本實(shí)用新型涉及到硅基光子學(xué)以及芯片級(jí)光互連技術(shù)，尤其涉及一種CMOS后工藝集成高效率雙向光柵耦合器。

背景技術(shù)：

微電子技術(shù)和光纖通信技術(shù)是人類信息社會(huì)的兩大基石。近半個(gè)世紀(jì)來，隨著集成電路工藝特征尺寸的不斷縮小，集成電路集成度一直按照摩爾定律飛速發(fā)展。芯片更高的集成度帶來的不僅僅是晶體管數(shù)目的增加，更是芯片功能和處理速度的提升。然而，隨著特征尺寸的不斷縮小和集成度的不斷增加，微電子工藝的局限性也日趨明顯。一方面是由于器件線寬的不斷減小，傳統(tǒng)的光刻加工手段已經(jīng)接近極限，此外，當(dāng)器件尺寸接近納米尺度時(shí)，將會(huì)引入不可期望的量子物理效應(yīng)，從而導(dǎo)致器件失效；另一方面是由于隨著晶體管尺寸和互連線尺寸同步縮小，單個(gè)晶體管的延時(shí)和功耗越來越小，而互連線的延時(shí)和功耗卻越來越大并逐漸占據(jù)主導(dǎo)。在當(dāng)今的處理器中，電互連引起的功耗占了整個(gè)芯片總功耗的80％以上。因此，深亞微米特征尺寸下電互連延遲和功耗的瓶頸，已經(jīng)嚴(yán)重制約芯片性能的進(jìn)一步提高。片上互連迫切需要一種比電互連更高速更寬帶的互連方式。

于是人們提出了硅基光互連的概念。目前光互連尚未涉足的領(lǐng)域就是片間以及片內(nèi)的通信。從兩種互連方式比較而言，光互連有明顯的優(yōu)勢(shì)，其高帶寬、低能耗、延遲小、抗電磁干擾的優(yōu)點(diǎn)是芯片內(nèi)銅互連線所無法比擬的。因此，研究芯片級(jí)的光子技術(shù)并使其與世界上最為成熟廉價(jià)的硅CMOS工藝兼容，對(duì)于實(shí)現(xiàn)片上光互連和解決微電子芯片的性能瓶頸具有十分重要的意義和價(jià)值。

由于硅材料在發(fā)光方面的先天不足，采用片外光源耦合的方式成為硅基光電子芯片光輸入的主要手段。而光柵耦合器作為硅基光電子芯片和片外光源的接口，具有較強(qiáng)的對(duì)準(zhǔn)容差能力、可隨意放置、無需端面拋光等優(yōu)點(diǎn)，因此受到研究人員的廣泛青睞。對(duì)于傳統(tǒng)的斜入射光柵耦合器而言，一定的光纖傾角無疑會(huì)帶來很多不便。首先這意味著測(cè)試過程中的光纖角度調(diào)諧不可避免，而這個(gè)過程通常較為耗時(shí)；其次，要想實(shí)現(xiàn)光纖到芯片的封裝，我們通常需要對(duì)光纖進(jìn)行角度拋光，而這種后工藝又會(huì)顯著地增加封裝成本。因此，一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)完全垂直耦合的高效率光柵耦合器對(duì)于快速晶圓級(jí)測(cè)試和低成本的光纖封裝是十分有利的。然而，由光柵耦合的布拉格條件我們知道，完全垂直耦合總是意味著較強(qiáng)的二次反射和向上反射，從而引起光柵耦合效率的急劇下降。采用雙向傳輸?shù)墓鈻沤Y(jié)構(gòu)可以有效消除二次反射的問題，當(dāng)光纖垂直入射于光柵中心且光柵在水平方向上均勻?qū)ΨQ，兩側(cè)波導(dǎo)中的光耦合應(yīng)完全對(duì)稱，此時(shí)對(duì)應(yīng)的波導(dǎo)內(nèi)后向二次反射也因?yàn)榉较蛳喾炊耆窒?，這樣光柵的總耦合效率可以維持在較高的水平，同時(shí)光纖對(duì)準(zhǔn)容差能力也能得到進(jìn)一步增強(qiáng)。然而，雙向光柵還面臨著兩方面的光損耗，一方面，向襯底的光泄漏極大地限制著光柵耦合效率；其次，向上的光反射會(huì)引起光纖內(nèi)的回波損耗，從而在光纖中與入射光波產(chǎn)生干涉作用引起光源傳輸功率的波動(dòng)。為進(jìn)一步提升雙向光柵耦合器的性能，需要解決向上的光反射和向襯底的光泄漏問題。

另一方面，集成電路和光電子器件的集成也是硅基光電子學(xué)的研究熱點(diǎn)，目前光電集成總的方案分為單片集成和混合集成兩類，所謂單片集成即是在同一顆芯片上制作集成電路和光子回路；而混合集成則是分別制作集成電路芯片和硅基光電子芯片，然后再采用鍵和或者倒裝焊的方式，將兩顆芯片封裝成單顆芯片。對(duì)于單片集成方案，根據(jù)其中光子器件制備工藝的差異，目前研究人員提出集成方法主要可以分為兩類，分別是前端集成(Front-End-of-Line Integration)和后端集成(Back-End-of-Line Integration)，所謂前端集成，是指在制備微電子器件的同時(shí)，也將光電子器件制作在同一襯底上，晶體管和光電器件共享一部分相同的工藝步驟和掩膜版，最后在BEOL中完成金屬互連即可。前端集成方法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠充分共享成熟的CMOS工藝，電路和光器件可以協(xié)同設(shè)計(jì)、制版、制造，有利于電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化和大規(guī)模生產(chǎn)，然而不利的因素也有很多，首先，光電子器件和微電子電路對(duì)于襯底材料和工藝的優(yōu)化需求不同，很難在兩者的性能之間進(jìn)行設(shè)計(jì)折衷；其次，由于光電子器件的尺寸相對(duì)較大，往往在數(shù)十或者數(shù)百微米量級(jí)，而相比之下，晶體管的尺寸僅為光器件的千分之一大小，如此，將光電器件和晶體管制備在同一層會(huì)使整個(gè)芯片面積過大，嚴(yán)重降低了芯片的集成度。相比之下，采用后端集成的方法在已經(jīng)制造完畢的CMOS IC芯片表面通過后工藝的方法引入光電子材料從而構(gòu)建光電子器件層顯得吸引力巨大。一方面，這種集成方法允許人們獨(dú)立地設(shè)計(jì)和優(yōu)化光電子器件和微電子電路，有望得到最優(yōu)的性能組合；同時(shí)，采用后端集成制備的光電子器件位于微電子電路的上方，這樣光電分層的三維堆疊集成方案較好地節(jié)省了芯片面積，提升了芯片的集成度。

基于上述思想，本實(shí)用新型提出了采用CMOS后工藝集成來制造高效率雙向光柵耦合器，采用的雙向光柵結(jié)構(gòu)不僅可以實(shí)現(xiàn)完全垂直的光耦合，同時(shí)還可以借助CMOS后工藝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及特殊工藝層對(duì)光柵的耦合性能提供優(yōu)化增強(qiáng)。利用CMOS IC襯底表面的金屬焊盤作為光柵的襯底金屬反射鏡以及雙介質(zhì)包層作為光柵的上包層減反膜，可以顯著降低光柵的向上回波損耗，消除向襯底的光泄漏，從而大大提升了光柵的總耦合效率。該CMOS后工藝集成高效率雙向光柵耦合器實(shí)現(xiàn)了光電子器件和集成電路的單片融合，提供了一種可用于3-D光電集成的高效率垂直光耦合方案，有望在未來的硅基光電集成和硅基片上光互連領(lǐng)域中取得重要應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型提供一種CMOS后工藝集成高效率雙向光柵耦合器，包括：

一個(gè)雙向光柵耦合器：由一個(gè)用于垂直耦合的均勻光柵和兩個(gè)模式轉(zhuǎn)換器組成，其中均勻光柵作為單模光纖的垂直耦合接口，兩個(gè)模式轉(zhuǎn)換器分別作為雙向光柵耦合器兩側(cè)多模光波導(dǎo)與單模脊形光波導(dǎo)的連接，可以實(shí)現(xiàn)近似無損耗的光傳輸以及模式轉(zhuǎn)換；

一個(gè)雙介質(zhì)包層結(jié)構(gòu)：由SiO₂和Si₃N₄兩層組成，位于雙向光柵耦合器的上方，用于抑制雙向光柵耦合器的向上光反射；

一個(gè)CMOS IC芯片：作為CMOS后工藝的襯底材料，其中位于CMOS IC芯片表面、雙向光柵耦合器底部的金屬焊盤作為雙向光柵耦合器的襯底反射鏡；

一個(gè)二氧化硅隔離層：位于CMOS IC芯片和雙向光柵耦合器之間，作為雙向光柵耦合器的下包層；

一個(gè)環(huán)形金屬對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記：位于雙介質(zhì)包層結(jié)構(gòu)的上方，環(huán)繞在雙向光柵耦合器中均勻光柵的周圍，用于光柵測(cè)試時(shí)對(duì)單模光纖的對(duì)準(zhǔn)。

附圖說明

為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步詳細(xì)說明，其中：

圖1為本實(shí)用新型的具體實(shí)施例立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型的具體實(shí)施例的芯片縱向剖面示意圖；

圖3為采用單氧化層上包層和雙介質(zhì)包層結(jié)構(gòu)的雙向光柵耦合器的耦合效率和向上光反射對(duì)比曲線；

圖4為采用襯底金屬反射鏡和未采用襯底金屬反射鏡的雙介質(zhì)包層雙向光柵耦合器的耦合效率和向上光反射對(duì)比曲線；

圖5為該實(shí)用新型具體實(shí)施例器件C(雙介質(zhì)包層，帶襯底反射鏡)和兩個(gè)對(duì)比器件A(單氧化硅包層，無襯底反射鏡)和B(雙介質(zhì)包層，無襯底反射鏡)的光柵截面電場(chǎng)強(qiáng)度仿真分布圖，A、B、C依次對(duì)應(yīng)從上到下的(a)、(b)、(c)。

具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型是一種CMOS后工藝集成高效率雙向光柵耦合器，器件以CMOS IC作為襯底并采用CMOS后工藝制作而成。對(duì)于不同的波導(dǎo)厚度、二氧化硅隔離層厚度和雙介質(zhì)包層厚度，為達(dá)到功能要求相應(yīng)的最佳設(shè)計(jì)也不同，因此為了方便進(jìn)行敘述，本實(shí)用新型所用各層材料默認(rèn)為具體實(shí)施參數(shù)，即波導(dǎo)材料為單晶硅，厚度為220nm，二氧化硅隔離層厚度為2μm，雙介質(zhì)包層的二氧化硅(SiO₂)厚度為335nm，氮化硅(Si₃N₄)厚度為245nm，金屬襯底反射鏡采用鋁。

請(qǐng)參閱圖1和圖2，本實(shí)用新型提供一種CMOS后工藝集成高效率雙向光柵耦合器，包括：

一個(gè)雙向光柵耦合器1：由一個(gè)用于垂直耦合的均勻光柵和兩個(gè)模式轉(zhuǎn)換器組成，其中均勻光柵作為單模光纖21的垂直耦合接口，兩個(gè)模式轉(zhuǎn)換器分別作為雙向光柵耦合器1兩側(cè)多模光波導(dǎo)與單模脊形光波導(dǎo)的連接，可以實(shí)現(xiàn)近似無損耗的光傳輸以及模式轉(zhuǎn)換；

一個(gè)雙介質(zhì)包層結(jié)構(gòu)2：由二氧化硅(SiO₂)3和氮化硅(Si₃N₄)4兩層組成，位于雙向光柵耦合器1的上方，用于抑制雙向光柵耦合器1的向上光反射，頂部二氧化硅包層用作折射率匹配層，第二層氮化硅層為整個(gè)雙向光柵耦合器1結(jié)構(gòu)提供良好的抗反射性能。通過雙介質(zhì)包層結(jié)構(gòu)2，將向上光反射損耗抑制到相當(dāng)?shù)偷闹担?/p>

一個(gè)CMOS IC芯片5：作為CMOS后工藝的襯底材料，其中位于CMOS IC芯片5表面、雙向光柵耦合器1底部的金屬焊盤作為雙向光柵耦合器的襯底的金屬反射鏡6，用來消除向襯底泄露的光損耗。襯底反射鏡6的材料為CMOS后工藝兼容材料鋁；

一個(gè)二氧化硅隔離層7：位于CMOS IC芯片5和雙向光柵耦合器1之間，作為雙向光柵耦合器1的下包層；

一個(gè)環(huán)形金屬對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記8：位于雙介質(zhì)包層結(jié)構(gòu)2的上方，環(huán)繞在雙向光柵耦合器1中均勻光柵的周圍，用于光柵測(cè)試時(shí)對(duì)單模光纖21的對(duì)準(zhǔn)。該環(huán)形金屬對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記8的內(nèi)環(huán)直徑為125μm，與單模光纖21去掉涂覆層的包層直徑相同，該環(huán)形金屬對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記8與雙向光柵耦合器1同心，以保證雙向光柵耦合器1作為輸入端完全對(duì)稱的3-dB分束器使用。如此，可以在測(cè)試時(shí)直接將單模光纖21與金屬環(huán)型對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記8進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，大大降低了測(cè)試的復(fù)雜度，提高了對(duì)準(zhǔn)的精度。

所述的采用的雙向光柵耦合器1作為單模光纖21的垂直耦合接口，以實(shí)現(xiàn)完全垂直耦合，并且在單模光纖21處于對(duì)稱垂直耦合光柵1中心時(shí)，將耦合進(jìn)入的光能量分成完全對(duì)稱的兩束光分別進(jìn)入雙向光柵耦合器1的具有相反方向的兩個(gè)模式轉(zhuǎn)換器中，使光沿相反的方向單模傳播，從而該結(jié)構(gòu)具備耦合器和輸入端的3-dB分束器的功能。

所述的雙介質(zhì)包層結(jié)構(gòu)2，由厚度為335nm的二氧化硅(SiO₂)3和厚度為245nm的氮化硅(Si₃N₄)4組成，頂部二氧化硅3包層用作折射率匹配層，氮化硅層4為整個(gè)雙向光柵耦合器1結(jié)構(gòu)提供良好的抗反射性能。通過雙介質(zhì)包層結(jié)構(gòu)2，將向上光反射損耗抑制到相當(dāng)?shù)偷闹怠?/p>

所述的金屬反射鏡6由CMOS IC芯片5上的金屬焊盤充當(dāng)，金屬反射鏡6可以用CMOS兼容工藝實(shí)現(xiàn)，如深紫外光刻，蝕刻和金屬淀積，本實(shí)施例中，選擇鋁作為金屬鏡的材料。金屬反射鏡6可以提高光柵的方向性，減小襯底光泄露，進(jìn)一步提高雙向光柵耦合器1的耦合效率。

根據(jù)以上所述的CMOS后工藝集成高效率雙向光柵耦合器，其能夠完成對(duì)光進(jìn)行完全垂直耦合和雙向光傳輸，最重要的是可以通過雙介質(zhì)包層結(jié)構(gòu)2和CMOS IC芯片5襯底的金屬反射鏡6減少向上光反射和襯底泄漏光功率來大大增強(qiáng)總平面內(nèi)光耦合。

圖2為CMOS后工藝集成高效率雙向光柵耦合器的截面圖，該雙向光柵耦合器1的特點(diǎn)是，單模光纖21與雙向光柵耦合器1絕對(duì)垂直，且處于共心。圖中對(duì)稱垂直耦合光柵1上方為單模光纖21芯層和包層示意，一般普通的單模光纖芯層為直徑八到九個(gè)微米，出射模式為高斯模式，模斑直徑為10.4μm，因此，為確保耦合效率，光柵長(zhǎng)度應(yīng)稍大，在我們的實(shí)施方案中，對(duì)稱垂直耦合光柵1的長(zhǎng)度為12um。從示意圖中可以看出，從單模光纖21出射的能量P_E在耦合進(jìn)入芯片時(shí)，主要分成4部分，即耦合進(jìn)入左側(cè)寬波導(dǎo)的能量P₁，耦合進(jìn)入右側(cè)寬波導(dǎo)的能量P₂，向上反射的能量P_R1，以及向下透射的能量P_T1。當(dāng)單模光纖21與對(duì)稱垂直耦合光柵1同心時(shí)，根據(jù)對(duì)稱性，應(yīng)有P₁＝P₂。此時(shí)，雙向光柵耦合器1即作為耦合器又作為輸入端的3-dB能量分束器將耦合進(jìn)入的能量分成完全對(duì)稱的兩束TE偏振的光。P_R1在向上經(jīng)過雙介質(zhì)包層結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)受到強(qiáng)烈的抑制，從而在出射到空氣時(shí)被大大削弱；而P_T1在向下遇到金屬焊盤時(shí)會(huì)被反射向上進(jìn)入光柵區(qū)域，進(jìn)一步耦合到波導(dǎo)平面。雙向光柵耦合器1可為均勻光柵也可為非均勻光柵，若為非均勻光柵，則需要保證光柵關(guān)于XY平面對(duì)稱。本實(shí)施例中，雙向光柵耦合器1采用均勻光柵結(jié)構(gòu)。

為了顯示耦合增強(qiáng)的關(guān)系，分別設(shè)置了僅具有單個(gè)氧化物包層的耦合器沒有金屬反射鏡的耦合器A、僅具有雙介質(zhì)包層結(jié)構(gòu)沒有金屬反射鏡的耦合器B、既有雙介質(zhì)包層有金屬反射鏡耦合器C做出對(duì)比，并使用2-D FDTD方法計(jì)算了A、B、C三種光柵耦合器的耦合效率和電場(chǎng)分布。

圖3為本實(shí)用新型的具體實(shí)施例C和對(duì)比器件A的耦合效率仿真曲線對(duì)比圖。曲線橫軸為波長(zhǎng)，縱軸為耦合進(jìn)入兩側(cè)波導(dǎo)中的耦合效率。通過對(duì)比，單個(gè)氧化物包層對(duì)向上反射的抑制不明顯，向上反射的功率約16.7％對(duì)應(yīng)的回波損耗為7.7dB，這樣的結(jié)果對(duì)于耦合器應(yīng)用很不理想。但是在具有雙介質(zhì)包層結(jié)構(gòu)2的大部分波長(zhǎng)區(qū)域中，向上反射功率最小約3.6％，對(duì)應(yīng)的回波損耗僅為-14.4dB，向上反射被抑制顯著。

圖4表示出了本實(shí)用新型的具體實(shí)施例C和對(duì)比器件僅具有雙介質(zhì)包層結(jié)構(gòu)沒有金屬反射鏡的耦合器B之間的性能比較。由圖5可以清楚地看到，由于金屬反射鏡6對(duì)光的反射，總平面耦合可以達(dá)到高達(dá)88.3％，耦合效率的增加了超過22％，對(duì)應(yīng)的耦合損耗僅為0.54dB。這種耦合性能對(duì)于完全垂直耦合應(yīng)用將是非常令人滿意的。

圖5為該實(shí)用新型具體實(shí)施例器件C(雙介質(zhì)包層，帶襯底反射鏡)和兩個(gè)對(duì)比器件A(單氧化硅包層，無襯底反射鏡)和B(雙介質(zhì)包層，無襯底反射鏡)的光柵截面電場(chǎng)強(qiáng)度仿真分布圖，A、B、C依次對(duì)應(yīng)圖中從上到下的(a)、(b)、(c)。其中橫坐標(biāo)為光波導(dǎo)的方向，縱坐標(biāo)為波導(dǎo)高度方向。從圖中可以清楚地看到不同方向的耦合方式和功率流，上反射功率隨著雙介質(zhì)包層結(jié)構(gòu)2的幫助進(jìn)一步減小，波導(dǎo)耦合由雙介質(zhì)包層結(jié)構(gòu)2減反射和襯底CMOS IC芯片5上的金屬反射鏡6的反射大大增強(qiáng)。

以上對(duì)本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)說明，但所述內(nèi)容僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，不能被認(rèn)為用于限定本實(shí)用新型的實(shí)施范圍。凡依本實(shí)用新型申請(qǐng)范圍所作的均等變化與改進(jìn)等，均應(yīng)仍歸屬于本實(shí)用新型的專利涵蓋范圍之內(nèi)。