專(zhuān)利名稱(chēng)：硅光子芯片光學(xué)耦合結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開(kāi)一般地涉及集成電路、硅芯片技術(shù)，更具體地說(shuō)，涉及到和來(lái)自硅光子芯片的光學(xué)信號(hào)的耦合。
背景技術(shù)：
在計(jì)算機(jī)之間和計(jì)算機(jī)中的通信帶寬在系統(tǒng)的整體性能中起到了重要作用。每個(gè)計(jì)算機(jī)的多核處理器和多級(jí)處理器的傾向要求在處理器之間以及處理器和其存儲(chǔ)器之間通信的增加。在短距離上電數(shù)據(jù)連接執(zhí)行得很好，但是當(dāng)連接距離和頻率增加時(shí)電數(shù)據(jù)連接受限制。在光纖上的光學(xué)數(shù)據(jù)連接能夠在長(zhǎng)距離上高速通信而具有低的傳輸損耗。然而，硅光子芯片與其電學(xué)對(duì)應(yīng)物相比是昂貴的。硅(Si )光子學(xué)是世界范圍內(nèi)研究并發(fā)展的技術(shù)，因?yàn)槠湓谥圃煸诠栊酒夹g(shù)中的高性能光學(xué)部件方面具有廣闊前景。硅光子學(xué)是使用硅作為光學(xué)介質(zhì)的光子系統(tǒng)的研究和應(yīng)用。用亞微米精度將硅構(gòu)圖為硅光子結(jié)構(gòu)。硅典型地位于公知為絕緣體上硅(SOI)的氧化硅層的頂部。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供了一種具有在蝕刻的背側(cè)腔中的集成微透鏡的硅光子芯片。包括光子器件的有源娃層在娃光子芯片的前側(cè)上。包括蝕刻的背側(cè)腔的娃襯底在硅光子芯片的背側(cè)上。微透鏡集成到蝕刻的背側(cè)腔中。掩埋氧化物層位于有源硅層和硅襯底之間。掩埋氧化物層是用于蝕刻的背側(cè)腔的蝕刻停止層。


圖1示出了根據(jù)示出的實(shí)施例的具有在蝕刻的背側(cè)腔中的集成微透鏡的硅光子芯片的截面圖；圖2示出了根據(jù)示出的實(shí)施例的具有位于蝕刻的背側(cè)腔中的反射結(jié)構(gòu)的硅光子芯片的截面圖；圖3示出了根據(jù)示出的實(shí)施例的具有光學(xué)耦合到具有集成微透鏡的光纖連接器的集成微透鏡的硅光子芯片的截面圖；圖4示出了根據(jù)示出的實(shí)施例的具有位于蝕刻的背側(cè)腔中的反射結(jié)構(gòu)的硅光子芯片的截面圖，反射結(jié)構(gòu)被使用具有衍射光柵耦合器的單模波導(dǎo)連接器光學(xué)耦合到光纖連接器。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在參考附圖，具體地，參考圖1-4，提供了其中可以執(zhí)行示出的實(shí)施例裝置的圖。應(yīng)該明白，圖1-4僅作為實(shí)例并且沒(méi)有旨在聲明或者暗示關(guān)于其中可以執(zhí)行不同的實(shí)施例的裝置的任意限制。可以對(duì)描述的裝置進(jìn)行許多修改。另外，應(yīng)該注意，附圖的各種特征沒(méi)有按比例。相反，為了清晰目的，可以任意地方大或者縮小各種特征的尺寸。圖1示出了根據(jù)示出的實(shí)施例的具有在蝕刻的背側(cè)腔中的集成微透鏡的硅光子芯片的截面圖；硅光子芯片100是可以用在如計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的半導(dǎo)體芯片的實(shí)例。另外，硅光子芯片100能夠傳輸并且接收用于數(shù)據(jù)通信的光學(xué)信號(hào)(B卩，光脈沖)。換句話(huà)說(shuō)，娃光子芯片100是光學(xué)收發(fā)器件。娃光子芯片100包括有源娃光子層102、掩埋氧化物層104和硅襯底106。有源娃光子層102在娃光子芯片100的前側(cè)108上。有源娃光子層102傳輸光學(xué)信號(hào)或者光脈沖并且包括對(duì)波長(zhǎng)約I到1.6微米的光學(xué)信號(hào)基本透明的硅光子器件。有源硅光子層102的厚度優(yōu)選150-300納米并且寬度約500-1000納米。另外，有源硅光子層102還包括電子器件。然而，應(yīng)該注意，有源硅光子層102可以包括光子器件和電子器件兩者或者僅包括光子器件。在有源硅光子層102中制造光子器件(B卩，硅光學(xué)結(jié)構(gòu))。光子器件是在有源硅光子層102中制造的任意光學(xué)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)導(dǎo)引、產(chǎn)生、操縱或者檢測(cè)光脈沖。光子器件的實(shí)例是激光器、光學(xué)調(diào)制器、光檢測(cè)器和光學(xué)開(kāi)關(guān)，硅光波導(dǎo)用于傳輸?shù)交騺?lái)自光子器件的光學(xué)信號(hào)。另外，有源硅光子層102還包括與光子器件一起制造電子器件。可以包括在有源硅光子層102中的電子器件的實(shí)例是晶體管、電容器、電阻器和電感器。用于這些光子和電子器件的標(biāo)準(zhǔn)制造工藝是互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工藝。娃光子芯片100的掩埋氧化物層104掩埋在有源娃光子層102和娃襯底106之間。掩埋氧化物層106可以，例如，由二氧化硅(Si02)材料構(gòu)成。典型地，掩埋氧化物層104的
厚度大于或者等于一到兩微米。娃襯底106在娃光子芯片100的背側(cè)110上。娃襯底106是為娃光子芯片100提供支撐的體娃層。典 型地，娃襯底106大于或者等于300微米。在示出的實(shí)施例的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在硅光子芯片和如光纖118的光纖之間的光學(xué)信號(hào)互聯(lián)成本高并且要求嚴(yán)格的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)容差。典型地，如衍射光柵耦合器122的衍射光柵稱(chēng)合器與如反射結(jié)構(gòu)124的反射結(jié)構(gòu)用于導(dǎo)引從有源娃光子層到光纖和從光纖到有源硅光子層的光學(xué)信號(hào)。在此典型情況中，光纖必須光學(xué)對(duì)準(zhǔn)衍射光柵耦合器到一微米以?xún)?nèi)并且然后接合在其適當(dāng)?shù)奈恢弥小Ｔ诠饫w和衍射光柵耦合器之間的嚴(yán)格的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)要求精密的工具并且因此很昂貴。另外，一旦光纖接合在適當(dāng)?shù)奈恢弥?，硅光子芯片和光纖就不能被分開(kāi)。作為結(jié)果，光纖到硅光子芯片的此接合限制了隨后的硅光子芯片的封裝選項(xiàng)。例如，如果在硅光子芯片組件的處理期間光纖被損壞，那么整個(gè)硅光子芯片/光組件可能需要被替換。然而，示例的實(shí)施例利用能重制(remake-able)的娃光子芯片到光纖稱(chēng)合結(jié)構(gòu)獲得了增加數(shù)據(jù)的封裝選項(xiàng)。示出的實(shí)施例通過(guò)使用晶片尺度封裝技術(shù)在硅光子芯片上集成光學(xué)耦合結(jié)構(gòu)而簡(jiǎn)化并且降低了硅光子芯片到光纖的成本。示出的實(shí)施例通過(guò)在硅襯底106中形成蝕刻的背側(cè)腔112而示出了此新方法。通過(guò)在選擇的位置去除硅襯底在硅襯底106中形成蝕刻的背側(cè)腔112。蝕刻的背側(cè)腔112可以，例如，是圓柱形狀。通過(guò)，例如在硅光子芯片100的背側(cè)110上使用光刻方法接著化學(xué)蝕刻進(jìn)行選擇性硅襯底去除。在選擇的位置去除硅襯底106暴露掩埋氧化物層104的背側(cè)表面。示出的實(shí)施例利用掩埋氧化物層104作為內(nèi)建蝕刻停止層以用于完成去除在選擇的位置(例如蝕刻背側(cè)腔112)處的硅襯底。蝕刻的背側(cè)腔112表示蝕刻的背側(cè)腔的陣列。蝕刻的背側(cè)腔的陣列可以是，例如蝕刻的背側(cè)腔的1XN、2XN、3XN、4XN、或者NXN陣列，其中N表示正整數(shù)。蝕刻的背側(cè)腔112位于在硅光子芯片100的有源硅光子層102中的如衍射光柵耦合器122的光子器件之下。類(lèi)似于蝕刻的背側(cè)腔112,衍射光柵稱(chēng)合器122表不在有源娃光子層102中的光子器件陣列。光子器件的陣列可以是，例如，光子器件的1XN、2XN、3XN、4XN、或者NXN陣列。同樣，應(yīng)該注意在光子器件的陣列中的光子器件的數(shù)量可以等于或者不等于在蝕刻的背側(cè)腔陣列中的蝕刻的背側(cè)腔的數(shù)量。紫外可固化光學(xué)聚合物材料可以用于填充的蝕刻背側(cè)腔112。一個(gè)用于填充蝕刻的背側(cè)腔112的紫外可固化光學(xué)聚合物材料的實(shí)例可以例如是光學(xué)粘接劑，如NorlandOptical Adhesive#N0A88o可選地，可以用二氧化娃材料填充蝕刻的背側(cè)腔112。在蝕刻的背側(cè)腔112中的光學(xué)聚合物材料或者二氧化硅材料可以形成集成微透鏡114。例如，在蝕刻的背側(cè)腔112中的過(guò)量光學(xué)聚合物材料可以伸出超過(guò)硅襯底106的背側(cè)110。然后，在硅光子芯片100的制造期間透明、透鏡形模具被設(shè)置在硅襯底106上并且用光學(xué)對(duì)準(zhǔn)器件光學(xué)對(duì)準(zhǔn)衍射光柵耦合器122。光學(xué)對(duì)準(zhǔn)器件看穿透明、透鏡形模具以對(duì)準(zhǔn)透明、透鏡形模具和衍射光柵耦合器122。透明、透鏡形模具和衍射光柵耦合器122的對(duì)準(zhǔn)可以小于一微米。換句話(huà)說(shuō)，在集成微透鏡114和衍射光柵稱(chēng)合器122之間的光學(xué)信號(hào)失準(zhǔn)容差小于一微米。在對(duì)準(zhǔn)后，紫外(UV)光用于固化在蝕刻的背側(cè)腔112和透明、透鏡形模具中的光學(xué)聚合物材料。作為結(jié)果，形成與衍射光柵耦合器122對(duì)準(zhǔn)的集成透鏡114。應(yīng)該注意，即使在圖1示出的實(shí)例中集成透鏡114示出為延伸超過(guò)硅襯底106的背側(cè)110，但是示出的實(shí)施例不限于此。例如，集成透鏡114凹陷到在背側(cè)110之下的蝕刻背側(cè)腔112中。將集成微透鏡114凹陷在蝕刻的背側(cè)腔112中的一個(gè)理由是保護(hù)集成微透鏡不被損壞。還應(yīng)該注意，可以制造透明透鏡形模具以覆蓋整個(gè)硅光子晶片。然后，可以在制造工藝期間在整個(gè)硅光子晶片上進(jìn)行透明透鏡形模具到硅光子晶片對(duì)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)在集成透鏡114的陣列和衍射光柵耦合器122的陣列之間的晶片尺度對(duì)準(zhǔn)。此晶片尺度對(duì)準(zhǔn)導(dǎo)致每硅光子芯片的更低制造成本。衍射光柵耦合器122是在有源硅光子層102中的微光刻制造結(jié)構(gòu)，其被設(shè)計(jì)為衍射到和來(lái)自有源硅光子層102內(nèi)的硅光子器件的光學(xué)信號(hào)。使用衍射光柵耦合器122的一個(gè)益處是衍射光柵稱(chēng)合器122可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)光學(xué)操作。反射結(jié)構(gòu)124是位于娃光子芯片100的前側(cè)108中的光學(xué)結(jié)構(gòu)。反射結(jié)構(gòu)124被設(shè)計(jì)為反射光學(xué)信號(hào)。反射結(jié)構(gòu)124可以，例如是鏡或者一個(gè)或多個(gè)薄金屬膜的層。同樣，應(yīng)該注意，即使在圖1的此實(shí)例中，反射和衍射結(jié)構(gòu)的結(jié)合被用于娃光子芯片100,可選不出的實(shí)施例可以在娃光子芯片100中僅使用反射結(jié)構(gòu)或者僅使用衍射結(jié)構(gòu)。如上所注意的，有源硅光子層102傳輸光學(xué)信號(hào)。這些光學(xué)信號(hào)通過(guò)衍射光柵耦合器122衍射出具有有源硅光子層102的平面。反射結(jié)構(gòu)124反射向硅光子芯片100的前側(cè)108衍射的光學(xué)信號(hào)。作為結(jié)果，如果不是所有，那么多數(shù)光學(xué)信號(hào)直接通過(guò)在硅襯底106中的蝕刻的背側(cè)腔112。在硅襯底106的背側(cè)110處，定位集成微透鏡114以準(zhǔn)直或者近似準(zhǔn)直來(lái)自衍射光柵耦合器122和反射接結(jié)構(gòu)124的光學(xué)信號(hào)。典型地，在衍射光柵耦合器122處的光學(xué)信號(hào)的模場(chǎng)直徑約8-10微米。當(dāng)光學(xué)信號(hào)行進(jìn)穿過(guò)蝕刻的背側(cè)腔112時(shí)，光學(xué)信號(hào)擴(kuò)展到到約100微米直徑的模場(chǎng)區(qū)域。集成微透鏡114準(zhǔn)直或者聚焦光學(xué)信號(hào)120到具有集成微透鏡116的光纖連接器。準(zhǔn)直的光學(xué)信號(hào)120是多個(gè)平行光脈沖，在其傳播時(shí)緩慢擴(kuò)展。具有集成微透鏡116的光纖連接器被連接到光纖118。示出的實(shí)施例解決了單模硅光子封裝的要求和提供了通過(guò)使用光學(xué)對(duì)準(zhǔn)器件看穿在光子器件(例如有源硅光子層102中的衍射光柵耦合器122和/或電子器件)處的集成微透鏡114而精確對(duì)準(zhǔn)集成微透鏡114以實(shí)現(xiàn)亞微米透鏡對(duì)準(zhǔn)的能力。另外，應(yīng)該注意，即使在圖1的此實(shí)例中，示出了在硅光子芯片之上的光纖裝置的直光纖連接器，也可能是其它光纖連接器裝置，例如在圖3的實(shí)例中示出的，其示出了位于光纖連接器中的直角光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在參考圖2，根據(jù)示出的實(shí)施例示出了具有位于蝕刻的背側(cè)腔中的反射結(jié)構(gòu)的娃光子芯片的截面圖。娃光子芯片200類(lèi)似于圖1中的娃光子芯片100。例如,娃光子芯片200包括有源硅光子層202、掩埋氧化物層204和硅襯底206，例如圖1中的有源硅光子層102、掩埋氧化物層104和硅襯底106。有源硅光子層202在硅光子芯片200的前側(cè)208上。有源硅光子層202包括如衍射光柵耦合器214的硅光子器件，并且還可以包括電子器件。掩埋氧化物層204掩埋在有源硅光子層202和硅襯底206之間。硅襯底206在硅光子芯片200的背側(cè)210上。另外，硅光子芯片200包括蝕刻的背側(cè)腔212和反射結(jié)構(gòu)216，例如圖1中的蝕刻的背側(cè)腔112和反射結(jié)構(gòu)124。然而，在圖2的此實(shí)例中，應(yīng)該注意反射結(jié)構(gòu)216位于硅光子芯片200的背側(cè)210上在蝕刻的背側(cè)腔212中，鄰近掩埋氧化物層204的背側(cè)表面。在圖1的實(shí)例中，反射結(jié)構(gòu)124位于硅光子芯片100的前側(cè)108上以反射或者再導(dǎo)引光學(xué)信號(hào)穿過(guò)硅襯底106到背側(cè)光學(xué)耦合結(jié)構(gòu)，例如具有集成微透鏡116的光纖連接器。然而，在示出的實(shí)施例的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在一些硅光子芯片封裝事件中，期望耦合來(lái)從硅光子芯片的光學(xué)信號(hào)到前側(cè)光學(xué)耦合結(jié)構(gòu)，例如光纖連接器218。應(yīng)該注意，在圖2的此實(shí)例中，光纖連接器218包括集成微透鏡。然而，示出的實(shí)施例不僅限于此。換句話(huà)說(shuō)，在可選的示出實(shí)施例中，光纖連接器218可不包括集成微透鏡。光纖連接器218連接到光纖220。反射結(jié)構(gòu)216可以，例如是金屬鏡或者一個(gè)或多個(gè)薄金屬膜的層。同樣，作為可選制造步驟，在硅襯底206中的蝕刻的背側(cè)腔212可以用如二氧化硅或者其它材料回填以保護(hù)反射結(jié)構(gòu)216。反射結(jié)構(gòu)216的優(yōu)點(diǎn)在于反射結(jié)構(gòu)216將定向光學(xué)信號(hào)耦合效率提高百分之90或更高。例如，反射結(jié)構(gòu)216重導(dǎo)引通過(guò)衍射光柵耦合器214衍射的在不期望的方向(例如朝向硅光子芯片200的背側(cè)210)上的光學(xué)信號(hào)，返回期望的光學(xué)耦合方向，例如朝向在前側(cè)208上的光纖連接器218。因此，圖2示出了具有在硅光子芯片的硅襯底中的嵌入反射結(jié)構(gòu)的蝕刻的背側(cè)腔以增加背側(cè)的平面衍射光柵光學(xué)耦合效率?，F(xiàn)在參考圖3，根據(jù)示出的實(shí)施例示出了具有光學(xué)耦合到具有集成微透鏡的光纖連接器的集成微透鏡的硅光子芯片的截面圖。硅光子芯片300可以例如是圖1中的硅光子芯片100。硅光子芯片300包括有源硅光子層302、掩埋氧化物層304和硅襯底306，例如圖1中的有源硅光子層102、掩埋氧化物層104和硅襯底106。另外，硅光子芯片300包括如圖1的反射結(jié)構(gòu)124的反射結(jié)構(gòu)320。有源硅光子層302在硅光子芯片300的前側(cè)308上。有源硅光子層302包括如衍射光柵耦合器318的硅光子器件，并且還可以包括電子器件。衍射光柵耦合器318可以例如是圖1中的衍射光柵耦合器122。掩埋氧化物層304掩埋在有源硅光子層302和硅襯底306之間。硅襯底306在硅光子芯片300的背側(cè)310上。另外，硅光子芯片300包括如圖1的集成微透鏡114的集成微透鏡312。集成微透鏡312位于硅光子芯片300的背側(cè)310上在蝕刻的背側(cè)腔中，其與衍射光柵耦合器318對(duì)準(zhǔn)。集成微透鏡312光學(xué)耦合硅光子芯片300與具有集成微透鏡和轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的光纖連接器314。在圖3的此實(shí)例中，光學(xué)信號(hào)從硅光子芯片300的背側(cè)310上的集成微透鏡312出射。這些從集成微透鏡312出射的光學(xué)信號(hào)被準(zhǔn)直并且具有約100微米的模場(chǎng)直徑。具有集成微透鏡和轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的光纖連接器314將這些從集成微透鏡312輸出的光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)向90度并且將這些光學(xué)信號(hào)聚焦到光纖316中。應(yīng)該注意，取代光纖316，可選地示例實(shí)施例可以利用聚合物波導(dǎo)線(xiàn)纜。在具有集成微透鏡和轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的光纖連接器314中的光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)可以例如是45度鏡。具有集成微透鏡和轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的光纖連接器314和集成微透鏡312在具有集成微透鏡和轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的光纖連接器314和硅光學(xué)芯片300之間提供約10-15微米的更多弛豫橫向光學(xué)信號(hào)對(duì)準(zhǔn)容差。同樣在圖3的此實(shí)例中，硅光子芯片300被使用導(dǎo)體凸起324倒裝芯片接合到芯片載體322。硅光子芯片300的有源硅光子層302面向芯片載體322，此處通過(guò)導(dǎo)電凸起324在硅光子芯片300和芯片載體322之間建立電連接。導(dǎo)電凸起324可以，例如，是焊料凸起、金球、模制柱或者導(dǎo)電塑料。此類(lèi)型的安裝還公知為可控塌陷芯片連接或者4C。另夕卜，此類(lèi)型的安裝在硅光子芯片300和芯片載體322之間保留小的間隔。例如，電絕緣粘接劑可以用于“底部填充”此在硅光子芯片300和芯片載體322之間的小間隔以提供更強(qiáng)的機(jī)械連接，提供熱橋并且確保導(dǎo)電凸起沒(méi)有因?yàn)楣韫庾有酒?00和芯片載體322的不同加熱而具有應(yīng)力。芯片載體322是封裝襯底并且可以，例如，是陶瓷襯底或者有機(jī)襯底?，F(xiàn)在參考圖4，示出了根據(jù)示出的實(shí)施例的具有位于蝕刻的背側(cè)腔中的反射結(jié)構(gòu)的硅光子芯片的截面圖，反射結(jié)構(gòu)使用具有集成衍射光柵耦合器的單模波導(dǎo)連接器光學(xué)耦合到光纖連接器。硅光子芯片400類(lèi)似于圖2中的硅光子芯片200。例如，硅光子芯片400包括有源硅光子層402、掩埋氧化物層404和硅襯底406，例如圖2中的有源硅光子層202、掩埋氧化物層204和硅襯底206。有源硅光子層402在硅光子芯片400的前側(cè)408上。有源硅光子層402包括如衍射光柵耦合器416的硅光子器件，并且還可以包括電子器件。掩埋氧化物層404掩埋在有源硅光子層402和硅襯底406之間。硅襯底406在硅光子芯片400的背側(cè)410上。另外，硅光子芯片400包括蝕刻的背側(cè)腔412和反射結(jié)構(gòu)414，例如圖2中的蝕刻的背側(cè)腔212和反射結(jié)構(gòu)216。反射結(jié)構(gòu)414位于在蝕刻的背側(cè)腔412中的硅光子芯片400的背側(cè)410上鄰近掩埋氧化物層404的背側(cè)表面。反射結(jié)構(gòu)414重導(dǎo)引通過(guò)衍射光柵耦合器416衍射的在不期望的方向(例如朝向硅光子芯片400的背側(cè)410)上的光學(xué)信號(hào)，返回到期望的光學(xué)耦合方向，例如朝向具有集成衍射光柵耦合器的單模波導(dǎo)連接器418。具有集成衍射光柵耦合器的單模波導(dǎo)連接器418附在硅光子芯片400的前側(cè)408并且包括衍射光柵耦合器420和反射結(jié)構(gòu)422。單模波導(dǎo)是一種光學(xué)信號(hào)波導(dǎo)，其僅傳輸光或者模式的單一射線(xiàn)。因?yàn)閱文２▽?dǎo)僅支持一種傳輸模式，消除了模間色散。另外，單模波導(dǎo)比多模波導(dǎo)具有更小的芯尺寸。
具有集成衍射光柵耦合器的單模波導(dǎo)連接器418可以，例如，由包括芯和覆層的如Norland Optical Adhesive#N0A88or#N0A87的光學(xué)聚合物材料構(gòu)成。具有集成衍射光柵耦合器的單模波導(dǎo)連接器418的芯包括衍射光柵耦合器420。覆層是與更高光學(xué)折射率的芯材料接觸的更低光學(xué)折射率材料的一個(gè)或多個(gè)層，在此實(shí)例中包括衍射光柵耦合器420。覆層材料導(dǎo)致通過(guò)在覆層材料和硅光子芯之間邊界處的內(nèi)部反射將光限制在具有集成衍射光柵稱(chēng)合器416的單模波導(dǎo)連接器的娃光子芯。在圖4的此實(shí)例中，具有約100微米的大模場(chǎng)直徑的衍射光柵耦合器416和420被用于弛豫在衍射光柵耦合器416和衍射光柵耦合器420之間的光學(xué)信號(hào)對(duì)準(zhǔn)容差。在此實(shí)例中，具有大模場(chǎng)直徑的衍射光柵耦合器常用來(lái)導(dǎo)引光學(xué)信號(hào)到平面外。因?yàn)榇竽?chǎng)直徑，光學(xué)信號(hào)束保持在衍射光柵稱(chēng)合器416和衍射光柵稱(chēng)合器420之間準(zhǔn)直。使用大模場(chǎng)直徑衍射光柵耦合器，示出的實(shí)施例要求在衍射光柵耦合器416和420之間的較不精確的橫向?qū)?zhǔn)。例如，使用100微米光學(xué)信號(hào)光束直徑，示出的實(shí)施例允許在配對(duì)衍射光柵耦合器(即，衍射光柵稱(chēng)合器416和衍射光柵稱(chēng)合器420)之間高達(dá)20微米的橫向失準(zhǔn)而光學(xué)信號(hào)中沒(méi)有明顯的傳輸損耗。反射結(jié)構(gòu)422重導(dǎo)引通過(guò)衍射光柵耦合器420衍射的在不期望的方向(例如朝向芯片載體426)上的光學(xué)信號(hào)，返回到期望的光學(xué)耦合方向，例如朝向具有集成衍射光柵耦合器的單模波導(dǎo)連接器418。具有集成衍射光柵耦合器的單模波導(dǎo)連接器418光學(xué)耦合硅光子芯片400到光纖連接器424。圖4中示出的實(shí)施例的另一個(gè)特征是具有集成衍射光柵率禹合器的單模波導(dǎo)連接器418是低輪廓(low profile)并且可以在通過(guò)導(dǎo)體凸起428建立的間隔中在芯片載體426和硅光子芯片400之間的硅光子芯片400的前側(cè)408上。芯片載體426和導(dǎo)電凸起428可以，例如是圖3中的芯片載體322和導(dǎo)電凸起324。因此，示出的實(shí)施例為耦合到和來(lái)自硅光子芯片的光學(xué)信號(hào)提供不同的裝置。如上所述的電路是集成電路芯片設(shè)計(jì)的一部分。芯片設(shè)計(jì)以圖形計(jì)算機(jī)程序語(yǔ)言產(chǎn)生并且存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)中(例如，硬盤(pán)、磁帶、物理硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器或者如存取網(wǎng)絡(luò)中的虛擬硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器)。如果設(shè)計(jì)者不制造芯片或者用于制造芯片的光刻掩模，設(shè)計(jì)者通過(guò)物理工具(例如，通過(guò)提供存儲(chǔ)的設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)的拷貝)或者電子地(例如通過(guò)互聯(lián)網(wǎng))直接或者間接地傳輸最終的設(shè)計(jì)到這樣的實(shí)體。然后，存儲(chǔ)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為合適的格式(例如，⑶SII)用于光刻掩模的制造，其典型地包括考慮的在晶片上形成的芯片設(shè)計(jì)的多個(gè)拷貝。利用光刻掩模限定將被蝕刻或者處理的晶片區(qū)域(和/或其上的層)。呈現(xiàn)示出的實(shí)施例的描述用于示出和描述目的并且沒(méi)有旨在窮盡或者限制實(shí)施例在公開(kāi)的形式中。許多修改和變化對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見(jiàn)的。選擇并描述實(shí)施例的目的為更好的解釋實(shí)施例的原理、實(shí)踐應(yīng)用，并且使得本領(lǐng)域的其它技術(shù)人員理解包括具有適合于所構(gòu)思的特定應(yīng)用的各種修改的不同實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種娃光子芯片，所述娃光子芯片包括: 有源硅層，包括光子器件，其中所述有源硅層在所述硅光子芯片的前側(cè)上； 硅襯底，包括蝕刻的背側(cè)腔，其中所述硅襯底在所述硅光子芯片的背側(cè)上； 微透鏡，集成到所述蝕刻的背側(cè)腔中；以及 掩埋氧化物層，位于所述有源硅層和所述硅襯底之間，其中所述掩埋氧化物層是用于所述蝕刻的背側(cè)腔的蝕刻停止層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的所述硅光子芯片，還包括: 反射結(jié)構(gòu)，位于所述硅光子芯片的所述前側(cè)上，其中所述光子器件位于所述蝕刻的背側(cè)腔和所述反射結(jié)構(gòu)之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的硅光子芯片，其中所述光子器件是衍射到或來(lái)自所述有源硅層的光學(xué)信號(hào)的衍射光柵稱(chēng)合器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的硅 光子芯片，其中所述微透鏡是可通過(guò)紫外光固化的光學(xué)聚合物材料，以及其中在所述硅光子芯片的制造工藝期間使用透明、透鏡形模將所述光學(xué)聚合物材料模制成所述微透鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的硅光子芯片，其中所述微透鏡準(zhǔn)直來(lái)自所述硅光子芯片的光學(xué)信號(hào)到位于所述硅光子芯片的所述背側(cè)上的具有集成微透鏡的光纖連接器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的硅光子芯片，其中所述微透鏡和所述具有集成微透鏡的光纖連接器在所述微透鏡和所述具有集成微透鏡的光纖連接器之間提供10-15微米的光學(xué)信號(hào)失準(zhǔn)容差。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的硅光子芯片，其中所述蝕刻的背側(cè)腔是在所述硅襯底中的具有集成微透鏡的多個(gè)蝕刻的背側(cè)腔中的一個(gè)，以及其中所述多個(gè)蝕刻的背側(cè)腔中的每一個(gè)都是圓柱形狀。
8.根據(jù)權(quán)利要求4的硅光子芯片，其中在所述硅光子芯片的制造工藝期間，所述微透鏡使用看穿所述透明、透鏡形模的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)器件與所述光子器件光學(xué)對(duì)準(zhǔn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的硅光子芯片，其中在所述微透鏡和所述光子器件之間的光學(xué)失準(zhǔn)容差小于一微米。
10.根據(jù)權(quán)利要求2的硅光子芯片，其中所述反射結(jié)構(gòu)將朝向所述硅光子芯片的所述前側(cè)衍射的光學(xué)信號(hào)反射到位于所述硅光子芯片的所述背側(cè)上的所述微透鏡。
11.一種娃光子芯片,所述娃光子芯片包括: 有源硅層，包括光子器件，其中所述有源硅層在所述硅光子芯片的前側(cè)上； 硅襯底，包括蝕刻的背側(cè)腔，其中所述硅襯底在所述硅光子芯片的背側(cè)上； 反射結(jié)構(gòu)，位于所述蝕刻的背側(cè)腔中；以及 掩埋氧化物層，位于所述有源硅層和所述硅襯底之間，其中在所述蝕刻的背側(cè)腔中所述反射結(jié)構(gòu)鄰近所述掩埋氧化物層的背側(cè)表面。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的硅光子芯片，其中所述蝕刻的背側(cè)腔與所述光子器件對(duì)準(zhǔn)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的硅光子芯片，其中所述光子器件位于在所述蝕刻的背側(cè)腔中的所述反射結(jié)構(gòu)與位于所述硅光子芯片的所述前側(cè)上的光纖連接器之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的硅光子芯片，其中所述反射結(jié)構(gòu)將朝向所述硅光子芯片的背側(cè)衍射的光學(xué)信號(hào)反射到位于所述硅光子芯片的所述前側(cè)上的所述光纖連接器。
15.根據(jù)權(quán)利要求11的娃光子芯片，其中所述反射結(jié)構(gòu)是鏡或者薄金屬膜中的一種。
16.根據(jù)權(quán)利要求11的娃光子芯片，其中二氧化娃材料位于所述蝕刻的背側(cè)腔中并在所述反射結(jié)構(gòu)的背側(cè)上。
17.—種娃光子芯片,所述娃光子芯片包括: 有源硅層，包括光子器件，其中所述有源硅層在所述硅光子芯片的前側(cè)上； 硅襯底，包括蝕刻的背側(cè)腔，其中所述硅襯底在所述硅光子芯片的背側(cè)上； 微透鏡，集成到所述蝕刻的背側(cè)腔中； 掩埋氧化物層，位于所述有源硅層和所述硅襯底之間，其中所述掩埋氧化物層是用于所述蝕刻的背側(cè)腔的蝕刻停止層；以及 反射結(jié)構(gòu)，位于所述硅光子芯片的所述前側(cè)上，其中所述光子器件位于所述蝕刻的背側(cè)腔與所述反射結(jié)構(gòu)之間。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的硅光子芯片，所述微透鏡準(zhǔn)直來(lái)自所述硅光子芯片的光學(xué)信號(hào)到位于所述硅光子芯片的所述背側(cè)上的具有集成微透鏡的光纖連接器。
19.根據(jù)權(quán)利要求18的硅光子芯片，其中所述具有集成微透鏡的光纖連接器包括光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的娃光子芯片,其中所述光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)是45度反射結(jié)構(gòu),所述45度反射結(jié)構(gòu)將到或來(lái)自平行于所述硅光子芯片的光纖的光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)向90度。
21.—種娃光子芯片,所述娃光子芯片包括: 有源硅層，包括光子器件，其中所述有源硅層在所述硅光子芯片的前側(cè)上； 硅襯底，包括蝕刻的背側(cè)腔，其中所述硅襯底在所述硅光子芯片的背側(cè)上； 第一反射結(jié)構(gòu)，位于所述蝕刻的背側(cè)腔中；以及 掩埋氧化物層，位于所述有源硅層和所述硅襯底之間，其中所述第一反射結(jié)構(gòu)鄰所述掩埋氧化物層的背側(cè)表面。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的所述硅光子芯片，還包括: 具有集成光子器件的單模波導(dǎo)連接器，其位于與所述蝕刻的背側(cè)腔相對(duì)的所述硅光子芯片的所述前側(cè)，其中所述具有集成光子器件的單模波導(dǎo)連接器包括第二反射結(jié)構(gòu)。
23.根據(jù)權(quán)利要求21的硅光子芯片，其中所述具有集成光子器件的單模波導(dǎo)連接器將所述硅光子芯片光學(xué)耦合到光纖連接器。
24.根據(jù)權(quán)利要求22的硅光子芯片，其中所述具有集成光子器件的單模波導(dǎo)連接器位于在所述娃光子芯片和芯片載體之間的導(dǎo)電凸起層中。
25.根據(jù)權(quán)利要求22的硅光子芯片，其中所述具有集成光子器件的單模波導(dǎo)連接器是具有芯和外層覆層的光學(xué)聚合物材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及硅光子芯片光學(xué)耦合結(jié)構(gòu)。提供了一種硅光子芯片。包括光子器件的有源硅層在硅光子芯片的前側(cè)上。包括蝕刻的背側(cè)腔的硅襯底在硅光子芯片的背側(cè)上。微透鏡集成到蝕刻的背側(cè)腔中。掩埋氧化物層位于有源硅層和硅襯底之間。掩埋氧化物層是用于蝕刻的背側(cè)腔的蝕刻停止層。
文檔編號(hào)G02B6/122GK103217740SQ201310017480
公開(kāi)日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2013年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月18日
發(fā)明者P·S·安德里, R·A·巴德, F·R·利布士, R·L·威斯涅夫 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司