专利名称：波导耦合表面等离子体激元光检测器的制作方法
波导耦合表面等离子体激元光检测器技术领域
本发明的实施例针对光检测器，并且更具体针对通过将光从波导模式转换到表面 等离子体激元模式(SPP)来检测波导中的光。
背景技术：
许多应用依赖检测波导中行进的光信号的能力。光在已知为射线的直线路径中传 播。射线可在材料表面折射、反射和散射。在介质波导中，高指数(index)核心区可由较低 指数包覆层(cladding layer)来包围。射线可由核心/包覆界面的内部反射限定在高指 数核心区中。反射的射线可相互干扰以形成波导内的电磁场图。
在波导中，光可仅具有称为“模式”的某些允许的状态。波导的“模式”指核心区 中无色散(即，改变形状)传播的场图。如果波导只支持一个模式，则它能够是“单模式”。 “多模式”波导支持许多模式。模式的类推(analogy)可认为是概率函数，其中，模式类似于 原子中的电子壳。电子被限定在壳内，就像光子在其模式中发现的那样。通过改变波导的 形状，不再能够支持波导模式，并且光可被放出、定向、转向或“强制”离开波导并进入更高 指数检测器。
波导可引导光到光检测器。为了电检测波导中的光，光检测器可吸收辐射，收集光 生电荷，并产生电流。目前，隐失耦合(evanescentlycoupled)波导光检测器或部分隐失耦 合/对接耦合(butt coupled)光检测器用于检测波导中的光。一般情况下，用隐失耦合光 检测器，耦合较弱，并且需要装置20-100微米长以有效地捕捉光。这导致可能限制装置的 速度的更高暗电流和检测器电容。发明内容
本发明提供一种设备，包括波导，携带波导模式中的光信号；金属半导体金属 (MSM)光检测器，包括第一电极、第二电极以及夹在所述第一电极与所述第二电极之间的 半导体材料。其中所述MSM光检测器将所述光信号从波导模式转变为表面等离子体激元 (SPP)模式。
本发明还提供一种用于检测光信号的方法，包括将光信号发出到波导中，所述光 信号在波导模式中；接近金属半导体金属(MSM)装置来路由所述波导；以及通过所述MSM 装置将所述光信号从波导模式转换到表面等离子体激元(SPP)模式以检测所述光信号。
当连同附图阅读时从布置和示例实施例及权利要求的以下详细描述，本发明的上 述内容和更好理解可变得明显，所有附图形成本发明的公开的一部分。虽然上述内容和以 下书面的和示出的公开集中于公开本发明的布置和示例实施例，但应明确理解的是，它们 只是作为说明和示例，并且本发明并不限于此。
图1是根据一个实施例的波导耦合等离子体检测器的截面视图2是图1中所示的波导耦合等离子体检测器的顶视图3A和;3B分别是检测在TE模式中偏振的光信号的波导耦合等离子体检测器和 检测器响应；
图4A和4B分别是检测在TM模式中偏振的光信号的波导耦合等离子体检测器和 检测器响应；
图5A和5B分别是波导耦合等离子体光检测器的另一个实施例的顶视图和截面视 图。
具体实施方式
实施例描述用于感应或检测光波导中的光强度并将光强度(光子)转换成电流 (电子/空穴)的设备和方法。
遍及此说明书对“一个实施例”或“一实施例”的引用指连同该实施例描述的特定 特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，遍及本说明书各个位置中出现 的短语“在一个实施例”或“在一实施例中”不一定全部指相同的实施例。此外，特定的特 征、结构或特性可在一个或多个实施例中以任何适合的方式来组合。
实施例针对波导耦合的光检测器。波导可以是任何常见波导材料(只要它具有比 包围的包覆更高的折射率)，并且波导和包覆均是光透明的。
在一个实施例中，检测器基于金属半导体金属(MSM)光检测器。在其它实施例中， 检测器可以是PIN二极管。在金属半导体金属光检测器的情况下，金属电极用作应用电压、 清除光生载流子的触点以及表面，由此表面等离子体激元(SPP)模式被激励并将光带入检 测器的半导体区以允许有效地创建电子空穴对和光生电流。
表面等离子体激元是在两种材料的边界的电子密度中的波动。激元是包围金属的 原子晶格点(atomic lattice site)的电子气(或等离子体)的集体振动。当等离子体与 光子耦合时，结果的颗粒可称为激元。此激元沿金属的表面传播，直到它由于吸收而衰退， 由此能量被转换成光子，或者由于辐射跃迁成光子而衰退，或者在能量高于半导体的带隙 时，它创建电子空穴对。
现在参照图1和图2，它们根据本发明的一个实施例分别示出波导耦合等离子体 检测器的一个实施例的截面视图和顶视图。例如氮化硅波导的波导100包括氧化硅包覆材 料102。检测器包括基于锗(Ge)的金属半导体金属(MSM)类型检测器，并且可包括间隔一定 距离的第一和第二金属电极104和106。锗(Ge)层108可在电极104和106的底部附近， 夹在第一电极104与第二电极106之间。如所示出的，电极104和106可包括例如铜(Cu) 的金属。
如图2中所示，提供了示例尺寸。例如，氮化硅波导100可一般具有矩形截面，并 且可以是0. 5 μ m宽。波导100可与第一电极104平行延伸，并且与第一电极极为靠近，间 隔0. 4 μ m的距离，并且与Ge半导体材料间隔1 μ m的距离。第一电极104和第二电极106 可相互间隔0. 9 μ m的距离。Ge半导体材料108可以是15 μ m宽，并且可重叠到第一电极 104和第二电极106中0.55 μ m。所有这些尺寸是近似的，并且不一定是优化的。所有这些 尺寸作为一种可能情形提供，并且可为最佳性能针对特定情况进行稍微调整或调谐。
在操作中，在所谓“波导模式”中通过波导100传播的光200可在它经过时由检测器转换到“表面等离子体激元模式”。可能由于介质包覆中模式尾部(mode tail)的原因， 限定在波导100中的光可与位于波导核心100的紧密邻近处的金属电极104强烈交互。如 果模式偏振具有与金属界面垂直的分量，则模式与金属表面之间的此强耦合能共鸣地激励 金属表面上的表面等离子体。
因此，实施例使用将光从波导100中光模式耦合到电极表面104上SPP模式的极 高效的过程。一旦在SPP模式中，半导体108中光的吸收便能在极小的区域中发生。这可 允许缩小活动检测器区域，并允许用于电载流子的极短传输距离、低电容以及允许极低电 压装置和/或极高频率。
本发明的一个特征是光首先耦合离开波导模式，进入SPP模式。由于SPP模式在 金属/半导体的表面上高度限定(<< λ，光波长)，因此，它允许极小检测器区域。此外， 电极104和106可在一起极为靠近地分隔(小于衍射限制)，而不失去光子收集的效率(与 常规检测器相比)，电压能够极低但仍是高场。
这可对于装置的更低暗电流和速度是有益的，因为载流子不必为了在电极收集而 行进长距离。另一个特征是SPP模式的发起取决于光的入射偏振。这使得具有偏振感应检 测器成为可能，其能够对光逻辑(基于偏振)或偏振传感器有用。如果您确实不想要此偏振 灵敏度，则设计一种能够检测两种偏振的检测器将是容易的，例如通过改变检测器相对于 例如波导的朝向。等离子体耦合波导光检测器能够有益于用作极小的光检测器抽头(photo detector tap)，该抽头灌进(funnel) —小点光并检测它。这可用于监视光系统中的装置 和用于反馈控制的数据。
图3A和图4A展示发明装置及其检测偏振光的能力。图3A和4A示出例如氮化硅 波导的波导100和氧化硅包覆材料102。其每个还具有金属半导体金属(MSM)类型检测器， 检测器包括间隔一定距离的第一和第二金属电极104和106及夹在它们之间的锗(Ge)层 108。
图;3B和4B示出装置响应，对于两个偏振均带有IMHz的光时钟信号和IV偏置。 也就是说，在图3A和;3B中，光时钟信号300是偏振TE模式(横向电，在传播的方向中无电 场)，并且在图4A和4B中，光时钟信号400是偏振TM模式(横向磁，在传播的方向中无磁 场)。如图:3B和4B中示出的响应所展示的，TE响应与TM相比几乎为10 1。也就是说， 本发明的检测器对TE偏振高度响应，并且对TM偏振的信号响应要小得多。
图5A和5B示出波导耦合等离子体光检测器的一个实施例。图5A示出包括波导 500和位于波导500上方的检测器502的顶视图。图5B是图5A中所示的波导等离子体光 检测器的截面视图。如所示的，装置包括波导500和氧化物包覆504。如前面所述的金属半 导体金属(MSM)类型检测器可分别包括间隔一定距离的底部和顶部金属电极504和506以 及夹在它们之间的锗(Ge)层508。此类装置可有用于达到比常规波导耦合光检测器将可能 达到的更高的数据率，并且可允许极高效的功率传感器或偏振传感器，这能进一步有助于 集成光装置。
本发明所示实施例的上面描述(包括摘要中所描述的)并非旨在穷举或将本发明 限制为公开的确切形式。虽然为了说明的目的而在本文中描述了本发明的特定实施例和示 例，但各种等效修改在本发明的范围内是可能的，如相关领域中的技术人员将认识到的。
鉴于上述详细描述，能对本发明进行这些修改。随附权利要求中使用的术语不应解释为将本发明限制为说明书和权利要求中公开的特定实施例。相反，本发明的范围要由 随附权利要求完全确定，而权利要求要根据权利要求解释的确立原则来解释。
权利要求
1.一种设备，包括波导，携带波导模式中的光信号； 金属半导体金属(MSM)光检测器，包括 第一电极； 第二电极；以及半导体材料，夹在所述第一电极与所述第二电极之间，其中所述MSM光检测器将所述光信号从波导模式转变为表面等离子体激元(SPP)模式。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述半导体材料包括锗(Ge)。
3.如权利要求2所述的设备，其中所述第一电极和所述第二电极包括铜(Cu)。
4.如权利要求1所述的设备，其中所述波导包括氮化硅。
5.如权利要求4所述的设备，还包括 相比所述波导具有更高折射率的包覆。
6.如权利要求1所述的设备，其中所述光检测器是偏振敏感的。
7.如权利要求6所述的设备，其中所述光检测器基于所述光信号的偏振来检测光逻辑 信号。
8.如权利要求1所述的设备，其中所述波导和所述光检测器并排放置。
9.如权利要求1所述的设备，其中所述光检测器堆叠在所述波导上方。
10.一种用于检测光信号的方法，包括将光信号发出到波导中，所述光信号在波导模式中； 接近金属半导体金属(MSM)装置来路由所述波导；以及通过所述MSM装置将所述光信号从波导模式转换到表面等离子体激元(SPP)模式以检 测所述光信号。
11.如权利要求10所述的方法，还包括从中间具有半导体层的第一电极和第二电极形成所述MSM装置。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述半导体层包括锗0 )。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述第一电极和所述第二电极包括铜(Cu)。
14.如权利要求10所述的方法，其中所述MSM装置是偏振敏感的。
15.如权利要求14所述的方法，还包括， 从氮化硅形成所述波导。
16.如权利要求16所述的方法，还包括用相比所述氮化硅具有高折射率的包覆来包围所述波导。
17.如权利要求14所述的方法，还包括基于所述光信号的偏振通过所述MSM装置来检 测光逻辑信号。
全文摘要
本发明波导耦合表面等离子体激元光检测器。金属半导体金属(MSM)装置将光从波导中的光模式耦合到MSM装置的电极表面上的表面等离子体激元(SPP)模式。一旦在SPP模式中，半导体中光的吸收便能在极小的区域中发生。这可允许缩小活动检测器区域，并允许用于电载流子的极短传输距离、低电容以及允许极低电压装置和/或极高频率。
文档编号G01J1/42GK102032945SQ201010506878
公开日2011年4月27日 申请日期2010年9月25日 优先权日2009年9月30日
发明者B·A·布洛克 申请人:英特尔公司