光波导路由构造及其方法与流程

本公开内容大致涉及用于硅光子器件的波导路由构造。

背景技术：

硅光子学涉及将硅用作光学或光电器件的光学介质。在某些光子器件中，硅可位于硅层的顶部，这种构造称为绝缘体上硅(silicononinsulator,soi)。可将硅图案化为光子组件或微光子元件。可使用现有的半导体制造技术来制造硅光子器件，并且由于硅已经被用作某些集成电路的基板，因此能够创建混合器件，其中光学和电子元件被集成到单个微芯片上。

硅光子器件可在光学网络中实施，所述光学网络用于在电信网络的各个节点之间传递用于传输信息的光信号。为了在光学网络中传输数据，可使用光电装置将数据从电信号转换成光信号。光学网络是可实施本文所述的硅光子器件的一个环境示例。但是，所描述的概念也可在其他情况下实施。例如，可在计算机处理、传感器、光学路由、信号处理或其他合适的应用中实施硅光子器件。除非由上下文指示，否则本文公开的实施方式不限于任何特定环境。

要求保护的主题不限于解决任何缺点或仅在诸如上述那些环境中操作的实施方式。上述背景技术仅仅是为了说明可利用本公开内容的示例而被提供的。

技术实现要素：

本公开内容大致涉及用于硅光子器件的硅波导路由。

在一个示例实施方式中，光波导可包括硅部分和位于硅部分上方的氮化硅部分。硅部分可包括减小硅部分的宽度的锥部。氮化硅部分可将行进通过光波导的光信号限制在硅部分中。所述氮化硅部分可沿着锥部的长度延伸并且可包括沿着锥部的长度保持基本相同的宽度。硅部分可包括在锥部的第一侧上的第一宽度和在锥部的第二侧上的第二宽度，所述第二侧与所述第一侧相对。锥部可使光波导在加载单模或多模波导(loadedsinglemodeormultimodewaveguide)至单模波导之间进行过渡。光波导可在加载单模或多模波导至单模波导之间过渡。

在一些方面，硅部分和氮化硅部分可彼此间隔开来，使得硅部分中的光学模式被氮化硅部分横向地限制。硅部分和氮化硅部分可彼此间隔开来。硅部分和氮化硅部分可延伸与光波导基本相同的长度。锥部可包括足够长的长度以基本上避免行进通过锥部的光信号的损失。

在一些实施方式中，光波导可包括邻近锥部定位的弯曲部。锥部可将行进通过光波导的光信号从多模改变为单模，以允许将光信号路由通过弯曲部。硅部分和氮化硅部分可延伸穿过弯曲部。锥部可在弯曲部之前减小硅部分的宽度。光波导可包括掩埋氧化物部分(buriedoxideportion)。氮化硅部分和硅部分可位于掩埋氧化物部分中。

在另一个示例实施方式中，光波导可包括在加载单模或多模波导至单模波导之间的过渡部。该过渡部可包括硅部分、位于硅部分上方的氮化硅部分和减小硅部分的宽度的锥部。

光波导可包括改变光波导方向的弯曲部。所述光波导可包括在单模波导至加载单模或多模波导之间的第二过渡部。第二过渡部可包括第二硅部分、位于硅部分上方的第二氮化硅部分和增加第二硅部分的宽度的第二锥部。氮化硅部分可将行进通过光波导的光信号限制在硅部分中。所述氮化硅部分可沿着锥部的长度延伸并且可包括沿着锥部的长度保持基本相同的宽度，并且锥部的长度可是足够长以基本上避免行进通过锥部的光信号的损失。

本发明内容的概述以简化形式介绍了一些概念，这些概念将在下面的详细描述中进一步描述。本概述既不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的保护范围。

附图说明

图1是波导的示例的示意性侧视图。

图2是波导的示例的示意性截面图。

图3示出了示例波导的光学模场(opticalmodefield)分布。

图4a-4c是针对氮化硅的不同构造的波导的有效折射率的图表。

图4d是针对不同氮化硅折射率的模场直径与氮化硅宽度的关系图。

图5是波导过渡构造的示例的示意性截面图和俯视图。

图6是通过传输通过波导过渡的光信号的比例与锥部长度的关系图。

图7是实施图5的波导过渡的波导示例的示意性俯视图。

具体实施方式

本公开内容总体上涉及用于硅光子器件的硅波导路由。

硅光子学涉及将硅用作光学或光电器件的光学介质。在某些光子学设备中，硅可位于硅层的顶部，这种构造称为绝缘体上硅(soi)。可将硅图案化为光子或微光子元件。可使用现有的半导体制造技术来制造硅光子器件，并且由于硅已经被用作某些集成电路的基板，因此能够创建混合器件，其中光学和电子元件被集成到单个微芯片上。

硅波导可被包括在硅光子器件中，以传输或路由光信号。附加地或替代地，硅波导可用于在不同硅光子器件之间传输或路由光信号。通常，波导包括被包覆层围绕的芯。根据波导的构造，行进通过波导的光信号可能会由于各种原因而减少或损失。例如，行进通过硅波导的光信号可能会遭遇散射损耗或传播损耗。

在一些构造中，波导可包括曲线、弧形或弯曲以改变行进通过波导的光信号的方向和/或将光信号引导到特定区域或元件(例如，用于与不同的光学元件进行光耦合)。但是，弯曲也会导致散射损耗或传播损耗。

特别地，硅波导可在波导的芯的折射率与波导的包覆层的折射率之间具有相对高的对比度，这反过来可能导致在芯与包覆层之间的界面或边界处的散射损耗。在某些情况下，单模亚微米硅波导中的传播损耗可能约为2db/cm。因此，由于在芯和包覆层边界处的高折射率对比度，即使在多模波导设计中，对于大型硅光子网络而言，波导的路由路径的传播损耗也可能相对较高。

为了减少传播损耗，某些硅波导构造采用了较厚的波导或较厚的soi，以更好地限制在波导的芯内部的光信号的模式，从而使边界处的光重叠最小化。在一个示例中，具有约3μm的厚度的波导或soi可导致0.1db/cm的传播损耗。但是，较大或更粗的波导可能比较小或更细的波导占用更多的空间。另外，较厚的波导可导致较低的波导密度，因为在给定区域中会容纳更少量的波导。此外，较厚的波导可能需要相对较大的弯曲以避免散射损失(例如，导致较大的占地面积)，并减少了光学器件中的波导密度。

在其他情况下，可使用诸如湿式氧化和/或剥离的各种制造技术来使波导的侧壁平滑化。在另一个示例中，可使用浸没式光刻(immersionlithography)以通过改善波导的线边缘粗糙度来减少散射损耗。这样的构造可改善光信号的限制并减小散射损耗，但是会增加制造复杂度和制造成本。

因此，本公开内容涉及导致低散射损耗和传播损耗的波导构造。这样的构造可成本有效地实施并且可不需要昂贵且复杂的制造技术。另外，这样的构造可用于在多模波导和单模波导之间提供低损耗或无损耗的过渡，其又可以实施用于波导路由的曲线、弧形或弯曲。

一些实施方式包括用于硅光子的氮化硅带状加载波导(striploadedwaveguide)，其可在硅光子器件或网络中实施。如本文所使用的，氮化硅带状加载波导是指在硅平板顶部上或上方具有氮化硅条带的波导。在这样的构造中，氮化硅条带可位于soi层顶部上或上方，从而导致在波导的芯中的相对较高的光学限制(和低的传播损耗)，而无需蚀刻步骤或其他昂贵且复杂的制造技术。例如，与常规的硅波导相比，行进通过加载波导的光信号的模式可被主要限制在硅层或硅平板中，并且由于不会受到由于蚀刻的硅侧壁粗糙度而导致的任何散射损失。可替代地，行进通过加载波导的光信号的模式将在氮化硅条带的侧壁上遭受非常小的散射损耗。光信号可与氮化硅的侧壁有非常小的重叠，因此，加载波导的散射损耗可能比常规的硅波导小得多。

在一些构造中，所公开的实施方式可通过低分辨率光刻形成。特别地，可使用低分辨率光刻来形成带状加载波导。这样的构造可不需要高分辨率的光刻、湿式光刻或侧壁氧化，这可大大降低制造成本。另外，所公开的实施方式对于工艺误差或工艺变化(例如，折射率、层厚度以及氮化硅与硅之间的间隙控制的变化)可相对稳健(robust)。在一些示例中，所公开的实施方式可实施于基于硅波导的复用器或解复用器、阵列波导光栅、级联的马赫曾德干涉仪或其他光学器件中，以显着减小相位误差。

尽管使用氮化硅带状加载波导作为示例，但是可用其他合适的材料来实施所描述的概念和构造。特别地，可用使用包括合适的折射率的任何兼容材料来实施所公开的构造。

图1是波导100的示例的示意性侧视图。波导100包括第一曲线、弧形或弯曲102和第二曲线、弧形或弯曲104。第一基本笔直部分106可定位在弯曲102之前，第二基本笔直部分108可定位在弯曲102和弯曲104之间，第三基本笔直部分110可定位在弯曲104之后。

在所示的构造中，弯曲102将波导100的方向从部分106处的第一方向改变为与部分108处的第二方向，第二方向横向于第一方向。如图所示，第二方向可垂直于第一方向，尽管可实施其他构造。弯曲部104将波导100的方向从部分108处的第二方向改变为部分110处的第三方向，其中第三方向横向于第二方向。如图所示，第三方向可垂直于第二方向，尽管可实施其他构造。在所示的构造中，部分110平行于部分106延伸。部分108横向于或垂直于部分106和108延伸。

波导100可以是在弯曲102和104处具有单模过渡的单模氮化硅加载波导。特别地，部分106可包括单模氮化硅加载波导。在弯曲102之前，波导100可从部分106处的单模氮化硅加载波导过渡到单模波导。弯曲102可包括单模波导。在弯曲102之后，波导100可过渡回到部分108处的单模氮化硅加载波导。在弯曲104之前，波导100可从部分108处的单模氮化硅加载波导过渡到单模波导。弯曲部104可包括单模波导。在弯曲部104之后，波导100可过渡回到部分110处的单模氮化硅加载波导。

波导100可是在弯曲102和104处具有单模过渡的多模波导。特别地，部分106可包括多模波导。在弯曲102之前，波导100可从部分106处的多模波导过渡到单模波导。弯曲102可包括单模波导。在弯曲102之后，波导100可过渡回到部分108处的多模波导。在弯曲部分104之前，波导100可从部分108处的多模波导过渡到单模波导。弯曲104可包括单模波导。在弯曲104之后，波导100可过渡回到部分110处多模波导。

实施具有单模弯曲的氮化硅加载单模波导或多模波导(例如波导100的构造)可用于在亚微米soi平台上的相对较低的传播损耗路由。在所示的构造中，(例如，与可能导致2db/cm的传播损耗的常规波导相比)通过波导100的传播损耗可为约0.2db/cm，不包括由波导的锥部和弯曲引起的传播损耗。对于相对较薄的波导或soi平台，由于减少了对行进通过波导的光信号的总体限制，常规的硅波导可能具有较高的传播损耗。这样的传播损耗水平可能太高而无法在大规模硅光子网络中实施，因为波导的布线长度可能很大(例如几十厘米)，并且因此其导致的传播损耗将太高。因此，对于大规模硅光子网络或其他应用，可期望实施具有较低水平的传播损耗的构造，例如波导100的氮化硅加载波导构造。

图2是波导200的示例的示意性截面图。波导200可包括掩埋氧化物(buriedoxide,box)层202、硅层204、氧化物层206、氮化硅层208、氧化物包覆层210和氮化硅条带部分212。如图所示，氮化硅条带部分212可位于氧化物包覆层210(例如，氧化物栅或氧化物层)中并被其包围。box层206可包括二氧化硅(sio2)或其它合适的氧化物。

在示出的示例中，box层202的高度可以是2μm，硅层204的高度可以是160nm，氧化物层206的高度可以是3.5nm，氮化硅层208的高度可以是10nm，并且氧化物栅210的高度可是600nm，尽管可实施其他构造。box层202可包括1.453的折射率，硅层204可包括3.476的折射率，氧化物层206可包括1.452的折射率，氮化硅层208可包括1.933的折射率，氧化物包覆层210可包括1.454的折射率，并且氮化硅条带部分212可包括1.928折射率。硅层204可以是芯层，其中大部分光学模式被限制在硅层204中。氮化硅条带部分212可被图案化并且可以以类似于肋状波导的方式为光学模式提供限制。可包括含有氮化硅层208和氧化物层206的中间层以符合工艺或制造要求。

在典型的波导构造中，硅层可被蚀刻以限制行进通过波导的光信号。然而，所公开的实施方式包括不需要在硅层204中进行蚀刻的构造。

图3示出了示例性波导300的光学模场分布。波导300可包括关于图2的波导200所描述的任何合适的方面。如图所示，波导300包括硅部分304和位于硅部分304上方的氮化硅部分302。在图3中，x轴表示波导在第一方向上的尺寸，单位为微米，y轴表示波导在第二方向上的尺寸，单位为微米。图3还示出了行进通过波导300的光信号306的模强度，如标度0.0-1.0所示。

在所示的构造中，氮化硅部分302被实施为减少行进通过硅部分304的光信号306的传播损耗。具体地，氮化硅部分302位于硅部分304上方，使得光的模式信号将被限制在硅部分304中，因为与氮化硅相比，硅具有更高的折射率。实际上，氮化硅部分302与硅部分304一起可用作肋状波导。在这样的构造中，因为顶部氮化硅部分302提供了横向限制，所以在硅部分304中不需要蚀刻。在这样的构造中，行进通过硅部分304的光信号306基本上没有散射损耗。

在一些构造中，硅部分304和氮化硅部分302可彼此间隔开来(例如，参见图2)。当硅部分304和氮化硅部分302之间的间隙足够小时，两种材料之间存在更多的相互作用。在这样的构造中，可实施氮化硅部分302和硅部分304之间的较小间隙，以确保可通过氮化硅部分302横向地限制硅层中的光学模式。

图4a-4c是针对氮化硅的不同构造的波导的有效折射率的曲线图。特别地，对于氮化硅部分302的不同构造，图4a-4c可表示图3的硅部分304中的光学模式的有效折射率。在图4a-4c中，x轴表示氮化硅的宽度，以微米为单位，并且y轴可表示氮化硅加载波导中光学模式的有效折射率。

如图4a-4c所示，光学模式的有效折射率对于氮化硅中的工艺变化和/或特性变化是非常宽容的。特别地，由于光信号的模式被限制在硅306中，所以当改变氮化硅的特性时，波导的有效折射率是非常宽容的(例如，变化很小)。

图4a示出了针对折射率为1.928的氮化硅(用402表示)与折射率为1.978的氮化硅(用404表示)的波导的有效折射率的差异。如图所示，对于0.05的折射率变化，有效折射率光学模式变化小于0.0004。

图4b示出了针对厚度为550nm的氮化硅(以406表示)与厚度为750nm的氮化硅(以408表示)的波导的有效折射率的差异。如图所示对于200nm的厚度变化时，有效折射率光学模式变化小于0.0002。

图4c示出了针对氮化硅和硅之间不同间隙尺寸的波导的有效折射率的差异。例如，该间隙可以是图2的氮化硅条带部分212和硅层204之间的间隙。特别地，图4c示出针对17nm的间隙(以412表示)和27nm的间隙(以410表示)的波导的有效折射率的差异。如图所示，对于10nm的间隙尺寸变化，有效折射率光学模式变化小于0.007。

氮化硅的特性(例如厚度、折射率和间隙尺寸)可由于形成波导时的工艺变化而不同。但是，如图4a-4c所示，由于光信号的模式被限制在硅中，所以当改变氮化硅的特性时，波导的有效折射率变化很小。

图4d是针对不同氮化硅折射率的模场直径与氮化硅宽度的关系图。具体地，x轴是氮化硅的宽度，以微米为单位，并且y轴是模场直径，以微米为单位。图4d示出了针对折射率为1.928的氮化硅(以414表示)与折射率为1.98的氮化硅的(以416表示)的模场直径的差异。如图4d所示，光学模场直径主要由氮化硅宽度和硅的厚度决定，而受氮化硅折射率和氮化硅厚度的影响较小。如图所示，当氮化硅的宽度为1.2μm时，模场直径最小。

图5是波导过渡部500构造的示例的示意性截面图和俯视图。特别地，图5的上部分包括波导过渡部500的侧视截面图，图5的下部分是波导过渡部500的俯视图。如图所示，过渡部500可包括氮化硅部分502和硅部分504。氮化硅部分502可定位在硅部分504上方，例如，如侧视截面图所示。波导过渡部500可包括掩埋氧化物(box)部分506，其中氮化硅部分502和硅部分504位于掩埋氧化物部分50中。

如侧视截面图所示，在一些构造中，氮化硅部分502可包括550nm的高度，并且硅部分504可包括160nm的高度，尽管可实施其他构造。如俯视图所示，氮化硅部分502可延伸波导过渡部500的长度，并且可包括沿着波导过渡部500的长度保持基本相同的宽度。硅部分504包括锥部508，例如硅部分504的宽度沿着波导过渡部500的长度而减小。特别地，硅部分504包括在锥部508的第一侧上的第一宽度和在锥部508的第二侧上的第二宽度，第二侧与第一侧相对。如图所示，第一宽度可大于第二宽度，并且锥部508可减小硅部分504的宽度。

波导过渡部500可允许波导在加载单模或多模波导至单模波导之间进行过渡。在一些构造中，波导过渡部500可允许波导在加载多模波导至单模波导之间进行过渡，以允许将波导路由通过曲线、弧形或弯曲，如将在下面进一步详细描述的那样。附加地或替代地，当波导被路由通过曲线、弧形或弯曲之后，波导过渡部500可允许波导在单模波导至加载单模或多模波导之间金夏利过渡。

波导过渡部500不需要氮化硅部分502中的改变或锥部，并且包括硅部分504中的单个锥部(例如，锥部508)，因此可相对简单地制造。

当光信号行进通过波导过渡部500时，氮化硅部分502可在锥部508之前将光信号限制在加载波导中，锥部508可在硅部分504中将光信号在从加载模式改变为单模，以允许将波导路由通过曲线、弧形或弯曲。因此，锥部508可将光信号的模式从多模转换为单模。

硅部分504可在边缘上被完全蚀刻。例如，硅部分504可包括160nm深的蚀刻。锥部508之后的输出可是单模带状硅波导。硅部分504可在侧面上被部分蚀刻。例如，硅部分504可包括在侧面上的110nm深的蚀刻。锥部508之后的输出可是单模肋状硅波导，例如，在波导的两侧上具有50nm厚的平板。

锥部508可包括长度l1。长度l1可被选择为足够长从而避免行进通过锥部508的光信号的损失。在一个示例中，锥部508可包括60微米或更长，或100微米或更长的长度，以避免行进通过锥部508的光信号的损耗。

图6是传输通过波导过渡部500的光信号的比例与锥部508的长度l1的关系图。特别地，y轴表示传输的光信号的比例(例如，其中1代表所有信号被传输)，并且x轴是锥部508的长度l1。如图6所示，可通过增加过渡部的长度来最大程度地减小损耗，并且在60微米或更长的长度处，传输的信号的比例接近1，所以在这样的构造中几乎所有的光信号都被传输通过波导过渡部500。

图7是实施图5的波导过渡部500的波导700的示例的示意性俯视图。如图所示，波导700包括曲线、弧形或弯曲702，其位于弯曲702之前和之后的基本笔直部分之间。波导700包括图5的波导过渡部500，以将光信号从多模改变为单模，以允许光信号被路由通过弯曲702。波导700还包括第二波导过渡部550，其包括氮化硅部分552和硅部分554。波导过渡部550可包括关于波导过渡部500所描述的任何方面。在弯曲702之后，波导过渡部550可将光信号从单模光信号改变为加载波导光信号。

例如，波导过渡部550可包括锥部，使得硅部分554的宽度沿着波导过渡部550的长度增加。特别地，硅部分554包括在锥部的第一侧上第一宽度和在锥部第二侧上的第二宽度，第二侧与第一侧相对。第一宽度可小于第二宽度，并且锥部可增加硅部分554的宽度。在这种构造中，锥部可在弯曲702之后将光信号从单模光信号改变为加载波导光信号。因此，过渡部550可将光波导在单模波导至加载单模或多模波导之间进行改变。

在这样的构造中，可根据需要对波导700进行路由，例如通过曲线、弧形或弯曲。另外，这样的构造可用于在多模波导和单模波导之间提供低损耗或无损耗过渡，这又可与用于波导路由的曲线、弧形或弯曲结合来实施。这样的构造可成本有效地实施并且可不需要昂贵且复杂的制造技术。

另外，波导700的构造可导致在波导700的芯中的相对较高的光学限制(和低的传播损耗)，而不需要蚀刻步骤或其他昂贵且复杂的制造技术。在这样的构造中，行进通过波导700的光信号的模式将被限制，并且将不会遭受任何实质性的散射损耗。

在一些构造中，可通过低分辨率光刻来形成波导700。这样的构造可能不需要高分辨率的光刻、湿式光刻或侧壁氧化，这可大大降低制造成本。另外，波导700的构造对于工艺误差或工艺变化(例如，折射率、层厚度和氮化硅与硅之间的间隙控制的变化)可相对稳健。在一些方面，波导700可被实施在基于硅波导的复用器或解复用器、阵列波导光栅、级联的马赫曾德干涉仪或其他光学器件中。

在一个示例实施方式中，光波导可包括硅部分和位于硅部分上方的氮化硅部分。硅部分可包括减小硅部分的宽度的锥部。氮化硅部分可将行进通过光波导的光信号限制在硅部分中。氮化硅部分可沿着锥部的长度延伸，并且可包括沿着锥部的长度保持基本相同的宽度。硅部分可包括在锥部的第一侧上的第一宽度和在锥部的与第一侧相对的第二侧上的第二宽度。锥部可使光波导在加载单模或多模波导至单模波导之间进行过渡。光波导可在加载单模或多模波导至单模波导过渡。

在一些方面，硅部分和氮化硅部分可彼此间隔开来，使得硅部分中的光学模式被氮化硅部分横向地限制。硅部分和氮化硅部分可彼此间隔开来。硅部分和氮化硅部分可延伸与光波导基本相同的长度。锥部可包括足够长的长度，以基本上避免行进通过锥部的光信号的损失。

在一些实施方式中，光波导可包括位于锥部附近的弯曲部。锥部可将行进通过光波导的光信号从多模改变为单模，以允许将光信号路由通过弯曲部。硅部分和氮化硅部分可延伸穿过弯曲部。锥部可在弯曲之前减小硅部分的宽度。光波导可包括掩埋氧化物部分。氮化硅部分和硅部分可位于掩埋氧化物部分中。

在另一个示例实施方式中，光波导可包括在加载单模或多模波导到单模波导之间的过渡部。过渡部可包括硅部分、位于硅部分上方的氮化硅部分以及减小硅部分的宽度的锥部。

光波导可包括改变光波导方向的弯曲部。光波导可包括在单模波导到加载单模或多模波导之间的第二过渡部。第二过渡部可包括第二硅部分、位于硅部分上方的第二氮化硅部分以及增加第二硅部分的宽度的第二锥部。氮化硅部分可将行进通过光波导的光信号限制在硅部分中。所述氮化硅部分可沿着锥部的长度延伸，并且可包括沿着锥部的长度保持基本相同的宽度，并且锥部的长度可以足够长，以基本上避免行进通过锥部的光信号的损失。

在说明书和权利要求书中使用的术语和词语不限于书面含义，而是仅用于使得能够清楚和一致地理解本公开内容。应当理解，单数形式的“一”，“一个”和“该”包括复数对象，除非上下文另外明确指示。因此，例如，提及“元件表面”包括提及一个或多个这样的表面。

如本文所使用的，“电性元件”是指涉及电的元件，“光学元件”是指涉及电磁辐射(例如，可见光或其他)的元件，并且“光电元件”是指既涉及电信号又涉及光信号，和/或将电信号转换成光信号的元件，反之亦然。

术语“基本上”是指不需要精确地实施所列举的特性、参数或数值，而是会出现一些偏差或变化(包括，例如，公差、测量误差、测量精度限制和其他本领域技术人员已知的因素)，但不排除该特性旨在提供的效果。

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