專利名稱：雙層熱調(diào)諧光學(xué)器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳送光信號的技術(shù)。更具體地說，本發(fā)明涉及具有可熱調(diào)諧的光波導(dǎo)的光學(xué)器件。
背景技術(shù)：
波分復(fù)用(WDM)廣泛用于在公共的光波導(dǎo)上，以不同的載波波長傳送調(diào)制數(shù)據(jù)。 WDM能夠克服光纖擁塞，光纖擁塞是包括每根光纖一個(gè)通道的并行光收發(fā)器的光模塊中的潛在問題。特別地，通過顯著減少每個(gè)光模塊的光纖數(shù)，WDM復(fù)用能夠簡化光模塊，從而降低其成本和尺寸。在密集WDM(DWDM)中，使用相鄰波長的窄間距。這一般是通過把數(shù)據(jù)直接調(diào)制到高度穩(wěn)定的光載波上，隨后把多個(gè)載波結(jié)合到光纖中實(shí)現(xiàn)的。DWDM允許在給定波段內(nèi)容納大量的通道，從而提供較高的性能。在DWDM中，各種光學(xué)器件被用作調(diào)制器、多路復(fù)用器(比如插入濾波器)，多路分解器(比如分出濾波器)，濾波器和交換機(jī)。為了補(bǔ)償制造變化，溫度變化和/或激光波長漂移，一般相對于給定通道的特定波長，對這些光學(xué)器件調(diào)相。取決于系統(tǒng)要求，需要至少180°的調(diào)諧范圍。熱調(diào)諧是一種流行的調(diào)諧技術(shù)，因?yàn)樗峁┊a(chǎn)生較大相移的能力?，F(xiàn)有的熱調(diào)諧技術(shù)包括直接加熱(由光波導(dǎo)中的摻雜實(shí)現(xiàn))和間接加熱(其中加熱器鄰近光波導(dǎo))。通常，與間接加熱相比，直接加熱技術(shù)能量效率更高，不過會(huì)阻礙光波導(dǎo)執(zhí)行另外的功能(由于關(guān)于摻雜密度的約束)，并且歸因于自由載流子吸收(它會(huì)降低光諧振器的品質(zhì)因數(shù))， 直接加熱會(huì)弓I入額外的光損失。原則上，可在硅襯底上制造光學(xué)器件，因?yàn)楣铻楣馔ㄐ艓碓S多益處。例如，硅和二氧化硅之間的高折射率對比度可用于產(chǎn)生亞微米波導(dǎo)，以封閉與單模光纖相比，空間密度高多達(dá)100倍的光。此外，通過利用絕緣體上硅(SOI)技術(shù)，硅波導(dǎo)可在四面都被二氧化硅環(huán)繞，這使低損耗的片上波導(dǎo)和有源器件(比如探測器和調(diào)制器)更容易。硅基光學(xué)器件可用于實(shí)現(xiàn)供WDM通信之用的各種光學(xué)組件。這些硅基光學(xué)器件提供各種優(yōu)點(diǎn)，包括小型化，低能量調(diào)制，在硅中與其它器件一體化的能力，和/或利用大型的現(xiàn)有硅生產(chǎn)基礎(chǔ)設(shè)施的能力。不幸的是，存在與硅基光學(xué)器件相關(guān)的許多問題。一個(gè)值得注意的問題是硅的熱導(dǎo)率高。盡管這有助于消除電路散發(fā)出的熱能，不過會(huì)使熱調(diào)諧硅基光學(xué)器件更加困難。 特別地，由于硅基光學(xué)器件的工作波長(比如光諧振器的諧振波長)極大地取決于溫度，因此，一般利用直接加熱或間接加熱改變硅基光學(xué)器件的工作溫度，調(diào)整工作波長。不過，硅的高熱導(dǎo)率導(dǎo)致與周圍環(huán)境的過度熱耦合。從而，硅基光學(xué)器件的熱調(diào)諧常常消耗不成比例的大量能量(通常，對180°的相移來說，50-100mW)。這種高功耗會(huì)抵消硅帶來的優(yōu)點(diǎn)， 使得更難以使用硅基光學(xué)器件在計(jì)算系統(tǒng)中(尤其是在具有光學(xué)器件的多個(gè)實(shí)例的系統(tǒng)中)實(shí)現(xiàn)光通信(例如，WDM)。
從而，需要一種沒有上述問題的能夠熱調(diào)諧的光學(xué)器件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供第一光學(xué)器件，所述第一光學(xué)器件包括襯底，沉積在襯底上的第一中間層，沉積在第一中間層上的第一半導(dǎo)體層(它包括加熱器)，沉積在第一半導(dǎo)體層上的第二中間層，和沉積在第二中間層上的第二半導(dǎo)體層(它包括可熱調(diào)諧的光波導(dǎo))。注意，在空間上使第一半導(dǎo)體層中的加熱器和第二半導(dǎo)體層中的光波導(dǎo)分離，可降低光波導(dǎo)中的光損失。另外，這種空間分離允許在光波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)另外的功能。在一些實(shí)施例中，第一光學(xué)器件還包括沉積在第二半導(dǎo)體層上的頂層(它包括從所述頂層的上表面到第一半導(dǎo)體層的一個(gè)或多個(gè)通孔)，和沉積在所述頂層上和所述一個(gè)或多個(gè)通孔中的電極。這些電極可與第一半導(dǎo)體層電耦合，并且可以與第二半導(dǎo)體層熱耦合。從而，所述電極可被配置成把熱量從加熱器傳導(dǎo)到光波導(dǎo)。此外，通過摻雜在第二半導(dǎo)體層中的光波導(dǎo)之下的第一半導(dǎo)體層，可限定第一半導(dǎo)體層中的加熱器。例如，第一半導(dǎo)體層可包括硅，第一半導(dǎo)體層的摻雜可約為1018/cm3。 此外，第一半導(dǎo)體層中的加熱器的寬度可大于第二半導(dǎo)體層中的光波導(dǎo)的寬度，從而使加熱器和光波導(dǎo)之間的熱傳遞更容易。對光波導(dǎo)中的180°相移來說，加熱器的功耗可以小于 10-20mW。注意，襯底、第一中間層、第一半導(dǎo)體層、第二中間層和第二半導(dǎo)體層構(gòu)成雙SOI 技術(shù)。此外，第二中間層和頂層可以是具有低光學(xué)折射率的電介質(zhì)材料，從而把光模式緊緊限制在第二半導(dǎo)體層中的光波導(dǎo)周圍。另外，第一中間層和頂層是電絕緣體，是熱導(dǎo)率低的電介質(zhì)材料。在一些實(shí)施例中，在第一半導(dǎo)體層中的加熱器的至少一部分之下的第一中間層中，存在間隙。通過減小襯底和加熱器之間的熱耦合，這些間隙可降低與光波導(dǎo)的熱調(diào)諧相關(guān)的功耗。另一個(gè)實(shí)施例提供第二光學(xué)器件，所述第二光學(xué)器件包括襯底，沉積在襯底上的第一中間層，沉積在第一中間層上的第一半導(dǎo)體層(它包括可熱調(diào)諧的光波導(dǎo))，沉積在第一半導(dǎo)體層上的第二中間層，和沉積在第二中間層上的第二半導(dǎo)體層(它包括加熱器)。例如，第二半導(dǎo)體層可包括多晶硅或非晶硅。另一個(gè)實(shí)施例提供具有第一光學(xué)器件或第二光學(xué)器件的多個(gè)實(shí)例的陣列。


圖1是圖解說明按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的可調(diào)諧光學(xué)器件的方框圖。圖2是圖解說明按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的可調(diào)諧光學(xué)器件的方框圖。圖3A是圖解說明按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的可調(diào)諧光學(xué)器件的方框圖。圖;3B是圖解說明按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的可調(diào)諧光學(xué)器件的方框圖。圖4是圖解說明按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的可調(diào)諧光學(xué)器件的方框圖。圖5是圖解說明按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的可調(diào)諧光學(xué)器件的方框圖。圖6A是圖解說明按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的可調(diào)諧光學(xué)器件的方框圖。
圖6B是圖解說明按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的可調(diào)諧光學(xué)器件的方框圖。圖7A是圖解說明按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的可調(diào)諧光學(xué)器件的方框圖。圖7B是圖解說明按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的可調(diào)諧光學(xué)器件的方框圖。圖8是圖解說明按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的可調(diào)諧光學(xué)器件的方框圖。圖9是圖解說明按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的制造光學(xué)器件的處理的流程圖。注意在附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示對應(yīng)的部分。
具體實(shí)施例方式提供下述說明是為了使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)和使用本發(fā)明，下述說明是在特定的應(yīng)用及其要求的上下文下進(jìn)行的。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，對所公開實(shí)施例的各種修改是顯而易見的，這里定義的一般原理可適用于其它實(shí)施例和應(yīng)用，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。從而，本發(fā)明并不局限于所示的實(shí)施例，相反應(yīng)被賦予與這里公開的原理和特征一致的最寬廣的范圍。下面說明光學(xué)器件，光學(xué)器件的陣列，和制造所述光學(xué)器件或陣列的技術(shù)的實(shí)施例。光學(xué)器件是利用兩個(gè)半導(dǎo)體層(比如硅)實(shí)現(xiàn)的，所述兩個(gè)半導(dǎo)體層之一包括加熱器，另一個(gè)包括可熱調(diào)諧的光波導(dǎo)。空間上分離光學(xué)器件中的這兩種功能導(dǎo)致相對于現(xiàn)有硅基光學(xué)器件來說，加熱器和光波導(dǎo)之間的熱傳遞更高效，對周圍環(huán)境的熱傳遞減小，和光波導(dǎo)中的光損失降低。此外，可用與現(xiàn)有硅基光學(xué)器件相比，明顯小得多的功耗(例如，低 10-100倍的功耗)，熱調(diào)諧光學(xué)器件。功耗的降低可便于實(shí)現(xiàn)使用通道間隔約50GHz的DWDM 的系統(tǒng)，以及包括光互連的高性能計(jì)算系統(tǒng)。此外，在這些系統(tǒng)中，光學(xué)器件可以減少組件的數(shù)目，降低成本，和/或增大可靠性?，F(xiàn)在說明包括光波導(dǎo)的光學(xué)器件的實(shí)施例。在硅上實(shí)現(xiàn)的光波導(dǎo)的熱調(diào)諧通常以硅的折射率隨著溫度而升高為基礎(chǔ)。通過改變光波導(dǎo)中的溫度，能夠調(diào)整所述折射率，以及光波導(dǎo)中的傳播激光的光相位(與折射率成比例)。為了實(shí)現(xiàn)高效的熱調(diào)諧，需要對于可獲得的加熱器功率，使光波導(dǎo)中的溫度變化達(dá)到最大。圖1是圖解說明可調(diào)諧光學(xué)器件100的橫截面視圖的方框圖。該光學(xué)器件包括 襯底110，沉積在襯底110上的中間層112，和沉積在中間層112上的半導(dǎo)體層114。所述半導(dǎo)體層包括可熱調(diào)諧的諧振光波導(dǎo)，如ρ/η結(jié)116所示(如圖2中所示，可用環(huán)形調(diào)制器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)，以致圖1中所示的Ρ/η結(jié)116的兩部分實(shí)際上是一個(gè)連續(xù)結(jié)構(gòu)的一部分)。 該光波導(dǎo)的諧振波長是ρ/η結(jié)116的溫度的函數(shù)。該光波導(dǎo)可包含在各種光學(xué)組件中，比如光濾波器，光多路復(fù)用器，光多路分解器和光分插器。在光學(xué)器件100中，中間層112被部分蝕刻，從而在半導(dǎo)體層114和襯底110之間產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)間隙118。例如，可通過去除中間層112的犧牲部分，制造所述一個(gè)或多個(gè)間隙118?？衫没瘜W(xué)蝕刻工藝去除所述犧牲部分，化學(xué)蝕刻工藝通過從半導(dǎo)體層114的頂部延伸到與中間層112相鄰的半導(dǎo)體層114的底部的一個(gè)或多個(gè)通孔122，接觸中間層 112。從而，一部分的半導(dǎo)體層114被底切，自支撐地位于一個(gè)或多個(gè)間隙118之上，半導(dǎo)體層114的中央部分由中間層112的剩余的中央部分支撐。注意，所述一個(gè)或多個(gè)間隙 118減小半導(dǎo)體層114和襯底110之間的熱耦合。如果在光波導(dǎo)中或者鄰近光波導(dǎo)，在半導(dǎo)體層114的自支撐(free-standing)部分上實(shí)現(xiàn)加熱器124，那么與光波導(dǎo)的熱調(diào)諧相關(guān)的功耗被降低，因?yàn)樗鲆粋€(gè)或多個(gè)間隙118的熱阻大于中間層112的熱阻(10倍以上)(從而允許在該界面兩側(cè)施加和保持更大的溫差)。例如，在該光波導(dǎo)中，對180°相移來說，加熱器的功耗可以小于10-20mW(至少比現(xiàn)有的光學(xué)器件低2. 5-5倍)。在一個(gè)例證實(shí)施例中，襯底110包括硅，中間層112包括氧化物(比如二氧化硅)， 和/或半導(dǎo)體層114包括硅。于是，襯底110，中間層112和半導(dǎo)體層114可構(gòu)成絕緣體上硅(SOI)技術(shù)。此外，硅半導(dǎo)體層114的厚度可為0.5微米，二氧化硅中間層的厚度為 0. 001-10微米。另外，所述一個(gè)或多個(gè)間隙118的側(cè)壁可被熱氧化，以避免散射損失。注意，一個(gè)或多個(gè)間隙118中的空氣具有與二氧化硅(1. 4ff/m-K)相比，低得多的熱導(dǎo)率(約0. 02W/m-K)，這能夠以IOx的因子(factor)降低相對于襯底110的熱發(fā)散。在一些實(shí)施例中，從所述一個(gè)或多個(gè)間隙118中至少部分除去空氣，以進(jìn)一步增大熱阻。例如，利用吸氣劑，并且隨后密封所述一個(gè)或多個(gè)通孔122，可實(shí)現(xiàn)軟真空。與加熱器IM和/或光波導(dǎo)的電連接可以利用半導(dǎo)體層114的中央部分和一個(gè)或多個(gè)電源觸點(diǎn)(示于圖2和3中)之間的一個(gè)或多個(gè)可選的空氣橋電耦合120實(shí)現(xiàn)。不過， 在其它實(shí)施例中，半導(dǎo)體層114的中央部分和所述一個(gè)或多個(gè)電源觸點(diǎn)之間的一個(gè)或多個(gè)電連接可出現(xiàn)在中間層112的剩余的中央部分中。例如，加熱器124(比如無源電阻或有源器件)可以位于中間層112的剩余的中央部分中。這樣的非底切區(qū)域具有相對于光波導(dǎo)的低熱阻，和相對于光學(xué)器件100的外部環(huán)境的高阻抗。在一些實(shí)施例中，在光波導(dǎo)內(nèi)實(shí)現(xiàn)電阻加熱(代替利用非常接近于光波導(dǎo)的加熱器，比如加熱器124)。例如，在光波導(dǎo)中可以集成一個(gè)或多個(gè)加熱元件，可使量受控的電流從調(diào)諧電路流到這些加熱元件。不過，歸因于自由載流子吸收，通過摻雜光波導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)所述一個(gè)或多個(gè)加熱元件會(huì)增大光損失，這些降低諧振器器件的品質(zhì)因數(shù)。注意，光學(xué)器件100可包括圖1中所示結(jié)構(gòu)的多個(gè)實(shí)例。例如，可以有在半導(dǎo)體層 114中實(shí)現(xiàn)的光波導(dǎo)陣列，借助間隙(比如所述一個(gè)或多個(gè)間隙118)，使每個(gè)光波導(dǎo)至少部分與襯底110熱隔離。在這種情況下，這些間隙還減小陣列中的光波導(dǎo)之間的熱耦合，從而減小或消除熱串?dāng)_。此外，可以單獨(dú)編程陣列中的光波導(dǎo)的溫度，以致一個(gè)或多個(gè)光波導(dǎo)可具有與陣列中的其它光波導(dǎo)不同的溫度。于是，在光波導(dǎo)(或者更一般地，光學(xué)組件)的陣列中，可以使用加熱器和/或加熱元件在整個(gè)陣列內(nèi)產(chǎn)生任意的可編程的熱分布曲線，或者產(chǎn)生必要的調(diào)諧、調(diào)制和/或其它功能。一旦加熱器或加熱元件被接通，就可選擇每個(gè)加熱器或加熱元件的功率，以使每個(gè)諧振器件的溫度升高適當(dāng)?shù)牧?，從而達(dá)到在期望范圍中的工作溫度。 此外，溫度控制機(jī)構(gòu)可包括偏置溫度控制。在一些工作條件下，陣列的絕對波長范圍可能漂移。如果環(huán)境溫度變化，或者如果存在襯底110的溫度的一定整體變化，那么會(huì)發(fā)生所述漂移。不過，即使在這種情況下，光波導(dǎo)的諧振波長的主動(dòng)熱管理仍將產(chǎn)生和保持正確的波長，只要芯片不會(huì)經(jīng)歷熱耗散。如果還使用主動(dòng)冷卻控制和使襯底110的整體溫度保持在預(yù)定水平，那么可顯著降低這種可能性。圖2是圖解說明包括光波導(dǎo)210的可調(diào)諧光學(xué)器件200的頂視圖的方框圖。光波導(dǎo)210-1位于間隙(用陰影線區(qū)域表示)之上，由中間層112(圖1)的剩余部分214支撐。注意，在所述剩余部分214的四邊中的三邊，蝕刻本實(shí)施例中的中間層112(圖1)。光波導(dǎo)210-1的工作偏置可以經(jīng)空氣橋電耦合，比如可選的電耦合120(圖1)，由高摻雜、低電阻的電調(diào)制器觸點(diǎn)提供。注意，這些調(diào)制器觸點(diǎn)也可用于把熱和/或電流從包括一個(gè)或多個(gè)波導(dǎo)的芯片傳導(dǎo)到相關(guān)的激光元件。對于使中間層112(圖1)的部分蝕刻更容易的一個(gè)或多個(gè)通孔122(圖1)，可以使用各種結(jié)構(gòu)。在一些實(shí)施例中，在襯底110(圖1)中實(shí)現(xiàn)通孔(或開孔)。圖3A是圖解說明具有內(nèi)孔310的可調(diào)諧光學(xué)器件300的底視圖的方框圖，圖:3B是圖解說明具有外孔360 的可調(diào)諧光學(xué)器件350的底視圖的方框圖?？赏ㄟ^把硅襯底干法蝕刻到0. 1-0. 5微米的厚度，構(gòu)成這些開孔。隨后，通過除去硅，以暴露一部分的中間層112(圖1)，可形成所述開孔。內(nèi)孔310(圖3A)可提供更對稱的底切，可避免光波導(dǎo)中的不連續(xù)性(包層/無包層)，這可降低光損失。不過，外孔360可提供襯底110(圖1)和半導(dǎo)體層114(圖1)之間的更大熱阻。這兩個(gè)開孔結(jié)構(gòu)都允許在沒有空氣橋的情況下確定電連接的路線。在諸如光學(xué)器件100(圖1)之類的光學(xué)器件中，一般存在三種散熱途徑第一種途徑通過有源半導(dǎo)體層114(圖1)，把熱量散逸到電連接；第二種途徑通過中間層112(圖1)， 把熱量散逸到襯底110(圖1)；和第三種途徑通過在半導(dǎo)體層114(圖1)之上的頂層，把熱量散逸到空氣中(這一般可以忽略)。注意，光波導(dǎo)中的溫度變化與所有散熱途徑中的熱阻成比例。由于第三種途徑一般可以忽略，因此為了使溫度變化達(dá)到最大，需要增大第一種和第二種途徑的熱阻。光學(xué)器件100 (圖1)提供一種增大第二種途徑的熱阻的技術(shù)?，F(xiàn)在說明增大第一種和第二種途徑的熱阻的其它技術(shù)，這些技術(shù)可以單獨(dú)使用和/或相互結(jié)合使用，以及結(jié)合圖1中所示的技術(shù)使用。通過結(jié)合所有這些技術(shù)，光學(xué)器件中的光波導(dǎo)和外部環(huán)境之間的熱阻可被增大一個(gè)量級以上。這能夠使在光波導(dǎo)的調(diào)諧期間消耗的功率降低一個(gè)量級。 另外，也能夠使由自由載流子吸收引起的光波導(dǎo)中的光損失降低不止4倍。從而，這些技術(shù)能夠顯著降低包括光互連的WDM系統(tǒng)和計(jì)算系統(tǒng)中的硅基光學(xué)器件的功率預(yù)算。圖4是圖解說明可調(diào)諧光學(xué)器件400的橫截面視圖的方框圖。該光學(xué)器件包括 襯底410，沉積在襯底410上的中間層412，沉積在中間層412上的半導(dǎo)體層(它包括可熱調(diào)諧的光波導(dǎo)414)，和沉積在半導(dǎo)體層上的頂層416。所述頂層包括從頂層416的上表面到頂層416的下表面的一個(gè)或多個(gè)通孔，頂層416的下表面鄰近半導(dǎo)體層。此外，光學(xué)器件 400包括沉積在頂層416上和在所述一個(gè)或多個(gè)通孔中的電極418，所述電極418通過觸點(diǎn) 420，與半導(dǎo)體層中的光波導(dǎo)414電耦合。通過在電極418-2和418-4的各個(gè)部分中使用與其余的電極418-1和418-3相比， 熱導(dǎo)率較低(即，熱阻較高)的材料，可增大第一種途徑的熱阻，從而通過減小從外部環(huán)境到光波導(dǎo)414的熱耦合，降低與光波導(dǎo)414的熱調(diào)諧相關(guān)的功耗。例如，電極418-2和418-4 的各個(gè)部分可包括氧化銦錫(ITO)，或者具有高電導(dǎo)率和低熱導(dǎo)率的另一種材料。ITO導(dǎo)電性高，光學(xué)透明，并且具有很低的熱導(dǎo)率(小于10W/m-K，與硅的163W/m-K和銅的401W/m-K 相比)。這能夠使第一途徑中的熱阻增大不止10倍。注意，中間層412和頂層416可以是具有低折射率和低熱導(dǎo)率的電絕緣體和介電材料。此外，襯底410，中間層412和半導(dǎo)體層可構(gòu)成SOI技術(shù)。另外，在光波導(dǎo)414的中央?yún)^(qū)域中的半導(dǎo)體層可被摻雜(例如，利用注入)，以限定使光波導(dǎo)414的熱調(diào)諧更容易的加熱器(另一方面，可以使用獨(dú)立的加熱器，比如圖1中的加熱器124)。對光波導(dǎo)中的180°相移來說，加熱器的功耗可以小于10-20mW。在一些實(shí)施例中，光波導(dǎo)414中的半導(dǎo)體層的中央?yún)^(qū)域(比如由隱失波的近似橫向范圍限定的區(qū)域)的摻雜可以小于環(huán)繞光波導(dǎo)414的橫向區(qū)域中的半導(dǎo)體層中的摻雜， 從而減小光波導(dǎo)414中的光損失，和降低沿著第二種途徑的熱耗散。例如，底部中央?yún)^(qū)域 422和頂部中央?yún)^(qū)域4 中的摻雜可以為IO1Vcm3，橫向區(qū)域4 中的摻雜可以為1018/cm3。 不過，在一些實(shí)施例中，光波導(dǎo)414的底部中央?yún)^(qū)域422 (而不是頂部中央?yún)^(qū)域424)被摻雜，從而進(jìn)一步減小光波導(dǎo)414中的光損失。注意，光波導(dǎo)414的中央?yún)^(qū)域可以為0. 5微米寬，橫向區(qū)域似6可以為2微米寬。如圖5中所示，圖5是圖解說明可調(diào)諧光學(xué)器件500的橫截面視圖的方框圖，在一些實(shí)施例中，在光波導(dǎo)414之下的中間層412的厚度510-2大于中間層412的橫向區(qū)域的厚度510-1。通過增大該厚度，可增大第二種途徑的熱阻。注意，通過把氧原子注入在光波導(dǎo)414之下的硅襯底410中，可增大所述厚度。隨后，可以熱氧化一層襯底410，以增大厚度 510-2。圖6A是圖解說明可調(diào)諧光學(xué)器件600的頂視圖的方框圖。在光學(xué)器件600中，借助半導(dǎo)體層中的多個(gè)區(qū)域614，使光波導(dǎo)414 (它包括具有寬度6 的中央肋條610，和總寬度624)與電極612熱耦合，區(qū)域614具有比和區(qū)域614 —體化的其它區(qū)域616更高的電導(dǎo)率。在除氧化銦錫之外的材料中，這種更高的電導(dǎo)率常常伴隨更高的熱導(dǎo)率。為了解決這個(gè)問題，在一些實(shí)施例中，選擇電極材料和/或形狀，以在不顯著增大電極電阻的情況下， 降低熱導(dǎo)率。在半導(dǎo)體層的平面中，區(qū)域614可具有與光波導(dǎo)414的對稱軸或主軸(穿過質(zhì)心) 近似垂直(例如，在垂直線的15°范圍內(nèi))的對稱軸或主軸(穿過質(zhì)心)。雖然用矩形區(qū)域圖解說明區(qū)域614，不過，在其它實(shí)施例中，可以使用各種形狀，比如之字形線和/或非對稱形狀。半導(dǎo)體層中的區(qū)域614可具有比區(qū)域616和光波導(dǎo)414高的摻雜。在一個(gè)例證實(shí)施例中，區(qū)域614具有大10倍的摻雜，比如l(T/cm3。此外，區(qū)域614的寬度618可以至少比區(qū)域614的周期(period) 622小5倍。在一個(gè)例證實(shí)施例中，區(qū)域614具有0. 1微米的厚度，1微米的寬度618，和2-3微米的長度620。此外，在相鄰區(qū)域614之間，存在9微米的間距。這種結(jié)構(gòu)可以使第一種途徑中的熱阻增大一個(gè)量級，也可增大第二種途徑中的熱阻 (歸因于向下熱傳導(dǎo)的面積的減小)。如為圖解說明可調(diào)諧光學(xué)器件650的頂視圖的方框圖的圖6B中所示，在一些實(shí)施例中，光波導(dǎo)414中的半導(dǎo)體層的摻雜在第一種摻雜區(qū)660-1和第二種摻雜區(qū)660-2之間交替，第一種摻雜區(qū)660-1中的摻雜高于第二種摻雜區(qū)660-2中的摻雜。例如，第一種摻雜區(qū)660-1可被摻雜，而第二種摻雜區(qū)660-2可不被摻雜。這種交替摻雜分布減小光波導(dǎo)中的光損失，可降低沿著第二種途徑的熱耗散。另外，中央肋條610可不被摻雜或者輕微摻雜。在關(guān)于前述實(shí)施例的變形中，可利用雙SOI技術(shù)，在與光波導(dǎo)414分離的層中實(shí)現(xiàn)加熱器。這示于圖7A中，圖7A是圖解說明可調(diào)諧光學(xué)器件700的橫截面視圖的方框圖。在光學(xué)器件700中，在借助中間層712與光波導(dǎo)414分離的半導(dǎo)體層710 (比如硅)中實(shí)現(xiàn)加熱器(比如圖1中的加熱器124)(另一方面，半導(dǎo)體層710可以是導(dǎo)電聚合物或者電介質(zhì)，比如氮化硅)。例如，可通過把在光波導(dǎo)414之下的半導(dǎo)體層710摻雜到1018/cm3，實(shí)現(xiàn)加熱器。注意，中間層712可以是0.5微米厚的電絕緣體，所述電絕緣體是具有低熱導(dǎo)率的電介質(zhì)材料(比如二氧化硅)。功能性的這種空間分離可結(jié)合直接加熱和間接加熱的優(yōu)點(diǎn)。特別地，光學(xué)器件700 中的光波導(dǎo)414和中間層712可提供自由載流子光損失減小的有效光約束。另外，在光波導(dǎo)414中可以實(shí)現(xiàn)另外的功能。注意，半導(dǎo)體層710中的加熱器和光波導(dǎo)414之間的熱傳遞可通過電極414發(fā)生，這種熱傳遞非常高效。例如，熱傳遞可用中間層712中的通孔中的電極418的一部分傳遞。此外，中間層412可減小半導(dǎo)體層710中的加熱器和襯底410之間的熱傳遞。此外，半導(dǎo)體層710中的加熱器的寬度714可大于光波導(dǎo)414的寬度716。這種幾何結(jié)構(gòu)可使加熱器和光波導(dǎo)414之間的熱傳遞更容易。從而，對光波導(dǎo)414中的180°相移來說，光學(xué)器件700中的加熱器的功耗可以小于10-20mW。通過底切中間層412(利用圖1中所示的技術(shù))，可以進(jìn)一步降低對襯底410的熱傳遞。這示于圖7B中，圖7B是圖解說明可調(diào)諧光學(xué)器件750的橫截面視圖的方框圖。特別地，在位于半導(dǎo)體層710中的加熱器的至少一部分之下的中間層412中，存在間隙760。 注意，可在形成歐姆觸點(diǎn)，并通過環(huán)繞金屬壁保護(hù)中間層712之后，進(jìn)行底切蝕刻。在一些實(shí)施例中，半導(dǎo)體層710和光波導(dǎo)414的縱向順序被反轉(zhuǎn)。這示于圖8中， 圖8是圖解說明可調(diào)諧光學(xué)器件800的橫截面視圖的方框圖。在這些實(shí)施例中，半導(dǎo)體層 710可包括多晶硅或非晶硅。光學(xué)器件100 (圖 1)，200 (圖 2)，300 (圖 3A)，350 (圖 3B)，400 (圖 4)，500 (圖 5)， 600 (圖6)，700 (圖7A)，750 (圖7B)和/或800可包括更少的組合或者另外的組件。此外， 盡管這些光學(xué)器件被圖解表示成具有許多不連續(xù)的部件，不過圖1-8是可能存在的各種特征的功能描述，而不是這里描述的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。從而，在這些實(shí)施例中，兩個(gè)以上的組件可被組合成單個(gè)組件，和/或可以改變一個(gè)或多個(gè)組件的位置。本領(lǐng)域的技術(shù)人員知道，可以使用各種制造技術(shù)制造圖1-8中的光學(xué)器件。另外， 雖然前述實(shí)施例圖解說明光學(xué)器件的單個(gè)實(shí)例，不過可在包括多個(gè)實(shí)例的陣列中實(shí)現(xiàn)任意前述實(shí)施例。注意，當(dāng)電調(diào)諧光波導(dǎo)時(shí)，也可使用光學(xué)器件的實(shí)施例。在這些實(shí)施例中，仍然重要的是使光波導(dǎo)與其外部環(huán)境熱隔離。一個(gè)或多個(gè)這些光學(xué)器件可包括在多芯片模塊(MCM)(比如交換機(jī)或處理器)中， 和/或包括MCM的系統(tǒng)中。MCM可包括芯片模塊(CM)的陣列，或者單芯片模塊(SCM)，給定的SCM可包括至少一個(gè)半導(dǎo)體裸片。注意，MCM有時(shí)稱為“宏芯片”。此外，半導(dǎo)體裸片可利用電磁耦合信號的鄰近通信(稱為“電磁鄰近通信”)，比如電容耦合信號，和/或光信號的鄰近通信(分別稱為“電鄰近通信”和“光鄰近通信”)，與其它半導(dǎo)體裸片，CM, SCM和/或 MCM中的器件通信。在一些實(shí)施例中，電磁鄰近通信包括感應(yīng)耦合信號和/或傳導(dǎo)耦合信號。MCM的實(shí)施例可以用在各種應(yīng)用中，包括VLSI電路，通話系統(tǒng)，存儲區(qū)域網(wǎng)，數(shù)據(jù)中心，網(wǎng)絡(luò)(比如局域網(wǎng))，和/或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(比如多核芯處理器計(jì)算機(jī)系統(tǒng))。例如，MCM 可包含在與多處理器刀片耦接的底板中，或者M(jìn)CM可耦接不同種類的組件(比如處理器，存儲器，I/O裝置，和/或外圍設(shè)備)。在一些實(shí)施例中，MCM實(shí)現(xiàn)下述功能交換機(jī)，集線器， 橋接器和/或路由器。注意，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可包括(但不限于)服務(wù)器，膝上型計(jì)算機(jī)，個(gè)人計(jì)算機(jī)，工作站，大型計(jì)算機(jī)，刀片，企業(yè)計(jì)算機(jī)，數(shù)據(jù)中心，便攜式計(jì)算設(shè)備，巨型計(jì)算機(jī)，網(wǎng)絡(luò)附加存儲器(NAS)系統(tǒng)，存儲區(qū)域網(wǎng)(SAN)系統(tǒng)，和/或另外的電子計(jì)算設(shè)備。此外注意，特定的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以在一個(gè)位置，或者可以分布在多個(gè)地理上分散的位置?，F(xiàn)在說明制造光學(xué)器件，比如光學(xué)器件100(圖1)的處理的實(shí)施例。圖9是圖解說明制造光學(xué)器件的處理900的流程圖。在該處理期間，包括襯底、沉積在襯底上的中間層和沉積在中間層上的半導(dǎo)體層的三層結(jié)構(gòu)中的半導(dǎo)體層的厚度被減小(910)。隨后，打開從半導(dǎo)體層的頂部延伸到半導(dǎo)體層的底部的一個(gè)或多個(gè)通孔(912)，所述半導(dǎo)體層的底部鄰近中間層。之后，除去中間層的犧牲部分，以致一部分的半導(dǎo)體層自支撐地位于半導(dǎo)體層和襯底之間的間隙之上(914)。注意半導(dǎo)體層的另一部分由中間層的剩余部分支撐。此外，限定大體上置于所述間隙之上的半導(dǎo)體層中的可熱調(diào)諧光波導(dǎo)(916)，從而降低與光波導(dǎo)的熱調(diào)諧相關(guān)的功耗。在處理900的一些實(shí)施例中，可存在另外的或者較少的操作。此外，操作的順序可被改變，和/或兩個(gè)以上的操作可被結(jié)合成單一操作。上面只是出于舉例說明的目的，描述了本發(fā)明的實(shí)施例。上述說明不是詳盡的，也不意圖把本發(fā)明局限于公開的形式。因而，對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，許多修改和變化是顯而易見的。另外，上面的公開內(nèi)容并不意圖限制本發(fā)明。本發(fā)明的范圍由附加的權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)器件，包括 襯底；沉積在襯底上的第一中間層；沉積在第一中間層上、包括加熱器的第一半導(dǎo)體層；沉積在第一半導(dǎo)體層上的第二中間層；和沉積在第二中間層上、包括可熱調(diào)諧光波導(dǎo)的第二半導(dǎo)體層。
2.按照權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其中使第一半導(dǎo)體層中的加熱器和第二半導(dǎo)體層中的光波導(dǎo)分離降低光波導(dǎo)中的光損失，并且便于在光波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)另外的功能。
3.按照權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，還包括沉積在第二半導(dǎo)體層上的頂層，所述頂層包括從頂層的上表面到第一半導(dǎo)體層的通孔；和沉積在頂層上和通孔中的電極，所述電極與第一半導(dǎo)體層電耦合并與第二半導(dǎo)體層熱華禹合。
4.按照權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其中通過摻雜在第二半導(dǎo)體層中的光波導(dǎo)之下的第一半導(dǎo)體層，限定第一半導(dǎo)體層中的加熱器。
5.按照權(quán)利要求4所述的光學(xué)器件，其中第一半導(dǎo)體層包括摻雜硅。
6.按照權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其中第一半導(dǎo)體層中的加熱器的寬度大于第二半導(dǎo)體層中的光波導(dǎo)的寬度，從而便于加熱器和光波導(dǎo)之間的熱傳遞。
7.按照權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其中對光波導(dǎo)中的180°相移來說，加熱器的功耗小于20mW。
8.按照權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，還包括在第二中間層中的一個(gè)或多個(gè)通孔，其中所述電極被配置成通過所述一個(gè)或多個(gè)通孔把熱量從加熱器傳導(dǎo)到光波導(dǎo)。
9.按照權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，其中襯底、第一中間層、第一半導(dǎo)體層、第二中間層和第二半導(dǎo)體層構(gòu)成雙絕緣體上硅技術(shù)。
10.按照權(quán)利要求1所述的光學(xué)器件，還包括在第一半導(dǎo)體層中的加熱器的至少一部分之下的第一中間層中的間隙，其中通過減小襯底和加熱器之間的熱耦合，所述間隙降低與光波導(dǎo)的熱調(diào)諧相關(guān)的功耗。
11.一種光學(xué)器件，包括 襯底；沉積在襯底上的第一中間層；沉積在第一中間層上、包括可熱調(diào)諧光波導(dǎo)的第一半導(dǎo)體層；沉積在第一半導(dǎo)體層上的第二中間層；和沉積在第二中間層上、包括加熱器的第二半導(dǎo)體層。
12.按照權(quán)利要求11所述的光學(xué)器件，其中第二半導(dǎo)體層包括多晶硅或非晶硅。
13.光學(xué)器件的陣列，所述光學(xué)器件包括 襯底；沉積在襯底上的第一中間層； 沉積在第一中間層上、包括加熱器的第一半導(dǎo)體層； 沉積在第一半導(dǎo)體層上的第二中間層；和沉積在第二中間層上、包括可熱調(diào)諧光波導(dǎo)的第二半導(dǎo)體層。
14.按照權(quán)利要求13所述的陣列，其中使第一半導(dǎo)體層中的加熱器和第二半導(dǎo)體層中的光波導(dǎo)分離降低光波導(dǎo)中的光損失，并且便于在光波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)另外的功能。
15.按照權(quán)利要求13所述的陣列，還包括沉積在第二半導(dǎo)體層上的頂層，所述頂層包括從頂層的上表面到第一半導(dǎo)體層的通孔；和沉積在頂層上和通孔中的電極，所述電極與第一半導(dǎo)體層電耦合并與第二半導(dǎo)體層熱華禹合。
16.按照權(quán)利要求13所述的陣列，其中通過摻雜在第二半導(dǎo)體層中的光波導(dǎo)之下的第一半導(dǎo)體層，限定第一半導(dǎo)體層中的加熱器。
17.按照權(quán)利要求13所述的陣列，其中第一半導(dǎo)體層中的加熱器的寬度大于第二半導(dǎo)體層中的光波導(dǎo)的寬度，從而便于加熱器和光波導(dǎo)之間的熱傳遞。
18.按照權(quán)利要求13所述的陣列，還包括在第二中間層中的一個(gè)或多個(gè)通孔，其中所述電極被配置成通過所述一個(gè)或多個(gè)通孔，把熱量從加熱器傳導(dǎo)到光波導(dǎo)。
19.按照權(quán)利要求13所述的陣列，其中襯底、第一中間層、第一半導(dǎo)體層、第二中間層和第二半導(dǎo)體層構(gòu)成雙絕緣體上硅技術(shù)。
20.按照權(quán)利要求13所述的陣列，還包括在第一半導(dǎo)體層中的加熱器的至少一部分之下的第一中間層中的間隙，其中通過減小襯底和加熱器之間的熱耦合，所述間隙降低與光波導(dǎo)的熱調(diào)諧相關(guān)的功耗。
全文摘要
公開了光學(xué)器件，光學(xué)器件的陣列，和制造所述光學(xué)器件或陣列的技術(shù)的實(shí)施例。光學(xué)器件是利用兩個(gè)半導(dǎo)體層(比如硅)實(shí)現(xiàn)的，所述兩個(gè)半導(dǎo)體層之一包括加熱器(710)，另一個(gè)包括可熱調(diào)諧光波導(dǎo)(415)?？臻g上分離光學(xué)器件中的這兩種功能導(dǎo)致相對于現(xiàn)有硅基光學(xué)器件來說，加熱器和光波導(dǎo)之間的熱傳遞更高效，對周圍環(huán)境的熱傳遞減小，和光波導(dǎo)中的光損失降低。
文檔編號G02B6/12GK102428398SQ201080019595
公開日2012年4月25日 申請日期2010年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月31日
發(fā)明者A·V·克里什納莫西, I·舒彬, J·E·坎寧安, 李國良, 鄭學(xué)哲 申請人:甲骨文美國公司