[發(fā)明專利]與光耦合元件的3D光子集成

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201580049504.5
• 申請日: 2015-07-14
• 公開（公告）號: CN107111060A
• 公開（公告）日: 2017-08-29
• 發(fā)明（設計）人: J·克拉姆金;S·里斯蒂克
• 申請（專利權）人: 拜奧德光電公司
• 主分類號: G02B6/13
• 分類號: G02B6/13
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司72002
• 代理人: 周家新

相關申請的交叉引用

本申請要求于2014年7月14日提交的美國臨時申請?zhí)?2/024,379的權益，所述申請以引用的方式并入本文。

技術領域

本發(fā)明涉及半導體光電器件，更具體來說涉及通過光耦合元件(諸如轉(zhuǎn)向鏡、透鏡和光柵)來集成不同的光電器件。

背景技術

硅(Si)光子學已成為一種有效的光子集成平臺，其用于實現(xiàn)在芯片上包含多于一個光子功能的高功能光子集成電路(PIC)。該技術平臺可以實現(xiàn)用于光通信和傳感應用的緊湊型發(fā)射器和接收器。諸如但不限于分光器、組合器、陣列波導光柵(AWG)和中階梯光柵的無源部件可以在Si中用優(yōu)異的性能和小尺寸來制造。在Si中也展示了一些有源部件，包括基于P-N結的光調(diào)制器和基于Si(Ge/Si)上的鍺(Ge)或離子注入的光電二極管(PD)。盡管這些部件的性能是合理的，但是對于一些應用，具有由其他材料系統(tǒng)(諸如但不限于鈮酸鋰(LiNbO₃)、磷化銦(InP)或砷化鎵(GaAs))提供的更高性能將是有益的。

在Si上實現(xiàn)激光源是極具挑戰(zhàn)性的，因為Si具有間接帶隙，因此其對于光發(fā)射不是高效的。另一方面，諸如InP或GaAs的直接帶隙III-V族半導體有助于高效的光發(fā)射器。一種解決方案是簡單地共同封裝由III-V材料(諸如InP)制造的激光器，其在典型的光通信波長下發(fā)光，并且使用微光學技術將來自激光器芯片的光耦合到Si。這是一種相當麻煩的方法，其需要包括透鏡和光隔離器的多個微光學部件。這種方法對于需要多于一個激光源的應用也不能很好地擴展。

已經(jīng)提出了芯片上集成方法，諸如將InP激光器芯片直接集成在Si芯片上。在這種情況下，激光器芯片可以通過倒裝芯片接合而附接到Si芯片，并且光從InP平面波導對接耦合到Si平面波導。這種方法需要水平和垂直對準，并且通常需要主動對準，這意味著對準公差低，因此在芯片附接期間需要一些主動監(jiān)測。

另一種方法依賴于InP到Si的晶片接合，然后隨后去除InP襯底并對InP芯片進行后接合制造。在直接位于Si波導上方的InP增益介質(zhì)中產(chǎn)生的光漸逝地耦合到Si波導。這種方法依賴于極其敏感的晶片接合步驟，這產(chǎn)生了產(chǎn)量問題。其也需要處理不相容的材料并且表現(xiàn)出固有的可靠性問題，因為這兩種材料具有顯著不同的熱膨脹系數(shù)，并且這些材料通過晶片接合而緊密接觸。盡管晶片接合方法允許有效地執(zhí)行可擴展性(即，Si芯片上的激光器的數(shù)目增加)，但是其需要在相同設施中制造InP和Si材料。這些是不相容的材料，因此需要大量投資來使該技術成熟。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了用于在Si和其他襯底上實現(xiàn)高度可制造和可擴展的光子集成電路(PIC)的技術。通過倒裝芯片或直接接合光子芯片，可以使用轉(zhuǎn)向鏡、透鏡和表面光柵耦合器將光耦合到這些光子芯片和從這些光子芯片耦合。這些光耦合元件也可以用于在單個芯片中的層之間或在芯片的頂側和背側之間耦合光。我們通常將芯片之間的光耦合稱為垂直光耦合，然而耦合的方向不需要是精確垂直的。作為實例，這種集成技術允許在Si上實現(xiàn)小形狀因子和高性能激光器，以及在Si上集成光調(diào)制器和PD，其具有比可以直接用Si或Ge/Si實現(xiàn)的更高的性能。這種集成技術可以在后端步驟而不是前端處理中執(zhí)行，這意味著Si PIC和其他光子芯片(例如InP增益芯片)被單獨制造，然后在接合步驟中結合在一起。替代性地，如果一些協(xié)同制造是有益的，例如在允許一個芯片中的轉(zhuǎn)向鏡與Si芯片中的光柵耦合器直接對準的情況下，則這也是可能的。

這里提出的依賴于接合和垂直光耦合的方法不需要單獨芯片的協(xié)同處理。對芯片的制造位置沒有限制，并且芯片可以在其單獨和完整的制造之后簡單地集成。對于可以集成哪些光子部件也沒有限制。該方法具有晶片接合方法的可擴展性和緊湊性優(yōu)點，并且僅需要在一個平面中的被動對準(在接合步驟期間)。因此，其是非常可靠和可制造的。

使用本發(fā)明的Si器件和PIC可以采取許多形式，并且可以應用于需要用任何光子材料(諸如但不限于Si、氮化硅、二氧化硅、Ge、InP、GaAs、LiNbO₃)制造的一個或多個以下部件的許多應用：光放大器、激光器、可調(diào)諧激光器、光調(diào)制器、可變光衰減器、光電檢測器、分束器、光束組合器、中階梯光柵、陣列波導光柵、多模干涉耦合器、偏振分束器、偏振旋轉(zhuǎn)器、組合偏振分束器/旋轉(zhuǎn)器、布拉格光柵反射器、布拉格光柵濾波器、微環(huán)形諧振器。本發(fā)明可以用于將任何這些部件，或包含多于一個那些部件的集成芯片，集成到包含諸如上面列出的那些部件的其他光子部件的另一襯底(例如Si襯底)上。