窄表面波纹光栅的制作方法

专利名称：窄表面波纹光栅的制作方法
技术领域：
本发明的实施例属于集成光学部件(IOC)领域，并且更特别地涉及表面波纹光栅。
背景技术：
通信网络在覆盖的广度和数据密度方面持续增长。该持续增长的重要使能技术是提高的光学(光子)部件的集成。例如，现在正在采用波分多路复用(WDM)来部署城域网和广域网，所述波分多路复用(WDM)使用利用超大规模集成(VLSI)制造技术集成到硅、或其它半导体、基底上的波长选择性滤波器来分/插(add/drop)信道。在光通信中，除了至少在某种程度上利用布拉格光栅的波长选择性滤波器之外还存在许多应用，诸如激光器(例如，分布式布拉格反射器(DBR)激光器或分布反馈(DFB)激光器)、光栅辅助耦合器以及色散补偿器等等。通常被称为“波纹光栅”的一种类型的集成布拉格光栅通过以物理方式使被图案化到基底之上的薄膜中的波导(例如，平面或肋形/脊形波导)的表面成波纹状来形成。对于将以1550 nm波长工作的一阶波纹光栅而言，光栅周期或“齿”间距是在约200 nm与250 nm之间。这个相对小的特征间距给使用VLSI制造技术调节光栅强度U)留下很少的活动余地。


通过举例而不是限制的方式在附图的各图中图示了本发明的实施例，其中 图IA图示了依照实施例的波纹表面光栅的等距视图IB图示了依照实施例的波纹表面光栅的等距视图2图示了依照实施例的、作为针对恒定波导宽度的光栅宽度的函数的光栅强度的图
表；
图3图示了依照实施例的波纹表面光栅的俯视图； 图4A图示了依照实施例的波纹表面光栅的俯视图； 图4B图示了依照实施例的波纹表面光栅的俯视图； 图5是依照实施例的形成波纹表面光栅的方法的流程图6A图示了依照实施例的、在邻近有源波导区的无源波导区中包括一对光栅镜 (grating mirror)的光子设备的横截面视图6B图示了依照实施例的、在无源波导区和有源波导区中包括一对光栅镜的光子设备的横截面视图；以及
图7描绘了包括一起被集成在公共基底上的多个光子设备的光学通信系统。
具体实施例方式在本文中参考各图描述了窄表面波纹光栅、其制造以及在集成光学部件中的应用的实施例。如在本文中所提及的那样，表面波纹光栅是“窄的”，其中光栅宽度比在其上形成了该光栅的波导的宽度要窄。
可以在不采用这些特定细节中的一个或多个的情况下、或结合其它已知的方法、 材料及装置来实现在本文中所描述的特定实施例。例如，尽管在基于硅的DBR和DFB激光器的背景下描述了光栅镜，但是在本文中所描述的窄表面波纹光栅和技术可以容易地适用于其它集成光学部件，诸如但不限于光学分/插滤波器、信号调节器、等等。在以下说明中， 阐明了多个特定细节(诸如特定材料、尺寸以及材料参数、等等)以提供对本发明的实施例的彻底理解。在其它实例中，没有特别详细地描述公知的光学设计和VLSI制造技术以避免不必要地使本发明模糊。遍及本说明书的对“实施例”的提及意指与实施例相关地描述的特定特征、结构、材料或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在遍及本说明书的各个地方的措辞“在实施例中”的出现未必指代本发明的同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，可以以任何适当的方式来组合所述特定特征、结构、材料或特性。还应当理解的是，各特定实施例可以在不互相排斥的情况下进行组合。如本文中使用的术语“之上”、“之下”、“之间”和“上面”指代一个构件相对于其它构件的相对位置。同样地，例如，布置在另一构件之上或之下的一个构件可以直接地与所述另一个构件接触或者可以具有一个或多个介于中间的构件。而且，布置在构件之间的一个构件可以直接地与所述两个构件接触或者可以具有一个或多个介于中间的构件。与此相反，在第二构件“上”的第一构件与该第二构件紧密接触。此外，假设在不考虑基底或构件的绝对方位的情况下相对于各构件共用的基底执行操作来提供一个构件相对于其它构件的相对位置。参考图1A，描绘了示例性窄表面波纹光栅100的等距视图。该窄表面波纹光栅100 包括通过使基底105之上的波导110的一部分成波纹状而形成的光栅115。波导110具有顶表面111，该顶表面111具有如由进一步限定肋或脊高度仏的第二波导侧壁113和第一波导侧壁112所限定的宽度Wwe。因为波导侧壁112和113可能不是精确地垂直的(即正交于顶表面111)，所以顶表面111的宽度Wwe在本文中被用作波导宽度。在特定实施例中，宽度 Wwe在大约0. 3与2. 5 μ m之间，并且肋高度Hk在大约0.2 ym与2 ym之间。通常，光栅将被形成在具有恒定波导宽度的波导的一部分或区域中，如图IA中所描绘的那样。然而， 在替代性实施例中，窄表面波纹光栅被形成在波导的锥形部分中。窄波纹表面光栅一般地可应用于波纹表面光栅的领域中已知的任何材料系统。例如，基底105可以由任何适用于集成光学部件制作的材料构成。在一个实施例中，基底105 是由可以包括但不局限于硅或III-V化合物半导体材料(诸如磷化铟(InP))的材料的单晶构成的块状基底。在另一实施例中，基底105包括块状层，其中在该块状层之上形成顶部外延层。在特定实施例中，块状层由可以包括但不限于硅或III-V化合物半导体材料的单晶材料构成，而顶部外延层由可以包括但不限于硅或III-V化合物半导体材料的单晶层构成。在另一实施例中，顶部外延层通过介于中间的绝缘体层(诸如二氧化硅、氮化硅以及氮氧化硅)与块状层分离(例如以形成绝缘体上硅结构基底)。例如，波导110可以是被描述为用于基底105的候选物的那些材料中的任何一种，或者可以是本领域中已知的其它材料， 诸如，聚合物(SU-8等)。光栅115包括多个凹槽，所述多个凹槽包括沿着光栅长度Le形成在波导顶表面 111中的凹槽GpG2W3至Gn。凹槽G1 - Gn使波导110的顶表面111成波纹状，结果产生凹槽和在形成布拉格光栅的凹槽之间的“齿”或“脊”的周期性排列以调节波导110的一部分中的折射率。凹槽G1 - Gn具有光栅间距或周期Pe，其(取决于实施例)可以是均勻的或分级的，并且被定位或分布在上部结构中。窄光栅的某些实施例也可以是倾斜的，从而使得凹槽& - Gn从图IA中所描绘的方位倾斜(S卩，凹槽不正交于波导的长度)。凹槽G1 - Gn具有通常显著小于肋高度仏的波纹深度De，其中更深的凹槽深度增加光栅强度。在一个实施例中，其中光栅形成在具有在大约1 - 1.5 μ m之间的宽度和大约0.5 μ m的肋高度Hk的硅波导中，深度De在大约10 - 300 nm之间。如图IA中进一步所示出的那样，凹槽& - Gn具有限定光栅占空比(基于光栅周期 Pe的DC)的长度尺寸。该光栅占空比是凹槽之间的空间(即脊长度)与光栅周期的比率，并且因此是对于给定的图案形成方法可实现的最小凹槽尺寸(即凹槽长度)和最小凹槽间隔的函数。对于特定光栅间距Pe而言，光栅占空比随着凹槽对齿长度比率变大而减小。例如， 在凹槽具有等于齿的长度的长度的情况下，光栅占空比为50%，并且对于240nm的光栅间距和150 nm凹槽长度(90 nm齿)而言提供了 37. 5%的占空比，而90nm凹槽长度提供了 62. 5% 的占空比。在其中光栅被形成在具有大约1 - 1.5 μπι的宽度和大约0.5 μπι的肋高度仏的硅波导中的一个特定的实施例中，光栅波纹深度De大约为10 - 300 nm，而光栅长度Le大约为1 - 200 μ m，并且多个凹槽具有大约190 - 250 nm的间距(S卩，光栅周期Pe)。这个示例性实施例相当适合于在利用1550 nm标称波长的电信中的集成光学波导应用。在实施例中，凹槽G1 - 中的至少一个具有比波导宽度更窄的宽度。在示例性窄波纹表面光栅100中，多个凹槽中的每一个都具有比波导宽度Wwe更窄的宽度we。一般地，为了实现在光栅强度方面的降低，基本上所有的凹槽& - Gn都将具有比波导的宽度更窄的宽度。然而，在不偏离窄波纹表面光栅的精神的情况下，只要比波导宽度更窄的凹槽& -Gn的数量足以实现在光栅强度方面的明显降低，凹槽G1 - 中的一个或多个可以具有等于波导宽度的宽度We。因此在特定实施例中，窄光栅中的至少95%的凹槽具有比波导窄的宽度。在进一步的实施例中，大多数凹槽的宽度比波导的宽度窄大约相同的数量(即大多数具有相同的宽度)。在特定实施例中，如图IA和IB中所描绘的那样，所有的(或基本上所有的)光栅凹槽G1 - Gn或光栅齿T1 - Tn分别具有沿着光栅长度Le大约相同的窄宽度。在实施例中，窄表面波纹光栅包括至少一个小于或等于波导宽度的90%的宽度的凹槽。因此，对于大约为1.5 μ m宽的示例性波导而言，窄表面波纹光栅将具有小于约1.35 Pm的光栅宽度。在进一步的实施例中，窄表面波纹光栅包括至少一个宽度为波导宽度的至少5%但不大于波导宽度Wwe的90%的凹槽。因此，对于大约为1. 5 μ m宽的示例性波导而言，窄表面波纹光栅将具有在约75 nm与1.35 μπι之间的光栅宽度。使光栅宽度变窄以小于波导宽度允许控制光栅强度κ。因此，也可以根据光栅宽度来控制反射率和带宽以提供在表面波纹光栅的设计和形成方面的额外的自由度。光栅的反射率/P在方程式(1)中近似为
其中L是光栅长度(例如，图IA中的Le)。在图2中描绘了窄表面波纹光栅的实验和现场仿真数据。如所示出的那样，在1.5μπι宽波导上图案化的光栅的光栅强度χ根据光栅宽度而被建模。针对1.3 μπι与0.3 μπι之间的光栅宽度以实验方式来确定光栅强度，其中光栅强度从针对1.3 μπι光栅宽度的320 CnT1减小到针对0.3 μπι光栅宽度的78 cnT1。
往回参考图1A，设置光栅的宽度以控制光栅强度κ具有独立于光栅间距Pe或光栅深度De (其中的每一个在尺寸上都比波导宽度Wwe小很多)的好处。因此，例如，光栅图案化方法的解决不会造成与在通过改变光栅占空比来调节光栅强度的情况下其所造成的相同的局限性。在某些应用中，光栅深度可以是如此的小(大概相当于几十纳米)以至于凹槽蚀刻对于可控制造来说变得相当困难。然而，具有相对于全宽度凹槽减小的光栅强度的窄光栅凹槽能被蚀刻到相对较大的深度(例如2-3倍深)以实现特定的光栅强度。因此，采用本文中所描述的窄表面波纹光栅可得到额外的凹槽蚀刻工艺自由和可控性。同样地，因为光栅深度通常难于在同一基底上的光栅之间变化，所以可以为所有光栅提供相对较大的光栅深度以实现最大光栅强度的第一光栅，其然后能够被通过使基底上的其它光栅的光栅宽度变窄来在特定于光栅的基础上减小。由于这些原因，可以通过针对给定光栅长度的窄波纹表面光栅来实现大范围的光栅强度κ。如图IA中进一步所描绘的那样，光栅115具有近似与波导110的纵向中心线对准的纵向中心线，在凹槽与波导侧壁112和113之间留下空间S1和&。在所描绘的示例性实施例中，由于沿着光栅长度的中心线对准和恒定的光栅宽度，S1的尺寸大约等于&的尺寸， 但是要理解的是，根据所采用的制造方法和执行该方法的特定设备的公差将预料到光栅和波导的纵向中心线之间的一定量的不重合。一般地，已经发现对波导和光栅的纵向中心线之间的不重合的敏感度与光栅宽度We成反比。图IB描绘了作为图IA中所图示的实施例的替代物的窄表面波纹光栅的实施例。 在这个替代性实施例中，窄表面波纹光栅101包括具有比波导宽度Wwe更窄的宽度的光栅齿 T1 - Tn0如所描绘的那样，波导的连续部分被移除以限定光栅齿T1 - Tn并且从而沿着整个光栅长度Le形成空间S1和&。空间S1和&然后将被采用适当的覆层材料与齿T1 - Tn之间的凹槽一起基本上被填满，就像凹槽G1 - 用于图IA的实施例那样。取决于光栅间距 Pe和占空比DC，围绕独立的光栅齿T1 - Tn的覆层填充可能优于在图IA的凹槽G1- Gn中的覆层填充。图IB中所描绘的窄表面波纹光栅101的剩余特征基本上与图IA中所描绘的窄表面波纹光栅100的那些特征相同。在进一步的实施例中，光栅宽度根据光栅长度而变化，从而使得在构成表面波纹光栅的多个凹槽中的每个凹槽的宽度不是全部都相等。这样的光栅结构允许光栅强度沿着光栅长度变化，从而提供能减小旁瓣强度的切趾窄表面波纹光栅。该光栅宽度切趾法能够用来改变光栅的反射率和带宽以减少插入损耗和/或使透射光谱平滑。光栅宽度We的调节可以提供任何类型的切趾法，诸如但不限于高斯和升余弦。图3图示了光栅宽度切趾表面波纹光栅300的一个实施例的俯视图。如所示出的那样，光栅315被形成在基底305之上的波导310上。光栅宽度We沿着光栅长度Le从We，MIN 变化到\ΜΧ。尽管在图3中所描绘的示例性实施例中光栅的每个部分的光栅宽度We都小于波导宽度Wwe，但是在其它实施例中构成光栅的某子集的凹槽可以具有等于波导宽度Wwe 的宽度。在图3中所描绘的实施例中，光栅间距和占空比DC在光栅长度Le上保持恒定。然而，在其它实施例中，占空比DC和光栅宽度We两者都可以在光栅长度Le上变化以可能地提供更大的耦合系数变化，该更大的耦合系数变化通过可以单独实现的宽度或占空比调节而将是可能的。图4A描绘了波导410，该波导的一部分包含光栅415。光栅415具有恒定光栅间距PG，而光栅的宽度沿着光栅长度从Wtu到到^3变化。光栅占空比DC也沿着光栅长度从DC1到DC2到DC3变化。在另一个实施例中，沿着光栅(例如啁啾窄表面波纹光栅)的长度与经调节的光栅周期相结合地利用窄光栅宽度。例如，图4B描绘了具有从Wtu到We, 变化的光栅宽度、同时光栅周期从Ptu到Pe,2变化的光栅415。在其它实施例中，光栅周期被以本领域已知的任何方式加以分级，从而与具有小于波导的宽度的固定宽度的光栅相结合地控制反射/透射光谱(例如，加宽反射光谱)。在实施例中，参考图1-4B所描述的窄表面波纹光栅被采用掩模光刻法进行图案化。掩模光刻法具有胜过对光栅图案化的典型方法(诸如全息(干涉)和电子束图案化技术) 的许多优点。例如，掩模光刻法具有被广泛地采用的VLSI制造工艺的优点并且这种形式的光刻提供了用于形成比典型的波导窄以及与波导足够对准的光栅的能力。相比之下，全息技术一般依靠跨越很大区域(例如，整个基底)对干涉图进行图案化，而电子束写入是具有相对更差的对准能力的相对慢的工艺。掩模光刻法的使用也使光栅强度能够跨越同一基底被调谐到不同的值，从而允许光栅滤波器或镜被调谐用于在同一基底上的光学部件之间或者甚至在同一光学部件的两个不同部分之间的不同波长。图5描绘了形成窄表面波纹光栅的示例性掩模光刻方法500的流程图。方法500 从在操作501处供应基底开始，诸如针对图IA中的基底105所描述的那些中的任何一个。 例如，在一个实施例中提供了绝缘体上硅结构基底。接下来，在操作505处，使用第一光掩模图案在材料层中对具有特定长度、周期和宽度的光栅进行图案化。图案化操作505可以包括本领域已知的任何常规的光刻工艺。然而，在一个实施中，采用了 193 nm光刻。在193 nm光刻节点处的分档器能印刷足够最小的特征尺寸(例如，大约90 nm),以针对形成在硅内并且被针对在光学通信中使用的标称1550 nm波长设计的光学波导来印刷具有足够周期(例如，大约200 nm到250 nm)的光栅。因此，在一个实施例中，在操作505处，SOI基底被采用光敏层加以涂覆并且采用 193 nm波长电磁能量进行曝光，以基于第一光掩模将光栅图案印刷到光敏层中。根据该实施例，光栅图案可以是提供抗蚀开口(其中窄光栅凹槽将被蚀刻)或者抗蚀柱(其中窄光栅齿将被形成在基底内)的任何一个。在任何一种情况下，第一光掩模可以是明场掩模(仅掩蔽光栅的一部分以及稍微大于波导的区域)或者暗场掩模(仅暴露光栅的一部分)。光敏层然后被显影成蚀刻掩模并且使用本领域已知的任何蚀刻工艺(湿式或干式)将图案转印到在下面的中间硬掩模层中或者直接转印到波导层中。例如，SOI基底的顶部硅层可以被蚀刻以将蚀刻掩模的光栅图案转印到硅层中。在一些实施例中，采用双重图案化方法将光栅的间距减小到低于第一光掩模的间距。可采用VLSI技术领域内已知的任何传统的双重图案化方法。在一个示例性实施例中，经曝光的图案被转印到在下面的蚀刻掩模层中，在掩模层的任一侧上形成隔离物，移除掩模层，并且然后隔离物被用作半间距掩模以用于将光栅蚀刻到基底(例如，SOI基底的顶部硅层)中。在示例性掩模光刻方法500中，在光栅图案被形成在基底(例如，SOI基底的顶部硅层)之上、上或中的层中之后，然后在操作510处采用第二光掩模来以光刻方式对波导进行图案化。第二光掩模与光栅图案对准以使波导图案包围光栅(即，波导图案比光栅的至少某些部分不仅更长而且更宽)。在一个实施例中，采用193 nm光刻来对波导进行图案化。在193 nm光刻节点处的分档器能以足够小的错误配准(例如，大约100 nm)来将波导光掩模与光栅光掩模对准，以至于能够利用宽范围的光栅宽度以达到控制光栅强度的目的。在替代性实施例中，可以首先对波导进行图案化，并且光栅图案随后被与波导图案对准并且被印刷为第二光掩模图案。然而，在对波导图案化之前对光栅图案化是有利的，因为采用较平坦的基底表面更容易获得光栅的相对较小的尺寸。在光栅和波导两者的图案化之后，方法500完成，并且然后可以执行波导和/或光栅的任何进一步的传统处理。例如，可以在波导和光栅周围形成覆层，填充凹槽和/或封装光栅的齿。可以采用提供足够的指数反差(index contrast)的任何覆层材料(如同依赖于用于波导的材料系统)用于该覆层。在一个示例性SOI实施例中，硅波导使用二氧化硅覆层以覆盖波导并且填充光栅凹槽。在替代的SOI实施例中，SU-8被用作硅波导上的覆层。窄表面波纹光栅和形成这样的光栅的方法可以被应用于多个光学应用，诸如，但不限于集成光学光栅滤波器和集成光学光栅镜。集成光学光栅镜可以被更特别地用于形成 DFB和DBR激光器的光共振腔。图6A图示了示出了采用至少一个窄表面波纹光栅的电泵浦混合半导体消逝激光器的一个实施例的横截面视图。所描绘的横截面是沿着混合半导体消逝激光器和光栅的纵向中心线截取的。如所示出的那样，DBR激光器601被集成在包括单晶半导体层603的SOI 基底中，其中掩埋氧化层6 被布置在半导体层603与基底层631之间。在一个示例中，半导体层603和基底层631由无源硅制成。如所示出的那样，光学波导605被布置在通过其引导光束619的半导体层603中。在图6A中所图示的示例中，光学波导605是肋形波导、 带形波导等。光共振腔622在邻近光共振腔622的每一端的光学波导605的无源部分中的光栅反射器607与609之间形成波导的有源部分。如在图6A中所示出的那样，反射器607 和609是布拉格光栅反射器，并且在特定实施例中反射器607和609中的至少一个是具有小于光学波导605的无源部分的宽度的光栅宽度的窄表面波纹光栅，诸如在本文中先前所描述的那些中的任何一个。III-V增益介质623被跨越光学波导605的“顶部”并且毗连光学波导605来结合至或外延成长在半导体层603的“顶部”上以提供增益介质-半导体材料界面633。界面 633沿着与光束619的传播方向平行的光学波导605延伸。在一个示例中，增益介质_半导体材料界面633是可以包括在有源增益介质材料623与光学波导605的半导体层603之间的结合界面的消逝耦合界面。例如，这样的结合界面可以包括薄二氧化硅层或其它适当的结合界面材料。作为一个示例，增益介质材料623是有源III-V增益介质，并且存在在光学波导605与增益介质材料623之间的增益介质一半导体材料界面633处的消逝光耦合。取决于光学波导605的波导尺寸，光束619的光模的一部分是在III-V增益介质材料623内部并且光束619的光模的一部分是在光学波导605内部。增益介质材料623可被电泵浦以在光共振腔622内生成光。在实施例中，增益介质材料623是这样的有源半导体材料并且是包括III-V半导体材料的III-V半导体条，所述III-V半导体材料诸如是hP、AlGaInAs, InGaAs和/或 InP/ InGaAsP、和/或本领域已知的适当材料及它们的以适当的浓度和掺杂浓度的组合。在一个特定实施例中，增益介质材料623是偏移多重量子井(MQW)区增益芯片，其为跨越SOI 晶片的硅层中的一个或多个光学波导的“顶部”外延生长的或结合的晶片或结合的倒装芯片(flip chip)。在一个实施例中，其中增益介质材料623包括有源材料(诸如MQW)并且采用基于无源硅波导的光栅作为反射器或镜(它们中的至少一个是窄表面波纹光栅)，可以在光共振腔622内获得激光作用。在图6A中，采用在光共振腔622中的反射器607与609之间来回地反射的光束619示出了激光作用。在所图示的示例中，在激光器的“背面”侧处的反射器 607具有比反射器609更高的功率反射率。反射器609是部分反射的，从而使得光束619从激光器的“前”侧输出到光学波导的无源部分中，光束619可以被通过光学波导引导至其它部件。可以基于光栅长度和光栅强度中的任何一个或两个来调节反射器607和609中的每一个的反射功率。在实施例中，基于这两个反射器的光栅宽度来独立地调节反射器607 和609中的每一个的功率反射率。在一个实施例中，反射器607和609两者都是窄表面波纹光栅以独立于光栅深度通过光栅宽度来调节光栅强度。作为示例，反射器607是具有小于无源波导宽度的第一光栅宽度的第一窄表面波纹光栅，而反射器609是具有小于无源波导宽度的第二光栅宽度的第二窄表面波纹光栅，所述第二光栅宽度与所述第一光栅宽度相同或不同。在一个这样的实施例中，反射器607和609中的每个都具有在5与500 ym之间的镜长度，并且光栅宽度小于在大约1与1. 5 μ m之间的无源波导宽度的90%。在另一实施例中，反射器609是具有小于无源波导宽度的光栅宽度的窄表面波纹光栅，而反射器607是具有基本上等于无源波导宽度的光栅宽度的光栅(即，仅反射器609 是窄表面波纹光栅)。在进一步的实施例中，反射器607和609中的任何一个或两者都是切趾窄表面波纹光栅，如在本文中别处所描述的那样。图6B描绘了替代性实施例，其中DFB激光器602被集成在包括单晶半导体层603 的SOI基底中，其中掩埋氧化层6 布置在半导体层603与基底层631之间。如进一步所描绘的那样，光束619被在光共振腔622内的反射器607与609之间来回地反射。在特定实施例中，光栅被采用作为反射器607和609，并且这些光栅被布置在硅波导光共振腔622 的有源部分内。在一个实施例中，反射器607和609两者都是用于独立于光栅深度和光栅长度通过光栅宽度来调节光栅强度的窄表面波纹光栅。例如，反射器607是具有小于有源波导宽度的第一光栅宽度的第一窄表面波纹光栅，而反射器609是具有小于有源波导宽度的第二光栅宽度的第二窄表面波纹光栅，所述第二光栅宽度与所述第一光栅宽度相同或不同。在另一实施例中，反射器609是具有小于有源波导宽度的光栅宽度的窄表面波纹光栅，而反射器607是具有基本上等于有源波导宽度的宽度的光栅(即，仅反射器609是窄表面波纹光栅)。在进一步的实施例中，反射器607和609中的任何一个或两者都可以是切趾窄表面波纹光栅，如在本文中别处所描述的那样。图7是利用包括集成半导体调制器多波长激光器的集成光学部件的示例性光学系统751的图示，所述集成半导体调制器多波长激光器具有耦合至在基底703之上、上面或中的无源半导体层的电泵浦混合半导体消逝激光器阵列701。在一个实施例中，激光器阵列 701中的每个激光器可以是基本如参考图6A-6B所描述的电泵浦混合硅消逝激光器。在另一实施例中，激光器阵列701包括利用低光栅强度的DBR激光器和利用高光栅强度的DFB 激光器二者。在图示的示例中，图11的半导体基底703是包括多个光学波导705A - 705N的光学芯片，在其之上结合有单条增益介质材料723以产生分别在多个光学波导705A -705N中生成多个光束719A - 719N的激光器阵列。多个光束719A - 719N由调制器713A -713N来进行调制，并且然后各选定波长的多个光束719A - 719N则在光分插复用器717 中被组合以输出单光束721，其然后通过单根光纤753被传送至外部光接收器757。在实施例中，反射器709A - 709N中的至少一个是具有小于在其中形成了光栅的波导宽度(取决于激光器的类型的无源和/或有源)的光栅宽度的窄表面波纹光栅，如在本文中别处所描述的那样。在特定实施例中，反射器709A - 709N中的每一个都是窄表面波纹光栅，其中的一个或多个具有不同于其它的宽度。在另一实施例中，复用器717包括具有小于在其中形成了光栅的光学波导705A - 705N的宽度的光栅宽度的至少一个窄表面波纹光栅，如在本文中别处所描述的那样。在其它实施例中，复用器717或反射器709A - 709N 中的任何一个可以包括切趾窄表面波纹光栅。同样地，当反射器709A - 709N中的任何一个和/或复用器717被同时制作为集成在半导体基底703上的光学部件时，可以利用光刻法来对包括多个光栅的单个光掩模成像，每个光栅都具有针对特定应用所需的特定光栅功率而指定的宽度(例如，激光器、复用滤波器等)。在一个实施例中，集成半导体调制器多波长激光器能以大于1 Tb/s的速度通过单根光纤753发送在包括在单光束721中的多个波长下的数据。在一个示例中，多个光学波导705A - 705N在半导体基底703之上的单层内被间隔开大约50 - 100 μ m。因此，在一个示例中，可能从具有小于4毫米的一片基底703的集成半导体调制器多波长激光器发送整个总线的光学数据。图7还示出了在光学系统751的示例中，单个半导体基底703也可以被耦合以通过光纤755来接收来自外部光发射器759的光束721。因此，在该图示的实施例中，单个半导体基底703是在小的形状因子之内的超高容量发射器接收器。尽管光接收器757和外部光发射器759也被图示为存在于相同的芯片761上，但是要理解的是，外部光接收器757和外部光发射器759可被提供在分离的芯片上。在所图示的实施例中，所接收的光束722被光分/插解复用器718接收，光分/插解复用器718把所接收的光束722分成多个光束720A -720N。在一个示例性实施例中，在解复用器718内由一个或多个窄表面波纹光栅根据它们各自的波长分离所述多个光束720A - 720N,并且然后通过布置在半导体基底703之上、 上面或中的薄膜层中的多个光学波导706A - 706N来引导所述多个光束720A - 720N。如在图示的实施例中所示出的，一个或多个光检测器被光耦合至多个光学波导 706A - 706N中的每一个以检测相应的多个光束720A - 720N。光电检测器763A - 763N 的阵列被光耦合至多个光学波导706A - 706N。作为一个示例，光电检测器763A - 763N中的每一个是基于硅锗的光电检测器等。在另一实施例中，也在图7中示出，单条半导体材料 7M可以跨越多个光学波导706A - 706N被结合至在基底703之上、上面或中的层，以形成光耦合至多个光学波导706A - 706N的光电检测器的阵列。作为一个示例，单条半导体材料7M包括III-V半导体材料以产生III-V光电检测器。采用光耦合至如所示出的多个光学波导706A -706N的基于硅锗和III- V的光电检测器，可以检测用于多个光束720A -720N的各种波长。控制/泵浦电路也可以被包括或集成到基底703上面。在其中基底703包括硅层 (例如，SOI基底)的一个实施例中，控制电路762可被直接地集成在硅中。在一个示例中，控制电路762可被电耦合以控制、监控和/或电浦泵多波长激光器阵列701中的激光器中的任一个、多个光调制器713A - 713N、光电检测器(例如，763A - 713N)阵列或布置在基底 703上的其它设备或结构。 因此，已经公开了窄表面波纹光栅、制造方法和在光学部件集成中的应用。尽管已经以特定于结构特征或方法行为的语言对本发明的实施例进行了描述，但是要理解的是， 在随附权利要求中所限定的本发明未必局限于所描述的特定特征或行为。所公开的特定特征和行为将仅被理解为所提供的企图说明而不是限制本发明的所要求保护的发明的特别得体的实施方式。
权利要求
1.一种光子设备，包括在基底之上的第一和第二无源半导体波导区，和在所述第一与第二无源波导区之间耦合的消逝半导体波导区，其中所述无源或消逝波导区中的一个包括第一布拉格反射器，所述第一布拉格反射器包括具有比在其中形成了所述光栅的所述波导区的宽度更窄的宽度的表面波纹光栅。
2.如权利要求1所述的光子设备，其中包括所述第一布拉格反射器的所述波导区包括在所述基底相对的顶表面处限定所述波导宽度的两个相对的侧壁；并且其中所述表面波纹光栅包括沿着光栅长度形成在所述波导顶表面中的多个凹槽，其中大多数凹槽的宽度比所述波导宽度窄大约相同的数量。
3.如权利要求1所述的光子设备，其中，包括所述第一布拉格反射器的所述波导区包括在所述基底相对的顶表面处限定所述波导宽度的两个相对的侧壁；并且其中所述表面波纹光栅包括沿着光栅长度形成在所述波导顶表面中的多个齿，其中大多数齿比所述波导宽度窄大约相同的数量。
4.如权利要求1所述的光子设备，其中所述半导体包括硅，所述第一布拉格反射器具有在5与500 μ m之间的镜长度，包括所述第一布拉格反射器的所述波导区具有在大约1与 1. 5 μ m之间的宽度，并且所述第一光栅宽度小于所述波导宽度的90%。
5.如权利要求1所述的光子设备，其中所述半导体包括硅，并且其中所述消逝波导区包括布置在所述波导之上的电泵浦发光层。
6.如权利要求1所述的光子设备，其中所述第一无源波导区包括所述第一布拉格反射器，并且所述第二无源波导区包括形成DBR激光器的第二布拉格反射器，所述第二布拉格反射器包括具有比所述第二无源波导区的宽度更窄的第二光栅宽度的表面波纹光栅。
7.如权利要求6所述的光子设备，其中，所述第一光栅宽度不同于所述第二光栅宽度， 以便提供具有比所述第二光栅更高的光栅强度的所述第一光栅。
8.如权利要求1所述的光子设备，其中所述消逝波导区包括所述第一布拉格反射器光栅和第二布拉格反射器光栅以形成DFB激光器，并且其中所述第一和第二光栅中的每个都具有比所述消逝波导区更窄的宽度。
9.一种装置，其包括如权利要求1所述的第一光子设备；和如权利要求1所述的第二光子设备，其中所述第一和第二光子设备都被集成到相同的基底上。
10.如权利要求9所述的装置，其中所述第一光子设备的所述第一光栅宽度不同于所述第二光子设备的光栅宽度。
11.一种系统，包括在光学波导中的表面波纹光栅，其中所述光栅的宽度比所述光学波导的宽度窄，并且其中所述光栅在激光器的有源波导部分之内或者在激光器的有源波导部分的界面处；和耦合至所述光学波导以调制由所述激光器生成的所述光的光调制器。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述光学波导包括硅，并且其中所述光栅限定混合硅消逝激光器的光共振腔。
13.如权利要求12所述的系统，其中所述光栅包括在所述光学波导的顶表面中的多个凹槽，并且其中大多数凹槽的宽度比所述波导顶表面的宽度窄大约相同的数量。
14.一种窄表面波纹光栅，包括在基底之上的光学波导，所述波导包括限定与所述基底相对的顶表面的宽度的两个相对的侧壁；和沿着光栅长度形成到所述波导顶表面中的多个齿和在其间的多个凹槽，其中基本上所有的凹槽或齿的宽度都比所述波导顶表面宽度窄。
15.如权利要求14所述的波纹光栅，其中，所述凹槽或齿宽度跨越所述多个中的大多数是大约相等的并且不大于所述波导顶表面宽度的90%。
16.如权利要求14所述的波纹光栅，其中所述波导包括硅，所述波导顶表面宽度在大约1与1. 5 μ m之间，所述光栅长度在大约1与200 μ m之间，并且所述光栅具有在大约190 与250 nm之间的间距。
17.如权利要求14所述的波纹光栅，其中，所述多个凹槽的子集具有变化的凹槽宽度， 切趾所述窄光栅。
18.一种形成窄表面波纹光栅的方法，包括基于第一掩模光刻曝光将多个光栅凹槽和在其间的多个光栅齿图案化到薄膜的表面中以使所述表面成波纹状；并且基于第二掩模光刻曝光将波导图案化到所述薄膜中，所述波导具有界定波导宽度的两个相对的侧壁，其中所述波纹表面被布置在所述波导侧壁之间以形成波导顶表面的一部分，其中基本上所有的凹槽或齿的宽度小于所述波导宽度。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述光栅的所述图案化和波导的所述图案化中的每个都进一步包括在所述基底之上沉积光敏层；通过光掩模将所述光敏层暴露于电磁辐射；以及在所述曝光后对所述光敏层显影以形成蚀刻掩模图案。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述电磁辐射具有大约193nm的波长，所述波导被图案化到在大约1与1. 5 μ m之间的宽度，并且所述表面波纹光栅被图案化到在大约1与 200 μ m之间的长度、在190与250 nm之间的间距以及在大约0. 3 μ m与1. 3μπι之间的宽度。
全文摘要
用于集成光学部件的窄表面波纹光栅及其制造方法。实施例包括具有比在其上形成了光栅的波导的宽度更窄的宽度的光栅。依照本发明的某些实施例，采用掩模光刻法形成具有期望的光栅强度的窄光栅。在实施例中，采用具有比所述波导的宽度更窄的宽度的反射器光栅来形成激光器的光共振腔。在另一实施例中，集成光学通信系统包括一个或多个窄表面波纹光栅。
文档编号G02B6/124GK102378933SQ201080015269
公开日2012年3月14日 申请日期2010年3月8日 优先权日2009年3月31日
发明者琼斯 R. 申请人:英特尔公司