光波导路由构造及其方法转让专利
申请号 : CN202010082325.4
文献号 : CN111552029B
文献日 : 2021-08-10
发明人 : D·马格雷夫特 , 罗英 , 林世运 , 李金铉
申请人 : 菲尼萨公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种光波导,包括:
硅部分,所述硅部分包括减小所述硅部分的宽度的锥部;
位于所述硅部分上方的氮化硅部分;和弯曲部,所述弯曲部位于所述锥部附近,其中所述锥部将行进通过所述光波导的光信号从多模改变为单模,以允许将所述光信号路由通过所述弯曲部。
2.根据权利要求1所述的光波导,其中所述氮化硅部分将行进通过所述光波导的所述光信号限制在所述硅部分中。
3.根据权利要求1所述的光波导,其中所述氮化硅部分沿着所述锥部的长度延伸并且包括沿着所述锥部的长度保持相同的宽度。
4.根据权利要求1所述的光波导,其中所述硅部分包括在所述锥部的第一侧上的第一宽度和在所述锥部的第二侧上的第二宽度,所述第二侧与所述第一侧相对,并且所述第二宽度小于所述氮化硅部分的宽度。
5.根据权利要求1所述的光波导,其中所述锥部将所述光波导在加载单模或多模波导至单模波导之间进行过渡。
6.根据权利要求1所述的光波导,其中所述光波导在加载单模或多模波导至单模波导之间过渡。
7.根据权利要求1所述的光波导,其中所述硅部分和所述氮化硅部分彼此间隔开来,使得所述硅部分中的光学模式被所述氮化硅部分横向地限制。
8.根据权利要求1所述的光波导,其中所述硅部分和所述氮化硅部分彼此间隔开来。
9.根据权利要求1所述的光波导,其中所述硅部分和所述氮化硅部分延伸与所述光波导相同的长度。
10.根据权利要求1所述的光波导,其中所述锥部的长度足够长以避免行进通过所述锥部的所述光信号的损失。
11.根据权利要求1所述的光波导,其中所述硅部分和所述氮化硅部分延伸通过所述弯曲部。
12.根据权利要求1所述的光波导,进一步包括掩埋氧化物部分,其中所述氮化硅部分和所述硅部分位于所述掩埋氧化物部分中。
13.一种光波导,其包括:硅部分,所述硅部分包括减小所述硅部分的宽度的锥部;
位于所述硅部分上方的氮化硅部分;和弯曲部分,其中所述硅部分和所述氮化硅部分延伸穿过所述弯曲部分,并且所述锥部在所述弯曲部之前减小所述硅部分的宽度。
14.一种光波导,其包括:加载单模或多模波导至单模波导之间的过渡部,所述过渡部包括:硅部分;
位于所述硅部分上方的氮化硅部分;和锥部,所述锥部减小所述硅部分的宽度;和弯曲部,所述弯曲部位于所述锥部附近,其中所述锥部将行进通过所述光波导的光信号从多模改变为单模,以允许将光信号路由通过所述弯曲部。
15.根据权利要求14所述的光波导,其中所述弯曲部改变所述光波导的方向。
16.根据权利要求14所述的光波导,还包括在单模波导与加载单模或多模波导之间的第二过渡部。
17.根据权利要求16所述的光波导,所述第二过渡部包括:第二硅部分;
位于所述第二硅部分上方的第二氮化硅部分;和第二锥部,所述第二锥部增加所述第二硅部分的宽度。
18.根据权利要求14所述的光波导,其中所述氮化硅部分将行进通过所述光波导的光信号限制在所述硅部分中。
19.根据权利要求14所述的光波导,其中所述氮化硅部分沿着所述锥部的长度延伸并且包括沿着所述锥的长度保持相同的宽度,并且所述锥部的所述长度足够长以避免行进通过所述锥部的所述光信号的损失。
说明书 :
光波导路由构造及其方法
技术领域
背景技术
光子组件或微光子元件。可使用现有的半导体制造技术来制造硅光子器件,并且由于硅已
经被用作某些集成电路的基板,因此能够创建混合器件,其中光学和电子元件被集成到单
个微芯片上。
号转换成光信号。光学网络是可实施本文所述的硅光子器件的一个环境示例。但是,所描述
的概念也可在其他情况下实施。例如,可在计算机处理、传感器、光学路由、信号处理或其他
合适的应用中实施硅光子器件。除非由上下文指示,否则本文公开的实施方式不限于任何
特定环境。
发明内容
硅部分中。所述氮化硅部分可沿着锥部的长度延伸并且可包括沿着锥部的长度保持基本相
同的宽度。硅部分可包括在锥部的第一侧上的第一宽度和在锥部的第二侧上的第二宽度,
所述第二侧与所述第一侧相对。锥部可使光波导在加载单模或多模波导(loaded single
mode or multimode waveguide)至单模波导之间进行过渡。光波导可在加载单模或多模波
导至单模波导之间过渡。
伸与光波导基本相同的长度。锥部可包括足够长的长度以基本上避免行进通过锥部的光信
号的损失。
可延伸穿过弯曲部。锥部可在弯曲部之前减小硅部分的宽度。光波导可包括掩埋氧化物部
分(buried oxide portion)。氮化硅部分和硅部分可位于掩埋氧化物部分中。
锥部。
氮化硅部分和增加第二硅部分的宽度的第二锥部。氮化硅部分可将行进通过光波导的光信
号限制在硅部分中。所述氮化硅部分可沿着锥部的长度延伸并且可包括沿着锥部的长度保
持基本相同的宽度,并且锥部的长度可是足够长以基本上避免行进通过锥部的光信号的损
失。
于帮助确定所要求保护的主题的保护范围。
附图说明
具体实施方式
使用现有的半导体制造技术来制造硅光子器件,并且由于硅已经被用作某些集成电路的基
板,因此能够创建混合器件,其中光学和电子元件被集成到单个微芯片上。
波导的构造,行进通过波导的光信号可能会由于各种原因而减少或损失。例如,行进通过硅
波导的光信号可能会遭遇散射损耗或传播损耗。
是,弯曲也会导致散射损耗或传播损耗。
下,单模亚微米硅波导中的传播损耗可能约为2dB/cm。因此,由于在芯和包覆层边界处的高
折射率对比度,即使在多模波导设计中,对于大型硅光子网络而言,波导的路由路径的传播
损耗也可能相对较高。
3μm的厚度的波导或SOI可导致0.1dB/cm的传播损耗。但是,较大或更粗的波导可能比较小
或更细的波导占用更多的空间。另外,较厚的波导可导致较低的波导密度,因为在给定区域
中会容纳更少量的波导。此外,较厚的波导可能需要相对较大的弯曲以避免散射损失(例
如,导致较大的占地面积),并减少了光学器件中的波导密度。
线边缘粗糙度来减少散射损耗。这样的构造可改善光信号的限制并减小散射损耗,但是会
增加制造复杂度和制造成本。
和单模波导之间提供低损耗或无损耗的过渡,其又可以实施用于波导路由的曲线、弧形或
弯曲。
在硅平板顶部上或上方具有氮化硅条带的波导。在这样的构造中,氮化硅条带可位于SOI层
顶部上或上方,从而导致在波导的芯中的相对较高的光学限制(和低的传播损耗),而无需
蚀刻步骤或其他昂贵且复杂的制造技术。例如,与常规的硅波导相比,行进通过加载波导的
光信号的模式可被主要限制在硅层或硅平板中,并且由于不会受到由于蚀刻的硅侧壁粗糙
度而导致的任何散射损失。可替代地,行进通过加载波导的光信号的模式将在氮化硅条带
的侧壁上遭受非常小的散射损耗。光信号可与氮化硅的侧壁有非常小的重叠,因此,加载波
导的散射损耗可能比常规的硅波导小得多。
化,这可大大降低制造成本。另外,所公开的实施方式对于工艺误差或工艺变化(例如,折射
率、层厚度以及氮化硅与硅之间的间隙控制的变化)可相对稳健(robust)。在一些示例中,
所公开的实施方式可实施于基于硅波导的复用器或解复用器、阵列波导光栅、级联的马赫
曾德干涉仪或其他光学器件中,以显着减小相位误差。
分108可定位在弯曲102和弯曲104之间,第三基本笔直部分110可定位在弯曲104之后。
管可实施其他构造。弯曲部104将波导100的方向从部分108处的第二方向改变为部分110处
的第三方向,其中第三方向横向于第二方向。如图所示,第三方向可垂直于第二方向,尽管
可实施其他构造。在所示的构造中,部分110平行于部分106延伸。部分108横向于或垂直于
部分106和108延伸。
硅加载波导过渡到单模波导。弯曲102可包括单模波导。在弯曲102之后,波导100可过渡回
到部分108处的单模氮化硅加载波导。在弯曲104之前,波导100可从部分108处的单模氮化
硅加载波导过渡到单模波导。弯曲部104可包括单模波导。在弯曲部104之后,波导100可过
渡回到部分110处的单模氮化硅加载波导。
可包括单模波导。在弯曲102之后,波导100可过渡回到部分108处的多模波导。在弯曲部分
104之前,波导100可从部分108处的多模波导过渡到单模波导。弯曲104可包括单模波导。在
弯曲104之后,波导100可过渡回到部分110处多模波导。
2dB/cm的传播损耗的常规波导相比)通过波导100的传播损耗可为约0.2dB/cm,不包括由波
导的锥部和弯曲引起的传播损耗。对于相对较薄的波导或SOI平台,由于减少了对行进通过
波导的光信号的总体限制,常规的硅波导可能具有较高的传播损耗。这样的传播损耗水平
可能太高而无法在大规模硅光子网络中实施,因为波导的布线长度可能很大(例如几十厘
米),并且因此其导致的传播损耗将太高。因此,对于大规模硅光子网络或其他应用,可期望
实施具有较低水平的传播损耗的构造,例如波导100的氮化硅加载波导构造。
分212。如图所示,氮化硅条带部分212可位于氧化物包覆层210(例如,氧化物栅或氧化物
层)中并被其包围。BOX层206可包括二氧化硅(SiO2)或其它合适的氧化物。
是600nm,尽管可实施其他构造。BOX层202可包括1.453的折射率,硅层204可包括3.476的折
射率,氧化物层206可包括1.452的折射率,氮化硅层208可包括1.933的折射率,氧化物包覆
层210可包括1.454的折射率,并且氮化硅条带部分212可包括1.928折射率。硅层204可以是
芯层,其中大部分光学模式被限制在硅层204中。氮化硅条带部分212可被图案化并且可以
以类似于肋状波导的方式为光学模式提供限制。可包括含有氮化硅层208和氧化物层206的
中间层以符合工艺或制造要求。
部分302。在图3中,X轴表示波导在第一方向上的尺寸,单位为微米,Y轴表示波导在第二方
向上的尺寸,单位为微米。图3还示出了行进通过波导300的光信号306的模强度,如标度
0.0‑1.0所示。
部分304中,因为与氮化硅相比,硅具有更高的折射率。实际上,氮化硅部分302与硅部分304
一起可用作肋状波导。在这样的构造中,因为顶部氮化硅部分302提供了横向限制,所以在
硅部分304中不需要蚀刻。在这样的构造中,行进通过硅部分304的光信号306基本上没有散
射损耗。
这样的构造中,可实施氮化硅部分302和硅部分304之间的较小间隙,以确保可通过氮化硅
部分302横向地限制硅层中的光学模式。
图4A‑4C中,X轴表示氮化硅的宽度,以微米为单位,并且Y轴可表示氮化硅加载波导中光学
模式的有效折射率。
波导的有效折射率是非常宽容的(例如,变化很小)。
光学模式变化小于0.0004。
模式变化小于0.0002。
17nm的间隙(以412表示)和27nm的间隙(以410表示)的波导的有效折射率的差异。如图所
示,对于10nm的间隙尺寸变化,有效折射率光学模式变化小于0.007。
波导的有效折射率变化很小。
为1.928的氮化硅(以414表示)与折射率为1.98的氮化硅的(以416表示)的模场直径的差
异。如图4D所示,光学模场直径主要由氮化硅宽度和硅的厚度决定,而受氮化硅折射率和氮
化硅厚度的影响较小。如图所示,当氮化硅的宽度为1.2μm时,模场直径最小。
渡部500可包括氮化硅部分502和硅部分504。氮化硅部分502可定位在硅部分504上方,例
如,如侧视截面图所示。波导过渡部500可包括掩埋氧化物(BOX)部分506,其中氮化硅部分
502和硅部分504位于掩埋氧化物部分50中。
导过渡部500的长度,并且可包括沿着波导过渡部500的长度保持基本相同的宽度。硅部分
504包括锥部508,例如硅部分504的宽度沿着波导过渡部500的长度而减小。特别地,硅部分
504包括在锥部508的第一侧上的第一宽度和在锥部508的第二侧上的第二宽度,第二侧与
第一侧相对。如图所示,第一宽度可大于第二宽度,并且锥部508可减小硅部分504的宽度。
将波导路由通过曲线、弧形或弯曲,如将在下面进一步详细描述的那样。附加地或替代地,
当波导被路由通过曲线、弧形或弯曲之后,波导过渡部500可允许波导在单模波导至加载单
模或多模波导之间金夏利过渡。
将波导路由通过曲线、弧形或弯曲。因此,锥部508可将光信号的模式从多模转换为单模。
可包括在侧面上的110nm深的蚀刻。锥部508之后的输出可是单模肋状硅波导,例如,在波导
的两侧上具有50nm厚的平板。
免行进通过锥部508的光信号的损耗。
的长度L1。如图6所示,可通过增加过渡部的长度来最大程度地减小损耗,并且在60微米或
更长的长度处,传输的信号的比例接近1,所以在这样的构造中几乎所有的光信号都被传输
通过波导过渡部500。
包括图5的波导过渡部500,以将光信号从多模改变为单模,以允许光信号被路由通过弯曲
702。波导700还包括第二波导过渡部550,其包括氮化硅部分552和硅部分554。波导过渡部
550可包括关于波导过渡部500所描述的任何方面。在弯曲702之后,波导过渡部550可将光
信号从单模光信号改变为加载波导光信号。
度,第二侧与第一侧相对。第一宽度可小于第二宽度,并且锥部可增加硅部分554的宽度。在
这种构造中,锥部可在弯曲702之后将光信号从单模光信号改变为加载波导光信号。因此,
过渡部550可将光波导在单模波导至加载单模或多模波导之间进行改变。
于波导路由的曲线、弧形或弯曲结合来实施。这样的构造可成本有效地实施并且可不需要
昂贵且复杂的制造技术。
导700的光信号的模式将被限制,并且将不会遭受任何实质性的散射损耗。
误差或工艺变化(例如,折射率、层厚度和氮化硅与硅之间的间隙控制的变化)可相对稳健。
在一些方面,波导700可被实施在基于硅波导的复用器或解复用器、阵列波导光栅、级联的
马赫曾德干涉仪或其他光学器件中。
硅部分中。氮化硅部分可沿着锥部的长度延伸,并且可包括沿着锥部的长度保持基本相同
的宽度。硅部分可包括在锥部的第一侧上的第一宽度和在锥部的与第一侧相对的第二侧上
的第二宽度。锥部可使光波导在加载单模或多模波导至单模波导之间进行过渡。光波导可
在加载单模或多模波导至单模波导过渡。
伸与光波导基本相同的长度。锥部可包括足够长的长度,以基本上避免行进通过锥部的光
信号的损失。
可延伸穿过弯曲部。锥部可在弯曲之前减小硅部分的宽度。光波导可包括掩埋氧化物部分。
氮化硅部分和硅部分可位于掩埋氧化物部分中。
锥部。
硅部分以及增加第二硅部分的宽度的第二锥部。氮化硅部分可将行进通过光波导的光信号
限制在硅部分中。所述氮化硅部分可沿着锥部的长度延伸,并且可包括沿着锥部的长度保
持基本相同的宽度,并且锥部的长度可以足够长,以基本上避免行进通过锥部的光信号的
损失。
象,除非上下文另外明确指示。因此,例如,提及“元件表面”包括提及一个或多个这样的表
面。
电信号转换成光信号的元件,反之亦然。
素),但不排除该特性旨在提供的效果。
的范围由所附权利要求而不是前面的说明表示。在权利要求的含义和等同范围内的所有变
化都包含在其范围内。