具有背向反射隔离器的集成激光器的制作方法

发明人：xuezhezheng,ashokv.krishnamoorthy以及kannanraj

背景

本公开涉及用于光学地耦合光学信号的技术。更具体地，本公开涉及集成透镜的垂直激光器，其使用光栅耦合器将光学信号光学地耦合到光波导中，并且包括隔离器以减少或者消除背向反射。

背景技术：

cmos技术的进展正使得能够在单个芯片上实现具有超大规模集成的数十亿计的晶体管的集成电路。然而，由于热约束和其他物理限制，这种大规模集成电路的性能扩展可能与增加的时钟速率不相关联。代替地，聚集大量功能单元的并行体系结构正越来越多地被用来扩展集成电路的能力。随着越来越多的处理能力被集成到半导体芯片上，集成电路经常需要通信带宽的相称的增加以充分地利用增加的处理性能。

具体而言，在过去十年间，先进处理器的片外输入/输出(i/o)带宽已经以大约每两年乘以2的速率增加。因此，几tbps的总i/o带宽对于当前的芯片来说相当常见。然而，为了维持这个增长速率，可能很快对于单个芯片需要数十tbps的i/o带宽。类似的通信带宽扩展也在服务器级别处以及联网级别处发生。考虑到有限的物理资源，因此需要具有较低功率消耗、较大带宽以及较大带宽密度的互连方案来满足高性能电气系统的通信带宽扩展需求。

硅光子学是有前途的技术，它可以为未来的计算系统提供高效并且密集的大带宽系统互连。已经朝向实现低成本的实践应用做出了显著的进步，包括诸如以下各项的部件：高带宽高效硅调制器、低损耗光波导、波分多路复用(wdm)部件以及高速cmos光波导光检测器。然而，与硅光子集成在一起的低成本并且可靠的阵列激光源依然是实现大规模集成硅光子链路的障碍。

虽然个体的外部iii-v激光源是商业上可获得的，但是外部激光源阵列到硅光子芯片上的低成本集成依然是挑战。原则上，可以使用光纤阵列将多通道的激光源带到硅光子芯片上。然而，在实践中，该方法过分地昂贵。

正在研究各种方法来制造集成的激光源阵列。例如，已经通过iii-v材料在硅上的异构集成论证了电气泵送分布式反馈激光器。然而，该分布式反馈激光器的产量和可靠性依然是低成本光源的障碍。此外，iii-v材料和处理通常不是无缺陷的。因此，iii-v激光器的产量与硅cmos电路相比较依然低得多。此外，还是通常需要烧入(burn-in)以排除初期故障(infantfailure)。因此，在部件检验合格之前将iii-v激光器与硅光子电路集成在一起通常不是理想的，特别是对于在其中通常需要大集成规模的诸如大带宽系统互连之类的应用。

另一种方法使用与由硅平台支撑的自由空间光系统封装在一起的单个高功率激光源以用于与硅光子芯片集成在一起。该方法可以允许功率共享，使得可以并行地支持多个光学链路。然而，考虑到个体激光器晶片的有限的最大功率，这种光源的扩展经常是受限的。此外，对于大带宽系统互连(诸如具有数十和数百光学链路的应用)，可能需要将许多激光器封装集成到单个硅光子芯片上，这为封装和集成带来显著挑战。

因此，所需要的是没有上述问题的光源。

技术实现要素：

本公开的一个实施例提供集成电路。该集成电路包括：基板；布置在基板上的掩埋氧化物(buried-oxide，box)层；以及布置在box层上的半导体层，其中半导体层包括光学耦合器和光波导。此外，该集成电路包括：布置在半导体层上的隔离器；以及布置在隔离器上的光源，该光源包括透镜。在操作期间，光源生成朝向隔离器传播的光学信号，使得透镜聚焦该光学信号。此外，在操作期间，隔离器减少光学信号朝向光源的背向反射，并且光学耦合器将光学信号耦合到光波导中。

注意，光学耦合器可以包括光栅耦合器和/或光源可以包括激光器。

此外，隔离器可以包括：半波片，在操作期间，该半波片在光学信号中的沿着它的寻常轴(ordinaryaxis)和非常轴(extraordinaryaxis)的偏振分量之间产生π相移；法拉第(faraday)旋转器；以及偏振器。偏振器可以与光源对齐，使得从光源朝向光学耦合器传播的光学信号的偏振穿过偏振器。此外，法拉第旋转器可以产生对于经偏振的光学信号的平面的45°旋转。注意，法拉第旋转器可以布置在偏振器上，并且半波片可以布置在法拉第旋转器上。在一些实施例中，如果偏振器对齐到光学信号的横向磁(tm)模式，那么半波片的光轴设置为相对于光学信号的原始偏振平面成67.5°，或者如果偏振器对齐到光学信号的横向电(te)模式，那么半波片的光轴设置为相对于光学信号的原始偏振平面成22.5°，使得半波片之后光学信号的偏振对齐到光波导的te模式。

另外，光源可以生成平面中的光学信号并且镜可以以相对于该平面的角度反射光学信号。该角度可以不同于90°。

在一些实施例中，透镜在水平方向上从光学耦合器的位置偏移，使得在操作期间，光学信号传播通过隔离器到达光学耦合器。

此外，集成电路可以包括布置在隔离器上的光源的阵列。例如，源的阵列可以包括拥有具有固定间隔的不同波长的激光器阵列，以便限定波分多路复用(wdm)波长网格。

另一个实施例提供系统，该系统包括：处理器；存储程序模块的存储器；以及集成电路。在操作期间，程序模块由处理器执行。

另一个实施例提供用于将光学信号光学地耦合到光波导中的方法，该方法可以由该集成电路执行。

本发明内容部分仅仅是为了例示一些示例性实施例的目的而提供的，以便提供对本文描述的主题的一些方面的基本理解。因此，应当领会，上面描述的特征仅是示例并且不应当解释为以任何方式使得本文描述的主题的范围或者精神变窄。本文描述的主题的其他特征、方面和优点将从下面的详细描述、附图和权利要求书中变得明显。

附图说明

图1是例示根据本公开的实施例的包括光源的集成电路的侧视图的框图。

图2是例示根据本公开的实施例的图1的集成电路中的隔离器的图。

图3是例示根据本公开的实施例的包括图1的集成电路的系统的框图。

图4是例示根据本公开的实施例的用于将光学信号光学地耦合到光波导中的方法的流程图。

注意，在整个附图中，类似的标号指对应的部分。此外，相同部分的多个实例由以破折号与实例编号分隔的共同前缀标出。

具体实施方式

描述了包括光源的集成电路，包括集成电路的系统以及用于将光学信号光学地耦合到光波导中的方法的实施例。集成电路包括光源(诸如激光器)以及布置在隔离器上的透镜。此外，隔离器布置在绝缘体上硅(soi)平台中的包括光学耦合器和光波导的半导体层上。在操作期间，光源生成光学信号使得光学信号朝向隔离器传播，并且透镜聚焦该光学信号。此外，隔离器减少或者消除光学信号朝向光源的背向反射，并且光学耦合器将光学信号耦合到光波导中。

该光学集成技术可以便于表面法线耦合阵列激光源(scals)与硅光子电路的低成本和高产量集成。具体而言，集成电路中的集成隔离器可以允许集成电路减少或者消除从光学耦合器(诸如光栅耦合器)的背向反射。另外，平面配置或者体系结构的使用可以使得能够进行晶圆级(wafer-scale)处理、装配、集成和测试，这可以为大规模硅光子集成提供可靠的低成本激光源。因此，该光学集成技术可以便于硅光子链路在诸如波分多路复用之类的应用中使用。

现在我们描述集成电路(诸如光子集成电路)的实施例。图1给出了例示包括光源122的集成电路100的侧视图的框图。该集成电路包括：基板110；布置在基板110上的掩埋氧化物(box)层112；以及布置在box层112上的半导体层114，其中半导体层114(以及可选地box层112)包括光学耦合器116和光波导118。例如，基板110和半导体层114可以包括硅，并且掩埋氧化物层112可以包括二氧化硅。因此，基板110、掩埋氧化物层112和半导体层114可以构成绝缘体上硅(soi)技术。

此外，集成电路100可以包括：布置在半导体层114上的隔离器120；以及布置在隔离器120上的光源122(诸如激光器)。注意，光源122可以包括可选的镜124和透镜126。因此，光源122可以包括所谓“集成透镜的激光器”。另外注意，光源122可以从集成在基板110上的电气电路接收能量。

在操作期间，光源122生成光学信号128使得光学信号128朝向隔离器120传播，并且透镜126聚焦光学信号128。例如，光源122可以包括垂直腔表面发射激光器(vcsel)。作为替代或者另外地，光源122可以生成在平面130中的光学信号128，并且可选的镜124可以以相对于平面130的角度132反射光学信号128。

此外，在操作期间，隔离器120减少光学信号128朝向光源122的背向反射，并且光学耦合器116将光学信号128耦合到光波导118中。例如，光学耦合器116可以包括光栅耦合器。(然而，可以使用其他类型的光学耦合器。)因为光栅耦合器具有不同于90°的入射角，所以角度132可以不同于90°。此外，因为隔离器120可以具有有限厚度，所以透镜126可以在平面130中在水平方向上从光学耦合器116的位置偏移134，使得在操作期间光学信号128传播通过隔离器120到达光学耦合器116。

在一些实施例中，隔离器120包括：半波片136，在操作期间，半波片136在光学信号128中的沿着它的寻常轴和非常轴的偏振分量之间产生π相移；法拉第旋转器138(或者更一般地，另一种类型的非互易旋转器)；以及偏振器140。因为由光源122生成的光学信号128可以被偏振，所以偏振器140可以与光源122对齐使得光学信号128的偏振(包括与隔离器120中的先前层相关联的相移)穿过偏振器140。此外，法拉第旋转器138可以产生相对于经偏振的光学信号128的平面的45°旋转。如图1中所示，注意法拉第旋转器138可以布置在偏振器140上，并且半波片136可以布置在法拉第旋转器138上。然而，在其他实施例中，可以改变这些层中的至少一些层的次序。

在一些实施例中，如果偏振器140对齐到光学信号128的横向磁(tm)模式，那么半波片136的光轴设置为相对于光学信号128的原始偏振平面成67.5°，或者，如果偏振器140对齐到光学信号128的横向电(te)模式，那么半波片136的光轴设置为相对于光学信号128的原始偏振平面成22.5°，使得半波片136之后光学信号128的偏振对齐到光波导118的te模式。注意，理论上，法拉第旋转器138之后光学信号128的偏振可以通过旋转光波导118的取向而不是使用半波片136来与光波导118的te模式对齐。然而，在实践中，通常不鼓励路由离开曼哈顿(manhattan)网格。

我们现在进一步描述集成电路的示例性实施例。对于iii-v外部激光源与硅光子电路的成功集成，低损耗耦合通常是重要的。存在将光耦合到硅光子芯片上的若干种方法，包括：边缘耦合、倏逝波耦合(evanescentcoupling)以及经由光栅耦合器的表面法线耦合。硅光栅耦合器可以将亚微米soi光波导模式无缝地转变成大得多的光学模式(诸如单模光纤的近似10微米光学模式)，这可以显著地放松光学耦合的对齐公差。表面法线耦合也可以使得二维(2d)阵列集成成为可能，这对于大规模集成经常是期望的。另外，表面法线耦合可以使得晶圆级测试能够用于低成本制造。因此，基于光栅耦合器的表面法线耦合可以提供提高的可制造性。

然而，iii-v激光器与硅光子芯片的直接表面法线耦合通常不是直截了当的，因为大多数iii-v激光器是边缘发射设备。因此，为了与硅光子电路的低损耗集成，可能需要具有与硅光栅耦合器匹配的光学模式大小的表面法线发射iii-v激光器。关于这一点，一个选项是集成透镜的表面发射激光器。使用湿法刻蚀处理或者干法刻蚀处理，可以构建面镜(facetmirror)以朝向边缘发射激光器的基板反射边缘发射激光器的输出。使用诸如光致抗蚀剂回流或者灰度掩模之类的技术在基板的另一侧上构造的透镜然后可以校准或者聚焦激光器输出波束以用于与其他光子电路耦合。通常，面镜被置为成45°，使得集成透镜的激光器具有完美的表面法线输出(亦即，相对于集成透镜的激光器基板的平面成90°)。

为了经由光栅耦合器将集成透镜的表面发射激光器集成到硅光子芯片上，可能需要若干修改以使得能够进行校正操作。具体而言，硅光栅耦合器通常具有相对于表面法线成若干度的耦合角度。因此，为了在激光器侧上匹配该耦合角度，可以使用不同于45°的面镜角度和/或透镜中心相对于激光的反射点的水平位移。

此外，iii-v激光器通常对外部的背向反射敏感。然而，消除硅光栅耦合器的背向反射可能是困难的。具体而言，-15db至-20db的背向反射可以随着硅光栅耦合器发生。为了使光栅背向反射对iii-v激光器的性能的影响最小化，可以使用隔离器。如图1中所示，单通道集成scal可以包括3层自由空间隔离器。该隔离器可以包括：具有与激光器输出对齐的偏振的偏振器(诸如偏振器板)；无磁法拉第旋转器，其将输入光学波束或者信号的偏振旋转45°；以及半波片，其将光学波束偏振旋转回到与(一个或多个)硅光波导的te偏振对齐。由于法拉第旋转器的非互易本质，来自光栅耦合器的背向反射光学波束可以具有与偏振器的偏振正交的偏振。因此，该背向反射光学波束可以在进入集成透镜的激光器之前被阻挡。注意，在一些实施例中，当iii-v激光器光波导被设计为在te和tm模式之间具有足够大的区别时，可以不包括偏振器板。

此外，为了匹配光栅耦合器光学模式，可以选择iii-v激光器基板的厚度(例如，近似150微米)以及背侧透镜的焦距(例如，近似90微米)以将输出波束聚焦在半波片的底表面下面若干微米。

另外，可以预先确定集成透镜的激光器中的激光光波导结构以及光栅耦合器光学模式以最大化模式重叠。具体而言，激光光波导结构的输出以及光栅耦合器的输入面可以形成透镜的相应的像共轭(imageconjugate)。可以选择透镜位置和放大率以将激光器输出的像匹配到光栅耦合器的光学模式大小。

虽然图1例示单个激光器，但是集成透镜的激光器的一维(1d)或者2d阵列通常可以集成在具有共享或者共同偏振器、无磁法拉第旋转器和半波片的集成电路中，以形成1d或者2d的集成scals。然后该scals可以对齐，并且结合到拥有具有匹配间距(pitch)的光栅耦合器阵列的硅光子芯片上。此外，可以使用引线结合将scals与硅光子芯片电气连接。例如，可以存在布置在隔离器上的光源的阵列。在一些实施例中，源的阵列包括拥有具有固定间隔的不同波长的激光器的阵列，以便限定波分多路复用(wdm)波长网格。

因为偏振器、法拉第旋转器和半波片可以是由阵列中的激光器共享的平面设备，所以可能不需要另外的对齐。此外，激光器、面镜和背侧镜可以以光刻方式(lithographically)限定。因此，scals的装配、集成和测试原则上可以在晶圆级执行，由此减少集成电路的成本。

在一些实施例中，用于scals的一个或多个激光器可以是具有相同或者不同载波波长的分布式反馈激光器(后者可以便于波分多路复用scals)。注意，在具有光刻限定的阵列位置准确性的情况下，scals可以在阵列大小方面扩展，而免受使用其他阵列集成方法经常发生的累积对不准。该可扩展性可以便于大规模硅光子集成。

另外，在一些实施例中，隔离器与集成透镜的激光器集成在一起，并且然后该组合与集成电路的剩余部分集成在一起。该方法可以允许集成电路的剩余部分在与集成透镜的激光器以及隔离器集成之前经历回流处理，这可以防止隔离器在回流处理期间被损坏。

在示例性实施例中，半导体层114可以具有小于1微米的厚度(诸如0.2-3微米)。此外，掩埋氧化物层112可以具有0.3与3微米之间的厚度(诸如0.8微米)。注意，集成电路100中光波导的宽度可以是0.5-3微米。在示例性实施例中，光波导运送波长在1.1-1.7微米之间的光学信号128(亦即，光)，诸如具有1.3微米或1.55微米的基波波长的光学信号128。

在一些实施例中，隔离器120是使用夹在一对偏振器之间的法拉第旋转器实现的无磁光学隔离器，其中一对偏振器的偏振取向设置为相对于彼此成45°。这在图2中示出，图2给出例示集成电路100(图1)中的隔离器120的图。注意，法拉第旋转器可以包括磁化的稀土铁石榴石(rig)晶体，在其中当光穿过材料时，光的偏振平面被旋转。此外，无磁法拉第晶体的矫顽力(hc)可以在从几百至几千奥斯特(oersted)的范围内变化。此外，可以选择隔离器120中法拉第晶体的厚度，使得它将光的偏振平面旋转45°。例如，对于hc为500奥斯特(oe)的rig材料，对于波长为1550纳米的光的45°偏振旋转，厚度可以是大约420微米。使用纳米颗粒线性薄膜或者聚合物薄膜，线性偏振器可以构造在例如厚度为0.2至2毫米的薄玻璃基板上。

注意，为了将激光器光耦合到薄soi上的硅光波导中，第二偏振器可能不是必要的，因为薄soi上具有厚片(slab)的硅光波导通常仅支持te偏振。为了将硅光波导te模式与法拉第旋转器之后的经旋转的偏振相匹配，可以使用半波片，并且半波片的快轴设置为相对于法拉第旋转器之后的偏振平面成22.5°，以代替第二偏振器。该布局可能更加方便。此外，当使用零阶半波片时，半波片的厚度可以小，例如厚度大约为90微米。

集成电路100(图1)可以被包括在系统和/或电子设备中。这在图3中示出，图3给出例示包括集成电路100的系统300的框图。在一些实施例中，系统300包括(具有一个或多个处理器的)处理子系统310和(具有存储器的)存储器子系统312。

通常，集成电路100和系统300的功能可以在硬件中和/或在软件中实现。因此，系统300可以包括存储在存储器子系统312(诸如dram或者另一种类型的易失性计算机可读存储器或者非易失性计算机可读存储器)中的一个或多个程序模块或者指令集，在操作期间，这些程序模块或者指令集可以由处理子系统310执行。注意，一个或多个计算机程序可以构成计算机程序机制。此外，存储器子系统312中各种模块中的指令可以以下面方式实现：高级过程语言、面向对象的编程语言和/或汇编或者机器语言。注意，编程语言可以被编译或者解释，例如，可配置或者被配置为由处理子系统执行。

系统300中的部件可以由信号线、链路或者总线耦合。这些连接可以包括信号和/或数据的电气通信、光学通信或者光电通信。此外，在前述实施例中，一些部件被示为直接连接到彼此，而其他部件被示为经由中间部件连接。在每个实例中，互连或者说“耦合”的方法在两个或者更多个电路节点或者端子之间建立某种期望的通信。如将由本领域那些技术人员所理解的，这种耦合经常可以使用若干电路配置来完成；例如，可以使用ac耦合和/或dc耦合。

在一些实施例中，这些电路、部件和设备中的功能性可以以下面各项中的一个或多个实现：专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)和/或一个或多个数字信号处理器(dsp)。此外，如本领域中已知的，前述实施例中的功能性可以较多在硬件中并且较少在软件中，或者较少在硬件中并且较多在软件中实现。通常，系统300可以在一个位置处或者可以分布在多个地理上分散的位置。

系统300可以包括：vlsi电路、交换机、集线器、桥、路由器、通信系统(诸如波分多路复用通信系统)、存储区域网络、数据中心、网络(诸如局域网)和/或计算机系统(诸如多核处理器计算机系统)。此外，计算机系统可以包括但不局限于：服务器(诸如多插座、多机架服务器)、膝上型计算机、通信设备或者系统、个人计算机、工作站、大型计算机、刀片式计算机(blade)、企业计算机、数据中心、平板计算机、超级计算机、网络附接的存储(nas)系统、存储区域网络(san)系统、媒体播放器(诸如mp3播放器)、家电、小型笔记本/网本、平板计算机、智能电话、蜂窝式电话、网络家电、机顶盒、个人数字助理(pda)、玩具、控制器、数字信号处理器、游戏控制台、设备控制器、家电内的计算引擎、消费电子设备、便携式计算设备或者便携式电子设备、个人记事器和/或另一个电子设备。注意，给定计算机系统可以在一个位置处或者可以分布在多个地理上分散的位置。

此外，集成电路100可以用在各种应用中，诸如：光学通信(例如，在收发器、光学互连或者光学链路中，诸如用于芯片内通信或者芯片间通信)、射频滤波器、生物传感器、数据存储(诸如光学存储设备或者系统)、医学(诸如诊断技术或者外科)、条形码扫描器和/或计量学(诸如距离的精密测量)。

此外，光源、集成电路100和/或系统300的实施例可以包括较少的部件或者另外的部件。虽然这些实施例被例示为具有若干分立项目，但是这些光学部件、集成电路和系统旨在是可能存在的各种特征的功能描述，而不是本文描述的实施例的结构示意。因此，在这些实施例中，两个或者多个部件可以组合成单个部件，和/或可以改变一个或多个部件的位置。另外，如本领域中已知的，光源、集成电路100和/或系统300的前述实施例中的功能性可以较多在硬件中并且较少在软件中实现，或者较少在硬件中并且较多在软件中实现。

虽然已经使用特定的元素和化合物例示了前述实施例，但是如本领域技术人员已知的，可以使用各种的材料和复合物(包括化学计量的复合物和非化学计量的复合物)。因此，虽然在前述实施例中例示了硅光波导，但是如本领域技术人员已知的，可以使用采用其他材料(诸如锗和/或硅锗)的光学集成技术。此外，半导体层可以包括多晶硅或者非晶硅。此外，集成电路100中的材料和化合物可以使用各种处理技术来构造，包括：蒸发、溅射、分子束外延、湿法刻蚀或者干法刻蚀(诸如光刻或者直写光刻)、抛光等。另外，各种光学部件可以用在光源和/或集成电路100中或者连同其一起使用。此外，各种光源可以集成或者包括在集成电路100中，包括许多不同类型的激光器或者非激光光源(诸如发光二极管)。

现在我们描述方法的实施例。图4给出例示用于将光学信号光学地耦合到光波导中的方法400的流程图，该方法可以由集成电路(诸如图1中的集成电路100)执行。在操作期间，集成电路中的光源在光源的平面中生成光学信号(操作410)。然后，光源中的镜以相对于平面的角度反射光学信号(操作412)，并且光源中的透镜将光学信号聚焦(操作414)到光学耦合器上。此外，光学信号传播通过隔离器(操作416)，隔离器减少光学信号朝向光源的背向反射，其中光源布置在隔离器上。接下来，集成电路中的光学耦合器将光学信号光学地耦合到集成电路中的光波导中(操作418)，其中隔离器布置在包括光学耦合器和光波导的半导体层上，半导体层布置在掩埋氧化物(box)层上，并且box层布置在基板上。

在方法400的一些实施例中，可以存在附加的或者更少的操作。此外，可以改变操作的次序，和/或两个或者更多个操作可以组合成单个操作。

光源和集成电路可以用在各种应用中，诸如：通信、制造(切割或者焊接)、光刻过程、数据存储(诸如光学存储设备或者系统)、医学(诸如诊断技术或者外科)、条形码扫描器、娱乐(激光表演)和/或计量学(诸如距离的精密测量)。

在前述描述中，我们引用“一些实施例”。注意，“一些实施例”描述所有可能的实施例的子集，但是不总是指定实施例的相同子集。

前述描述旨在使得本领域任何技术人员能够进行并且使用本公开，并且是在特定应用以及其要求的上下文中提供的。此外，已经仅仅为了例示和描述的目的给出了对本公开的实施例的前述描述。它们不旨在是详尽的或者将本公开限制为所公开的形式。因此，许多修改和变化将对于本领域熟练的从业者将是明显的，并且本文限定的一般原理可以应用于其他实施例和应用而不背离本公开的精神和范围。另外，对前述实施例的讨论不旨在限制本公开。因此，本公开不旨在局限于所示的实施例，而是符合与本文公开的原理和特征一致的最广泛范围。