光学ISO调制器的制作方法

本申请要求于2016年8月29日提出的标题为“opticaliso-modulator”的美国申请15/250,745的优先权。

本公开的实施例总体上涉及光电子学领域，并且更具体而言，涉及具有光学iso调制器的光子集成电路。

背景技术：

本文所提供的背景描述用于总体上介绍本公开的语境。除非本文另行加以说明，否则该部分所描述的内容对于本申请中的权利要求并非现有技术，并且不应因包括在该部分中而被视为现有技术。

可以将光子集成电路视为用于数据中心和高性能计算的下一代互连技术的有前途的候选项。典型地，可以在绝缘体上硅(soi)晶片上制造基于光波导的光子集成电路，例如，激光器、调制器、以及检测器。在高数据率(例如，大于10gb/s)下，小激光器的不稳定性可能导致爆发性比特错误，并且可能严重扰乱互连链路上的操作。向激光器的反馈或者反射可能导致激光器的不稳定性。

可以使用光学隔离器来保护光子集成电路以免受反射的影响，因为光学隔离器可能允许光波沿特定的方向传播，同时防止光波沿不希望的方向传播。然而，传统的光学隔离器可能是独立的设备，其可能体积大、价格昂贵、并且集成复杂。另外，许多现存的光学隔离器可能具有高插入损耗和复杂的制造工艺。高插入损耗可能是光学隔离器商业化的一个具有挑战性的屏障，而光学隔离器的复杂的制造工艺可能是高成本的，而且难以管理。

附图说明

通过结合附图参考以下具体实施方式，将可容易地理解实施例。为了方便该描述，以相似的附图标记指定相似的结构元件。在附图的图中，通过示例而非限制的方式示出了实施例。

图1是根据各种实施例的并入有具有iso调制器的光子集成电路的光电子系统的块图。

图2是根据各种实施例的图1的iso调制器的部件的分解等距视图。

图3a是根据各种实施例的图2的光波导和一个或多个层的截面图。

图3b是根据各种实施例的与图2的光波导和一个或多个层相似的一个或多个层上的光波导的截面图。

图4-5示出了根据各种实施例的形成图1-2的iso调制器的封装工艺。

图6示出了根据各种实施例的用于形成图1-2的iso调制器的工艺的流程图。

图7示意性地示出了根据各种实施例的一个示例性计算设备和具有光学iso调制器的光学设备。

具体实施方式

本文公开了与光学iso调制器相关联的装置、方法以及存储介质。在实施例中，装置可以包括形成在诸如隔离层和处理层的一个或多个层上的光波导。可以将调制器驱动器耦合到一个或多个层的第一侧。可以将磁光(mo)管芯耦合到一个或多个层的与第一侧相对的第二侧。

在以下具体实施方式中，将参考形成了具体实施方式的一部分的附图，其中，在整个描述中相似的附图标记指定相似的部分，并且其中，通过例示的方式示出了可以实践的实施例。应该理解，可以利用其它实施例，并且可以做出结构或者逻辑上的改变，而不脱离本公开的范围。因此，以下具体实施方式不能以限制性意义来理解，并且实施例的范围由所附权利要求及其等同物来限定。

在附图描述中公开了本公开的方面。可以设计本公开的替代的实施例及其等同物，而不脱离本公开的精神和范围。应该注意，在附图中，以下公开的相似的元件由附图中的相似的附图标记指示。

可以按最有助于理解所要求保护的主题的方式将各种操作依次描述为多个分立的动作或者操作。然而，不应将描述的次序解释为暗示这些操作必需要与次序相关。特别是，可以不按介绍的次序执行这些操作。可以按与所描述的实施例不同的次序执行所描述的操作。在附加的实施例中，可以执行各种附加的操作和/或可以省略所描述的操作。

出于本公开的目的，短语“a和/或b”意指(a)、(b)、或者(a和b)。出于本公开的目的，短语“a、b和/或c”意指(a)、(b)、(c)、(a和b)、(a和c)、(b和c)、或者(a、b和c)。

该描述可以使用短语“在一实施例中”，或者“在实施例中”，其可以均指代一个或多个相同或者不同的实施例。另外，针对本公开的实施例所使用的术语“包含”、“包括”、“具有”等是同义的。

如本文所使用的，术语“电路”可以指代或包括以下各项、或是其部分：执行一个或多个软件或者固件程序的专用集成电路(asic)、电子电路、处理器(共享的、专用的、或者群组)和/或存储器(共享的、专用的、或者群组)、组合逻辑电路、和/或提供所描述的功能的其它适当部件。

图1是根据各种实施例的被并入有具有iso调制器的光子集成电路的光电子系统的块图。光电子系统100可以用于经由光纤在例如数据中心中的机架之间、或者长距离的在数据存储设施、数据中心等之间传输利用数据信号调制的光学信号。

光电子系统100可以包括光学设备102，光学设备102具有一个或多个pic(光子集成电路)103，光子集成电路103具有提供光信号(例如，恒定光强度信号)的一个或多个片上光源(例如，激光设备)104。iso调制器106可以是共同充当调制器的混合隔离器。iso调制器106可以用于根据所传输的数据信号调制输入光，并且还可以抑制回到光源104的反射。与在激光器部件和光调制器部件之间包括光学隔离器部件的一些已知pic相比，iso调制器106可以具有小形状因子。

在各种实施例中，光源104可以是发射大约1310纳米(nm)的波长的光的混合激光器。在一些实施例中，例如，光源104可以发射诸如1550nm的不同波长的光。光耦合器126可以是pic103的部件或者与pic103耦合。光耦合器126可以向光通信信道(例如，光纤电缆或者可以包括后面跟随者光纤的耦合光学器件的其它配置)130提供接口，并且可以被配置为将光学信号132传送到光通信信道130，以被另一个光学设备134接收。在各种实施例中，光学设备102可以包括能够与pic103的一个或多个部件耦合的处理器140。在一些实施例中，可以将处理器140与iso调制器106耦合。在实施例中，iso调制器106可以调制来自光源104的光信号，以至少部分基于来自处理器140的信号在光通信信道130之上进行传输。在一些实施例中，处理器140可以包括用于为光源104和/或iso调制器106生成控制信号的一个或多个模块。在各种实施例中，pic103可以包括其它光子部件，例如，分束器、耦合器、滤光器、检测器、移相器、偏振旋转器、多路复用器、和/或其它无源或有源光学元件。在一些实施例中，多个光信号可以被多路复用，或者以其它方式与光通信信道130耦合。

如所提及的，光电子系统100可以利用耦合器126和光源104。与在激光器部件和光学调制器部件之间包括光学隔离器部件的一些系统相比，iso调制器106可以提供附加的反馈容限、低损耗、和/或较小的形状因子。附加的反馈容限、低损耗、和/或较小的形状因子可以实现各种类型的竖直耦合器。例如，耦合器126可以是光栅耦合器和/或无反射涂层的竖直反向锥形耦合器。附加的反馈容限、低损耗、和/或较小的形状因子可以实现各种类型的激光器。例如，光源104可以包括高功率激光器，所述高功率激光器可以包括具有短前腔镜(frontmirror)的分布式布拉格反射器激光器。

图2是根据各种实施例的图1的iso调制器106的部件的分解等距视图(由虚线299指示)。iso调制器106可以包括形成在例如基于硅的衬底(例如，硅处理层上的二氧化硅层)的一个或多个层200上的光波导205。在马赫-泽德干涉仪(mzi)配置中，一个或多个层200上的光波导205可以形成移相器。针对图3a更详细地解释了光波导205和一个或多个层200，图3是对应于图2的切割线298的截面图。

在实施例中，波导205可以是三维平面波导，例如，平板波导。波导可以具有大约0.1μm到大约2μm范围内的宽度。在一些示例中，可以基于希望的隔离器、和/或横向磁(tm)和/或横向电(te)模式中的高速调制来选择波导宽度。在其它示例中，波导205可以是一维或二维波导，例如，直波导、肋状物波导、诸如矩形核心波导的带状波导等等、或它们的组合。

再次参考图2，虚线299指示iso调制器106的分解视图。iso调制器106包括耦合到一个或多个层200的第一侧的调制器驱动器590和耦合到一个或多个层200的与第一侧相对的第二侧的磁光(mo)材料405(例如，mo管芯)。

光波导205的臂206和207被示为具有相同的宽度(x-方向)，尽管在其它示例中臂206和207(可以分别被称为上臂和下臂)可以具有不同的宽度(例如，臂206可以宽于臂207)。可以将调制器驱动器590附接到一个或多个层200的对应于臂206和207的高速调制部分的选定区域。调制器驱动器590可以利用任何已知的调制器驱动器，例如基于cmos(互补金属氧化物半导体)硅的驱动器。

例如，可以将mo材料405附接(例如，接合)到一个或多个层200的第二侧。mo材料405可以包括石榴石膜。在各种实施例中，石榴石膜可以由来自稀土石榴石族的材料形成，并且可以具有高法拉第旋转和低光损耗，以在相对短的长度上产生相对高的nrps。在一些实施例中，石榴石膜可以包括稀土铁石榴石(rig)材料(例如，r3fe5o12)、稀土镓石榴石(rgg)材料(例如，r3ga5o12)、或者稀土铝石榴石(rag)材料(例如，r3al5o12)。在各种实施例中，石榴石膜可以包括宽范围的各种各样的元素，例如铋(bi)、镥(lu)、钬(ho)、钆(gd)、钇(y)、或者至少部分地基于法拉第旋转、磁化、或者其它物理特性所选择的其它元素。在一些实施例中，可以使用液相外延(lpe)使mo材料作为单晶生长在晶格匹配的衬底上，尽管也可以使用其它生长或者沉积方法(在示例中，mo材料405可以包括磁光液相外延生长的石榴石膜)。在各种实施例中，可以使用通过lpe生长在钆镓石榴石(ggg)衬底上的基于铋铁石榴石(big)的材料、或者可以包括诸如lu、gd、ho、al或其它元素之类的元素的变体。在一些实施例中，衬底也可以具有附加的元素，例如，铕(eu)，以更紧密地匹配希望的mo膜的晶格常数。在一些实施例中，波导可以是硅波导，并且例如通过在mo石榴石膜和硅之间使用等离子体激活的工艺或者其它接合工艺，mo石榴石膜可以被直接接合到波导的硅表面。

在各种实施例中，iso调制器106可以包括诸如氧化硅或者氮化硅的包覆层，以使在石榴石界面处的反射最小化。在一些实施例中，iso调制器106可以包括偏振旋转器，该偏振旋转器在处于石榴石膜之下时使来自光源104(图1)的光旋转到处于横向磁(tm)取向，而在其不再处于石榴石膜之下时使光旋转回到横向电(te)取向。在一些实施例中，石榴石可以被减薄，以实现后续的光刻。在一些实施例中，mo材料405(例如，mo管芯)被接合到一个或多个层200，并且mo材料405与光波导205直接接触，尽管可能有中间层。

可以将mo材料405附接到一个或多个层200的第二侧上的对应选定区域。可以对一个或多个层200的第二侧上的该对应选定区域的光波导205的一部分进行掺杂(将针对图3a更详细地讨论掺杂)。在一些示例中，选定区域可以是包括光波导205、mo材料405、以及调制器驱动器590的高调制部分的堆叠体的部分。

传统的光学隔离器可以包括具有多个臂的光波导。然而，与传统的光学隔离器相反，iso调制器106可以形成由于mo材料405与臂206或207中的至少一个的掺杂部分的相互作用而产生的磁场(在传统的光学隔离器中，可以不对臂进行掺杂)。所述磁场可以导致由iso调制器106接收的光经历非互易相移(nrps)。nrps可以与隔离和调制功能相关联。应该意识到，可以选择光波导205的任何参数以影响nrps的大小。

可以将调制器驱动器590附接(例如，倒装芯片接合)到一个或多个层200的第一侧。在一些示例中，焊料凸块(未示出)可以位于调制器驱动器590和延伸穿过一个或多个层200的导电过孔(未示出)的暴露表面之间。

图3a是根据各种实施例的图2的光波导205和一个或多个层200的截面图。

在晶片工艺中，可以形成隔离层302，例如，掩埋氧化物(box)层。示例性氧化物可以是二氧化硅、氮氧化硅、或者氮化硅。在一些示例中，隔离层302的厚度可以为微米量级(例如，一微米)。在一些示例中，隔离层302可以形成在诸如处理层301的另一个层上。

光波导205可以形成在隔离层302上。光波导205可以包括掺杂硅。光波导205的肋状物部分309的掺杂可以不同于平板部分311的掺杂。与平板部分311相比，肋状物部分309可以从隔离层302突出更远。可以对较浅的平板部分311进行掺杂，以使其作为导体进行操作，并且肋状物部分309的掺杂可以对nrps有贡献。不同的掺杂可以产生不同的掺杂物浓度(例如，平板部分311中的较高的掺杂物浓度)。

在附接mo材料405(图2)之前，或者在一些情况下在附接mo材料405(图2)之后，可以对例如穿硅过孔(tsv)的导电过孔310(图3a)和320(图3b)进行刻蚀和/或金属化。例如，参考图3b，在一些示例中，在mo材料附接的时间之前(以使得mo材料405保持完整，以与掺杂的肋状物部分309相互作用)，可以通过从mo材料405的附接的一侧进行刻蚀和/或金属化来进行过孔形成。可以使用任何已知的工艺，例如，“铜钉”工艺。图3b的示例性导电过孔320示出了在mo材料附接的时间之前使用“铜钉”工艺进行的形成的示例性结果。

再次参考图3a，例如，可以通过从与mo材料405的附接侧相对的一侧进行刻蚀和/或金属化来形成导电过孔310。假定从与mo材料405的附接侧相对的一侧进行该刻蚀和/或金属化，可能在mo材料附接的时间之前或者之后执行这种刻蚀和/或金属化，并且无论是哪一种情况，mo材料405都可以保持完整。

图4-图5示出了根据各种实施例的形成图1-图2的iso调制器的封装工艺。

参考图4，可以将mo材料405(例如，石榴石管芯)附接(例如，接合)到与光波导205相同的一侧。如所示，在一些实施例中，mo材料405可以与光波导205物理接触(没有中间层)。

参考图5，可以将调制器驱动器590附接(例如，倒装芯片接合)到另一侧。具体而言，焊料凸块585可以形成在暴露的导电过孔表面上，以将调制器驱动器590的电路(例如，cmos硅)电连接到光波导205的平板部分(图3a)。

图6示出了根据各种实施例的用于形成图1-图2的iso调制器的工艺的流程图。

在块601中，在一个或多个层上形成光波导，并且在一个或多个层中形成导电过孔(例如，在一些示例中，可以形成一个以上的导电过孔)。

在块602中，对光波导的选定区域进行掺杂。在一个示例中，对光波导的肋状物和平板部分进行掺杂，并且可以对这些部分进行不同掺杂。在块603中，将调制器驱动器耦合到一个或多个层的第一侧。调制器驱动器可以通过导电过孔与光波导电接触。

在块604中，将磁光(mo)材料耦合到一个或多个层的对应于选定区域、并且与第一侧相对的第二侧。在一些示例中，耦合mo材料的工艺可以在形成导电过孔的工艺之前，假定可以从与mo材料的附接侧不同的一侧对导电过孔进行刻蚀和/或金属化。

图7示意性地示出了根据各种实施例的示例性计算设备500，计算设备500适合于与诸如光电子系统100的图1-图6的各种部件和工艺一起使用，如关于图1所描述的，光电子系统100包括具有pic(光子集成电路)103、光学iso调制器106的光学设备102。

如所示，计算设备500可以包括一个或多个处理器或者处理器内核502和系统存储器504。出于本申请的目的，包括权利要求，可以将术语“处理器”和“处理器内核”视为同义，除非上下文另行明确要求。处理器502可以包括任何类型的处理器，例如，中央处理器(cpu)、微处理器等。处理器502可以被实施为具有多个内核的集成电路，例如，多核微处理器。计算设备500可以包括大容量储存器506(例如，软盘、硬盘)、易失性存储器(例如，动态随机存取存储器(dram)、压缩磁盘只读存储器(cd-rom)、数字通用盘(dvd)等等)。总体上讲，系统存储器504和/或大容量储存器506可以是任何类型的临时和/或永久储存器，包括但不限于易失性和非易失性存储器、光、磁、和/或固态大容量储存器等等。易失性存储器可以包括但不限于静态和/或动态随机存取存储器。非易失性存储器可以包括但不限于电可擦除可编程只读存储器、相变存储器、电阻式存储器等等。

计算设备500还可以包括输入/输出设备508(例如，显示器(例如，触摸屏显示器)、键盘、光标控制器、遥控器、游戏控制器、图像捕获设备等等)以及通信接口510(例如，网络接口卡、调制解调器、红外接收器、射频接收器(例如，蓝牙)等等)。计算设备500可以包括光电子系统550，光电子系统550可以包括具有带有光学iso调制器的pic554的光学设备552。在各种实施例中，光电子系统550可以类似于光电子系统100，光学设备552可以类似于光学设备102和/或pic554可以类似于pic103。

通信接口510可以包括可以根据全球移动通信系统(gsm)、通用分组无线业务(gprs)、通用移动电信系统(umts)、高速分组接入(hspa)、演进的hspa(e-hspa)、或者长期演进(lte)网络来操作设备500的通信芯片(未示出)。通信芯片也可以根据用于gsm演进的增强数据(edge)、gsmedge无线电接入网络(geran)、通用陆地无线电接入网络(utran)、或者演进的utran(e-utran)而进行操作。通信芯片可以根据码分多址(cdma)、时分多址(tdma)、数字增强型无线电信(dect)、优化的演进数据(ev-do)、它们的衍生技术、以及被指定为3g、4g、5g、和更高代的任何其它无线协议而进行操作。在其它实施例中，通信接口510可以根据其它无线协议进行操作。

可以经由系统总线512将以上所描述的计算设备500的元件互相耦合，系统总线512可以代表一条或多条总线。在多条总线的情况下，可以通过一个或多个总线桥(未示出)将多条总线桥接。这些元件中的每者可以执行现有技术中已知的其常规功能。具体而言，系统存储器504和大容量储存器506可以用于存储用于计算系统500的各种部件的操作的编程指令(例如驱动程序)的工作拷贝和永久拷贝，所述操作包括但不限于图1的光学设备102、图1的pic103、计算系统500的操作系统、和/或一个或多个应用(统称为计算逻辑522)的操作。可以通过处理器502所支持的汇编程序指令或者可以被编译成这种指令的高级语言来实施各种元件。

在工厂中或者在现场，例如，可以通过分发介质(未示出)(例如，压缩磁盘(cd)、或者通过通信接口510(从分发服务器(未示出))将编程指令的永久拷贝放置到大容量储存器506中。即，可以采用具有代理程序的实施方式的一个或多个分发介质来分发代理，并且对各种计算设备进行编程。

元件508、510、512的数目、性能、和/或容量可以发生变化，这取决于是将计算设备500用作固定计算设备(例如，机顶盒或者台式计算机)还是用作移动计算设备(例如，平板计算设备、膝上计算机、游戏控制台、或者智能电话)。它们的构成在其它情况下是已知的，并且将不进一步描述。

对于一些实施例，可以将处理器502的至少其中之一与计算逻辑522的全部或者部分封装在一起，以促进本文所描述的实施例的方面，以形成封装中系统(sip)或者芯片上系统(soc)。

计算设备500可以包括光电子系统，或者在其它情况下可以与光电子系统相关联，光电子系统可以包括关于图1-图6所描述的部件和/或实施关于图1-图6所描述的工艺，例如，光电子系统100，实施光学设备102的方面，包括以上所描述的pic103或者光学iso调制器106，并且具体而言是参考图1-图6所描述的光学iso调制器的实施例。在一些实施例中，例如，光电子系统100的至少一些部件(例如，光学设备102)可以与计算设备500通信耦合和/或包括在计算设备500的部件(例如，通信接口510)中的一个或多个中。在一些实施例中，可以包括诸如处理器502的一个或多个部件作为光电子系统100的一部分。

在各种实施例中，计算设备500可以包括以下部件中的一个或多个：数据中心、膝上计算机、上网本、笔记本、超级本、智能电话、平板电脑、个人数字助手(pad)、超级移动pc、移动电话、或者数字照相机。在其它实施方式中，计算设备500可以是处理数据的任何其它电子设备。

示例

示例1是一种光子集成电路，包括：激光器；以及与激光器光耦合的iso调制器，其中，iso调制器包括形成在一个或多个层上的光波导，iso调制器还包括：耦合到一个或多个层的第一侧的调制器驱动器；以及耦合到一个或多个层的与第一侧相对的第二侧的磁光(mo)材料。

示例2包括示例1的主题，并且一个或多个层包括隔离层和处理层。

示例3包括示例1-2中的任一个的主题，并且mo材料包括mo管芯，并且其中，调制器驱动器接合到形成在处理层上的焊料凸块。

示例4包括示例1-3中的任一个的主题，以及多个导电过孔，所述导电过孔延伸穿过一个或多个层，以将调制器驱动器耦合到光波导。

示例5包括示例1-4中的任一个的主题，并且光波导还包括具有第一掺杂浓度的肋状物部分和具有高于第一掺杂浓度的第二掺杂浓度的平板部分。

示例6包括示例1-5中的任一个的主题，并且mo材料包括包含铋、镥、钬、钆、或者钇中的至少一个的石榴石膜。

示例7包括示例1-6中的任一个的主题，并且mo材料包括磁光液相外延生长的石榴石膜。

示例8包括示例1-7中的任一个的主题，并且mo材料还包括与石榴石膜耦合的包覆层。

示例9包括示例1-8中的任一个的主题，并且包覆层包括二氧化硅、氮氧化硅、或者氮化硅。

示例10包括示例1-9中的任一个的主题，并且iso调制器被布置成马赫-泽德干涉仪(mzi)配置。

示例11是一种iso调制器，包括：形成在一个或多个层上的光波导；耦合到一个或多个层的第一侧的调制器驱动器；以及耦合到一个或多个层的与第一侧相对的第二侧的磁光(mo)管芯。

示例12包括示例11的主题，并且调制器驱动器或者mo管芯中的至少一个接合到一个或多个层。

示例13包括示例11-12中的任一个的主题，以及多个穿硅过孔(tsv)，所述穿硅过孔(tsv)延伸穿过一个或多个层以将调制器驱动器耦合到光波导。

示例14包括示例11-13中的任一个的主题，并且tsv的端部与一个或多个层的隔离层的表面成平面。

示例15包括示例11-14中的任一个的主题，并且tsv延伸穿过光波导的平板部分。

示例16是一种方法，包括：在基于硅的衬底上形成光波导以及在基于硅的衬底中形成穿硅过孔(tsv)；对光波导的选定区域进行掺杂；将调制器驱动器耦合到基于硅的衬底的第一侧，其中，调制器驱动器和光波导经由tsv电接触；以及将磁光(mo)材料耦合到基于硅的衬底的对应于选定区域并且与第一侧相对的第二侧。

示例17包括示例16的主题，并且通过刻蚀基于硅的衬底的第一侧而形成tsv。

示例18包括示例16-17中的任一个的主题，并且在将mo材料耦合到基于硅的衬底的第二侧之后形成tsv。

示例19包括示例16-18中的任一个的主题，并且通过刻蚀基于硅的衬底的第二侧而形成tsv。

示例20包括示例16-19中的任一个的主题，并且在将mo材料耦合到基于硅的衬底的第二侧之前形成tsv。

示例21是一种光学系统，包括：处理器；以及与处理器耦合的光学设备，其中，光学设备包括：光子集成电路，其包括：激光器；以及与激光器光耦合的iso调制器；其中，iso调制器包括形成在一个或多个层上的光波导，iso调制器还包括耦合到一个或多个层的第一侧的调制器驱动器以及耦合到一个或多个层的与第一侧相对的第二侧的磁光(mo)材料。

示例22包括示例21的主题，以及光耦合器，光耦合器将iso调制器的光学信号传送到光通信信道，其中，光耦合器为光栅耦合器或者不具有抗反射涂层的竖直反向锥形耦合器中的至少一个。

示例23包括示例21-22中的任一个的主题，并且激光器包括具有短前腔镜的分布式布拉格反射器激光器。

示例24包括示例21-23中的任一个的主题，以及多个导电过孔，所述导电过孔延伸穿过一个或多个层，以将调制器驱动器耦合到光波导。

示例25包括示例21-24中的任一个的主题，并且光波导还包括具有第一掺杂浓度的肋状物部分和具有高于第一掺杂浓度的第二掺杂浓度的平板部分。