向襯底的耦合損耗減少的光子晶體波導(dǎo)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明描述一種光子裝置和形成方法，其提供使所述光子裝置的襯底與內(nèi)核之間的光學(xué)耦合減少的區(qū)域。所述區(qū)域使用所述內(nèi)核和外包層中的孔洞形成。所述孔洞可經(jīng)提供光子晶體的材料填充。因此，所述光子裝置可充當(dāng)波導(dǎo)和光子晶體。
【專(zhuān)利說(shuō)明】向襯底的耦合損耗減少的光子晶體波導(dǎo)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本文中所公開(kāi)的實(shí)施例大體上涉及電子裝置(例如半導(dǎo)體裝置)領(lǐng)域，且更明確地說(shuō)涉及光子裝置和形成方法。

【背景技術(shù)】
[0002]電子-光子裝置(也稱(chēng)為光電裝置)是一類(lèi)能夠?qū)ぴ?、控制并檢測(cè)光的電子裝置。電子-光子裝置包括電子和光子功能兩者。在半導(dǎo)體工業(yè)中，光子裝置具有各種先進(jìn)的應(yīng)用，包括芯片內(nèi)、計(jì)算機(jī)板的芯片之間以及計(jì)算機(jī)板之間的通信?；貞?yīng)于對(duì)電子裝置(如半導(dǎo)體裝置)、光子裝置(例如光子晶體)更苛刻的通信帶寬、能量消耗和性能標(biāo)準(zhǔn)，光學(xué)波導(dǎo)逐漸與光學(xué)/電學(xué)電路集成以形成一類(lèi)稱(chēng)為電子-光子集成電路的電子-光子裝置。在電子-光子集成電路中，執(zhí)行純光學(xué)功能、純電學(xué)功能和光電功能的元件可使用CMOS工藝流程同時(shí)形成在相同或不同的襯底上。當(dāng)前CMOS工藝流程包括一系列復(fù)雜的制造步驟，包括沉積、掩蔽、蝕刻和摻雜。
[0003]一種有利的光子裝置是光子晶體，一種折射率周期性改變的結(jié)構(gòu)(例如多個(gè)孔洞的安排)的材料和/或網(wǎng)格。光子晶體具有允許為電磁波傳播定制獨(dú)特性質(zhì)的孔洞。與半導(dǎo)體中的帶隙能量(其中載波能量被阻擋)類(lèi)似，光子晶體可為電磁波提供光子帶隙，其中阻擋特定波長(zhǎng)的存在，同時(shí)允許其它波長(zhǎng)穿過(guò)。阻擋的方向是所述結(jié)構(gòu)的“光子帶隙”。如果光子晶體不允許光在所有偏振和方向的波長(zhǎng)范圍內(nèi)傳播，那么其具有“完全光子帶隙”。光子晶體包括二維(2D)和三維(3D)光子晶體。2D光子晶體在兩個(gè)維度中具有周期性且在第三維度中是均一的。盡管2D光子晶體無(wú)法具有完全帶隙，但其可具有針對(duì)精確局限于特定周期性平面的傳播的所有方向和偏振存在的阻擋的空隙。相比之下，在3D光子晶體中，電介質(zhì)網(wǎng)格在三個(gè)維度中是周期性的，形成完全光子帶隙。
[0004]另一尤其適用的光子裝置是在襯底上形成的光波導(dǎo)，即光學(xué)路徑。典型光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括內(nèi)核和外包層材料。內(nèi)核可由與外包層材料的折射率相比折射率(η)較大的材料形成。波導(dǎo)在電磁波內(nèi)部反射時(shí)在較高折射率內(nèi)核和較低折射率外包層材料之間的界面處產(chǎn)生。
[0005]需要管理內(nèi)核折射率與外包層材料折射率之間的差異以維持光學(xué)信號(hào)經(jīng)由波導(dǎo)不間斷的傳播且光學(xué)信號(hào)的泄漏最少。折射率匹配內(nèi)核折射率的材料即使與內(nèi)核間隔開(kāi)也可與內(nèi)核耦合并經(jīng)由稱(chēng)為漸逝耦合的過(guò)程吸引光學(xué)信號(hào)遠(yuǎn)離波導(dǎo)，破壞光學(xué)信號(hào)經(jīng)由波導(dǎo)的傳播。具體地說(shuō)，具有各種光學(xué)和電學(xué)結(jié)構(gòu)的電子和光子功能集成在相同或不同襯底上的電子-光子裝置和其它電子裝置可易受這一類(lèi)光損耗的影響。
[0006]會(huì)減輕來(lái)自光學(xué)耦合的光損耗且還可充當(dāng)光子晶體以獲得特定值的光子帶隙的光子裝置將推進(jìn)電子-光子裝置和其它電子裝置(例如半導(dǎo)體裝置)的性能和效率。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0007]圖1A是在加工的初始階段的根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的光子裝置的透視圖；
[0008]圖1B是在圖1A的加工階段之后的加工階段的沿截面A-A獲取的圖1A的光子裝置的橫截面圖；
[0009]圖1C是在圖1B的加工階段之后的加工階段的沿截面A-A獲取的圖1B的光子裝置的橫截面圖；
[0010]圖1D是在圖1C的加工階段之后的加工階段的沿截面A-A獲取的圖1C的光子裝置的橫截面圖；
[0011]圖1E是在圖1D的加工階段之后的加工階段的沿截面A-A獲取的圖1D的光子裝置的橫截面圖；
[0012]圖1F是在圖1E的加工階段之后的加工階段的沿截面A-A獲取的圖1E的光子裝置的橫截面圖；
[0013]圖2是沿截面A-A獲取的光子裝置的另一實(shí)施例的橫截面圖；
[0014]圖3是沿截面A-A獲取的光子裝置的另一實(shí)施例的橫截面圖；
[0015]圖4A是圖2的光子裝置的內(nèi)核的自上向下的視圖；
[0016]圖4B是圖3的光子裝置的內(nèi)核的自上向下的視圖；以及
[0017]圖5是具有根據(jù)本文所公開(kāi)的各種實(shí)施例構(gòu)建的光子裝置的電子-光子裝置的方塊圖。

【具體實(shí)施方式】
[0018]在以下【具體實(shí)施方式】中，參考隨附圖式，其構(gòu)成本文的一部分且其中以說(shuō)明方式展示可實(shí)踐的具體實(shí)施例。應(yīng)理解，在整個(gè)附圖中相同的參考數(shù)字代表相同的元件。足夠詳細(xì)地描述實(shí)施例以使所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)ζ溥M(jìn)行制造并使用，且應(yīng)理解可對(duì)所公開(kāi)的具體實(shí)施例作出結(jié)構(gòu)、材料、電學(xué)和程序改變，僅其中的一些詳細(xì)地論述于下文中。
[0019]術(shù)語(yǔ)“襯底”包括娃、絕緣體上娃(silicon-on-1nsulator，SOI)、空洞層上娃(silicon-on-nothing, SON)和藍(lán)寶石上娃(silicon-on-sapphire，SOS)技術(shù)、慘雜和未慘雜的半導(dǎo)體、由基底半導(dǎo)體基礎(chǔ)支撐的外延硅層和其它半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。此外，當(dāng)在以下描述中提及“襯底”時(shí)，可能已利用先前的工藝步驟在基底半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)或基礎(chǔ)以及絕緣襯底(如玻璃或石英)中形成區(qū)域或結(jié)。術(shù)語(yǔ)“襯底”還被理解為尤其包括例如線(xiàn)形和非線(xiàn)性光學(xué)材料、金屬、半導(dǎo)體和絕緣體/電介質(zhì)、聲學(xué)材料、磁性材料、鐵電材料、壓電材料和超導(dǎo)材料。另外，半導(dǎo)體無(wú)需為基于硅的，而是可基于例如硅鍺(SiGe)Jf (Ge)、砷化鎵(GaAs)或磷化銦(InP) ο
[0020]術(shù)語(yǔ)“光子晶體”是指折射率周期性改變的結(jié)構(gòu)(例如孔洞的安排)的材料和/或網(wǎng)格。“光子晶體”包括2D和3D光子晶體以及單模和多模光子晶體。
[0021]本文所述的實(shí)施例提供光子裝置以用于電子裝置，例如電子-光子裝置、半導(dǎo)體裝置，和其形成方法。光子裝置具有至少一個(gè)襯底、內(nèi)核、外包層材料和襯底的抗耦合區(qū)。襯底的抗耦合區(qū)可在裝置內(nèi)核的至少一部分和裝置包層的至少一部分下方延伸。多個(gè)孔洞可設(shè)置在內(nèi)核中，從其頂表面延伸穿過(guò)其以幫助形成抗耦合區(qū)。所述多個(gè)孔洞還可用于形成光子晶體。
[0022]光子裝置的所述多個(gè)孔洞和抗耦合區(qū)的組合提供數(shù)種優(yōu)點(diǎn)?？柜詈蠀^(qū)可增加光子裝置的內(nèi)核與其制造于其上或其中的襯底之間的光學(xué)分離且由此減少它們之間的耦合?？柜詈蠀^(qū)的折射率約等于或小于外包層材料(例如二氧化硅、氧化鋁或其它電介質(zhì)材料或合適的金屬氧化物)的折射率。光子裝置的襯底與內(nèi)核之間的耦合減少可限制來(lái)自光子裝置的潛在傳播損耗。
[0023]在一個(gè)實(shí)施例中，抗耦合區(qū)的至少一部分的折射率約等于或小于外包層材料的折射率?？捎糜谛纬煽柜詈蠀^(qū)的通過(guò)內(nèi)核和包層的多個(gè)孔洞可經(jīng)具有確保電磁波不受妨礙地經(jīng)由內(nèi)核傳播的折射率的材料填充。
[0024]在其它實(shí)施例中，除抗耦合區(qū)之外，可用于形成抗耦合區(qū)的所述多個(gè)孔洞的至少第一群組可具有約等于或小于外包層材料的折射率的第一折射率，且所述多個(gè)孔洞的第二群組可具有同樣約等于或小于外包層材料的折射率的第二折射率。在所述實(shí)施例中，除了提供形成抗耦合區(qū)保護(hù)對(duì)抗因內(nèi)核與襯底之間的非所需耦合所致的潛在光泄漏的方式之夕卜，光子裝置還可充當(dāng)具有特定值的可定制的光子帶隙的光子晶體。
[0025]在現(xiàn)有CMOS工藝流程期間，例如在鑲嵌或雙重鑲嵌工藝期間，在形成襯底之后在合適的加工階段可形成光子裝置的各種實(shí)施例。如美國(guó)專(zhuān)利第7，074，717號(hào)中所描述，鑲嵌工藝流程是電氣互連制造工藝，其中溝槽或其它凹部形成于半導(dǎo)體裝置的絕緣或電介質(zhì)層中。溝槽經(jīng)金屬或其它導(dǎo)電材料填充以形成導(dǎo)電結(jié)構(gòu)。就其本身而言，雙重鑲嵌工藝是多層互連制造工藝，其中接觸開(kāi)口也形成于半導(dǎo)體裝置的絕緣或電介質(zhì)層中。當(dāng)光子裝置加工步驟(下文關(guān)于圖1A-1F論述)進(jìn)行時(shí)CMOS或鑲嵌加工的階段取決于所制造的電子裝置的光學(xué)和電學(xué)參數(shù)，且其中光子裝置將形成在襯底上。光子裝置的位置也通過(guò)電子裝置的光學(xué)和電學(xué)參數(shù)測(cè)定。鑲嵌工藝流程具有為內(nèi)核的頂表面提供光滑的修飾面層的優(yōu)點(diǎn)，其可有助于減少來(lái)自?xún)?nèi)核的光泄漏。
[0026]圖1A圖解說(shuō)明在加工的初始階段的光子裝置100的實(shí)施例的透視圖，且圖1B圖解說(shuō)明沿橫截面A-A獲取的光子裝置100的橫截面圖。在襯底110通過(guò)此項(xiàng)技術(shù)中已知的任何加工步驟形成之后，外包層材料120和內(nèi)核130可通過(guò)合適的沉積技術(shù)依序形成，例如化學(xué)氣相沉積、光刻加工技術(shù)、退火工藝(例如在介于約800°C與約1200°C之間下的熱氧化工藝)或與CMOS (或鑲嵌)工藝流程相容的其它工藝。外包層材料120和內(nèi)核130可在襯底110上方形成。從A-A橫截面，內(nèi)核130可具有矩形形狀(如圖1B中所示)或內(nèi)核130可具有球形、多邊形或其它形狀。如圖1B中所示，內(nèi)核130可嵌在外包層材料120的至少一部分中。在圖1B中，外包層材料120并不在內(nèi)核130上方延伸，但這不具限制性。也就是說(shuō)，必要時(shí)，外包層材料120可在內(nèi)核130的至少一部分的上方延伸。光子裝置100的內(nèi)核130可例如是多晶娃(折射率(η)=約3.7)、單晶娃(η =約3.5)或氮化娃(η =約
2.01)。外包層材料120可為折射率小于內(nèi)核130的折射率的合適的電介質(zhì)材料，例如二氧化硅(η =約1.45)、氧化鋁(η =約1.76)或其它金屬氧化物。另外，可設(shè)置匹配外包層材料120的折射率的材料的間隔件125以防止外包層材料120的后續(xù)蝕刻并為裝置100提供機(jī)械支撐。光學(xué)信號(hào)將在內(nèi)核130處進(jìn)入光子裝置100并沿至少一個(gè)光學(xué)路徑P傳播(圖ΙΑ) ο
[0027]內(nèi)核130可具有約150nm到約300nm的厚度。外包層材料120可具有約925nm到約2微米的厚度。然而，這不具限制性。內(nèi)核130和外包層材料120可經(jīng)設(shè)定大小到此項(xiàng)技術(shù)中已知的任何尺寸，從而實(shí)現(xiàn)裝置100的特定光學(xué)特征(例如發(fā)射特定波長(zhǎng)或波長(zhǎng)范圍的光)、使用和應(yīng)用。
[0028]因內(nèi)核130鄰近襯底110和其折射率的相似性所致的可能的漸逝耦合提高了光學(xué)信號(hào)損耗到襯底110的可能性。因此，光耦合或以其它方式損耗到襯底110，而不是在內(nèi)核130-外包層材料120邊界處反射并沿至少一個(gè)光學(xué)路徑P傳播。下文相對(duì)于圖1C-1F論述的方法步驟描述了如何產(chǎn)生多個(gè)孔洞140，所述多個(gè)孔洞可在襯底110中形成抗耦合區(qū)150以幫助減輕漸逝耦合和光或信號(hào)損耗。
[0029]在外包層材料120和內(nèi)核130形成在襯底110上方之后，多個(gè)孔洞140可形成在外包層材料120和內(nèi)核130中，如圖1C中所示。在這一加工階段，經(jīng)由圖案化和合適的蝕刻來(lái)去除光子裝置100的部分以形成孔洞140?？锥?40可從裝置100的頂部經(jīng)由內(nèi)核130和包層120延伸到下伏的襯底110。從自上向下的視角，孔洞140的形狀可為球形、矩形、多邊形或其它形狀。
[0030]在形成孔洞140之后，抗耦合區(qū)150可形成在襯底110中，如圖1D中所描繪?？柜詈蠀^(qū)150在外包層材料120的至少一部分和內(nèi)核130的至少一部分下方延伸?？柜詈蠀^(qū)150可經(jīng)由任何蝕刻工藝形成，例如各向同性蝕刻、等離子蝕刻、反應(yīng)性離子蝕刻或用于形成圖1C中的多個(gè)孔洞140的蝕刻工藝?？柜詈蠀^(qū)150可如圖1D中保持“空的”，即，僅經(jīng)空氣填充?；蛘撸鐖D1E中所示，抗耦合區(qū)150的至少一部分可經(jīng)可使用用于形成外包層材料120的相同或相似材料和技術(shù)形成的合適的電介質(zhì)材料填充，例如二氧化硅、氧化鋁或其它金屬氧化物。還可采用蝕刻后加熱工藝，例如在介于約800°C與約1200°C之間下的熱氧化工藝，以在抗耦合區(qū)150中生長(zhǎng)氧化物。舉例來(lái)說(shuō)，如果襯底110由硅形成，那么抗耦合區(qū)150可經(jīng)生長(zhǎng)的二氧化硅填充。
[0031]如圖1F中所示，多個(gè)孔洞140可經(jīng)多晶硅(η =約3.7)、單晶硅(η =約3.5)、氮化硅(η =約2.01)或折射率比外包層材料120的折射率大的任何其它合適的材料填充?？锥?40應(yīng)與內(nèi)核130光學(xué)相容，使得孔洞140將不引起光從內(nèi)核130泄漏到襯底110。這允許光學(xué)信號(hào)經(jīng)由內(nèi)核130的傳播不受多個(gè)孔洞140影響地進(jìn)行，同時(shí)抗耦合區(qū)150減輕內(nèi)核130與襯底110之間的耦合。
[0032]相應(yīng)地，光子裝置100包含襯底110 ;在襯底110上方形成的外包層材料120 ;在外包層材料120的一部分內(nèi)的內(nèi)核130 ;以及在襯底110中在內(nèi)核130的至少一部分和外包層材料120的至少一部分下方延伸的抗耦合區(qū)150。另外，抗耦合區(qū)150可足以減輕內(nèi)核130與襯底110之間的光學(xué)親合。內(nèi)核130包含多晶娃、單晶娃和氮化娃中的一者。外包層材料120包含二氧化硅、氧化鋁、金屬氧化物和電介質(zhì)材料中的一者。
[0033]抗耦合區(qū)150的至少一部分的折射率可約等于或小于外包層材料的折射率。此夕卜，抗親合區(qū)150的至少一部分可經(jīng)電介質(zhì)材料、空氣、二氧化娃、氧化銷(xiāo)和金屬氧化物中的一者填充。
[0034]還提供了一種形成光子裝置100的方法。所述方法涉及:在襯底110上方形成外包層材料120 ;在外包層材料120的一部分內(nèi)形成內(nèi)核130 ;在內(nèi)核130和外包層材料120內(nèi)形成孔洞140 ;使用孔洞140以在襯底110中形成在內(nèi)核130的至少一部分和外包層材料120的至少一部分下方延伸的抗耦合區(qū)150?？柜詈蠀^(qū)150可足以減輕內(nèi)核與襯底之間的光學(xué)親合。
[0035]所述方法還可涉及用折射率約等于或小于外包層材料的折射率的材料填充抗耦合區(qū)150的至少一部分?？柜詈蠀^(qū)150還可經(jīng)空氣填充。所述步驟可在CMOS工藝、鑲嵌工藝和雙重鑲嵌工藝中的一者期間進(jìn)行。
[0036]多個(gè)孔洞還可經(jīng)各種材料填充以提供如現(xiàn)將描述的光子晶體。
[0037]圖2示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的光子裝置200，其與圖1F的裝置100類(lèi)似，除了多個(gè)孔洞240的至少第一群組241可經(jīng)具有約等于或小于外包層材料120的折射率的第一折射率的材料填充。多個(gè)孔洞240的第二群組242可經(jīng)具有同樣約等于或小于外包層材料120的折射率的第二折射率的材料填充。填充孔洞240的材料可為用于形成外包層材料120 (圖1A-1B)或填充抗耦合區(qū)150 (圖1E)的材料中的任一者，例如二氧化硅、氧化鋁或其它金屬氧化物或電介質(zhì)材料。因此，多個(gè)孔洞240的安排和填充可周期性改變內(nèi)核130的折射率。因此，內(nèi)核130形成具有可定制光子波長(zhǎng)帶隙的光子晶體。
[0038]第一群組的孔洞241可經(jīng)與第二群組242的孔洞相同的材料或不同的材料(具有等于或小于外包層材料120的折射率的折射率)填充以形成光子晶體。如果孔洞的第一群組241和孔洞的第二群組242經(jīng)不同的材料填充，那么所用材料的相應(yīng)折射率應(yīng)支持內(nèi)核130折射率的所需周期性改變和裝置200的光學(xué)性質(zhì)。
[0039]圖3示出了根據(jù)另一實(shí)施例的光子裝置300，其與圖2的裝置200類(lèi)似，除了多個(gè)孔洞340的至少第一群組241和/或第二群組342經(jīng)空氣(η =約I)填充。如圖3中所描述，多個(gè)孔洞340的第二群組342可經(jīng)空氣填充，但這不具限制性。
[0040]在任一實(shí)施例中，抗耦合區(qū)150可經(jīng)空氣(如圖1D中)或經(jīng)電介質(zhì)材料(如圖1E中)填充。
[0041]光子裝置100、200、300的元件的性質(zhì)和幾何形狀可包括此項(xiàng)技術(shù)中已知的任何性質(zhì)和幾何形狀。光子裝置200、300可充當(dāng)二維(2D)(例如孔洞240、340在兩個(gè)維度中是周期性的以在特定周期性平面中為傳播的所有方向和偏振形成波長(zhǎng)帶隙)或三維(3D)(例如孔洞240、340在三個(gè)維度中是周期性的以形成完全波長(zhǎng)帶隙)光子晶體?？锥?40、340的安排和其相應(yīng)的折射率(即所用的填充材料(如果存在的話(huà)))決定光子裝置200、300的波長(zhǎng)帶隙。
[0042]圖4Α-4Β圖解說(shuō)明分別展示可使用的孔洞240、340的示例性安排的光子裝置200、300的內(nèi)核130的自上向下的視圖。裝置200、300可充當(dāng)2D或3D光子晶體。圖4Α圖解說(shuō)明孔洞240的示例性三角形網(wǎng)格且圖4Β圖解說(shuō)明孔洞340的示例性矩形網(wǎng)格，然而所述安排不限于此。網(wǎng)格常數(shù)α 1>2(即周期)是從一個(gè)孔洞240、340的中心到鄰接孔洞240、340的中心的距離。為了獲得針對(duì)所需波長(zhǎng)或波長(zhǎng)范圍的光子帶隙，α應(yīng)為所需波長(zhǎng)的分?jǐn)?shù)(通常為二分之一 )ο孔洞240,340的半徑可為約0.20 α 1>2到約0.48 a U2，例如取決于裝置200、300的所需波長(zhǎng)帶隙范圍。一般來(lái)講，在內(nèi)核130與外包層材料120之間的折射率反差較大的情況下，可使得波長(zhǎng)帶隙較寬。光子帶隙波長(zhǎng)的下限主要由可形成的最小α和孔洞240、340決定。光子帶隙的波長(zhǎng)和寬度還取決于填充比，其是光子裝置200、300中的多個(gè)孔洞240、340的體積與光子裝置200、300的總體積相比的比率。光子裝置100、200、300可以一種、兩種或數(shù)種模式發(fā)射光。光學(xué)信號(hào)可例如沿光學(xué)路徑？工或P 2行進(jìn)。每種模式經(jīng)由內(nèi)核130以獨(dú)特的傳播常數(shù)和群速度沿光學(xué)路徑P行進(jìn)。每種模式被描述為以特定彈跳角沿光學(xué)信號(hào)方向在內(nèi)核130內(nèi)彈跳的橫向電磁(TEM)波的多次反射的大致總和。
[0043]圖4Α-4Β的光學(xué)路徑Pl,2不具限制性。裝置200、300的光學(xué)性質(zhì)(由其幾何形狀和材料決定)將定義特定光學(xué)信號(hào)沿其傳播的精確光學(xué)路徑P。裝置200、300可接收可沿各種光學(xué)路徑行進(jìn)的一或多個(gè)光學(xué)信號(hào)。
[0044]3D和2D光子晶體和形成方法分別描述于美國(guó)專(zhuān)利第7，054，532號(hào)和美國(guó)專(zhuān)利第7，418，161號(hào)中。美國(guó)專(zhuān)利第7，054，532號(hào)描述形成電介質(zhì)網(wǎng)格(即孔洞240、340的安排)所需的額外加工步驟，所述電介質(zhì)網(wǎng)格在第三維度中是周期性的以便裝置200、300的內(nèi)核130形成3D光子晶體。作為也可充當(dāng)光子晶體的光子裝置200、300的幾何形狀的其它實(shí)例，焦(Jiao)等人，“光子晶體裝置優(yōu)化而不增加制造公差:模式多路分用器設(shè)計(jì)(PhotonicCrystal Device Optimizat1n Without Increasing Fabricat1n Tolerances:A ModeDemultiplexer Design”，斯坦福大學(xué)(University)( “焦，，)已提出具有半徑為約0.18 α的多個(gè)(例如數(shù)千個(gè))孔洞的緊湊型(8.2微米Χ13.3微米)多模光子裝置。光子裝置200、300的幾何形狀的另一實(shí)例可見(jiàn)于索爾賈希克(Soljacic)等人，“用于光學(xué)集成的非線(xiàn)性光子晶體微裝置(Nonlinear Photonic Crystal Microdevices for OpticalIntegrat1n) ”，美國(guó)光學(xué)協(xié)會(huì)(Optical Society ofAmerica)，2003 年 4 月 15 日，第 8 卷，第8期(“索爾賈?？恕?中。索爾賈?？艘烟岢鼍哂邪霃綖?.2 α的孔洞的四端口、非線(xiàn)性光子晶體。在另一實(shí)例中，江(Jiang)等人，“80微米相互作用長(zhǎng)度硅光子晶體波導(dǎo)調(diào)制器(80-Micron Interact1n Length Silicon Photonic Crystal Waveguide Modulator)，，，應(yīng)用物理學(xué)通訊(Applied Physics Letter) 87，221105 (2005)( “江”)已提出具有 400nm網(wǎng)格常數(shù)、210nm孔洞直徑、215nm內(nèi)核厚度和2微米外包層材料厚度的超緊湊光子晶體調(diào)制器。
[0045]因此，裝置200、300(圖2、3)可與裝置100實(shí)質(zhì)上相同，除了多個(gè)孔洞240、340設(shè)置在內(nèi)核130中從其頂表面延伸穿過(guò)其以形成光子晶體。多個(gè)孔洞240、340的至少第一群組241可具有約等于或小于外包層材料120的折射率的第一折射率。多個(gè)孔洞240、340的第一群組241可經(jīng)電介質(zhì)材料填充。多個(gè)孔洞240、340的第一群組241可經(jīng)二氧化硅、氧化鋁和金屬氧化物中的一者填充。多個(gè)孔洞240、340的第一群組241可經(jīng)空氣填充。多個(gè)孔洞240、340的至少第二群組242、342可具有約等于或小于外包層材料120的折射率的第二折射率。多個(gè)孔洞240、340的第二群組242、342可經(jīng)電介質(zhì)材料填充。多個(gè)孔洞240、340的第二群組242、342可經(jīng)二氧化硅、氧化鋁和金屬氧化物中的一者填充。多個(gè)孔洞240、340的第二群組242、342可經(jīng)空氣填充。光子晶體可為二維光子晶體。光子晶體還可為三維光子晶體。
[0046]形成裝置200、300的方法可與形成裝置100的方法實(shí)質(zhì)上相同，除了所述方法還涉及在內(nèi)核130中形成從其頂表面延伸穿過(guò)其的多個(gè)孔洞240、340以形成光子晶體。光子晶體可為二維光子晶體。光子晶體還可為三維光子晶體。所述方法還可涉及用具有約等于或小于外包層材料120的折射率的第一折射率的材料填充多個(gè)孔洞240、340的第一群組241。所述方法還可涉及用具有約等于或小于外包層材料120的折射率的第二折射率的材料填充多個(gè)孔洞240、340的第二群組242、342。多個(gè)孔洞240、340的第一群組241和多個(gè)孔洞240、340的第二群組242、342中的一者可用空氣填充。
[0047]圖5是描述至少一個(gè)光子裝置(例如100、200、300 ;圖1_4)如何可與芯片上或芯片外發(fā)射極20和收發(fā)器40通信以及如何可促進(jìn)光學(xué)信號(hào)5在電子-光子裝置10中的傳播的方塊圖。舉例來(lái)說(shuō)，至少一個(gè)光子裝置100、200、300的各種實(shí)施例可通過(guò)從芯片上或芯片外發(fā)射極20 (例如光學(xué)發(fā)射極、發(fā)光二極管、激光二極管或其它發(fā)射極)接收光學(xué)信號(hào)5來(lái)操作。光學(xué)信號(hào)5可接著經(jīng)由至少一個(gè)光子裝置100、200、300或一系列光子裝置傳播。從那里，光學(xué)信號(hào)5可行進(jìn)到可集成為收發(fā)器40的調(diào)制器和/或檢測(cè)器(未圖示)。收發(fā)器40可安置在至少一個(gè)光子裝置100、200、300的一端或兩端。收發(fā)器40可經(jīng)配置以發(fā)送和/或接收光學(xué)信號(hào)5，如圖5中所示。收發(fā)器40還可將光學(xué)信號(hào)5轉(zhuǎn)換回電信號(hào)以例如驅(qū)動(dòng)電子-光子裝置的另一元件。如果一個(gè)以上光子裝置100、200、300串聯(lián)地提供，那么光學(xué)信號(hào)5還可例如在光子裝置100、200、300之間行進(jìn)。
[0048]多個(gè)孔洞140、240、340可包括支持裝置100、200、300的所需光學(xué)和/或電學(xué)性質(zhì)的任何數(shù)目(例如數(shù)千個(gè))的孔洞。
[0049]根據(jù)各種實(shí)施例提供一種系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包含:發(fā)射極20，其經(jīng)配置以發(fā)射光學(xué)信號(hào)5 ;和至少一個(gè)光子裝置100、200、300，其經(jīng)配置以從發(fā)射極20接收光學(xué)信號(hào)5，其包含:襯底110 ;在襯底110上方形成的外包層材料120 ;在外包層材料110的一部分內(nèi)的內(nèi)核130 ;和在襯底110中在內(nèi)核130的至少一部分和外包層材料120的至少一部分下方延伸的抗耦合區(qū)150?？柜詈蠀^(qū)150可足以減輕內(nèi)核130與襯底110之間的光學(xué)耦合。
[0050]所述系統(tǒng)可包括安置在至少一個(gè)光子裝置100、200、300的一端或兩端的收發(fā)器40，其經(jīng)配置以從至少一個(gè)光子裝置100、200、300發(fā)送和接收光學(xué)信號(hào)。多個(gè)孔洞240、340可設(shè)置在內(nèi)核130中，從其頂表面延伸穿過(guò)其以形成光子晶體。光子晶體可為二維光子晶體。光子晶體可為三維光子晶體?？柜詈蠀^(qū)150的至少一部分可經(jīng)折射率約等于或小于外包層材料120的折射率的材料填充。抗耦合區(qū)150可經(jīng)空氣填充。多個(gè)孔洞240、340的至少第一群組241可具有約等于或小于外包層材料120的折射率的第一折射率。多個(gè)孔洞240,340的第一群組241可經(jīng)電介質(zhì)材料填充。多個(gè)孔洞240、340的第一群組241可經(jīng)二氧化硅、氧化鋁和金屬氧化物中的一者填充。多個(gè)孔洞240、340的第一群組241可經(jīng)空氣填充。多個(gè)孔洞240、340的至少第二群組242、342可具有約等于或小于外包層材料120的折射率的第二折射率。內(nèi)核130包含多晶硅、單晶硅和氮化硅中的一者。外包層材料120包含二氧化硅。
[0051]雖然已詳細(xì)描述所公開(kāi)的實(shí)施例，但應(yīng)易于理解本發(fā)明不限于所公開(kāi)的實(shí)施例。實(shí)際上，所公開(kāi)的實(shí)施例可經(jīng)修改以并入迄今為止未描述的任何數(shù)目的變化、改變、取代或等效安排。
【權(quán)利要求】
1.一種光子裝置，其包含: 襯底； 外包層材料，其形成在所述襯底上方； 內(nèi)核，其在所述外包層材料的一部分內(nèi)；和 抗耦合區(qū)，其在所述襯底中在所述內(nèi)核的至少一部分和所述外包層材料的至少一部分下方延伸， 其中所述抗耦合區(qū)足以減輕所述內(nèi)核與所述襯底之間的光學(xué)耦合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子裝置，其中多個(gè)孔洞設(shè)置在所述內(nèi)核中從其頂表面延伸穿過(guò)其以形成光子晶體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子裝置，其中所述抗耦合區(qū)的至少一部分具有約等于或小于所述外包層材料的折射率的折射率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子裝置，其中所述抗耦合區(qū)的至少一部分經(jīng)電介質(zhì)材料填充。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子裝置，其中所述抗耦合區(qū)的至少一部分經(jīng)二氧化硅、氧化鋁和金屬氧化物中的一者填充。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子裝置，其中所述抗耦合區(qū)的至少一部分經(jīng)空氣填充。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光子裝置，其中所述多個(gè)孔洞的至少第一群組具有約等于或小于所述外包層材料的折射率的第一折射率。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光子裝置，其中所述多個(gè)孔洞的所述第一群組經(jīng)電介質(zhì)材料填充。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光子裝置，其中所述多個(gè)孔洞的所述第一群組經(jīng)二氧化硅、氧化鋁和金屬氧化物中的一者填充。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光子裝置，其中所述多個(gè)孔洞的所述第一群組經(jīng)空氣填充。
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光子裝置，其中所述多個(gè)孔洞的至少第二群組具有約等于或小于所述外包層材料的折射率的第二折射率。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光子裝置，其中所述多個(gè)孔洞的所述第二群組經(jīng)電介質(zhì)材料填充。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光子裝置，其中所述多個(gè)孔洞的所述第二群組經(jīng)二氧化硅、氧化鋁和金屬氧化物中的一者填充。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光子裝置，其中所述多個(gè)孔洞的所述第二群組經(jīng)空氣填充。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子裝置，其中所述內(nèi)核包含多晶硅、單晶硅和氮化硅中的一者O
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子裝置，其中所述外包層材料包含電介質(zhì)材料。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子裝置，其中所述外包層材料包含二氧化硅、氧化鋁和金屬氧化物中的一者。
18.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光子裝置，其中所述光子晶體是二維光子晶體。
19.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光子裝置，其中所述光子晶體是三維光子晶體。
20.一種系統(tǒng)，其包含: 發(fā)射極，其經(jīng)配置以發(fā)射光學(xué)信號(hào)；和 至少一個(gè)光子裝置，其經(jīng)配置以接收來(lái)自所述發(fā)射極的所述光學(xué)信號(hào)，其包含: 襯底； 外包層材料，其形成在所述襯底上方； 內(nèi)核，其在所述外包層材料的一部分內(nèi)； 抗耦合區(qū)，其在所述襯底中在所述內(nèi)核的至少一部分和所述外包層材料的至少一部分下方延伸， 其中所述抗耦合區(qū)足以減輕所述內(nèi)核與所述襯底之間的光學(xué)耦合。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中多個(gè)孔洞設(shè)置在所述內(nèi)核中從其頂表面延伸穿過(guò)其以形成光子晶體。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包含安置在所述至少一個(gè)光子裝置的一端或兩端處的收發(fā)器，所述收發(fā)器經(jīng)配置以發(fā)送和接收來(lái)自所述至少一個(gè)光子裝置的所述光學(xué)信號(hào)。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述光子晶體是二維光子晶體。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述光子晶體是三維光子晶體。
25.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述抗耦合區(qū)的至少一部分經(jīng)折射率約等于或小于所述外包層材料的折射率的材料填充。
26.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述抗耦合區(qū)經(jīng)空氣填充。
27.根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)孔洞的至少第一群組具有約等于或小于所述外包層材料的折射率的第一折射率。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)孔洞的所述第一群組經(jīng)電介質(zhì)材料填充。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)孔洞的所述第一群組經(jīng)二氧化硅、氧化鋁和金屬氧化物中的一者填充。
30.根據(jù)權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)孔洞的所述第一群組經(jīng)空氣填充。
31.根據(jù)權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)孔洞的至少第二群組具有約等于或小于所述外包層材料的折射率的第二折射率。
32.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述內(nèi)核包含多晶硅、單晶硅和氮化硅中的一者。
33.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述外包層材料包含二氧化硅。
34.一種形成光子裝置的方法，所述方法包含: 在襯底上方形成外包層材料； 在所述外包層材料的一部分內(nèi)形成內(nèi)核；以及 在所述襯底中形成在所述內(nèi)核的至少一部分和所述外包層材料的至少一部分下方延伸的抗耦合區(qū)， 其中所述抗耦合區(qū)足以減輕所述內(nèi)核與所述襯底之間的光學(xué)耦合。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其進(jìn)一步包含: 用折射率約等于或小于所述外包層材料的折射率的材料填充所述抗耦合區(qū)的至少一部分。
36.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中所述抗耦合區(qū)經(jīng)空氣填充。
37.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其中所述步驟在CMOS工藝、鑲嵌工藝和雙重鑲嵌工藝中的一者期間進(jìn)行。
38.根據(jù)權(quán)利要求34所述的方法，其進(jìn)一步包含: 在所述內(nèi)核中形成從其頂表面延伸穿過(guò)其的多個(gè)孔洞以形成光子晶體。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，其中所述光子晶體是二維光子晶體和三維光子晶體中的一者。
40.根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，其進(jìn)一步包含: 用具有約等于或小于所述外包層材料的折射率的第一折射率的材料填充所述多個(gè)孔洞的第一群組。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的方法，其進(jìn)一步包含: 用具有約等于或小于所述外包層材料的折射率的第二折射率的材料填充所述多個(gè)孔洞的第二群組。
42.根據(jù)權(quán)利要求38所述的方法，其中所述多個(gè)孔洞的第一群組和所述多個(gè)孔洞的第二群組中的一者經(jīng)空氣填充。
【文檔編號(hào)】G02B6/122GK104471453SQ201380010257
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2013年1月3日 優(yōu)先權(quán)日:2012年1月20日
【發(fā)明者】居爾泰基·桑德胡, 羅伊·米迪 申請(qǐng)人:美光科技公司