的多層電介質堆疊可促進垂直耦合。該等波導至波導耦合器可提供高效傳輸，其中可忽略光學模式的變化且傳輸效率可接近一。
參考第16圖且根據本發明替代具體實施例，系統160將數個氮化矽波導及光學組件集成於包含矽光子平台的光子晶片中。系統160包括輸入光柵耦合器161、多模干擾(MMI)分割器163、以及耦合輸入光柵耦合器161與MMI分割器163之輸入的波導162。波導162與MMI分割器163可由單晶半導體材料(例如，SOI裝置層的單晶矽)形成，且輸入光柵耦合器161可由經圖案化的多晶半導體材料形成，例如多晶矽。從多晶半導體導體材料形成輸入光柵耦合器161避免在系統160輸入處使用含有氮化矽的光柵耦合器。
MMI分割器163可為1xN光學裝置，其係把在輸入處的抵達光學訊號分成在輸出處的N個輸出光程以及把分割後的光學訊號引到多個波導164。在該代表性具體實施例中，MMI分割器163為1x4光學裝置，其係經由波導162接收來自輸入光柵耦合器161的光學訊號然後把光學功率分成藉由MMI分割器163之輸出而導引到波導164的4個輸出光程。
多個波導164也可由單晶半導體材料形成，例如裝置層的單晶矽。該光子晶片包括由氮化矽形成的數個晶片上光學組件(on-chip optical component)166集合。每個晶片上光學組件166集合可包括數個波導及使用氮化矽用於光學訊號傳送的其他組件。各光程中來自MMI分割器163的光學訊號從各波導164用波導至波導耦合器165傳送到晶片上光學組件166集合中之一者，波導至波導耦合器165可選自描述於本文之波導至波導耦合器的具體實施例。波導至波導耦合器165經配置成使單晶矽光錐可傳送抵達光學訊號至氮化矽光錐。
在一測試配置中，來自晶片上光學組件166之不同集合的輸出可藉由波導(可包括彎曲且在光學組件166之間)而被路由到各自的輸出光柵耦合器167。輸出光柵耦合器167可由氮化矽構成且可為光學墊。系統160可進一步包括數個電性墊168集合，它們可用來供應電子訊號給在通電的晶片上光學組件166集合及/或電子組件之間的光學組件。在一替代具體實施例中，可省略電性墊168，且系統160可只包括輸出光柵耦合器167。
系統160可使用於晶片上光學通訊，或者是在替代例中，作為測試配置。在系統160以用於測試為目的的後一使用例中，系統160在晶圓級可配置於切割道(scribe line)中，使得在晶圓被切成個別光子晶片後，毀掉系統160。
在一替代具體實施例中以及如第16A圖所示，MMI分割器163可與附加MMI分割器263串接以進一步分割光學功率以及分配至多個波導164。分割器263以及連接分割器163與分割器263的波導是由裝置層的單晶矽形成。可使用附加組合(例如饋入4個N/4路分割器263之4路分割器163)以將光學功率分成在光子晶片上饋入晶片上光學組件166的多個光程。
參考其中與第16圖之特徵類似者以相同元件符號表示的第17圖且根據本發明替代具體實施例，系統160可修改成包括用波導162與輸入光柵耦合器161耦合的波導至波導耦合器170。波導至波導耦合器170用波導172與MMI分割器171的輸入耦合。波導至波導耦合器170經配置成使單晶矽光錐將抵達光學訊號傳送至氮化矽光錐，這允許MMI分割器171與波導172由氮化矽構成。波導至波導耦合器170在光程中插在MMI分割器171之前排除在MMI分割器171輸出後需要波導至波導耦合器165(第16圖)。
在一替代具體實施例中以及如第17A圖所示，MMI分割器171可與附加MMI分割器271串接以進一步分割光學功率以及分配至晶片上光學組件166。分割器271以及連接MMI分割器171與分割器271的波導可由氮化矽形成。可使用附加組合(例如饋入4個N/4路分割器271之4路分割器171)以將光學功率分成在光子晶片上饋入晶片上光學組件166的多個光程。
參考其中與第16圖至第17圖之特徵類似者以相同元件符號表示的第18圖且根據本發明替代具體實施例，系統160可修改成包括在其輸入處用波導175與輸入光柵耦合器174耦合的波導至波導耦合器173。輸入光柵耦合器174與波導175由氮化矽構成。波導至波導耦合器173經配置成使氮化矽光錐將抵達光學訊號傳送至單晶矽光錐。
系統160可進一步修改成包括在其輸出處的波導至波導耦合器176以及耦合晶片上光學組件166集合與各自之輸出光柵耦合器178的波導177。波導177可由裝置層的單晶矽構成，以及代表光學墊的輸出光柵耦合器176可由多晶矽構成。波導至波導耦合器176經配置成使氮化矽光錐將抵達光學訊號傳送至單晶矽光錐。包括波導至波導耦合器176的系統160的組態避免在系統160輸出處使用含有氮化矽的光柵耦合器。
參考其中與第16圖至第18圖之特徵類似者以相同元件符號表示的第19圖且根據本發明替代具體實施例，系統160可修改成包括用波導175與MMI分割器171之輸入耦合的輸入光柵耦合器174。MMI 分割器171、輸入光柵耦合器174及波導175由氮化矽構成。系統160可修改以進一步包括在其輸出處的波導至波導耦合器176以及耦合晶片上光學組件166集合與各自之輸出光柵耦合器178的波導177。包括波導至波導耦合器176的系統160的組態避免在系統160輸出處使用含有氮化矽的光柵耦合器。
參考其中與第16圖至第19圖之特徵類似者以相同元件符號表示的第20圖且根據本發明替代具體實施例，第16圖的系統160可修改成包括波導至波導耦合器176，其係避免在系統160輸出處使用含有氮化矽的光柵耦合器。輸入光柵耦合器161也避免在系統160輸入處使用含有氮化矽的光柵耦合器。
參考其中與第16圖至第20圖之特徵類似者以相同元件符號表示的第21圖且根據本發明替代具體實施例，第17圖的系統160可修改成包括波導至波導耦合器176與輸出光柵耦合器178，其係避免在系統160輸出處使用含有氮化矽的光柵耦合器。輸入光柵耦合器161也避免在系統160輸入處使用含有氮化矽的光柵耦合器。
參考其中與第16圖至第21圖之特徵類似者以相同元件符號表示的第22圖至第23圖且根據本發明替代具體實施例，系統160的組態可修改成包括以下兩者的混合物：由單晶矽構成的一或多個MMI耦合器180與由氮化矽構成的一或多個MMI耦合器181。如第22圖所示，藉由將波導至波導耦合器182配置成使單晶矽光錐將抵達光學訊號傳送至氮化矽光錐，而讓MMI耦合器180與多個MMI耦合器181耦合。如第23圖所示，藉由將波導至波導耦合器183配置成使單晶矽光錐將抵達光學訊 號傳送至氮化矽光錐，而讓MMI耦合器181與多個MMI耦合器180耦合。
如以上所述的方法使用於積體電路晶片的製造。所產生之積體電路晶片可由製造者以原始晶圓形式(raw wafer form)(例如，具有多個未封裝晶片的單一晶圓)、作為裸晶粒(bare die)或已封裝的形式來銷售。在後一情形下，晶片裝在單晶片封裝中(例如，塑膠載體(plastic carrier)，具有固定至主機板或其他更高層載體的引腳(lead))，或多晶片封裝體中(例如，具有表面互連件(surface interconnection)或埋藏互連件(buried interconnection)任一或兩者兼具的陶瓷載體)。在任一情形下，該晶片可與其他晶片、離散電路元件及/或其他信號處理裝置集成為中間產品或者是最終產品的一部分。
本文所引用的用語，例如“垂直”、“水平”、“側向”等，係通過舉例而非限制的方式，來建立參考系。如本文所用的用語“水平”及“側向”係指在與半導體基板之頂面平行之平面中的方向，而與實際三維空間取向無關。用語“垂直”及“法線”係指與“水平”方向垂直的方向。用語“上方”及“下方”表示元件或結構相互之間及/或相對於半導體基板之頂面的定位而不是相對高度。
“連接”或“耦合”至另一元件的特徵可直接連接或耦合至該另一元件，或是，可存在一或多個中介元件。如果不存在中介元件的話，特徵可“直接連接”或“直接耦合”至另一元件。如果存在至少一中介元件的話，特徵可“間接連接”或“間接耦合”至另一元件。
為了圖解說明已呈現本發明之各種具體實施例的描述，但是並非旨在窮盡或限定於所揭示的具體實施例。本技藝一般技術人員明白仍有許多修改及變體而不脫離所述具體實施例的範疇及精神。使用於本文的術語經選定成可最好地解釋具體實施例的原理、實際應用或優於在市上可找到之技術的技術改善，或使得本技藝一般技術人員能夠了解揭示於本文的具體實施例。
10、14‧‧‧下波導
12‧‧‧下波導光錐
15‧‧‧波導至波導耦合
17‧‧‧寬端
19‧‧‧窄端
21‧‧‧末端
23‧‧‧末端、寬端
25‧‧‧末端、窄端、寬端
29‧‧‧末端、寬端、窄端
30、34‧‧‧上波導
32‧‧‧上波導光錐
L1-L4‧‧‧長度

Claims (19)

  1. 一種用於波導至波導耦合器之結構，該結構包含：第一波導光錐；第一波導，耦合至該第一波導光錐，該第一波導及該第一波導光錐具有第一配置，其中，該第一波導終止該第一配置；第二波導光錐；以及第二波導，耦合至該第二波導光錐，該第二波導及該第二波導光錐具有第二配置，其中，該第二波導終止該第二配置；其中，該第一波導及該第一波導光錐由矽構成，該第二波導及該第二波導光錐由氮化矽構成，該第二波導在垂直方向直接且主要配置於該第一波導光錐上方，以及該第二波導光錐在垂直方向直接且主要配置於該第一波導上方。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之結構，進一步包含：複數個介電層，在該垂直方向配置於在該第一波導光錐與該第二波導光錐之間的層堆疊中。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之結構，其中，在該層堆疊中的該複數個介電層包括第一二氧化矽層、第二二氧化矽層、以及在該垂直方向配置於該第一二氧化矽層與該第二二氧化矽層之間的氮化矽層。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之結構，其中，該第一波導具有第一長度及相對於該第一長度保持不變的第一寬度，以及該第二波導具有第二長度及相對於該第二長度保持不變的第二寬度。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之結構，其中，該第一波導光 錐有第一長度且沿著該第一長度從有第一寬度的第一端往有第二寬度的第二端變細，該第二波導光錐有第二長度且沿著該第二長度從有第一寬度的第一端往有第二寬度的第二端變細，且該第一波導光錐的該第二端毗鄰該第二波導光錐的該第二端。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之結構，其中，該第一波導光錐有第一長度且沿著該第一長度從有第一寬度的第一端往有第二寬度的第二端變細，該第二波導光錐有第二長度且沿著該第二長度從有第一寬度的第一端往有第二寬度的第二端變細，且該第一波導光錐的該第一端毗鄰該第二波導光錐的該第一端。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之結構，其中，該第一波導光錐在第一方向變細，且該第二波導光錐在與該第一方向相反的第二方向變細。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之結構，其中，該第一波導光錐有第一長度與沿著該第一長度變窄的第一寬度，該第二波導光錐有第二長度與沿著該第二長度變窄的第二寬度，以及在該第一長度上之任何位置處的該第一寬度小於在該第二長度上之任何位置處的該第二寬度。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之結構，進一步包含：層間介電層，在該第二波導光錐上方，該層間介電層在中紅外線波長範圍中的折射率小於二氧化矽的折射率。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之結構，進一步包含：層間介電層，在該第二波導光錐及該第二波導上方，該層間介電層在中紅外線波長範圍中的折射率小於二氧化矽的折射率。
  11. 一種用於光子晶片之系統，該系統包含：輸入光柵耦合器；第一複數個光學組件，由氮化矽構成；第二複數個光學組件，由氮化矽構成；多模干擾分割器，配置成與該輸入光柵耦合器耦合、與該第一複數個光學組件耦合、以及與該第二複數個光學組件耦合；以及第一波導至波導耦合器，配置於在該輸入光柵耦合器與該多模干擾分割器之間的第一光程中或配置於包括該第一複數個光學組件的第二光程中，該第一波導至波導耦合器包括第一波導光錐、與該第一波導光錐耦合的第一波導、第二波導以及與該第二波導耦合的第二波導光錐，該第一波導至波導耦合器之該第一波導與該第一波導光錐由單晶矽構成，該第一波導至波導耦合器之該第一波導與該第一波導光錐具有第一配置，其中，該第一波導終止該第一配置，該第一波導至波導耦合器之該第二波導與該第二波導光錐具有第二配置，其中，該第二波導終止該第二配置，該第一波導至波導耦合器之該第二波導與該第二波導光錐由氮化矽構成，該第一波導至波導耦合器的該第二波導在垂直方向直接且主要配置於該第一波導至波導耦合器的該第一波導光錐上方，以及該第一波導至波導耦合器的該第二波導光錐在垂直方向直接且主要配置於該第一波導至波導耦合器的該第一波導上方。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之系統，其中，該第一波導至波導耦合器配置於在該輸入光柵耦合器與該多模干擾分割器之間的該第一光程中，且進一步包含： 第二波導至波導耦合器，配置於在該多模干擾分割器與該第一複數個光學組件之間的該第二光程中，該第二波導至波導耦合器包括由單晶矽構成的第一波導光錐與由氮化矽構成的第二波導光錐，且該第二波導至波導耦合器的該第二波導光錐在該垂直方向配置於該第一波導至波導耦合器的該第一波導光錐上方。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之系統，其中，該第一波導至波導耦合器配置於在該輸入光柵耦合器與該多模干擾分割器之間的該第一光程中，且該多模干擾分割器由氮化矽構成。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之系統，其中，該第一波導至波導耦合器配置於在該多模干擾分割器與該第一複數個光學組件之間的該第二光程中，且該多模干擾分割器由單晶矽構成。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之系統，進一步包含：輸出光柵耦合器，其中，該第一波導至波導耦合器配置於在該多模干擾分割器與該輸出光柵耦合器之間的該第二光程中。
  16. 如申請專利範圍第11項所述之系統，其中，該第一波導具有第一長度及相對於該第一長度保持不變的第一寬度，以及該第二波導具有第二長度及相對於該第二長度保持不變的第二寬度。
  17. 一種形成波導至波導耦合器之方法，該方法包含：圖案化半導體層以形成第一波導光錐與耦合至該第一波導光錐的第一波導；沉積介電層於該第一波導光錐及該第一波導上方；以及 圖案化該介電層以形成第二波導光錐與耦合至該第二波導光錐的第二波導，其中，該第一波導及該第一波導光錐具有第一配置，其中，該第一波導終止該第一配置，該第二波導及該第二波導光錐具有第二配置，其中，該第二波導終止該第二配置，該半導體層由矽構成，該介電層由氮化矽構成，該第二波導在垂直方向直接且主要配置於該第一波導光錐上方，且該第二波導光錐在垂直方向直接且主要配置於該第一波導上方。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之方法，進一步包含：形成在該垂直方向配置於在該第一波導光錐與該第二波導光錐之間的層堆疊，其中，該層堆疊包括第一二氧化矽層、第二二氧化矽層及在該垂直方向配置於該第一二氧化矽層與該第二二氧化矽層之間的氮化矽層。
  19. 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中，該第一波導具有第一長度及相對於該第一長度保持不變的第一寬度，以及該第二波導具有第二長度及相對於該第二長度保持不變的第二寬度。
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