通过光子芯片的未蚀刻表面的边缘耦合的制作方法

通过光子芯片的未蚀刻表面的边缘耦合
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年2月18日提交的标题为“edge coupling through unetched surface of photonic chip(通过光子芯片的未蚀刻表面的边缘耦合)”的美国临时专利申请62/807,179的国内权益。该美国临时专利申请的公开内容通过引用整体并入本文。
技术领域
3.本公开中呈现的实施例总体上涉及光子器件，并且更具体地涉及制造具有边缘耦合器的光子器件。


背景技术：

4.光子芯片可以包括允许从光源(例如，激光器或光纤)接收光学信号和/或将光学信号传输到光纤或检测器的光学界面。一些光子芯片包括设置在光子芯片顶部的光栅耦合器。然而，光栅耦合器制造起来可能很复杂(例如，需要灰度光刻)，这增加了光子芯片的成本和/或降低了制造良率。其他光子芯片包括边缘耦合器，边缘耦合器可以被设置在光子芯片的侧面，更易于制造并且可以提供与波长无关的、相比于光栅耦合器而言改进的光学耦合。
附图说明
5.为了能够详细理解本公开的上述特征的方式，可以通过参考实施例对以上简要概括的本公开进行更具体的描述，其中一些实施例在附图中被示出。然而，要注意的是，附图示出了典型的实施例，因此不应被视为限制；其他等效实施例也应被考虑在内。
6.图1示出了根据一个或多个实施例的绝缘体上硅(soi)器件。
7.图2示出了根据一个或多个实施例的半导体晶片，该半导体晶片包括具有边缘耦合器的光子芯片。
8.图3示出了根据一个或多个实施例的通过未蚀刻侧表面光学耦合的光子芯片。
9.图4是根据一个或多个实施例的制造光学装置的方法。
10.图5a和图5b示出了根据一个或多个实施例的半导体晶片的测试结构的侧视图和俯视图。
11.图6示出了根据一个或多个实施例的具有光学耦合到光子芯片的多个测试结构的半导体晶片。
12.图7示出了根据一个或多个实施例的具有被光学级联的光子芯片的半导体晶片。
13.图8示出了根据一个或多个实施例的边缘耦合器。
14.图9a
‑
图9e示出了根据一个或多个实施例的图8的边缘耦合器的不同横截面图。
15.图10a和图10b示出了根据一个或多个实施例的渐缩波导。
16.图11a
‑
图11d是示出根据一个或多个实施例的光子芯片的蚀刻和未蚀刻侧表面的耦合损耗的图示。
17.为了便于理解，在可能的情况下使用了相同的附图标记来表示附图所共有的相同元件。可以设想，在一个实施例中公开的元件可以有利地用于其他实施例，而无需具体叙述。
具体实施方式
18.概述
19.一个实施例是一种方法，所述方法包括提供光子芯片，所述光子芯片包括通过在半导体晶片上执行的切割工艺形成的未蚀刻侧表面，以及在未蚀刻侧表面处光学暴露(optically exposed)的第一边缘耦合器。所述方法还包括将光子芯片与外部载光介质光学对准。第一边缘耦合器通过未蚀刻侧表面与外部载光介质光学耦合。
20.另一个实施例是一种光学装置，所述光学装置包括光子芯片，所述光子芯片包括通过在半导体晶片上执行的切割工艺形成的未蚀刻侧表面，以及在未蚀刻侧表面处光学暴露的第一边缘耦合器。所述光学装置还包括与光子芯片固定布置的外部载光介质。所述第一边缘耦合器通过未蚀刻侧表面与外部载光介质光学耦合。
21.另一个实施例是一种方法，所述方法包括在半导体晶片上执行切割工艺以产生多个光子芯片，其中所述多个光子芯片中的每个光子芯片包括相应的边缘耦合器，所述边缘耦合器在通过切割工艺形成的未蚀刻侧表面处被光学暴露。所述方法还包括将所述多个光子芯片中的第一光子芯片与外部载光介质光学对准。所述第一光子芯片的第一边缘耦合器通过相应的未蚀刻侧表面与外部载光介质光学耦合。
22.示例实施例
23.本文的实施例描述了用于制造具有光子芯片的光学装置的技术。在一些实施例中，对半导体晶片进行处理，以形成集成到半导体晶片中的多个光子芯片(例如，20
‑
200个芯片)。可以在半导体晶片中形成测试结构，以在光学和/或电光部件(例如，调制器、检测器、波导等)的形成期间测试该光学和/或电光部件。在一些实施例中，测试结构被布置为靠近光子芯片的边缘耦合器。测试结构可以被形成在半导体晶片的牺牲区域中，其中，当半导体晶片被切割以产生多个单独的光子芯片时，该牺牲区域被分离。或者，针对特定光子芯片的测试结构可以被形成在相邻的光子芯片中。
24.在一个实施例中，测试结构具有设置在半导体晶片的顶表面处或附近的光栅耦合器，该光栅耦合器在光学探针与光栅耦合器对准时允许将光学信号传输到光学探针中和/或从其接收光学信号。测试结构还可以包括如下的边缘耦合器：该边缘耦合器光学耦合到光栅耦合器以及光子芯片中的边缘耦合器。因此，光学信号可以从光学探针传输到光栅耦合器，从光栅耦合器传输到测试结构中的边缘耦合器，以及从测试结构中的边缘耦合器传输到光子芯片中的边缘耦合器。反之，光学信号可以从光子芯片中的边缘耦合器传输到测试结构中的边缘耦合器和光栅耦合器，然后进入光学探针。以这种方式，即使在光子芯片集成到晶片中时，也可以使用边缘耦合器来测试光子芯片中的光学部件。
25.一旦使用测试结构完成了测试，就对半导体晶片进行切割，以将多个光子芯片分成单独的光子芯片。在切割之后，边缘耦合器在与半导体晶片的顶表面垂直(或基本垂直)的光子芯片的侧表面(或边缘)处被光学暴露。一旦分离，光子芯片的边缘耦合器就可以与可用于正常操作的外部载光介质(例如，光纤或激光器)进行光学对准。
26.用于硅光子学中边缘耦合的传统技术需要在光子芯片的侧表面处产生镜面抛光界面(或刻面(facet))。产生镜面抛光界面通常包括在批量制造(volume manufacturing)过程中执行层间电介质(ild)蚀刻和深反应离子蚀刻(drie)。这些蚀刻工艺经常在互补金属氧化物半导体(cmos)或微机电系统(mems)代工厂中执行，并且可能是光学装置制造工艺中最受限制的步骤，成本高又耗时。此外，一些边缘耦合技术可能包括微光学透镜或其他光学元件，以实现合适的耦合效率。微光学透镜被认为是精密零件并需要专门的设备进行放置和对准，这增加了成本和所花的时间。
27.根据一个实施例，一种方法包括在半导体晶片上执行切割工艺以产生多个光子芯片。所述多个光子芯片中的每个光子芯片包括相应的边缘耦合器，所述边缘耦合器在通过切割工艺形成的未蚀刻侧表面处被光学暴露。所述方法还包括将所述多个光子芯片中的第一光子芯片与外部载光介质光学对准。第一光子芯片的第一边缘耦合器通过相应的未蚀刻侧表面与外部载光介质光学耦合。
28.在一些实施例中，切割工艺包括机械锯切、划线和裂片(scribing and cleaving)，以及激光切割中的一者或多者。切割工艺对应于相对粗糙的切口(kerf)，这导致在未蚀刻侧表面处形成有缺口的界面。此外，切割时在半导体晶片上放置的锯片具有通常在几十微米量级的公差。有缺口的界面和锯片公差相结合通常被认为会导致界面处光模的数值孔径(na)差异过大，从而导致耦合效率差异过大，以致于不适用于在边缘耦合方案中实现。
29.然而，在一些实施例中，光子芯片的边缘耦合器被配置为增加界面处光模的直径，这使得外部载光介质(例如，另一个光子芯片的光学波导、另一个光子芯片的边缘耦合器、激光器、发光二极管、光纤等)能够与光子芯片的未蚀刻侧表面对接耦合，并直接与光子芯片传送光，而无需额外的聚焦元件(诸如，微光学透镜)。此外，在一些实施例中，在未蚀刻侧表面与外部载光介质之间应用折射率匹配的材料，这进一步提高了光学耦合效率并抑制了反射损失。
30.有利地，通过使用边缘耦合器和/或折射率匹配的材料使边缘耦合器通过未蚀刻侧表面与外部载光介质光学耦合，可以在不需要ild蚀刻和/或drie工艺的情况下实现低耦合损耗。这显著降低了制造成本并简化了供应链，因为ild蚀刻和drie工艺是并非所有代工厂都可提供的非标准cmos工艺。消除对ild蚀刻和drie工艺的需要可以进一步使能否则可能难以实现的其他集成方案。例如，光子芯片的边缘耦合器可以使用折射率匹配的环氧树脂与光纤阵列单元(fau)直接对接耦合。
31.图1示出了根据一个或多个实施例的绝缘体上硅(soi)器件100。soi器件100包括表面层105、掩埋绝缘层110(也称为掩埋氧化物(box)层)，以及半导体基板115。虽然本文的实施例将表面层105和半导体基板115称为硅，但本公开不限于此。例如，其他半导体或透光材料可用于形成此处所示的结构。此外，表面层105和半导体基板115可以由相同的材料制成，但在其他实施例中，表面层105和半导体基板115由不同的材料制成。
32.表面层105的厚度范围可以从小于100纳米到大于1微米。更具体地，表面层105的厚度可以在100
‑
300纳米之间。绝缘层110的厚度可以依据期望的应用而变化。在一个实施例中，绝缘层110的厚度范围可以从小于1微米至数十微米。半导体基板115的厚度可以依据soi器件100的具体应用而广泛地变化。例如，半导体基板115可以是典型半导体晶片的厚度
(例如，100
‑
700微米)，或者可以被减薄并且安装在另一个基板上。
33.对于光学应用，硅表面层105和绝缘层110(例如，二氧化硅、氮化硅、氧氮化硅等)可以提供形成对比的折射率，这将光学信号限制在表面层105中的硅波导中。在稍后的处理步骤中，可以蚀刻表面层105以形成一个或多个硅波导。因为与绝缘体(诸如，二氧化硅)相比，硅具有更高的折射率，所以光学信号在它通过表面层105传播时主要保留在硅波导中。
34.图2是根据一个或多个实施例的包括具有边缘耦合器的光子芯片205的半导体晶片200(或晶片200)的俯视图。如图所示，半导体晶片200包括多个矩形光子芯片205(例如，10
‑
200个芯片)。半导体晶片200允许使用相同的制造步骤并行地形成多个光子芯片205，而不是一次形成单个光子芯片205。
35.光子芯片205包括图1所示的绝缘层110和半导体基板115。然而，表面层105已经被处理为包括各种光学部件(例如，波导、耦合器、调制器、检测器等)。例如，可以通过在表面层105上执行各种制造步骤(诸如，蚀刻或掺杂表面层105的硅材料，以及沉积或生长附加材料)来形成光学部件。
36.在半导体晶片200的放大部分中，多个光子芯片205中相邻的光子芯片205a、205b被虚线分开。也就是说，可以沿着该虚线切割半导体晶片200，以使光子芯片205a、205b分开。在一些实施例中，用于切割半导体晶片200的切割工艺包括机械锯切、划线和裂片，以及激光切割中的一者或多者。
37.对特定光子芯片205(即，一旦通过切割工艺被分离)的传统处理还包括：在光子芯片205的一个或多个侧表面处产生镜面抛光界面(或刻面)。镜面抛光界面使能针对光子芯片205与外部载光介质的边缘耦合的高光学耦合效率。产生镜面抛光界面通常包括在光子芯片205的一个或多个未蚀刻侧表面上执行ild蚀刻和drie。
38.然而，在本文讨论的各种实施例中，光子芯片205通过未蚀刻侧表面与外部载光介质光学耦合(也就是说，没有在未蚀刻侧表面上执行ild蚀刻和drie)。有利地，通过未蚀刻侧表面进行的光学耦合在制造期间提供显著的成本节约和/或使生产量增加。此外，通过未蚀刻侧表面进行的光学耦合不需要额外的光学元件(例如，微光学透镜)来实现合适的耦合效率，这提供了进一步的成本节约和/或增加的生产量。
39.相邻的光子芯片205a、205b各自包括相应的边缘耦合器225a、225b，它们在通过切割工艺形成的未蚀刻侧表面处被光学暴露。边缘耦合器225a、225b可以被设计为有效地耦合到外部载光介质(例如，半导体激光器或光纤)。在一些实施例中，对边缘耦合器225a、225b的使用减轻了与通过未蚀刻侧表面传输光学信号相关联的光学损耗。
40.在一些实施例中，半导体晶片200包括测试结构，用于在执行切割工艺之前测试每个光子芯片205的一个或多个光学部件。如在其他部分更详细地讨论的，测试结构可以被包括在一些或所有的光子芯片205、一个或多个牺牲区域中，和/或被包括在通过执行切割工艺而与光子芯片205分开的相邻管芯(例如，邻近的光子芯片205)中。
41.图3是示出根据一个或多个实施例的通过未蚀刻侧表面305光学耦合的光子芯片205a的图示300。图示300中所示的特征可以与其他实施例结合使用。
42.光子芯片205a包括绝缘层110和半导体基板115。然而，表面层315(例如，包括图1的表面层105)已经被处理为包括各种光学结构。在此示例中，光子芯片205a包括经由硅波导220a耦合到边缘耦合器225a的光学部件215。可以通过在硅层上执行各种制造步骤(诸
如，蚀刻或掺杂硅材料，以及沉积或生长附加材料)来形成光学部件215。尽管未示出，但是光学部件215可以通过导电垫和电气过孔来电气连接到表面层315的顶表面210。例如，光学部件215可以是由从外部源接收的电数据信号控制的光学调制器，用于控制对光学信号的调制。在一个实施例中，光学调制器可以调制从边缘耦合器225a接收的光学信号，或者，可以耦合到光子芯片205中的激光器(未示出)，该激光器输出在被传输到边缘耦合器225a之前由光学调制器调制的连续波(cw)光学信号。
43.另一方面，如果光学部件215是光学检测器，则光学检测器可具有n型和p型掺杂区域，它们耦合到顶表面210处的相应导电垫，用于接收或发送与从硅波导220a接收到的所吸收的光学信号相对应的电气信号。
44.尽管未示出，但在光子芯片205a与半导体晶片200分开之后，顶表面210处的导电垫可以连接到从光学部件215接收电气信号或将电气信号传输到光学部件215的电气集成电路(ic)。在一个实施例中，电气ic与光子芯片205a在物理上是分开的，但经由接合线和/或总线耦合到顶表面210。在另一个实施例中，电气ic中的逻辑被形成在与光子芯片205a相同的soi结构中。因此，光学部件215可以使用内部迹线或导线而不使用导电垫向逻辑发送和接收数据信号。
45.在一些实施例中，硅波导220a由图1的表面层105制成。光子芯片205a使用硅波导220a将光学信号载送到表面层315的不同区域。在此示例中，硅波导220a在边缘耦合器225a和光学部件215之间传输光学信号。
46.在一些实施例中，未蚀刻侧表面305通过在半导体晶片200上执行的切割工艺而形成，所述切割工艺包括以下各项中的一者或多者：机械锯切、划线和裂片、以及激光切割。
47.如图所示，边缘耦合器225a的一个界面耦合到硅波导220a，而另一个界面在未蚀刻侧表面305处被光学暴露。如本文所用，“光学暴露”意味着边缘耦合器225a在未蚀刻侧表面305处被物理暴露，或从未蚀刻侧表面305略微凹陷(例如，1
‑
5微米)但仍然可以光学耦合到外部载光介质310。
48.在一个实施例中，边缘耦合器225a由与硅波导220a相同的材料制成。例如，边缘耦合器225a和硅波导220a两者都可以由硅制成。在一个实施例中，边缘耦合器225a由氮化硅或氧氮化硅形成，而硅波导220a由晶体硅形成。设想其他材料可以用于边缘耦合器225a和硅波导220a。
49.边缘耦合器225a可以被设计为有效地耦合到外部载光介质310。外部载光介质310的一些非限制性示例包括第二光子芯片的光学波导、第二光子芯片的第二边缘耦合器、激光器、发光二极管，以及光纤。在一个实施例中，外部载光介质310还与半导体激光器耦合，此半导体激光器输出由边缘耦合器225a接收的连续波(cw)光学信号。在替代实施例中，外部载光介质310包括半导体激光器。
50.由于硅波导220a的尺寸在通过未蚀刻侧表面305直接耦合到外部载光介质310时可能会导致高光学损耗，外部载光介质310可以替代地耦合到边缘耦合器225a，该边缘耦合器225a然后将信号传输到硅波导220a中。这样做可以使外部载光介质310和波导220a之间不再需要使用透镜，该透镜将光学信号聚焦成具有与波导220a的尺寸相似的直径的模态。换句话说，在一个实施例中，边缘耦合器225a允许外部载光介质310对接耦合到光子芯片205a(即，在光子芯片205a被切割之后)的未蚀刻侧表面305并且将光直接传输到光子芯片
205a中，而无需添加外部聚焦元件(诸如，透镜)。
51.在一个实施例中，边缘耦合器225a由至少一个渐缩波导形成，其中波导的宽度随着边缘耦合器225a沿着光学信号的传播方向延伸而变化。如下文更详细地描述，边缘耦合器225a可以包括多个堆叠层，它们被处理(例如，蚀刻)，使得由边缘耦合器225a接收到的光学信号被聚焦到硅波导220a中。
52.图4是根据一个或多个实施例的制造光学装置的方法400。方法400可以结合其他实施例来执行。
53.方法400从框405开始，其中，经由边缘耦合器测试半导体晶片的光子芯片。在一些实施例中，光子芯片包括用于测试相邻光子芯片的一个或多个测试结构。在一些实施例中，一个或多个测试结构被形成在半导体晶片的单独区域(诸如，在切割工艺期间被去除的牺牲区域)中。
54.在一些实施例中，测试光子芯片由技术人员或测试装置执行，该技术人员或测试装置移动光学探针，使其与测试结构的光栅耦合器进行光学通信。在一个实施例中，可以使用对准装置来确保光学探针相对于光栅耦合器具有最佳角度，使得可以通过半导体晶片的顶表面传输光学信号。在另一个实施例中，可以在半导体晶片的表面上形成对准装置，以确保光学探针和光栅耦合器之间的角度合适。
55.在框410，对半导体晶片执行切割工艺，以产生多个单独的光子芯片。在一些实施例中，执行切割工艺包括在框415形成未蚀刻侧表面，以及在框420使光子芯片的边缘耦合器在未蚀刻侧表面处光学暴露。
56.在框425，将多个单独的光子芯片中的第一光子芯片与外部载光介质光学对准。在一些实施例中，将第一光子芯片光学对准包括：在框430通过未蚀刻侧表面将第一光子芯片的边缘耦合器与外部载光介质光学耦合。方法400在框430完成后结束。
57.图5a和图5b示出了根据一个或多个实施例的半导体晶片的测试结构的侧视图和俯视图。更具体地，图5a示出了半导体晶片200的俯视图，而图5b示出了半导体晶片200的横截面侧视图。在图5a中，半导体晶片200的测试结构510包括边缘耦合器225c、硅波导220b，以及光栅耦合器240。在一些实施例中，测试结构510被包括在与光子芯片205相邻的光子芯片中。在其他实施例中，测试结构510被包括在半导体晶片200的牺牲区域中。
58.为简单起见，在光子芯片205中仅示出边缘耦合器225a和波导220a。在此示例中，边缘耦合器225a、225c相隔距离(d)。也就是说，边缘耦合器225a、225c彼此不直接接触，而是由电介质材料(例如，二氧化硅)隔开。在一个实施例中，距离d至少为10微米(例如，在10微米和40微米之间)，并且具有小于0.5db的耦合损耗。
59.尽管示出为分开的，但在一个实施例中，边缘耦合器225a、225c可以接触。例如，代替两个边缘耦合器225a、225c，半导体晶片200可以包括在硅波导220a、220b之间延伸的单个细长边缘耦合器。可以通过穿过该细长边缘耦合器的中间(例如，沿着虚线)进行切割来从光子芯片205移除测试结构510。当封装光子芯片205时，光子芯片205中的边缘耦合器的一部分(该部分现在在侧表面上光学暴露)可以耦合到外部载光介质。
60.如图5b所示，在测试期间，光学探针500被设置在光栅耦合器240上方，以便将光学信号传输到光栅耦合器240中或从光栅耦合器240接收光学信号。在一个实施例中，光学探针500相对于晶片的顶表面210偏移。例如，相对于垂直于由半导体晶片200的顶表面210形
成的平面的方向，光学探针500可以具有二十(20)度的偏移角θ。此外，光栅耦合器240包括在平行于顶表面210的方向上延伸的多个脊(ridge)505。当由光学探针500发射的光撞击脊505时，光被反射到硅波导220b中。换句话说，脊505将光重定向到硅波导220b中。反之，脊505可以将从硅波导220b接收的光重定向为以角度θ向上穿过顶表面210进入光学探针500。尽管光栅耦合器240在图5b中被示为从顶表面210凹陷，但在另一个实施例中，光栅耦合器240在顶表面210处物理暴露。因此，光栅耦合器240可以通过从顶表面210略微凹陷或通过在顶表面210处物理暴露而在顶表面210处光学暴露。
61.在一个实施例中，在切割晶片时，光子芯片205与测试结构510沿着图5b所示的虚线被分开。也就是说，虚线示出在使用切割工艺去除了测试结构510后，光子芯片205的未蚀刻侧表面的位置。
62.图6示出了根据一个或多个实施例的半导体晶片200的俯视图，该半导体晶片200具有光学耦合到光子芯片205的多个测试结构605a、605b。图6的特征可以与其他实施例结合使用。例如，图5a的测试结构510可以被实现为测试结构605a、605b。
63.测试结构605a、605b可以被包括在半导体晶片200的牺牲区域，和/或与光子芯片205相邻的光子芯片中。例如，光子芯片205可以被夹在两个牺牲区域之间。也就是说，牺牲区域被设置在光子芯片205的相对两侧。然而，牺牲区域可以被设置在光子芯片205的任意两侧。例如，一个牺牲区域可以被设置在光子芯片205的左侧，而另一牺牲区域被设置在光子芯片205的顶侧或底侧。在另一示例中，牺牲区域被设置在光子芯片205的同一侧。
64.不管牺牲区域和/或相邻光子芯片的布置如何，测试结构605a、605b都会形成用于测试光子芯片205中的被测器件(dut)600的光路。在一些情况下，技术人员可以使用第一光学探针将光学信号传输到测试结构605a中，该光学信号然后被传输到边缘耦合器225d和dut 600中。dut 600(例如，光学部件)修改传输到边缘耦合器225e和测试结构605b的光学信号。测试结构605b可以将光学信号传输到第二光学探针。在一个实施例中，第一和第二光学探针耦合到相同的测试装置，此测试装置可以将在第一光学探针上发送的光学信号与在第二光学探针上接收的光学信号进行比较，以确定dut 600是否在正常工作。以此方式，多个测试结构605a、605b可以被设置在半导体晶片200的不同区域中，以形成通过光子芯片205的光路。
65.图7示出了根据一个或多个实施例的半导体晶片200，该半导体晶片200具有光学级联的光子芯片205。在此示例中，半导体晶片200包括使用相应的边缘耦合器225e、225f光学耦合的两个光子芯片205c和205d。也就是说，光子芯片205c中的边缘耦合器225e被布置在晶片200中，以光学耦合到光子芯片205d中的边缘耦合器225f。因此，光学信号可以在光子芯片205之间传输，同时仍然集成在半导体晶片200中。
66.代替使用测试结构605a、605b来测试一个光子芯片205中的光学部件，在图8中，测试结构605a、605b建立用于测试多个光子芯片205c、205d中的光学部件的光路。如图所示，测试结构605a光学耦合到光子芯片205c中的边缘耦合器225d。因此，技术人员可以将光学信号引入到测试结构605a中，然后光学信号通过dut 600a传输并且进入到光子芯片205d中的dut 600b中。dut 600b的输出(例如，由dut 600a和/或dut 600b修改的光学信号)经由边缘耦合器225g在测试结构605b处被接收。如上所述，用于经由测试结构605a、605b发送和接收光学信号的光学探针可以耦合到测试装置，以确定光子芯片205c、205d的功能。
67.图7中所示的测试布置可以是优选的，因为在半导体晶片200中可以需要更少的牺牲区域230，这意味着更多的面积可用于光子芯片205c、205d。然而，这种布置可能意味着如果输出信号不在预定义的容限内，则技术人员会无法分辨出光子芯片205c、205d中的哪一个不起作用。换句话说，即使光子芯片205c、205d中只有一个可能有缺陷，技术人员也可能会将光子芯片205c、205d两者标记为不起作用。
68.尽管图7示出了级联的两个光子芯片，但是可以在两个测试结构605a、605b之间互连任意数量的光子芯片205。在一个示例中，半导体晶片200可以包括在半导体晶片200的边缘处而不是在光子芯片205之间的测试结构605a、605b。在另一示例中，特定行或列的半导体晶片200的所有光子芯片205可以使用边缘耦合器225在两个测试结构605a、605b之间光学连接，如图7所示那样。或者，可以互连多行或多列的光子芯片205。例如，第一行的三个光子芯片205可以互连(例如，类似于图7中所示的布置)，但是代替使第一行的第三光子芯片205连接到测试结构605b，这个光子芯片205使用边缘耦合器225耦合到第二相邻行中的光子芯片205，第二相邻行中的光子芯片205然后可以耦合到测试结构605b或第二行中的附加光子芯片205。在任何情况下，位于级联的光子芯片205端部的两个光子芯片205耦合到测试结构605a、605b，以形成通过光子芯片205的光路。
69.图8示出了根据一个或多个实施例的边缘耦合器225。图8示出了包括边缘耦合器225的光子芯片或测试结构的侧视图800，该边缘耦合器225是使用多叉(multi
‑
prong)嵌入式结构形成的。在这里，在边缘耦合器225上方形成硅波导220(例如，边缘耦合器225可以嵌入到图1所示的绝缘层110中)。然而，在另一个实施例中，多叉结构可以相对于硅波导220翻转，使得边缘耦合器225的叉状物(prong)被形成在硅波导220上方的层中(即，硅波导220在边缘耦合器225的叉状物和soi器件的绝缘层110之间)。尽管未示出，但硅波导220在一个或多个光学部件与边缘耦合器225之间耦合光学信号。
70.边缘耦合器225包括波导适配器810，其可以光学耦合到另一个边缘耦合器225(即，在半导体晶片被切割之前)或到外部光学器件(即，在半导体晶片被切割之后)。边缘耦合器225由分开的叉状物815a、815b、815c制成，这些叉状物可以包括嵌入在绝缘材料(例如，二氧化硅或氧氮化硅)中的相同材料(例如，氮化硅或氧氮化硅)。在一个实施例中，叉状物815a、815b、815c和边缘耦合器225的材料可以与图1所示的绝缘层110的材料不同。总体而言，与包围叉状物815a、815b、815c的绝缘材料的材料相比，边缘耦合器225可以由具有更高折射率的任何材料制成。
71.图9a
‑
图9e示出了根据一个或多个实施例的图8的边缘耦合器的横截面图。具体地，图9a示出了波导适配器810的最靠近邻近边缘耦合器(或耦合界面，如果半导体晶片已经被切割的话)的部分的横截面a
‑
a。在这里，波导适配器810包括四个分开的叉状物815a、815b、815c、815d，这些叉状物可具有相同或相似的宽度(w)和高度(h)(或厚度)尺寸。这些尺寸，以及叉状物815a、815b、815c、815d之间的间距可依据具体应用而变化。在所示的示例中，波导适配器810可以被配置为与具有10微米模场直径的单模光纤形成界面。本领域普通技术人员将理解，这些尺寸可依据具体应用而变化。具体地，尺寸可以被选择为使得在耦合界面处的叉状物的模态基本上匹配光要耦合到或从其耦合的外部器件的模态。如这里所描述的，“基本上匹配”包括模态大小相等的情况，以及模态大小在彼此的大约25％以内的情况。这里，叉状物815a、815b、815c、815d的宽度可以在大约200
‑
300纳米的范围内，高度在
100
‑
250纳米之间。更具体地，宽度可以是大约200纳米，而高度大约是200纳米。叉状物815a和叉状物815c之间的距离以及叉状物815d和叉状物815b之间的距离可以是大约2微米。如上所述，叉状物815a、815b、815c、815d的尺寸以及间距可以根据耦合到光子芯片的外部光源的模态或设计而变化。
72.图9b示出了波导适配器810的横截面b
‑
b。此图示出了随着多叉适配器远离邻近边缘耦合器而凹进，叉状物815b、815c、815d的宽度减小而叉状物815a的宽度增加。如图所示，叉状物815a、815b、815c、815d的宽度的渐缩是以绝热的方式完成的。渐缩导致光能从在波导适配器810右侧处(在此处，叉状物815a、815b、815c、815d的宽度和高度相同或相似)由叉状物815a、815b、815c、815d限制的光模逐渐转变到随着位置在波导适配器810中越来越靠近左侧而逐渐越来越多地被限制在上叉状物815a中的模态。这种渐缩将由叉状物815a、815b、815c、815d限制的光能转移到仅由叉状物815a限制的光能。然而，反之亦然。也就是说，当光学信号从左到右传播时，宽度渐缩还使得在上叉状物815a中被引入的信号能够被转移到由叉状物815a、815b、815c、815d限制的模态。叉状物815a、815b、815c、815d的宽度可以连续变化(例如，线性或非线性方式，诸如，指数或更高阶多项式分布)，或者在替代实施例中，可以随着波导适配器810从右向左延伸，以离散的增量变化。如图8所示，叉状物815b、815c、815d最终终止(其止于波导适配器810)，而叉状物815a继续传输光学信号。在一个实施例中，波导适配器810可以具有大约100
‑
500微米的长度。此外，波导适配器810可以针对此长度的全部或仅针对其一部分而渐缩。例如，在叉状物815a、815b、815c、815d的宽度开始改变之前，叉状物815a、815b、815c、815d的宽度可以在前5
‑
50微米内保持基本上相等。
73.图9c示出了边缘耦合器225的横截面c
‑
c。在这里，波导适配器810已经终止，留下叉状物815a以承载光学信号。尽管被示出为线性的，但叉状物815a可以弯曲或扭曲，以将光学信号载送到光子芯片或测试结构的不同区域。因此，叉状物815a的长度可以远大于叉状物815b、815c、815d的长度，以使叉状物815a能够将光学信号载送到不同的区域。
74.图9d示出了边缘耦合器225和硅波导220的横截面d
‑
d。如图所示，叉状物815a的宽度大于硅波导220的宽度。此外，叉状物815a和硅波导220之间的距离的范围可以从数百纳米到仅几纳米，这取决于用于制造晶片的技术。视用于制造半导体晶片的技术而定，叉状物815a的一部分可以直接接触硅波导220。
75.图9e示出了边缘耦合器225和硅波导220的横截面e
‑
e。在这里，叉状物815a的宽度已经缩小，而硅波导220的宽度已经增加。再次以绝热方式示出的这种渐缩导致叉状物815a中的光学信号以最小损耗转移到硅波导220，反之亦然。最终，叉状物815a终止，而硅波导220可以将光学信号载送到不同的光学部件，例如，光子芯片中的光学部件或测试结构中的光栅耦合器。
76.尽管上述实施例讨论了通过改变宽度来使叉状物815a、815b、815c、815d渐缩，但是如果高度被渐缩或两者的某种组合，则也可以发生类似的光学功率传递。然而，与如图9a
‑
图9e中所示的使宽度渐缩相比，使叉状物815a、815b、815c、815d的高度渐缩可能需要不同的光刻和制造技术或材料。也没有必要使所有叉状物的宽度都渐缩。例如，在某些设计中，所需的光能转移可以通过如下方式来获得：仅使815a的宽度渐缩，而叉状物815b、815c、815d的宽度不被渐缩。
77.图10a和图10b示出了根据一个或多个实施例的渐缩波导的视图。更具体地，图10a
和图10b示出了用于在波导之间传输光学信号的、部分重叠的反渐缩波导结构。如图所示，图10a示出了与第二渐缩波导1010部分重叠的第一渐缩波导1005的平面图。具体地，图10a可以是图8中波导220与叉状物815a重叠的那部分光子芯片或测试结构的布置。波导的渐缩是以绝热方式完成的，以最大限度地减少光学损耗。尽管图10a和图10b示出了渐缩的宽度以线性的方式变化，但是只要满足绝热标准，波导也可以以非线性方式(例如，指数或某更高阶多项式分布)渐缩。在一个实施例中，第一渐缩波导1005和第二渐缩波导1010之间的距离小于1微米。例如，第一渐缩波导1005和第二渐缩波导1010可以相隔100纳米或更小。相隔距离可能会影响光学信号在第一渐缩波导1005和第二渐缩波导1010之间传输的效率，因此，结构可以被设计为使得第一渐缩波导1005和第二渐缩波导1010在制造技术允许的情况下尽可能的接近。
78.图10b示出了第一渐缩波导1005和第二渐缩波导1010的俯视图。通过使第一渐缩波导1005和第二渐缩波导1010至少部分地重叠，光学信号可以在半导体晶片中不同层中的波导之间传输。在一个实施例中，第一渐缩波导1005和第二渐缩波导1010在它们相应的端部开始渐缩的位置处部分重叠。渐缩的斜率或变化可取决于用于形成第一渐缩波导1005和第二渐缩波导1010的材料。在一个实施例中，在最宽点处，第一渐缩波导1005和第二渐缩波导1010可以具有从200纳米到2微米的宽度范围。在最窄点处，第一渐缩波导1005和第二渐缩波导1010可以具有从100纳米到200纳米的宽度。渐缩部分的长度可以在10微米到50微米的范围内
‑
例如，大约20微米。
79.图11a
‑
图11d是示出根据一个或多个实施例的光子芯片的蚀刻和未蚀刻侧表面的耦合损耗的图示。更具体地，这些图示示出了，对于不同类型的侧表面，光子芯片的多叉波导适配器(例如，如图9a
‑
图9e所示)通过折射率匹配材料与单模光纤的实验光学耦合性能。
80.图11a是表示针对具有蚀刻侧表面(例如，进行ild蚀刻和drie以在侧表面处产生镜像刻面)的光子芯片的横向电气(transverse electric，te)模态的耦合损耗的图示。如图所示，耦合损耗的范围为从1260nm波长处的约0.4
‑
0.45db损耗到1360nm波长处的约0.5
‑
0.6db损耗。图11b是表示针对具有蚀刻侧表面的光子芯片的横向磁性(transverse magnetic，tm)模态的耦合损耗的图示。如图所示，耦合损耗的范围为从1260nm波长处的约0.4
‑
0.45db损耗到1360nm波长处的约0.6
‑
0.7db损耗。
81.图11c是表示针对具有未蚀刻侧表面的光子芯片的te模态的耦合损耗的图示。在一些实施例中，根据标准cmos切割工艺，使用大容量机械切割锯来切割光子芯片。如图所示，耦合损耗的范围为从1260nm波长处的约0.5
‑
0.55db损耗到1360nm波长处的约0.55
‑
0.65db损耗。图11d是表示针对具有未蚀刻侧表面的光子芯片的tm模态的耦合损耗的图示。如图所示，耦合损耗的范围为从1260nm波长处的约0.5db损耗到1360nm波长处的约0.7
‑
0.85db损耗。
82.因此，蚀刻和未蚀刻侧表面两者都表现出峰值光学耦合，当对接耦合到平裂式(flat
‑
cleaved)单模光纤时，损耗为0.5db或更好，对于te和tm模态两者，在o频带整个100nm的带宽内变化小于约0.3db，并且与蚀刻侧表面相比，未蚀刻侧表面产生最小的耦合损失(如果有的话)。换句话说，这些图示出了，对于蚀刻和未蚀刻侧表面而言，耦合损耗低且相似，这表明用于生产未蚀刻侧表面的工艺(例如，切割工艺)没有引入显著的过量损耗。
83.图11a
‑
图11d示出使用边缘耦合器(例如，包括多叉波导适配器)的光子芯片提供
合适的光学耦合效率，用于通过光子芯片的未蚀刻侧表面传送光学信号。有利地，通过使用边缘耦合器和/或折射率匹配的材料将边缘耦合器通过未蚀刻侧表面与单模光纤(外部载光介质的一个示例)光学耦合，可以在无需在光子芯片上执行ild蚀刻和/或drie工艺的情况下实现低耦合损耗。这显著降低了制造成本并简化了供应链，因为ild蚀刻和drie工艺是并非所有代工厂都可提供的非标准cmos工艺。消除对ild蚀刻和drie工艺的需要可以进一步使能否则可能难以实现的其他集成方案。例如，可以使用折射率匹配的环氧树脂将光子芯片的边缘耦合器与光纤阵列单元(fau)直接对接耦合。
84.在上文中，参考了本公开中提出的实施例。然而，本公开的范围不限于具体描述的实施例。替代地，所描述的特征和要素的任何组合，无论是否与不同的实施例相关，都被设想为实现和实践设想的实施例。此外，尽管本文公开的实施例可以实现优于其他可能的解决方案或现有技术的优点，但是特定的优点是否通过给定的实施例实现并不限制本公开的范围。因此，除非在(一个或多个)权利要求中明确陈述，否则前述方面、特征、实施例以及优点仅是说明性的，并且不被视为所附权利要求的要素或限制。
85.参照根据本公开中呈现的实施例的方法、装置(系统)以及计算机程序产品的流程图和/或框图来描述本公开的各方面。应当理解，流程图和/或框图中的每个框，以及流程图和/或框图中的框的组合，可以由计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器，以产生机器，使得经由计算机或其他可编程数据处理装置的处理器执行的指令创建用于实现流程图和/或框图的(一个或多个)框中指定的功能/动作的构件。
86.这些计算机程序指令也可以存储在计算机可读介质中，此介质可以指导计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备以特定方式运行，从而使存储在计算机可读介质中的指令产生包括实现流程图和/或框图的(一个或多个)框中指定的功能/动作的指令的制品。
87.计算机程序指令也可以加载到计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备上，以使一系列操作步骤在计算机、其他可编程装置或其他设备上被执行以产生计算机实现的过程，从而使在计算机或其他可编程装置上执行的指令提供用于实现流程图和/或框图的(一个或多个)框中指定的功能/动作的过程。
88.图中的流程图和框图示出了根据各种实施例的系统、方法以及计算机程序产品的可能实现方式的架构、功能以及操作。就这一点而言，流程图或框图中的每个框可以表示代码的模块、段或部分，其包括用于实现(一个或多个)指定逻辑功能的一个或多个可执行指令。还应当注意的是，在一些替代实现方式中，框中标注的功能可以不按照图中标注的顺序出现。例如，视所涉及的功能而定，连续示出的两个框实际上可以基本上同时执行，或者有时可以以相反的顺序执行这些框。还将注意到，框图和/或流程图中的每个框，以及框图和/或流程图中的框的组合，可以由执行指定功能或动作的基于专用硬件的系统或者专用硬件和计算机指令的组合来实现。
89.鉴于此，本公开的范围由后附权利要求确定。