光电集成芯片、具有光电集成芯片的光学部件和用于生产该光电集成芯片的方法与流程

本发明涉及光电集成芯片、具有这种芯片的光学元件和用于生产这种芯片的方法。将术语“光电集成芯片”理解为具有基板和位于(如生长在或者沉积在)所述基板上的材料层的集成芯片，并且在该集成芯片中，一个或者多个光电部件(如波导、耦合器等)集成在材料层中的一个或者多个材料层中。

背景技术：

当开发光学部件时，特别是当开发集成光学部件时，常常出现必须将光从一个部件传输至另一个部件的问题，例如，把光从激光器传输到芯片上的波导或者把光从芯片传输到纤维。在这种情况下，一方面，基本上能够将这两个部件相邻放置并且把光水平地耦合在波导的平面中，也称为对接耦合。另一方面，可以把部件彼此重叠放置，以便相对于波导的平面垂直地或者几乎垂直地传输光。在后一种变型中，通常经由光栅耦合器使相对于表面法线以较小的角度射到波导的光偏转到波导中，并且在波导中对光进行进一步引导。

当把非常发散或者会聚的辐射垂直地耦合在波导中时，当前方法会造成巨大的损失，因为常用的光栅耦合器只有有限的接受角。在将波导外的光耦合到其它光学部件中时这些其它光学部件也具有接受角，这些其它光学部件例如为纤维(例如，玻璃纤维或者聚合物纤维)。从接受角外入射的辐射部分不被耦合到波导或者纤维中，例如，损失了这些部分。这些损失越大，入射光越发散或者越会聚。由于光束的发散性，如果目标耦合元件的孔径不足，则耦合损失可能会随着耦合元件之间的距离的增大而增加。技术术语中还被称为元件的“后段制程”的光学元件的上部材料层具有5个金属层，例如，其厚度约为20μm。在发散光束传播通过该距离期间，其光束直径显著增加。

在光源非常发散或者会聚的情况下，现在通常将纤维插入在光源与波导的光栅耦合器之间。首先，将光耦合到纤维中，并且在另一个纤维端处耦合到纤维外，并且经由光栅耦合器耦合到波导中。这与较好的制造工作、附加部件和在纤维的出入口处的耦合损失相关联[1]。

另一种方法是使用例如透镜的微光学器件，以作为单独的部件，将该单独的部件紧固在光栅耦合器上方的元件(在集成元件的情况下，在下面的技术术语中还简称为“芯片”)上并且旨在对垂直入射的光进行准直和聚焦。这种方法还需要大量的制造工作和附加部件(例如，注塑成型或者玻璃微透镜)、制造步骤和相关容差、以及较差的可扩展性[2]。

另一种方法是使用蚀刻到激光器的出射面中的透镜，以便在出射光从激光器出射之前对其进行准直或者聚焦[3]。

从出版物“A polarization-diversity wavelength duplexer circuit in silicon-on-insulator photonic wires”(Wim Bogaerts,Dirk Taillaert,Pieter Dumon,Dries Van Thourhout,Roel Baets；February 19,2007/Vol.15,no.4/OPTICS EXPRESS 1567)中可以了解具有根据专利权利要求1的前序部分的特征的光电集成芯片。

技术实现要素：

从最后提到的现有技术开始，本发明是基于容易地改进可以在芯片中实现的耦合效率的目的。

根据本发明，通过具有根据专利权利要求1的特征的光电集成芯片来实现这个目的。在从属权利要求中陈述了根据本发明的芯片的有利配置。

据此，本发明提供了一种光学衍射和折射结构，该光学衍射和折射结构待集成在光栅耦合器上方或下方的芯片的材料层中，或者集成在光栅耦合器上方或下方的多个材料层中，或者集成在基板的后侧，该衍射和折射结构在辐射被耦合入波导中之前或者辐射被耦合出波导外之后，执行该辐射的光束整形。

由于根据本发明提供的衍射和折射结构，可以将入射光的波前转换成出射光的任何期望的波前。如果根据离散透镜或者Fresnel透镜的原理来实施衍射和折射结构，则本发明能够，例如，对入射光进行准直和聚焦。这能够，例如，将入射光的光束发散性降低到如下程度：整个光束在光栅耦合器的接受角度内传播并且可以在损失极低的情况下耦合到波导中。另外，衍射和折射结构还意味着入射光的直径适用于光栅耦合器的孔径，从而使不射到光栅耦合器的光束部分造成的损失最小化。在这种情况下，入射光可以来自，例如，纤维(例如，玻璃纤维或者聚合物纤维)、另一光电集成芯片、以及直接来自于激光器(例如，HCSEL、VCSEL)。此外，能够经由衍射和折射结构将在芯片的上部材料层(所谓的“后段制程”)外的光耦合到第二光学部件中，第二光学部件例如为纤维、另一光电集成芯片、光电探测器或者微光学器件。为此，可以适配衍射和折射结构，使得实现出射光的光束发散，从而将其最高效地耦合到目标部件中。

另一较大的优点是制造公差极低，因此，与使用单独部件的常规方法相比，衍射和折射结构相对于光栅耦合器的对准精确。原因是，例如，通过使用光刻生产方法来生产衍射和折射结构，由于使用了光刻对准方法而不是对单个部件进行机械定位和粘接，所以精确度和定位精度非常高。可以使用绝缘体上硅(SOI)基板，例如，作为用于生产光电集成芯片的材料系统。

在根据本发明的芯片中，有利的是不需要任何分开的具有关联封装能力的部件。另外，可以将待耦合的部件彼此靠近地放置，从而能够降低散射损失并且减少耦合结构的孔径。集成式生成实现了相当良好的可扩展性，例如，当生产光电集成芯片上的多个耦合器时。在这种情况下，不再需要重复地对附加的单个部件进行定位和粘合。

如果光学衍射和折射结构形成透镜、分束器或者偏振分离器，则将被视为特别有利。

优选地在光栅耦合器上方或下方的芯片的一个或者多个材料层中以台阶形成光学衍射和折射结构，或者光学衍射和折射结构至少还包括这种台阶。

波导优选的是脊形波导，该脊形波导包括在芯片的波导材料层中形成的脊。在这种配置中，将光学衍射和折射结构优选地集成在脊上方或下方的芯片的一个或者多个层中。

芯片的基板优选的是半导体材料，例如硅。

芯片特别优选地基于绝缘体上硅(SOI)材料。在这种材料系统的情况下，如果脊形波导形成在SOI材料的硅覆盖层中，并且光学衍射和折射结构集成在该硅覆盖层上方的芯片的一个或者多个层中，则将被视为有利。

光栅耦合器可以是一维或者二维光栅耦合器。光栅耦合器优选的是Bragg光栅或者还优选地至少包括这种Bragg光栅。

衍射和折射结构优选的是二维的并且优选地处于与波导材料层平行的平面中。

对于最佳耦合效率，如果衍射和折射结构在两个维度上与位置相关，具体地是沿着所述波导的纵向的维度与位置相关，以及沿着与该维度垂直的维度即垂直于所述波导的纵向的维度与位置相关，这被视为特别有利。

衍射和折射结构优选地形成二维Fresnel透镜。

波导优选的是具有脊的SOI脊形波导，该脊形成在二氧化硅层上的SOI材料的波导硅层中，并且该脊的纵向沿着在该SOI脊形波导中引导的辐射的传播方向延伸。

对于最佳耦合效率，如果衍射和折射结构是二维的并且处于与波导硅层平行的平面中，其中衍射和折射结构在两个维度上与位置相关，具体地是沿着所述SOI波导的脊的纵向的维度与位置相关，以及沿着与该维度垂直的维度即垂直于所述SOI波导的脊的纵向的维度与位置相关，这被视为特别有利。

网优选地位于脊的旁边，该网的层高低于脊的层高。

可替代的但同样优选的，配置提供了已经从脊的旁边移除了至少部分波导硅层。

本发明还涉及具有光电集成芯片的光学元件。

这种元件优选地包括纤维，该纤维的纤维端在光学衍射和折射结构的背离光栅耦合器的一侧耦合至光学衍射和折射结构，该纤维的纵向在纤维端所在的区域中与芯片的波导层几乎垂直地定向。在这种情况下，将术语“几乎垂直”理解为角度范围在70°与90°之间。

可替代地或者另外地，光学元件可以包括辐射发射器，该辐射发射器在光学衍射和折射结构的背离光栅耦合器的一侧耦合至光学衍射和折射结构，该辐射发射器的辐射方向与芯片的波导层几乎垂直地定向。

可替代地或者另外地，光学元件可以包括辐射检测器，该辐射检测器在光学衍射和折射结构的背离光栅耦合器的一侧耦合至光学衍射和折射结构，该辐射检测器的主动接收表面与芯片的波导层平行地定向。

本发明还涉及一种用于生产光电集成芯片的方法，该光电集成芯片包括基板和涂覆在该基板的上侧的多个材料层，其中，在该方法中：将光波导集成在芯片的一个或者多个波导材料层中，以及将光栅耦合器形成在该光波导中，并且该光栅耦合器在波导材料层的出层平面方向上引起在波导中引导的辐射的光束偏转，或者在波导材料层的入层平面方向上使辐射的光束偏转以耦合到波导中。

针对这种方法，本发明提供了一种光学衍射和折射结构，该光学衍射和折射结构将集成在波导上方或下方的材料层中，或者集成在波导上方或下方的芯片的多个材料层中，或者集成在基板的后侧，该衍射和折射结构在辐射被耦合入光栅耦合器中之前或者辐射被耦合出光栅耦合器外之后，执行该辐射的光束整形。

针对根据本发明的方法的优点，结合根据本发明的芯片对上文的陈述进行了参考。

如果将透镜、分束器或者偏振分离器生产为光学衍射和折射结构，则这是有利的。

优选地通过在光栅耦合器上方或者下方的芯片的一个或者多个材料层中蚀刻台阶来执行光学衍射和折射结构的生产，或者光学衍射和折射结构的生产优选地还至少包括蚀刻台阶。

为了能够利用最佳定位执行蚀刻步骤，优选地先执行用于涂覆一个或者多个蚀刻掩模的一个或者多个光刻步骤。

根据对衍射和折射结构的耦合效率的要求，可以将蚀刻台阶的数量以及由此的渐变深度的台阶的数量保持得较低，因此可以将生产成本维持得较低。虽然只使用了单个蚀刻台阶，但却能够实施还被称为相位板的二元衍射和折射结构，然而，该相位板以相同的孔径实现了比具有多个台阶的衍射和折射结构的耦合效率略低的耦合效率。然而，利用二元结构，如果可以在芯片上实现充足的孔径，则也可以容易地实现充足的耦合效率。

为了实现入射波前的任何期望的转换，可以在基板的平面的两个空间方向上，彼此独立地制成所产生的光学衍射和折射结构的各自的台阶。

适当地选择蚀刻台阶的空间分布能够将入射光束在空间上分成可以进一步彼此独立地被引导的各自分开的部分光束。还可以通过使用分开的部分光束的不同偏振方向来实现这种分离。

附图说明

在下文中通过使用示例性实施例来更详细地解释本发明；在这种情况下，其中：

图1示出了配备有衍射和折射结构的光学元件的示例性实施例；

图2示出了光电集成芯片的示例性实施例，在该光电集成芯片中，衍射和折射结构形成Fresnel透镜；

图3示出了根据图2的Fresnel透镜的结构的平面图；

图4示出了光电集成芯片的示例性实施例，在该光电集成芯片中，衍射和折射结构具有多个台阶；

图5示出了具有多台阶衍射和折射结构的光电集成芯片的另一示例性实施例；

图6示出了光学元件的示例性实施例，在该光学元件中，光电集成芯片的衍射和折射结构具有单个台阶并且形成二维二级阶梯透镜；

图7示出了根据图6的二级阶梯透镜的平面图；

图8示出了适合于根据图1和图6的光学元件和根据图2和图4至图5的光电集成芯片的SOI波导的示例性实施例，例如，具体地，该SOI波导基于根据图2的光电集成芯片；以及

图9示出了适合于根据图1和图6的光学元件和根据图2和图4至图5的光电集成芯片的SOI波导的另一示例性实施例，例如，具体地，该SOI波导基于根据图2的光电集成芯片。

为清楚起见，相同的附图标记始终用于图中的相同或者类似的部件。

具体实施方式

图1示出了包括光电集成芯片2或者可以仅由这种芯片形成的光学元件1的示例性实施例。在根据图1的示例性实施例中，假设，例如，除了芯片2之外，光学元件1还具有辐射发射部件3，例如，辐射发射部件3的形式为激光器或者辐射发射器。

光电集成芯片2包括基板20，在该基板的上侧21上布置有多个材料层。除了其它之外，二氧化硅层30因此位于基板20的上侧21，在该二氧化硅层上又布置有波导硅层40。基板20、二氧化硅层30和波导硅层40可以由所谓的绝缘体上硅(SOI)材料来形成，可以从市场上买到预制形式的SOI材料。

脊形波导50设置在波导硅层40中，并且可以例如，通过蚀刻波导硅层40来形成脊形波导50。Bragg光栅形式的光栅耦合器60连接至脊形波导50，并且同样优选地已经通过蚀刻波导硅层40而产生该光栅耦合器60。

在根据图1的示例性实施例中，另一些材料层，例如，以中间层70和上覆盖层80的形式，位于波导硅层40上。

图1中未详细示出的衍射和折射结构100被集成在覆盖层80中。优选地，通过一个或者多个光刻步骤并且通过一个或者多个蚀刻步骤来生产该衍射和折射结构100。在下文中进一步更详细地解释了其示例性实施例。

可以如下操作根据图1的光学元件1，例如：

辐射发射部件3产生发散光束Pe，该发散光束Pe的弯曲波前200的发散度为α。发散光束Pe射到衍射和折射结构100，在根据图1的示例性实施例中，该衍射和折射结构布置在覆盖层80中，并且因此，布置在光电集成芯片2的所谓“后段制程(backend of line)”区域中。

衍射和折射结构100将发散光束Pe的入射波前200转换成平面波前201，平面波前201然后射到光栅耦合器60并且经由所述耦合器耦合到脊形波导50中。通过使用在图1中的附图标记Pa来标识在脊形波导50中引导的光。

总之，在根据图1的示例性实施例中的衍射和折射结构100用于执行光束整形并且用于将弯曲波前200转换成平面波前201，从而提高在将光耦合到光栅耦合器60或者脊形波导50中时的效率。

图2更详细地示出了可以在根据图1的元件1的光电集成芯片2中使用的衍射和折射结构100的示例性实施例。可以看出，在根据图2的示例性实施例中的衍射和折射结构100由包括蚀刻部分101和未蚀刻部分102的单步阶梯剖面形成。按照衍射和折射结构100形成Fresnel透镜300的方式来选择蚀刻部分101和未蚀刻部分102的布置。

在图3的平面图中更详细地示出了由衍射和折射结构100的蚀刻部分101和未蚀刻部分102形成的Fresnel透镜300。

图4示出了可以在根据图1的光学元件1的光电集成芯片2中使用的衍射和折射结构100的另一示例性实施例。衍射和折射机构100由三步阶梯剖面形成，该三步阶梯剖面已经通过光刻和蚀刻步骤形成在芯片2的上或者最上覆盖层80中。选择台阶的台阶高度和台阶布置，使得分散光束Pe的光束整形对于尽可能是平面的波前201和针对光栅耦合器60和脊形波导50的最佳耦合效率而言，可以是有利的。

图5示出了可以在根据图1的光学元件1的光电集成芯片2中使用的衍射和折射结构100的另一示例性实施例。

在根据图5的示例性实施例中，已经通过多个光刻和蚀刻步骤在光电集成芯片2的上覆盖层80中产生了多步透镜剖面，例如，该透镜剖面可以包括十三个台阶。按照如下方式来选择透镜的阶梯剖面或者外表面：耦合效率在光栅耦合器60的方向上和在脊形波导50的方向上可以是最佳的。

图6示出了配备有光电集成芯片2的光学元件1的另一示例性实施例。除了光电集成芯片2之外，光学元件1还包括辐射接收部件4，该辐射接收元件4可以例如是辐射检测器。

光电集成芯片2具有基板20、埋入式二氧化硅层30、波导硅层40、中间层70以及设置有衍射和折射结构100a的上覆盖层80。优选通过蚀刻，将脊形波导50和光栅耦合器60集成在波导硅层40中。

在覆盖层80中的衍射和折射结构100a是由包括蚀刻部分101和未蚀刻部分102的单步阶梯剖面或者二元步进滤波器形成的。

可以如下操作根据图6的光学元件1，例如：

在脊形波导50中引导的光束Pe到达光栅耦合器60，该光栅耦合器60耦合输出该光束Pe并且使该光束在辐射接收部件4的方向上偏转。偏转的光束优选地具有平面波前201。

平面波前201到达衍射和折射结构100a，该衍射和折射结构100实行光束整形并且将先前的平面波前201转化成分散度为β的会聚波前203。通过使用图6中的附图标记Pa来标识产生的会聚光束。

例如在图7中更详细地图示了可在根据图6的光电集成芯片2中使用的衍射和折射结构100a的示例性实施例。图7示出了可以通过仅使用一个蚀刻步骤而产生并且具有蚀刻部分101和未蚀刻部分102的衍射和折射结构100a。该衍射和折射结构100a形成二级阶梯(binary stepped)透镜400。

图8示出了适合于根据图1和图6的光学元件和根据图2和图4至图5的光电集成芯片的、以SOI脊形波导为形式的SOI波导的示例性实施例的横截面，例如，具体地，该SOI波导基于根据图2的光电集成芯片。

在图8中可以看到基板20，在该基板的上侧21上布置有多个材料层。除了其它之外，二氧化硅层30位于基板20的上侧21上，在该二氧化硅层上又布置有波导硅层40。由绝缘体上硅(SOI)材料形成基板20、二氧化硅层30和波导硅层40。

脊形波导50设置在波导硅层40中；通过使用图8中的附图标记B来标识脊51的脊宽。网52和53位于脊51旁边，并且其网高或者层高低于脊51的网高或者层高。根据图2的光束Pa的传播方向与图8中的图像平面垂直，并且可以指到图像平面外或者指向图像平面中；在根据图8的示例性实施例中，假设，例如，光束Pa指向图像平面中。

另一些材料层，例如，以中间层70和上覆盖层80的形式，位于波导硅层40上。

衍射和折射结构100集成在覆盖层80中，并且是二维的，并且沿两个轴执行光束整形，即，沿着箭头方向或者沿着根据图2和图8的光束Pa的传播方向，也就是说，沿着脊形波导50的纵向和与该纵向垂直的方向即沿着图8中的箭头方向Y的方向。如已经提到的，优选地，通过一个或者多个光刻步骤并且通过一个或者多个蚀刻步骤来产生衍射和折射结构100。

图8还显示了通过包括蚀刻部分101和未蚀刻部分102的单步阶梯剖面沿着箭头方向Y形成衍射和折射结构100。

例如，按照如下方式来选择蚀刻部分101和未蚀刻部分102的布置：衍射和折射结构100形成二维Fresnel透镜300或者在两个轴上操作的Fresnel透镜300。在图3的平面图中更详细地示出了由衍射和折射结构100的蚀刻部分101和未蚀刻部分102形成的Fresnel透镜300。

不言而喻，如结合图4和图5所解释的，衍射和折射结构100还可以沿着箭头方向Y具有多个台阶。

图9示出了适合于根据图1和图6的光学元件和根据图2和图4至图5的光电集成芯片的SOI波导的另一示例性实施例的横截面，例如，具体地，该SOI波导基于根据图2的光电集成芯片。

在图9中可以看到基板20，在该基板的上侧21上布置有多个材料层。除了其它之外，二氧化硅层30位于基板20的上侧21上，在该二氧化硅层上又布置有波导硅层40。由绝缘体上硅(SOI)材料形成基板20、二氧化硅层30和波导硅层40。

脊形波导50设置在波导硅层40中；通过使用图9中的附图标记B来标识脊51的脊宽。已经从脊51的旁边的部分中完全移除了硅，例如，硅已经被蚀刻掉，因此，在图8中示出的网52和53并未出现。针对其它方面，上文的解释，具体地结合图8进行的那些解释，对应适用于根据图9的示例性实施例。

总之，在上文的示例性实施例中，把光刻产生的光学衍射和折射结构100引入到光电集成芯片2的一个或多个上部材料层中，优选引入到最上面的材料层(覆盖层80)中，也就是说，引入到光电集成芯片的所谓“后段制程”区域中，使得对光进行光束整形。为此，把台阶状结构优选地蚀刻到最上面的材料层或者一个或者多个上材料层中。根据使用的蚀刻台阶的数量可以实现具有渐变深度的一个或者多个台阶的结构，其中例如，该蚀刻台阶的数量可以受可用的曝光掩模的数量限制。通过按照目标方式在空间上改变折射率，这些结构整体上充当用于特定波长范围的折射光束和衍射光束整形元件。蚀刻区域和未蚀刻区域具有不同的折射率。因此，通过这些不同区域的光波的行进时间和传播方向是不同的，从而在通过衍射和折射结构的传播之后，入射光波的波前被变形。例如，可以使用这种效果，在光束射到芯片2的更深层中的波导材料层中的光栅耦合器60之前，即射到所谓的芯片的“后段制程”区域之前，对该光束进行准直或者甚至聚焦。利用衍射和折射结构100中的若干台阶，可以近似实现完美透镜的衍射和折射行为。优选地，通过光刻曝光和蚀刻工艺以及还可以结合等离子体蚀刻工艺，或者通过离子束蚀刻，来生产衍射和折射结构100。该过程通常在完整的芯片处理结束时发生。

尽管通过优选示例性实施例更为详尽具体地对本发明进行了描述和图示，但是本发明不受所公开的示例的限制，并且本领域的技术人员可以在不脱离本发明的保护范围的情况下推导出其它变型。

参考文献

[1]R.Krishnamurthy,

http://www.chipworks.com/en/technical-competitive-analysis/resourc es/blog/the-luxtera-cmos-integrated-photonic-chip-in-a-molex-cable/；

[2]Michael Mack,Mark Peterson,Steffen Gloeckner,Adithyaram Narasimha,Roger Koumans,Peter de Dobbelaere,Method And System For A Light Source Assembly Supporting Direct Coupling To An Integrated Circuit，美国专利公开US 8,772,704B2，受让人Luxtera公司，申请号13/894,052,申请日2013年5月14日；

[3]Jon Anderson,Kiyo Hiramoto,Oclaro,PSM4Technology&Relative Cost Analysis Update,IEEE 802.3bm工作组，菲尼克斯,2013年1月22-23日。

附图标记列表：

1 元件

2 芯片

3 部件

4 部件

20 基板

21 上侧

30 二氧化硅层

40 硅层

50 脊形波导

51 脊

52 网

53 网

60 光栅耦合器

70 中间层

80 覆盖层

100 衍射和折射结构

100a 衍射和折射结构

101 蚀刻部分

102 未蚀刻部分

200 弯曲波前

201 平面波前

203 会聚波前

300 Fresnel透镜

400 二级阶梯透镜

B 脊宽

Pa 光束

Pe 光束