專利名稱：光學芯片層間光學連接器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光學芯片，特別涉及具有多層光導的光學芯片，其中來自一個層中的光導的光需要與另一層中的光導連接。
背景技術：
光學芯片具有用于引導光的各種光導。光導可簡單地傳輸光，這些光導為一般單模式光導，或者它們可以被配置為執(zhí)行特別的功能，此時，它們一般不是單模式。
現(xiàn)有技術中的光學芯片一般只具有包含多個光導的單個層，即，光的傳輸限于此層中。已出現(xiàn)了一些具有包含多個光導的多個層的光學芯片。但是，這些芯片的功能受到從一個層向另一層傳輸光的困難的限制。
在一些現(xiàn)有技術中的光學芯片中，將其中設置光導的層之間的中間層制成足夠薄，使得當一個層中的光導與另一層中的光導相交時，來自第一層的光可以與第二層耦合。但不幸的是，當需要光從一個層耦合到另一層時，這種光學芯片只能被設計為使得一個層中的光導只與另一層的光導相交。結果，大大限制了可能的設計。
在其它這種現(xiàn)有芯片中，在要求光從一個層到另一層將會穿過的點的附近，絕熱地(adiabatically)減少光導的寬度。為了實現(xiàn)光的合理耦合，必須在幾百微米量級的長度上減少寬度。不幸的是，這樣做在這種光學芯片上減少了光導的潛在密度(potential density)。更不幸的是，這樣做將光的模式延伸到包覆材料中，因而存在光將會竄入襯底中或以不希望的方式與其它層耦合的危險。結果，需要更大的包覆區(qū)，由此進一步降低潛在密度。

發(fā)明內容
發(fā)明人已認識到，通過用發(fā)明人稱為“光學通路”的部件在所需連接點上互連各層中的光導，可以在所需的連接點上在兩個或更多個層之間使光耦合。光學通路位于層中被連接的光導之間，否則所述層工作用于將包含光導的各層光絕緣。
這種光學通路可以由折射率有助于光導之間的光耦合的材料制成。例如，這種材料的折射率可以與與其互連的光導基本相同。當光導是具有基本相同的折射率的單晶硅或多晶硅時，一個示例性的這種材料是多晶硅。在本發(fā)明的一個示例性實施例中，第一層的光導是晶體硅，第二光導的光導是多晶硅，而通路在某種意義是多晶硅波導的延伸。作為替代方案，光學通路材料的折射率可以與與光學通路互連的光導的折射率大大不同。并且，可以使用不同的光學材料以構成單個光學通路。在這種情況下，基于例如通路中的材料的百分比的所用材料的折射率的加權平均值可以作為用于該光學通路的有效折射率。對于本發(fā)明的任何實施例，通路的折射率需要比包覆層大，使得光被引導。該折射率優(yōu)選但不必須接近光導中的至少一個的折射率。
并且，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，光學通路上的互連部分的幾何尺寸被配置為使得不但光學通路在與單模式光導的交迭部分組合時作為多模式波導工作，而且單模式光導的交迭部分也作為多模式光導工作。這種多模式工作允許穿過一個光導的光在穿過光學通路的過程中使自身重新成像并繼續(xù)在其它光導中行進。
其優(yōu)點在于，通過使用這種通路，各層之間的光的耦合可得到控制，使得各層的光導可自由交迭，同時可以使用更小的尺寸。這些優(yōu)點是由于不需要平緩錐度(gradual taper)而實現(xiàn)的。并且，由于不將光的模式延伸入包覆材料中，因此最大程度地減少了光在交點竄入襯底中的危險。因此，可以實現(xiàn)更大的設計自由度和更致密的器件。


在附圖中，圖1表示穿過在至少兩個不同層上具有光導的示例性光學芯片的一些光導的斷面圖，至少一對光導根據(jù)本發(fā)明的原理通過光學通路被互連；
圖2表示圖1的光學芯片的另一斷面圖；圖3表示給出將通過光學通路被耦合的單模式光導的高度時、確定光學通路的高度和長度的示例性方法的流程圖；圖4表示根據(jù)本發(fā)明的原理、用于制造兩個層位上的光導和它們之間的至少一個光學通路的示例性方法的概要；圖5表示根據(jù)本發(fā)明的原理、在通過至少一個光學通路連接的至少兩個不同層上具有光導的另一光學芯片的斷面圖；圖6表示根據(jù)本發(fā)明的原理、在通過至少一個光學通路連接的至少兩個不同層上具有光導的另一光學芯片的斷面圖；圖7表示根據(jù)本發(fā)明的原理、在通過至少一個光學通路連接的至少三個不同層上具有光導的另一光學芯片的斷面圖。
具體實施例方式
以下僅說明本發(fā)明的原理。因此可以理解，本領域技術人員可以設計體現(xiàn)本發(fā)明的原理并包含在其精神和范圍內的各種配置，盡管這里沒有明確說明和示出該各種配置。并且，這里記載的所有例子和附有條件的語言的目的主要在于幫助讀者理解本發(fā)明的原理和由發(fā)明者提供的用于更好地說明技術的概念，而不應被解釋為對于這種特定記載的例子和條件的限定。并且，這里記載本發(fā)明的原理、方面和實施例以及其特定例子的所有陳述的目的在于同時包含其結構上和功能上的等同物。另外，這些等同物同時包含當前公知的等同物以及在未來發(fā)展的等同物，即，發(fā)展的執(zhí)行相同功能的任何元件，不管其結構如何。
因此，例如，本領域技術人員將理解，這里的任何框圖表示體現(xiàn)本發(fā)明的原理的示例性電路的概念視圖。類似地，應當理解，任何流程圖、程序框圖、狀態(tài)變換圖、偽碼等表示基本上可在計算機可讀介質中表示并由計算機或處理器執(zhí)行的各種方法，不管這種計算機或處理器是否被明確示出。
在其權利要求書中，表示為用于執(zhí)行特定功能的裝置的任何元件都應包含執(zhí)行該功能的任何方式。它可以包含例如，a)執(zhí)行該功能的電學或機械元件的組合；或者b)任何形式的軟件，該軟件因此包含與用于執(zhí)行該軟件以執(zhí)行該功能的適當電路組合的固件、微代碼等以及與任何可能的軟件控制電路耦合的機械元件。由這些權利要求限定的本發(fā)明存在這樣一種事實，即，由各種記載的裝置提供的功能被以權利要求書所要求的方式組合和集合。申請人因此將可以提供這些功能的任何裝置看作與這里所示出的那些等同。
除非這里另有明確規(guī)定，各附圖不按比例繪制。
在說明書，不同的附圖中的相同編號的部件表示相同的部件。
圖1表示穿過示例性光學芯片100的一些光導的斷面圖，該光學芯片100在至少兩個不同的層上具有光導，至少一對光導根據(jù)本發(fā)明的原理通過光學通路被互連。圖1中的光導與紙平面垂直。圖1中所示的是a)硅襯底101；b)第一包覆層103，例如，SiO2層；c)第一層光導105，包含第一層光導105-1和105-2；d)光學通路107；e)第二層光導109，包含第二層光導109-1和109-2；和f)第二包覆層111，例如，SiO2層。一般地，根據(jù)本發(fā)明的原理，光學通路107將來自第一層光導105-1的光與第二層光導109-1耦合。并且，第一層光導105和第二層光導109一般為單模式光導。光學通路107位于在用于隔離包含光導的各個層的層中被連接的光導之間。注意，圖中僅示出一個代表性的通路107，但在特定應用需要時可以實施任何數(shù)量的該通路。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，光學通路107由折射率有助于光導之間的光耦合的材料制成。例如，該材料的折射率可以與與其互連的光導基本相同。
當光導105和109是折射率基本相同的單晶硅或多晶硅時，光學通路107所用的一個示例性材料是多晶硅。在本發(fā)明的一個示例性實施例中，當光導105是晶體硅時，第二光導109是多晶硅，通路107也是多晶硅。在本發(fā)明的該實施例中，通路107的外觀可以為第二光導109的垂直延伸，它們在該第二光導109之間耦合光。在使用特定的晶體生長技術構造光學芯片100的情況下，這種配置將是有用的。
當光導105和109是氮化硅(SiN)時，光學通路107可以同樣為SiN?？捎糜诠鈱Щ蚬鈱W通路的其它示例性材料包含鍺和鍺化硅(SiGe)。注意，組合材料中的各材料的濃度可以沿光路改變，包含沿光學通路107中的一個的邊界或內部改變。本領域技術人員可以很容易地開發(fā)適于不同應用的光導和通路的各種配置。
并且，根據(jù)本發(fā)明的一方面，光學通路107的幾何尺寸被配置為使得當與第一層光導105的交迭部分組合時，光和第二層光導109作為多模式波導工作。這種多模式波導允許在第一層光導105或第二層光導109中的一個行進的光在光學通路107中重新成像，并繼續(xù)在第一層光導105或第二層光導109中的另一個中行進。
圖2表示在至少兩個不同層上具有光導的光學芯片100的另一斷面圖。圖2中所示的斷面圖使得可以看到在光學芯片100中行進的光將會采用的路徑。具體而言，在第一層光導105中從左至右行進的光將在第一層光導105內的行進路徑的端部附近遇到光學通路107。由于在第一層光導105和光學通路107之間折射率基本匹配、光導和通路之間的界面幾何尺寸適當、以及通路自身的幾何尺寸適當，因此第一層光導105內的光向上行進到光學通路107中。向上行進到光學通路107中的光然后遇到第二層光導109，該光在其中重新成像，然后繼續(xù)在第二層光導109中從左向右行進。
根據(jù)本領域中的一般教導以及1995年4月的光波技術雜志(Journal of Lightwave Technology)第13卷第4期第615-627頁中發(fā)表的Lucas B.Soldano和Erik C.M.Pennings的“基于自成像的光學多模式界面器件原理與應用(Optical Multi-Mode InterferenceDevices Based on Self-ImagingPrinciples and Applications)”的特定教導，本領域技術人員將很容易理解工作時允許光將自身重新成像并由此從第一層光導105向上行進到光學通路107中的光的電磁方程和性能。其中的教導僅用于面內行進。但發(fā)明人已認識到，可以使用其中教導的相同類型的模式激勵解釋這里公開的面外光的耦合的根據(jù)。
幸運的是，通過使用這種光學通路，可以控制各層之間的光的耦合，使得可以自由交迭各層的光導。更幸運的是，由于消除了現(xiàn)有技術中對于光導的平緩錐度的要求，因此可以使用比現(xiàn)有技術配置可能的尺寸更小的尺寸。并且，由于光的模式?jīng)]有被延伸到包覆材料中，因此消除了光線在交點竄入襯底的危險。因此，可以實現(xiàn)設計自由度更大和更致密的器件。
圖3示出在給出準備由光學通路耦合的單模式光導的高度時、用于確定該光學通路的高度和長度的示例性方法的流程圖。該方法在步驟301開始，在該步驟中，提供光學芯片的各種參數(shù)，包含單模式光導的高度和制成光導和光學通路的材料的性能。在步驟303中，例如通過將單模式高度hsm乘以例如5的因子，初步推測多模式區(qū)的高度h。如果不同層光導具有不同的模式高度，那么采用各單模式高度的平均值。該因子為使得在具有這種高度的波導中行進的光將具有多個模式。由于在最大模式受激發(fā)時自成像最佳，5是該因子的較好的選擇，因為它平衡了模式的數(shù)量和對于提供這種光學器件的合理尺寸的需要。
下面，在步驟305中，作為初步推測和光導和光學通路之間的界面的材料的折射率的函數(shù)，估算光導和光學通路之間的交迭的長度L。在不同材料通過界面連接的情況下，可以使用折射率的平均值，由此可得到適當?shù)慕Y果?？梢酝ㄟ^計算L＝(4nh2)/3λ，進行這種估算，這里，L是待求的長度，n是折射率，h是高度的初步推測，λ是所關心的工作波長。
然后，在步驟307中開始，使用商用的傳播的模式的模擬器改進初步估算。一個這種模擬器是可從Concept to Volume B.V.(C2V)(http//www.c2v.nl)得到的OylmpIOs。在向該軟件提供諸如光導和光學通路的幾何尺寸、高度的初步推測、長度的估算和材料性能等必需參數(shù)后，該軟件返回特別關心的光場、功率輸出，例如與第二單模式光導耦合的功率。具體而言，由此在步驟307中，在得到當前指定的參數(shù)后，該模擬器確定單模式輸出功率。
然后，條件分支點309進行檢驗，以確定由模擬器確定的輸出功率是否可接受。由于一般要求供給的所有輸入功率作為輸出功率，因此可接受的輸出功率將是輸入功率的某個指定百分比，例如99％。
在任何應用中可接受的特定的輸出功率可以由執(zhí)行者規(guī)定。如果在步驟309中的檢驗結果是“否”，則表示輸出功率是不可接受的，則控制前進到步驟311，在該步驟311中，例如作為當前值的微調(perturbation)，形成用于h和L的新值。這種微調可以是數(shù)值上的較小的增加或減少。本領域技術人員將很容易認識到如何在步驟311的各種實施方法中以較小的增量調整h和L，以覆蓋h和L的合理的可能范圍。如果步驟309中的試驗結果是“是”，則表示輸出功率是可接受的，控制前進到步驟313，并且h和L的當前值得到使用。然后該方法從步驟315中退出。
在h和L的整個合理范圍都已得到檢驗、但沒有發(fā)現(xiàn)可接受的用于輸出功率的值的情況下，執(zhí)行者可以為發(fā)現(xiàn)的最佳功率選擇h和L的值。
本領域技術人員可很容易地使圖3中所示的方法適應各光導不具有相同幾何尺寸的應用。例如，可以使用耦合的兩個光導的平均高度，以代替圖3中提到的單一高度。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明的原理、兩個層位上的光導和它們之間的至少一個光學通路的示例性制造方法的概要。該方法用常規(guī)硅絕緣體晶片在步驟401開始。在步驟403中，以這樣一種常規(guī)方式制成第一層光導，即，對所需的結構進行構圖，并蝕刻掉在SOI晶片的絕緣體上淀積的不需要保留在第一波導層例如其中存在第一光導105(圖1)的層中的所有硅材料。然后，在步驟405中，在第一層光導之上淀積用于將第一層光導和第二層光導光絕緣的包覆層例如SiO2層。在步驟407中，通過使用公知的化學機械拋光(CMP)技術，將得到的層的暴露表面拋光平整。在步驟409中，在SiO2層的已平整表面上對需要光學通路的位置進行構圖，使得同樣作為步驟409的一部分而得到執(zhí)行的蝕刻僅在需要與第二層連接的位置上去除覆蓋第一層光導的SiO2。在步驟411中，在蝕刻表面之上以共形的方式涂敷折射率有助于各光導之間的光耦合的材料的層，使得該材料填充由上面的蝕刻過程留下的孔，并涂敷晶片的未蝕刻部分。在步驟413中，例如再使用公知的化學機械拋光(CMP)技術將得到的層的暴露表面拋光，使其高度降低到已淀積的包覆層的高度。在步驟415中，在包覆層的已平整表面上淀積將成為第二光導的材料的層。最后，在步驟417中，在將形成第二光導的材料上對第二層光導進行構圖，并然后對其進行蝕刻以形成第二層光導。在步驟419中，在第二層光導之上淀積最后的包覆層。注意，根據(jù)布局，第一層包覆層可以與第二層包覆層相遇并保持連續(xù)。
圖5示出根據(jù)本發(fā)明的原理、具有通過至少一個光學通路連接的至少兩個不同層上的光導的光學芯片500的斷面圖。圖5中的視圖與圖2相似。在圖5中，光學通路507不僅用于產(chǎn)生從光導505到光導509的連接，還用于產(chǎn)生從光導505到光導515的連接。這是通過調整通路507的長度L使得其產(chǎn)生兩個圖像作為輸出而實現(xiàn)的。例如，該長度可以為圖2中的相同配置所用的長度的一半。但是，功率守恒將各個得到的圖像限制為來自光導505的初始輸入圖像的功率的最多僅一半。并且，光學芯片500可以作為將來自光導509和515的信號耦合到光導505中的耦合器以相反方向工作。
圖6示出根據(jù)本發(fā)明的原理、具有通過至少一個光學通路連接的至少兩個不同層上的光導的光學芯片600的斷面圖。圖6中的視圖與圖5相似。如圖5那樣，光學通路507不僅用于產(chǎn)生從光導505到光導509的連接，還用于產(chǎn)生從光導505到光導515的連接。這是通過調整通路507的長度L使得其產(chǎn)生兩個圖像作為輸出而實現(xiàn)的。例如，該長度可以為圖2中的相同配置所用的長度的一半。但是，功率守恒將各個得到的圖像限制為來自光導505的初始輸入圖像的功率的最多僅一半。
另外，光學通路507為在光導515中從右到左行進的光產(chǎn)生從光導515到光導505和605的連接。類似地，光學通路507用于為在光導509中從右到左行進的光產(chǎn)生從光導509到光導505和605的連接。
并且，光學芯片600可以作為將來自光導509和515的信號同時耦合到光導505和605中的耦合器以相反方向工作。它還可以同時將來自光導505和605的光耦合到光導509和515中。
圖7示出根據(jù)本發(fā)明的原理、具有通過至少一個光學通路連接的至少兩個不同層上的光導的光學芯片700的斷面圖。圖7中的視圖與圖2相似。在圖7中，光學通路707不僅用于產(chǎn)生從光導705到光導709的連接，還用于產(chǎn)生從光導705到第三層中的光導719的連接。這是通過選擇通路707的長度L和高度h使得其產(chǎn)生兩個圖像作為輸出而實現(xiàn)的。但是，功率守恒將各個得到的圖像限制為來自光導705的初始輸入圖像的功率的最多僅一半。并且，光學芯片700可以作為將來自光導709和719的信號耦合到光導705中的耦合器以相反方向工作。
權利要求
1.一種光學芯片，在至少兩個不同層的至少每一個上具有至少一個光導，所述光學芯片包含至少一個光學通路，該光學通路包含折射率有助于將所述至少兩個不同層的所述光導之間的光光耦合的材料。
2.權利要求1所述的光學芯片，其中，所述光學通路是所述層中的一個中的所述光導中的至少一個的延伸。
3.權利要求1所述的光學芯片，其中，該材料的所述折射率與與其互連的光導的折射率基本相同。
4.權利要求1所述的光學芯片，其中，所述材料是選自包含晶體硅、多晶硅、氮化硅(SiN)、鍺、和鍺化硅(SiGe)的組中的一種。
5.權利要求1所述的光學芯片，其中，構成所述光導的至少一個的材料在整個與所述光學通路的交迭區(qū)域中不是基本均勻的。
6.權利要求1所述的光學芯片，其中，所述第一層的所述光導的至少一個包含晶體硅，并且所述第二層的所述光導的至少一個包含多晶硅。
7.權利要求1所述的光學芯片，其中，所述光學通路作為多模式光導工作。
8.權利要求1所述的光學芯片，其中，所述光導是單模式光導。
9.權利要求1所述的光學芯片，其中，所述光導的至少一個是在與所述光學通路交迭的區(qū)域中作為多模式光導工作的單模式光導。
10.一種光學芯片的操作方法，該光學芯片包含第一層上的第一光導；和第二層上的第二光導；所述方法包含以下步驟在所述第一和第二光導之間的光學通路上，使在所述第一光導中行進進入所述第二光導的光的至少一部分重新成像。
全文摘要
通過用“光學通路”在所需的連接點互連各層的光導，在光學芯片的光導的兩層或更多層光導之間使光耦合。光學通路位于層中被連接的光導之間，否則所述層工作用于將包含光導的各層光絕緣。這種光學通路可以由折射率有助于使光導之間的光光耦合的材料制成。光學通路的互連部分的幾體尺寸被配置為使得在一個光導中行進的光在穿過光學通路時重新成像并繼續(xù)在其它光導中行進。
文檔編號G02B6/255GK1752779SQ20051010412
公開日2006年3月29日 申請日期2005年9月19日 優(yōu)先權日2004年9月20日
發(fā)明者克里斯蒂·凱·馬德森 申請人:朗迅科技公司