TWI718561B - 包括具有場局限之波導彎件的結構、其製作方法及整合光學組件的系統 - Google Patents
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Abstract
本發明揭示包括波導彎件的結構、製作包括波導彎件的結構的方法、以及整合含有不同材料的光學組件的系統。第一波導彎件相鄰於波導，而第二波導彎件在直立方向與該第一波導彎件隔開。該第二波導彎件與該第一波導彎件在側面方向具有重疊配置。
Description
本發明是關於光子晶片，並且更特定地，是關於包括波導彎件的結構、製作包括波導彎件的結構的方法、以及整合含有不同材料的光學組件的系統。
光子晶片能夠被用於包括(但不限於)資料通訊系統和資料計算系統的許多應用和許多系統中。光子晶片將光學組件(例如，波導)和電子組件(例如，場效電晶體)整合成統一的平台。佈線面積、費用、和運作上的附加費用(還有其它因素)可藉由將兩種型式的組件整合成單一光子晶片而得以縮減。
晶片上(on-chip)通訊和感測可依賴傳送光學訊號通過該光子晶片上的波導至其它光學組件。光學訊號使用數個由不同性質所特性化的不同模式，在波導內如電磁波一般傳播。橫向磁性(TM)模式取決於橫向磁性波，其中，磁場向量朝向垂直於傳播的方向。橫向電性(TE)模式取決於橫向電性波，其中，電場向量朝向垂直於傳播的方向。
直波導和波導彎件、乃至於其它光學組件，可具有從矽氮化物或單晶矽所製作的核心。就橫向磁性模式而言，相較於具有單晶矽核心的波導，具有矽氮化物核心的波導或波導彎件可具有相當低的有效係數和顯著弱的場局限。橫向磁性模式的矽氮化物核心中的弱局限大於橫向電性模式的矽氮化物核心中的弱局限。其結果是，當光學訊號傳播通過波導彎件時，該模式場的一部分可被拉至該矽氮化物核心的外側，其相比於具有單晶矽核心的相等彎曲半徑的波導彎件，可導致較高的變曲耗損。為了補償該較高的彎曲耗損，具有矽氮化物核心的波導彎件相較於具有單晶矽核心的波導彎件，可具有較大的曲率半徑，其增加具有矽氮化物核心的波導彎件的占晶面積(footprint)。含有單晶矽的直波導經觀察具有大占晶面積或歷經顯著的傳播耗損。
包括波導彎件的結構、製作包括波導彎件的結構的方法、以及整合含有不同材料的光學組件的系統都需要改良。
在該發明的實施例中，結構包括波導、相鄰於該波導的第一波導彎件、以及在直立方向與該第一波導彎件隔開的第二波導彎件。該第二波導彎件與該第一波導彎件在側面方向具有重疊配置。
在該發明的實施例中，方法包括形成波導和相鄰於該波導的第一波導彎件、以及形成在直立方向與該第一波導彎件隔開並且在側面方向與該第一波導彎件重疊的第二波導彎件。
在該發明的實施例中，結構包括由完全地蝕刻的單晶半導體材料構成的波導彎件、第一複數個光學組件、第二複數個光學組件、配置
以將該第一複數個光學組件耦接至該波導彎件的第一波導、配置以將該第二複數個光學組件耦接至該波導彎件的第二波導、以及將該第一波導耦接至該波導彎件的波導-至-波導耦接器。
10‧‧‧結構
12、14‧‧‧波導
16、16a、18、18a‧‧‧波導彎件
17、27‧‧‧內表面
19、29‧‧‧外表面
20‧‧‧埋置氧化物層、BOX層
21‧‧‧基底
22、24、26、30‧‧‧介電層
31‧‧‧後段製程堆疊
32、34‧‧‧波導區段
40‧‧‧結構
48‧‧‧層
50‧‧‧光子晶片
52‧‧‧電子組件
54‧‧‧光學組件
70‧‧‧系統
72、74‧‧‧光學組件
76、78‧‧‧波導
80‧‧‧波導彎件
82、84、86、88‧‧‧波導-至-波導耦接器
r1、r2‧‧‧內半徑
V‧‧‧頂點
被併入並構成說明書的一部分的伴隨圖式例示該發明的各種實施例，並且連接上方所給定的該發明的一般性描述及下方所給定的實施例的詳細描述，作為解釋該發明的該實施例。
第1圖是依據該發明的實施例包括波導配置的光子晶片在處理方法的製作階段的頂視圖。
第1A圖是波導配置被包括在第1圖的該光子晶片的一部分的概括視圖。
第2圖是該波導配置大致上沿著第1圖中的線2-2所取用的剖面視圖。
第3圖是該波導配置在接續於第2圖的製作階段的剖面視圖。
第4至8圖是依據該發明的不同實施例用於光子晶片的波導配置的類似於第1圖的頂視圖。
第9圖是依據該發明的不同實施例的波導配置的類似於第3圖的剖面視圖。
第10圖是依據該發明的不同實施例具有波導配置的光子晶片的頂視圖。
第11圖是該波導配置大致上沿著第10圖中的線11-11所取用的剖面視圖。
第12圖是依據該發明的實施例的包括系統的光子晶片的概括頂視圖，其中，一些層已經省略，以為了清楚描述。
第13圖是該系統大致上沿著第12圖中的線13-13所取用的一部分的剖面視圖。
第14圖是該系統大致上沿著第12圖中的線14-14所取用的一部分的剖面視圖。
第15圖是依據該發明的實施例的包括系統的光子晶片的概括頂視圖。
參考第1、1A、2圖並依據該發明的實施例，結構10包括配置在絕緣體上覆矽(SOI)晶圓的埋置氧化物(BOX)層20上方的波導12、波導14、波導彎件16和波導彎件18，並且，介電層22、24、26是配置在該BOX層20的頂表面上的多層堆疊中。該結構10可位在該SOI晶圓的區域中，在該區域中，該裝置層的單晶矽已經被圖案化，以形成該波導彎件18。該介電層22、24、26是配置在直立方向介於該波導12、波導14、波導彎件16和該波導彎件18之間。
該BOX層20可由例如二氧化矽(例如，SiO2)的電性絕緣體組成，並且位在該SOI晶圓的基底21上方。該介電層22和該介電層26由藉由原子層沉積(ALD)或化學氣相沉積(CVD)沉積的例如二氧化矽(SiO2)的介電材料所組成。該介電層24可由藉由原子層沉積(ALD)或化學氣相沉
積(CVD)沉積的例如矽氮化物(Si3N4)的介電材料組成。該BOX層20和介電層22、24、26可運作如針對該結構10提供局限的下方包覆件。
該波導12、14和該波導彎件16配置在直立方向在該BOX層20和介電層22、24、26上方。該波導彎件16的一個末端相鄰於該波導12，而相對末端相鄰於該波導14，使得該波導彎件16將該波導12連接至該波導14。該波導彎件16的功能是改變光學訊號從例如波導12內的初始方向傳播通過該結構至波導14內的不同方向的傳播方向。該波導彎件16的內半徑r1可從頂點V起相對於彎曲的內表面17測量，其可以是也包括彎曲的外表面19之環形物的扇區，該彎曲的外表面19的外半徑大於內半徑r1。該波導彎件16可彎曲成弧形，其具有等於90°的中心角，但也可考慮其它中心角和弧形長度。該波導12、波導14和波導彎件16可由藉由化學氣相沉積(CVD)加以沉積並從該沉積的層的介電材料藉由微影和蝕刻程序圖案化的例如矽氮化物(Si3N4)的介電材料組成。
該波導彎件18配置在直立方向在該BOX層20上方並在該介電層22、24、26之下。在該代表性實施例中，該波導彎件18與該波導彎件16具有不接觸並且重疊的關係，並且不與該波導12、波導14和波導彎件16連接。具有彎曲的內表面27和彎曲的外表面29的該波導彎件18可配置成與該波導彎件16重疊。該波導彎件18可具有內半徑r2和外半徑，該內半徑r2可測量為從頂點V相對於該彎曲的內表面27的距離，而該外半徑可為測量在該彎曲的外表面29與該頂點V之間的距離，其大於該內半徑r2。該波導彎件18在其彎曲的長度處可具有不變的寬度，並且該波導彎件18在其彎曲的長度處的寬度可小於該波導彎件16在其彎曲的長度處的寬度。該波導彎件18的該外半徑可等於該寬度和該內半徑的總和。在該代表性實施例中，該波導彎件18在該彎曲的內表面27處的該內
半徑大於該波導彎件16在該彎曲的內表面17處的該內半徑，而該波導彎件18在該彎曲的外表面29處的該外半徑小於該波導彎件16在該彎曲的外表面19處的該外半徑。在不同的實施例中，該波導彎件18的寬度可大於或等於該波導彎件16的寬度。在不同的實施例中，可調整該重疊及/或寬度，使得該波導彎件18的該彎曲的內表面27處的該內半徑小於該波導彎件16的該彎曲的內表面17處的該內半徑及/或該重疊可予以偏移，使得該波導彎件18的該彎曲的內表面27處的該外半徑小於該波導彎件16的該彎曲的內表面17處的該外半徑。
在實施例中，該波導彎件18在其內表面27及/或外表面29具有弧形長度，其與該波導彎件16在其內表面17及/或外表面19的弧形長度是同心或實質地同心。該波導彎件18的中心角可等於、或實質地等於該波導彎件16的中心角。該波導彎件18可以彎曲如弧形，該弧形的中心角等於90°，但該發明的實施例也可考慮其它中心角。
該波導彎件18的形狀可特性化為環形物的扇區，其中該波導彎件18在其內和外半徑的弧形長度是代表個別圓形的周界的一部分。在不同的實施例中，該波導彎件18可依據另一個型式的曲線予以成形，例如，具有由等式或公式所描述的複雜曲率的曲線，例如，正弦函數、餘弦函數、平滑曲線函數、尤拉螺旋函數等，其提供缺乏不變曲率的絕熱彎曲。在實施例中，該波導彎件18的曲率可等於或同樣於該波導彎件16的曲率。在不同的實施例中，該波導彎件18的曲率可不同於該波導彎件16的曲率。
該波導彎件16和該波導彎件18貢獻於形成混合的異種波導結構。在實施例中，該波導彎件18由該SOI晶圓的該裝置層的單晶半導體材料組成，並且於該波導12、波導14和波導彎件16被圖案化前，由微影和蝕刻加以圖案化。在實施例中，該波導彎件18可由單晶矽組成。
參考第3圖，其中，相同元件符號是指第2圖中的相同特徵，並且，在處理方法的後續製作階段中，該結構10可復包括介電層30，該介電層30是形成在該結構10上方，並且填充該波導12、波導14與波導彎件16之間的空隙。該介電層30的成分可不同於該波導彎件18的材料。組成該介電層30的介電材料與構成該波導12、波導14和波導彎件16的介電材料可具有不同成分。舉例來說，該介電層30可由例如二氧化矽(SiO2)的介電材料組成，該介電材料由使用臭氧(O2)和四乙基矽酸鹽(TEOS)的化學氣相沉積加以沉積並以化學機械研磨(CMP)加以平坦化。
後段製程堆疊(大致上由元件符號31所指示)可形成在該介電層30上方。該後段製程堆疊31可包括由低-k介電材料或超-低-k介電材料組成的一個或更多個介電層。該後段製程堆疊31也可包括金屬化(metallization)，其例如由銅或鈷(其可配置在該一個或更多個介電層除了該結構10上方的位置處)組成。
在本文所描述的它的實施例的任何一者中，該結構10可被整合至光子晶片50(第1圖)中，其包括電子組件52和其它類型的光學組件54。舉例來說，該光子晶片50可整合代表光學組件54的一個或更多個光偵測器，其接收由該結構10所承載的光學訊號，並且將那些光學訊號轉換成可由該電子組件52處理的電子訊號。該電子組件52可包括由使用該SOI晶圓的該裝置層的CMOS前段製程程序製作的場效電晶體。
參考第4圖，其中，相同元件符號是指第1圖中的相同特徵，並且依據該發明的不同實施例，該結構10的該波導彎件18可被修改成添加波導區段32和波導區段34，該波導區段32配置在該波導彎件18的末端，而該波導區段34配置在該波導彎件18的相對末端。該波導區段32、34相鄰於該波導彎件18的相對末端，並且分別地終止在配置在該波
導12、14之下的頂端或末端。該波導區段32、34可於藉由圖案化該單晶半導體材料(例如，單晶矽)形成該波導彎件18時加以形成，並且，在實施例中，與該波導彎件18同時地形成。該波導區段32、34是配置在直立方向在該BOX層20和介電層22、24、26之下。
該波導區段32具有長度L1，並且可為直或線性的、而沒有彎曲或彎折，以使該波導區段32實質地對準平行於該波導12。該波導區段34具有長度L2，並且可為直或線性的、而沒有彎曲或彎折，以使該波導區段34實質地對準平行於該波導14。該波導區段32、34的各者在其個別長度處均可具有不變寬度。在該代表性實施例中，該波導區段32、34沿著它們個別的長度具有均勻的寬度，該寬度等於該波導彎件18的寬度。在實施例中，該波導彎件18的曲率可等於或同樣於該波導彎件16的曲率。在不同的實施例中，該波導彎件18的曲率可不同於該波導彎件16的曲率。
參考第5圖，其中，相同元件符號是指第1圖中的相同特徵，並且依據該發明的不同實施例，該波導區段32、34的一者或兩者可沿著它們個別長度的至少一部分是彎曲的，而不是線性的和直的。在該代表性實施例，該波導區段32的曲率相同於該波導區段34的曲率，並且，該波導區段32、34朝相對於該波導彎件18之曲率方向的曲率方向彎曲。在不同的實施例中，該波導區段32的曲率可不同於該波導區段34的曲率。
參考第6圖，其中，相同元件符號是指第1圖中的相同特徵，並且依據該發明的不同實施例，該波導區段32、34的一者或兩者可沿著它們個別的長度的至少一部分加以錐形化，並且延伸而終止於頂端，但不具有沿著它們個別的長度的均勻寬度。在實施例中，該波導區段32、34的寬度隨著從具有該波導區段32、34的該波導彎件18的距離增加而減少，該波導區段32、34在它們與該波導彎件18交接處具有最大的個別寬度。
在實施例中，該錐形化波導區段32、34也可如第5圖所示而彎曲，以提供錐形化和曲率的組合。在實施例中，該波導彎件18的曲率可等於或同樣於該波導彎件16的曲率。在不同的實施例中，該波導彎件18的曲率可不同於該波導彎件16的曲率。
參考第7圖，其中，相同元件符號是指第1圖中的相同特徵，並且依據該發明的不同實施例，波導彎件16a和波導彎件18a可具有弧形長度及它們的中心角的數值，其提供大於90°的光傳播的方向中的改變。舉例來說，該方向中的改變可為180°。該波導彎件18a可視為包括複數個個別區段，各者像是該波導彎件18，其為串接成幫助在該波導彎件16a中傳播光學訊號的局限。舉例來說，具有相同曲率半徑和90°中心角的一對該波導彎件18可接合並串接，以形成該波導彎件18a。在實施例中，該波導彎件18a的曲率可等於或同樣於該波導彎件16a的曲率。在不同的實施例中，該波導彎件18a的曲率可不同於該波導彎件16a的曲率。
參考第8圖，其中，相同元件符號是指第1圖中的相同特徵，並且依據該發明的不同實施例，該波導彎件18的利用可延伸至其它類型的彎曲結構，例如，環共振器和陣列式波導光柵。舉例來說，波導彎件18b可為環，其與也為環形的結構40實質地同心。該波導彎件18b的曲率半徑小於該結構40的曲率半徑，其可為環共振器的函數。該波導彎件18b和該結構40可具有其它形狀，例如，橢圓形狀，其為非圓形。
參考第9圖，其中，相同元件符號是指第3圖中的相同特徵，並且依據該發明的不同實施例，可對用以圖案化該單晶半導體材料以形成該波導彎件18的蝕刻程序加以控制，以使該裝置層的部分地蝕刻的單晶半導體材料的層48是配置在該BOX層上。該層48在該直立方向(也就是，y-方向)餘留下來的厚度是部分蝕刻的結果，並且小於該裝置層的原始
厚度。包括由部分地蝕刻的單晶半導體材料組成的該波導彎件18的該結構10可被修改成具有如第4-8圖的任一者中所顯示的建構。
參考第10、11圖，其中，相同元件符號是指第1圖中的相同特徵，並且依據該發明的不同實施例，可改變該波導彎件18的成分，以使該波導彎件18是由介電材料組成，並且可改變該波導12、14和波導彎件16的成分，以使該波導12、14和波導彎件16是由被完全地蝕刻或部分地蝕刻的單晶半導體材料組成。該波導彎件18是配置在直立方向在該BOX層20和介電層22、24、26上方，而該波導彎件16是配置在直立方向在該BOX層20和介電層22、24、26之下。該介電層30和該後段製程堆疊31可形成在該結構10上方，如第3圖的上下文中所描述的。
在該代表性實施例中，雖然該發明的該實施例並非如此地限制，但該波導彎件18在寬度上比該波導彎件16窄。包括由介電材料組成的該波導彎件18的該結構10可被修改成具有如第4-8圖的任一者中所顯示的建構，並且，該波導12、14和波導彎件16可包括部分地蝕刻的單晶半導體材料，如第9圖中所顯示的。
相較於其中沒有該波導彎件18的配置，本文中所描述的該波導彎件18的該實施例可改進橫向磁性模式在該波導彎件16的該核心中的光學訊號的局限，並且藉此可降低該波導彎件16中歸因於例如輻射耗損和模式失配耗損的彎件耗損。該波導彎件16與該波導彎件18之間的耦接可改進光學訊號的模式局限，其可引致降低的輻射耗損通過該彎件。額外地，該波導彎件18可幫助限制該模式場進入該波導彎件16的該核心中，其可引致模式失配耗損減小。該混合的異種波導結構可透過引進該波導彎件18而縮減該波導彎件16的彎件半徑，而使得彎曲耗損減小。
參考第12、13、14圖，其中，相同元件符號是指第1-3圖中的相同特徵，並且依據該發明的不同實施例，該光子晶片50可包括平台或系統70，其基於不同材料而整合光學組件。該系統70包括一組光學組件72、一組光學組件74、波導76、波導78、波導彎件80、將該光學組件72連接至該波導76的波導-至-波導耦接器82、將該光學組件74連接至該波導78的波導-至-波導耦接器84、將該波導76連接至該波導彎件80的波導-至-波導耦接器86、以及將該波導76連接至該波導彎件80的波導-至-波導耦接器88。該光學組件72和該光學組件74可從相同的材料形成，例如，單晶半導體材料(例如，單晶矽)。在不同的實施例中，該光學組件72與該光學組件74可從不同的材料形成。該介電層30和該後段製程堆疊31可形成在該系統70上方，如第3圖的上下文中所描述的。
該光學組件72由該波導76、波導78、波導彎件80、以及波導-至-波導耦接器82、84、86、88的配置而耦接至該光學組件74，以用於傳送在該光子晶片50上傳播的光學訊號。該波導76、78可為直的光學組件，而該波導彎件80可在該波導76、78中傳播的光學訊號的方向提供180°改變。該波導76、波導78、波導彎件80、以及波導-至-波導耦接器82、84、86、88也構成該系統70的光學組件。
該波導76可從不同於形成該光學組件72的材料的介電材料形成，例如，矽氮化物，並且，該波導-至-波導耦接器82可介入，以在該波導76與該光學組件72之間傳送傳播的光學訊號。該波導78可從不同於形成該光學組件74的材料的介電材料形成，例如，矽氮化物，並且，該波導-至-波導耦接器84可介入，以在該波導78與該光學組件74之間傳送傳播的光學訊號。在實施例中，該波導76、78可從該構成的介電材料(例如，矽氮化物)的完全地蝕刻的層形成。在不同的實施例中，該波導76、78
可從該構成的介電材料(例如，矽氮化物)的部分地蝕刻的層(其包括下方未蝕刻連接層)形成。
該波導彎件80可從單晶半導體材料(例如，從SOI晶圓的該裝置層的完全地蝕刻的單晶矽)形成。該波導-至-波導耦接器86可介入，以在從介電材料(例如，矽氮化物)形成的該波導76與不是從介電材料形成的該波導彎件80之間傳送傳播的光學訊號。該波導-至-波導耦接器88可介入，以在從介電材料(例如，矽氮化物)形成的該波導78與不是從介電材料形成的該波導彎件80之間傳送傳播的光學訊號。
該波導-至-波導耦接器82允許該光學組件72的材料不同於該波導76的材料，而該波導-至-波導耦接器84允許該光學組件72的材料不同於該波導76的材料。該波導-至-波導耦接器86允許該波導彎件80的材料不同於該波導76的材料，而該波導-至-波導耦接器88允許該波導彎件80的材料不同於該波導78的材料。在該代表性實施例中，該波導-至-波導耦接器82、84、86、88的各者均包括錐化件及另一個錐化件，該錐化件由該光學組件72、74和波導彎件80的完全地蝕刻的單晶半導體材料組成，而該另一個錐化件由該波導76、78的該介電材料組成，其中，該等錐化件相對於彼此配置，以提昇傳播的光學訊號的傳送。透過該波導-至-波導耦接器82、84、86、88的使用，該波導76、78不必一定要從單晶半導體材料(例如，從SOI晶圓的該裝置層的單晶矽)形成，而是可從介電材料(例如，矽氮化物)形成，其可允許減小該系統70的占晶面積及/或降低行進通過該系統70的光學訊號的傳播耗損。
在不同的實施例中，該波導76、78可從部分地蝕刻的單晶半導體材料(例如，從SOI晶圓的該裝置層的部分地蝕刻的單晶矽)形成。在不同的實施例中，只有該波導76可從部分地蝕刻的單晶半導體材料(例
如，從SOI晶圓的該裝置層的部分地蝕刻的單晶矽)形成。在不同的實施例中，該光學組件72、74可從部分地蝕刻的單晶半導體材料(例如，從SOI晶圓的該裝置層的部分地蝕刻的單晶矽)形成。在不同的實施例中，該光學組件72可從完全地蝕刻的單晶半導體材料(例如，從SOI晶圓的該裝置層的完全地蝕刻的單晶矽)形成，並且，該光學組件74可從部分地蝕刻的單晶半導體材料(例如，從SOI晶圓的該裝置層的部分地蝕刻的單晶矽)形成。在不同的實施例中，該光學組件72可從完全地蝕刻的單晶半導體材料(例如，從SOI晶圓的該裝置層的完全地蝕刻的單晶矽)形成，該光學組件74可從部分地蝕刻的單晶半導體材料(例如，從SOI晶圓的該裝置層的部分地蝕刻的單晶矽)形成，而該波導76可從部分地蝕刻的單晶半導體材料形成。
在不同的實施例中，該波導76和該光學組件72可從部分地蝕刻的單晶半導體材料(例如，從SOI晶圓的該裝置層的部分地蝕刻的單晶矽)形成，而該波導78和該光學組件74可從部分地蝕刻的單晶半導體材料(例如，從SOI晶圓的該裝置層的部分地蝕刻的單晶矽)形成。因為該波導76和該光學組件72是從相同材料形成，故該波導-至-波導耦接器82可予以消除，而因為該波導78和該光學組件74是從相同材料形成，故該波導-至-波導耦接器84可消除。
在不同的實施例中，該光學組件72、74可從例如矽氮化物的介電材料形成。因為該波導76與該光學組件72是從相同介電材料形成，並且，該波導78與該光學組件74是從相同介電材料形成，所以該波導-至-波導耦接器82、84兩者均可消除。
在不同的實施例中，該光學組件72、74和該波導76可從部分地蝕刻的單晶半導體材料(例如，從SOI晶圓的該裝置層的部分地蝕刻的
單晶矽)形成。因為該波導76與該光學組件72是從相同材料形成，所以該波導-至-波導耦接器82可消除。
在不同的實施例中，該光學組件74可從介電材料(例如，矽氮化物)形成，而該光學組件72和波導76可從部分地蝕刻的單晶半導體材料(例如，從SOI晶圓的該裝置層的部分地蝕刻的單晶矽)形成。因為該波導76和該光學組件72是從相同材料形成，所以該波導-至-波導耦接器82可消除。因為該波導78和該光學組件74是從相同材料形成，所以該波導-至-波導耦接器84可消除。
在不同的實施例中，該光學組件72可從完全地蝕刻的單晶半導體材料(例如，從SOI晶圓的該裝置層的完全地蝕刻的單晶矽)形成，該光學組件74可從部分地蝕刻的單晶半導體材料(例如，從SOI晶圓的該裝置層的部分地蝕刻的單晶矽)形成，而該波導76、78兩者均可從部分地蝕刻的單晶半導體材料(例如，從SOI晶圓的該裝置層的部分地蝕刻的單晶矽)形成。因為該波導78和該光學組件74是從相同材料形成，所以該波導-至-波導耦接器84可消除。
在不同的實施例中，該光學組件74可從部分地蝕刻的單晶半導體材料(例如，從SOI晶圓的該裝置層的部分地蝕刻的單晶矽)形成，而該波導78可從部分地蝕刻的單晶半導體材料形成。因為該波導78和該光學組件74是從相同材料形成，所以該波導-至-波導耦接器84可消除。
在不同的實施例中，該光學組件72可從完全地蝕刻的單晶半導體材料(例如，從SOI晶圓的該裝置層的完全地蝕刻的單晶矽)形成，而該光學組件74可從介電材料(例如，矽氮化物)形成。因為該波導78和該光學組件74是從相同材料形成，所以該波導-至-波導耦接器84可消除。
在不同的實施例中，該光學組件74可從介電材料(例如，矽氮化物)形成，而該波導76可從部分地蝕刻的單晶半導體材料(例如，從SOI晶圓的該裝置層的部分地蝕刻的單晶矽)形成。因為該波導78與該光學組件74是從相同材料形成，所以該波導-至-波導耦接器84可消除。
在不同的實施例中，該光學組件74可從介電材料(例如，矽氮化物)形成，而該光學組件72可從部分地蝕刻的單晶半導體材料(例如，從SOI晶圓的該裝置層的部分地蝕刻的單晶矽)形成。因為該波導78和該光學組件74是從相同材料形成，所以該波導-至-波導耦接器84可消除。
參考第15圖，其中，相同元件符號是指第12圖中的相同特徵，並且依據該發明的不同實施例，該系統70的該波導彎件80可由依據第7圖的該波導彎件加以模型化的波導彎件90取代。堆疊的波導彎件16a、18a對波導彎件80有益。額外地，該波導76、78可由該波導彎件16a、18a的任一者的不同材料構成。舉例來說，該波導76、78可含有部分地蝕刻的介電材料(例如，矽氮化物)，但該波導彎件80可包括從完全地蝕刻的單晶半導體材料(例如，單晶矽)形成的波導彎件16a以及從完全地蝕刻的介電材料(例如，矽氮化物)形成的波導彎件18a，如第1-3圖的上下文中所描述的。
可藉由例示、而不是限制的意思來制定本文中所參考的術語，例如，「直立」、「水平」「側面」等，以建立參考的框架。例如「水平」和「側面」的術語是指與半導體基底的頂表面平行的平面中的方向，不論其真正的三維空間朝向。例如「垂直」和「法向」的術語是指與該「水平」方向垂直的方向。例如「上方」和「下方」的術語指示元件或結構相對於彼此及/或相對於該半導體基底的該頂表面的定位，而不是相對高度。
「連接」或「耦接」至另一個元件的特徵可直接地連接或耦接至該其它元件，或者，可出現一個或更多個中介元件。如果沒有出現中介元件，特徵可「直接地連接」或「直接地耦接」至另一個元件。如果出現至少一個中介元件，特徵可「間接地連接」或「間接地耦接」至另一個元件。
本發明的各種實施例的描述已經呈現，以為了例示，但不意圖窮盡或限制至所揭露的該實施例。許多修飾和變化對於本領域中具有通常技術者而言是明顯的，而不致於偏離該描述的實施例的範疇和精神。本文中所使用的術語是經過選擇，以最佳地解釋該實施例的原則、優於市場上所發現的技術的實際應用或技術改進、或致能本領域中具有通常技術者得以了解本文中所揭露的該實施例。
10:結構
12、14:波導
16、18:波導彎件
17、27:內表面
19、29:外表面
26:介電層
50:光子晶片
52:電子組件
54:光學組件
Claims (18)
- 一種包括波導彎件的結構，該結構包含：波導；第一波導彎件，相鄰於該波導，該第一波導彎件具有內表面，該內表面彎曲成具有第一弧長的第一弧形；以及第二波導彎件，在直立方向與該第一波導彎件隔開，該第二波導彎件與該第一波導彎件在側面方向具有第一重疊配置，該第二波導彎件具有內表面，該內表面彎曲成具有第二弧長的第二弧形，其中，該第二波導彎件的該內表面在具有該第二弧長的該第二弧形處與該第一波導彎件的該內表面在具有該第一弧長的該第一弧形處是同心。
- 如申請專利範圍第1項所述之結構，其中，該第一波導彎件配置在該第二波導彎件上方，該第一波導彎件由矽氮化物構成，而該第二波導彎件由單晶半導體材料構成。
- 如申請專利範圍第1項所述之結構，其中，該第二波導彎件配置在該第一波導彎件上方，該第一波導彎件由單晶半導體材料構成，而該第二波導彎件由矽氮化物構成。
- 如申請專利範圍第1項所述之結構，其中，該第一波導彎件沿著具有第一中心角的該第一弧形延伸，該第二波導彎件沿著具有第二中心角的該第二弧形延伸，而該第一中心角等於該第二中心角。
- 如申請專利範圍第1項所述之結構，其中，該第一波導彎件配置在該第二波導彎件上方，該第二波導彎件具有第一末端，並且進一步包含：第一波導區段，相鄰於該第二波導彎件的該第一末端，該波導配置在該第一波導區段上方。
- 如申請專利範圍第5項所述之結構，其中，該波導沿長度方向是直的，該第一波導區段沿長度方向是直的並且對準平行於該波導，該第二波導彎件具有第二末端，該第一波導區段包括配置在該波導下方的終止頂端，並且進一步包含：第二波導區段，相鄰於該第二波導彎件的該第二末端，其中，該第二波導區段沿長度方向是直的，並且該第二波導區段包括配置在該波導下方的終止頂端。
- 如申請專利範圍第5項所述之結構，其中，該波導沿長度方向是直的，而該第一波導區段沿長度方向是彎曲的。
- 如申請專利範圍第5項所述之結構，其中，該波導沿長度方向是直的，而該第一波導區段在與該第二波導彎件的相對方向沿長度方向是彎曲的。
- 如申請專利範圍第5項所述之結構，其中，該第一波導區段具有長度和沿著該長度錐形化的寬度。
- 如申請專利範圍第1項所述之結構，其中，該第二波導彎件具有由等式或公式所描述的複雜曲率。
- 如申請專利範圍第1項所述之結構，進一步包含：第三波導彎件，在該直立方向與該第一波導彎件隔開並相鄰於該第二波導彎件，該第三波導彎件與該第一波導彎件在該側面方向具有第二重疊配置。
- 一種整合含有不同材料的光學組件的系統，該系統包含：波導彎件，由完全地蝕刻的單晶半導體材料構成；第一複數個光學組件；第二複數個光學組件； 第一波導，配置以將該第一複數個光學組件耦接至該波導彎件；第二波導，配置以將該第二複數個光學組件耦接至該波導彎件；以及第一波導-至-波導耦接器，將該第一波導耦接至該波導彎件。
- 如申請專利範圍第12項所述之系統，進一步包含：第二波導-至-波導耦接器，將該第二波導耦接至該波導彎件。
- 如申請專利範圍第12項所述之系統，其中，該第一波導由部分地蝕刻的單晶半導體材料或矽氮化物構成，而該第二波導由部分地蝕刻的單晶半導體材料或矽氮化物構成。
- 如申請專利範圍第12項所述之系統，其中，該第一波導由矽氮化物構成，而該第一波導-至-波導耦接器組構以將該第一波導的該矽氮化物耦接至該波導彎件的該完全地蝕刻的單晶半導體材料。
- 一種製作包括波導彎件之結構的方法，該方法包含：形成波導和相鄰於該波導的第一波導彎件；以及形成與該第一波導彎件在直立方向隔開並且與該第一波導彎件在側面方向重疊的第二波導彎件，其中，該第一波導彎件具有內表面，該內表面彎曲成具有第一弧長的第一弧形，該第二波導彎件具有內表面，該內表面彎曲成具有第二弧長的第二弧形，並且該第二波導彎件的該內表面在具有該第二弧長的該第二弧形處與該第一波導彎件的該內表面在具有該第一弧長的該第一弧形處是同心。
- 如申請專利範圍第16項所述之方法，其中，形成與該第一波導彎件在直立方向隔開並且與該第一波導彎件在側面方向重疊的第二波導彎件進一步包含： 以第一微影和蝕刻程序圖案化絕緣體上覆矽晶圓的裝置層，該第一微影和蝕刻程序在直立方向完全地蝕刻通過該裝置層，以形成該第二波導彎件。
- 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中，形成該波導和相鄰於該波導的該第一波導彎件進一步包含：沉積一層矽氮化物；以及以第二微影和蝕刻程序圖案化該層矽氮化物，以形成該波導和該第一波導彎件。
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