專利名稱：用于高速光i/o應用的集成光接收器結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明實施例涉及光接收器，更具體地，涉及具有用于改善光纖的對準容限的嵌 入式錐形的集成光接收器。
背景技術(shù)：
光纖與硅波導之間的有效的光耦合是基于硅的光設(shè)備和電路應用所非常期望的。 由于硅波導系統(tǒng)的高折射率反差，獲得好的光纖-硅波導耦合可能是一個挑戰(zhàn)。在光通信中，通過其頻率通常位于電磁波頻譜的可見光或者近紅外區(qū)域的光載波 發(fā)送信息。具有這種高頻率的載波有時被稱為光信號、光載波或者光波信號。典型的光通 信網(wǎng)絡(luò)包括若干光纖，每一個都可以包括多個信道。信道是電磁信號的特定頻帶，有時被稱 為波長。當今技術(shù)的改進包括集成電路(或芯片)級的光通信。這是因為集成電路具有在 計算機系統(tǒng)中有吸引力的尺寸優(yōu)勢。有時設(shè)計者在兩個芯片之間、芯片和系統(tǒng)中的管芯之 間或者兩個管芯之間耦合光信號(光線)。這傳統(tǒng)地利用光纖耦合管芯或者芯片上的波導 之間的光線來實現(xiàn)。利用光纖耦合管芯或者芯片上的波導之間的光線的一個局限是該耦合方法趨向 于效率低。一個原因就是因為光纖和芯片或者管芯上的典型波導之間的物理尺寸差異。光 纖趨向于比波導大得多。因為尺寸差異，光信號耦合效率很低。亦即，來自于更大直徑光纖 的光線不能很好地適合于小波導。結(jié)果可能是接收到的光線強級(light level)如此之低 以至于光信號中的數(shù)據(jù)流中的單個比特變得不可分辨。當發(fā)生這種情況時，接收部件就不 能從數(shù)據(jù)流中恢復信息?？梢酝ㄟ^將透鏡耦合到光纖或者在光線和波導之間設(shè)置透鏡將光信號聚焦到波 導中來提高耦合效率。然而，利用了透鏡的耦合效率很普通。其他耦合方法最多得到也很 普通的效率。該限制還伴隨著另一個挑戰(zhàn)，例如從較大光纖所支持的光模式到波導所支持的較 小光模式的有效耦合。模式是光代表性的(cross-sectional)能量分布(高斯分布)，由波 導(光纖，二維波導)和光線波長的尺寸來定義。在較大光纖中具有大的光模式，在較小波 導中具有較小光模式。此外，從光纖到小的管芯上的波導的耦合要求非常精準的對準。這通常是通過 專門的精準人工對準過程實現(xiàn)的。這種專門的對準過程通常很昂貴并限制了實際體積 (volume)0目前，對于用于高速應用的基于低成本多模式光纖(MMF)的光接收器而言，存在 一個基本問題。為了實現(xiàn)光檢測器(PD)的高速，例如25(ib/S或更高的操作，通常要求檢測 器的有源區(qū)域很小。然而，為了有效地將光線從MMF耦合到包含光檢測器和潛在的光多路 分配器的基于半導體波導的芯片中，將大波導尺寸用于低成本無源對準所需的大的未對準 容限。
當結(jié)合附圖閱讀下面的裝置的詳細說明和示意性實施例以及權(quán)利要求(這些都 形成為本發(fā)明的公開內(nèi)容的一部分)時，本發(fā)明的前述以及更好的理解將變得清楚。雖然 前述部分和下面成文的和詳細說明的公開內(nèi)容集中于公開本發(fā)明的裝置和示意性實施例， 應當清楚地理解這僅僅是作為說明和舉例，本發(fā)明并不局限于此。圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的集成光接收器的剖面?zhèn)纫晥D；圖2是用于形成圖1中所示的光接收器的絕緣體上硅(SOI)襯底的圖示；圖3是示出錐形的蝕刻的SOI晶片的側(cè)視圖；圖4是示出用于鏡的V槽的蝕刻的SOI晶片的側(cè)視圖；圖5是示出全內(nèi)反射鏡的奧迪爾層(odile layer)的沉積的SOI晶片的側(cè)視圖；圖6是其上結(jié)合有硅晶片的SOI晶片的側(cè)視圖；圖7是圖6中所示的SOI翻轉(zhuǎn)后的側(cè)視圖，將其翻轉(zhuǎn)以便對如圖1所示的光檢測 器(PD)和可選光柵進行進一步的硅光子學處理；圖8是示出單模式條件下集成光接收器的V槽鏡結(jié)構(gòu)的模型(modeling)光損失 的圖表；以及圖9是示出多模式條件下集成光接收器的V槽鏡結(jié)構(gòu)的模型光損失的圖表。
具體實施例方式所述的是集成接收器光接收器結(jié)構(gòu)，用以解決多模式光纖(MMF)和硅芯片之間的 光耦合以及硅多路分配器和高速光檢測器的集成的問題。提出的結(jié)構(gòu)可以用于數(shù)據(jù)速率為 25(ib/S或更高的基于并行和波分復用(WDM) 二者的光鏈路。本說明書全文中提到的“一個實施例”或“實施例”意味著結(jié)合該實施例說明的特 定特征、結(jié)構(gòu)或特點包括在本發(fā)明至少一個實施例中。因此，在本說明書全文中不同地方出 現(xiàn)的短語“在一個實施例中”或“在實施例中”未必指向相同的實施例。此外，特定特征、結(jié) 構(gòu)或特點可以以任何合適的方式結(jié)合于一個或者多個實施例中?，F(xiàn)在參考圖1，其示出根據(jù)本發(fā)明一個實施例的光接收器。光接收器100包括硅晶 片部分102，其上設(shè)置有全內(nèi)反射(TIR)鏡結(jié)構(gòu)104。波導部分106包括寬端，來自于光纖， 例如多模式光纖108的光線可以輸入該寬端。光線可以通過透鏡110聚焦。波導106包括 錐形112，波導在此處從底部變窄。IlR結(jié)構(gòu)包括具有反射表面的楔形物114，以引導平行于 襯底102傳播的光線向上反射到高速光檢測器116，如箭頭所示。如圖所示，還可以可選地 將硅多路分配器118制備到波導106中。例如，多路分配器可以包括衍射光柵，例如所示的 蝕刻中階梯光柵。蝕刻中階梯光柵能夠?qū)文：投嗄９馐M行多路分解。圖1中所示的集成硅芯片可以制備在絕緣體上硅(SOI)襯底上。對于平行鏈路應 用，可以不包括多路分配器。硅錐形112輸入端在寬端上具有20-30um的高度，用于在MMF 108與具有塑料透鏡110的芯片之間進行有效的耦合。在錐形之后的末段波導106的高度 是 IOum0 錐形可以例如通過使用 Optics Express vol. 11，no. 26,3555-3561 (2003)(在 此通過參考將其結(jié)合到本文中)中所述的灰度技術(shù)來制備。注意到，由于從MMF 108入射的多模光束的可能的模態(tài)濾波效應(光損失)，末端波導的尺寸應當很可能不小。IlR反射鏡部分104用于將來自波導的光線垂直地耦合到生 長于硅之上的高速鍺(Ge)檢測器116。這樣的Ge PD 116的制備技術(shù)已經(jīng)被廣為接受。因 為來自于錐形波導的入射到Ge PD的光線可以從檢測器中的Ge層之上的金屬觸點反射，在 Ge有源區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了雙光通路。這導致用于較高速度的較薄的Ge膜的較高的量子效率。Ge 厚度為 1. 5um的檢測器的估計速度為> 20GHz，這對于25(ib/S的應用是有利的。圖2-7示出了根據(jù)一個實施例的所提出的集成硅接收器芯片的制備步驟?，F(xiàn)在參 考圖2，絕緣體上硅(SOI)晶片包括硅襯底、埋氧(BOX)層202和BOX層202上的硅處理層 (silicon handle layer) 204o在一個實施例中，Si層204可以大約為20_30um厚。這個厚 度當然可以隨應用的不同而不同。犧牲氧化硬掩模(HM)層206可以位于Si層204之上。在圖3中，圖1的波導的錐形部分被蝕刻穿過HM層206并且部分穿過Si層204， 達到大約IOum的蝕刻深度。蝕刻部分通?？梢栽谝欢耸蔷匦蔚?，在另一端是錐形的。在圖 4中，可以進一步從Si層204蝕刻出V槽400，用于之后形成圖1中所示的鍥形鏡114。例 如，可以利用氫氧化鉀(KOH)濕法蝕刻技術(shù)蝕刻V槽400。在一些實施例中V槽400蝕刻可 以達到埋氧(BOX)層202或留下薄的硅層(0. 5-lum)用于之后的Ge生長。在圖5中，用氧化物500填充蝕刻溝槽，隨后對其進行化學機械平坦化(CMP)。氧 化物包括圖1所示的全內(nèi)反射(TIR)鏡。在圖6中，將使平坦化的晶片與單獨的硅晶片102晶片結(jié)合。在晶片結(jié)合之后， SOI晶片的初始處理晶片200將被去除。如圖7所示，可以將整個裝置翻轉(zhuǎn)。處理晶片200 的去除產(chǎn)生了利用BOX 202作為硬掩模的新晶片。硬掩模(HM)BOX層202可以用于如圖1 所示的中階梯光柵118和Ge光檢測器(PD)的進一步的處理，其處理技術(shù)是本領(lǐng)域公知的?，F(xiàn)在參考圖8和圖9，分別在單模式和多模式入射(launching)條件下對V槽鏡結(jié) 構(gòu)的光損失進行建模。V槽角度為54. 7度時，圖8的單模式情況顯示了幾乎沒有光損失。 如圖9所示，對于具有0-5個模式入射的多模式情況而言，光損失很小，只有-0. 36dB。還注 意到，即使對于V槽鏡具有Ium未蝕刻的硅層的情況，光損失仍然很小。也就是說，大部分 光線在鏡面上反射了，且被引導到PD 116。本發(fā)明的示例性實施例的上述說明，包括摘要中所述內(nèi)容，并不試圖窮舉或者將 本發(fā)明限制在所公開的精確形式。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到的，雖然這里所描述的本發(fā) 明的特定實施例和實例是為了舉例說明的目的，在本發(fā)明的范圍之內(nèi)的各種等同變化都是 可能的?？梢愿鶕?jù)上述詳細說明對本發(fā)明進行這些修改。下面的權(quán)利要求中所使用的術(shù)語 不應當被解釋為將本發(fā)明限制在說明書和權(quán)利要求書中所公開的特定實施例。相反，本發(fā) 明的范圍完全由后面的權(quán)利要求來確定，而權(quán)利要求將根據(jù)權(quán)利要求解釋的已有原則來理解。
權(quán)利要求
1.一種裝置，包括 硅襯底；所述硅襯底上方的全內(nèi)反射(TIR)鏡結(jié)構(gòu)，所述TIR鏡結(jié)構(gòu)包括第一部分和比所述第 一部分更厚的第二部分；錐形部分，其在所述IlR鏡結(jié)構(gòu)的所述第一部分和所述第二部分之間過渡； V槽楔形物，其與所述TIR鏡結(jié)構(gòu)的所述第二部分是一體的； 波導，其位于所述IlR鏡結(jié)構(gòu)之上；以及 光檢測器(PD)，其制備在所述波導上方，緊鄰所述V槽楔形物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，進一步包括多路分配器，其形成于所述V槽楔形物前面的所述波導中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光檢測器包括高速鍺光檢測器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述多路分配器包括衍射光柵。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中所述衍射光柵包括能夠多路分解單模式和多模式 光束的蝕刻中階梯光柵。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述波導包括厚度大約為20-30um的輸入端。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述錐形之后的厚度大約為IOum厚。
8.一種用于制造集成光接收器的方法，包括提供絕緣體上硅(SOI)晶片，其包括硅處理層、埋氧(BOX)層、硅波導層和硬掩模(HM) 氧化物層；在所述HM層和所述硅波導層中蝕刻出錐形； 在所述硅層的一部分中蝕刻出V槽；用氧化物填充錐形和所述V槽以形成全內(nèi)反射(TIR)鏡結(jié)構(gòu)；對所述IlR鏡結(jié)構(gòu)進行平坦化；將硅晶片結(jié)合到所述TIR鏡結(jié)構(gòu)；將所述SOI晶片翻轉(zhuǎn)過來；除去所述硅處理層；以及將高速光檢測器(PD)制備到所述V槽上方。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，進一步包括 將多路分配器制備到所述硅波導層中。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述光檢測器包括鍺(Ge)光檢測器。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述多路分配器包括衍射光柵。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述衍射光柵包括能夠多路分解單模式和多模 式光束的蝕刻中階梯光柵。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述錐形包括厚度大約為20-30um的寬端和厚度 大約為IOum的較窄端。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述V槽被蝕刻到所述BOX層。
15.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中對所述V槽的蝕刻未達到所述BOX層。
16.一種集成光接收器系統(tǒng)，包括 硅襯底；所述硅襯底上方的全內(nèi)反射(TIR)鏡結(jié)構(gòu)；所述IlR鏡結(jié)構(gòu)上方的硅波導，所述硅波導具有寬的輸入端，該輸入端逐漸錐化到較 窄端，該輸入端用于接收來自多模光纖的光線；光檢測器，其制備在所述波導的所述較窄端的一部分上方；以及 所述TIR鏡結(jié)構(gòu)上、所述光檢測器下方的楔形物部分，用于將光線向上反射到所述光 檢測器。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，進一步包括 所述多模光纖和所述硅波導輸入端之間的透鏡。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，進一步包括 形成于所述波導中、所述楔形物之前的多路分配器。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述光檢測器是鍺光檢測器。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述多路分配器是中階梯光柵。全文摘要
一種集成光接收器結(jié)構(gòu)，可以用于耦合多模光纖(MMF)和硅芯片之間的光線，其中所述硅芯片包括硅多路分配器和高速鍺光檢測器的集成。所提出的結(jié)構(gòu)可以用于基于并行和波分復用(WDM)的數(shù)據(jù)速率到達或超過25Gb/s的光鏈路。
文檔編號G02B6/136GK102116913SQ201010625059
公開日2011年7月6日 申請日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者A·劉 申請人:英特爾公司