[发明专利]带有与介电波导的改进光耦合的集成有源装置

说明书

一种光学装置包括第一元件、第二元件和第三元件，第一元件、第二元件和第三元件在共同的基底上制造。第一元件包括支持第一光模的有源波导结构，第二元件包括支持第二光模的无源波导结构，且第三元件包括中间波导结构，该第三元件至少部分地对接耦合到第一元件。如果第一光模与第二光模相差大于预定量，第二元件和第三元件中的至少一个中的渐缩波导结构便于第一光模与第二光模之间有效的绝热转换。第一元件、第二元件和第三元件的相互对准使用印制对准标记来限定。

技术领域

本发明涉及半导体处理。更特别地，本发明的某些实施例涉及用于使用光耦合的不同材料来实现光子集成电路的方法和系统。

背景技术

光子集成电路(PIC)或集成光学电路是集成多种光子功能的装置，且因而类似于电子集成电路。两者之间的主要差异在于，光子集成电路提供用于施加在光学载波上的信息信号的功能。商业上最常用于光子集成电路的材料平台是磷化铟(InP)，其允许在相同芯片上集成各种光学有源(active)和无源(passive)功能。虽然许多当前的PIC在InP平台中实现，在过去的十年中存在显著的研究关于使用硅而不是InP来用于实现PIC，由于关于前一材料的一些优越特征以及优越的处理能力，其影响(leverage)对电子集成电路已进行的投入。

关于使用硅来用于PIC的最大缺点在于，它是间接带隙材料，这使它难以提供电泵浦源。该问题大体上通过组装包括以单独的过程由不同的材料制成的两个或更多个芯片的PIC来解决。由于需要非常精细的对准(这增加封装成本且引入规模(scaling)限制)，此类方法具有挑战性。解决带隙问题的另一方法是结合两种不同的材料且将它们一起处理，去除对于精确对准的需要且允许大规模制造。在该公开内容中，我们使用用语“混合”来描述包含单独处理部分的精确组装的第一方法，且我们使用用语“异质”来描述结合两种材料且然后处理结合结果而不需要精确对准的后一方法。

为在不同材料之间传送光信号，异质方法使用其尺寸逐渐减小的锥形，直到不同材料的有效模折射率匹配且存在有效的功率传送。当材料具有与关于硅和InP的情况类似的折射率时，该方法大体上效果良好。在其中有效率上存在较大差异的情况下(诸如在例如SiN与InP或GaN之间)，对锥形末端尺寸的要求变得过高，限制有效的功率传送。特别地，可需要(纳米级的)极小的锥形末端宽度来提供良好的耦合。实现此类尺寸是复杂的，且可为成本过高的。

虽然基于硅和InP的PIC解决许多当前的需要，它们具有一些限制；其中事实是工作(operate)波长范围由材料吸收所限制，增加损耗，且事实是存在对最大光强度和因此PIC可处理的最佳功率的限制。为解决这些限制，已考虑备选的波导材料，诸如SiN、TiO₂、Ta₂O₅、AlN或其它材料。大体上，此类介电波导具有较高的带隙能量，其提供在较短波长下较好的高功率处理和透明性，但大体上此类材料还具有较低的折射率。例如，带有~5eV带隙的SiN具有~2的折射率，AlN具有~6的带隙和约~2的折射率，且带有~8.9eV带隙的SiO₂具有~1.44的折射率。为了比较，GaAs和InP的折射率＞3。这使渐缩方法具有挑战性。

备选的混合方法具有上文已提到的缺点，即需要精确对准，且对应地有复杂封装和规模限制。

因此，仍需要一种在带有不同折射率的材料(诸如，例如用于有源装置的上文提到的III-V材料和用于波导的简单介电材料)之间提供有效的光耦合而不需要过窄的锥形末端的方法。这将允许可扩展地集成材料以用于实现PIC。理想地，与典型的基于Si波导的PIC相比，通过此类方法制成的PIC将在从可见至IR的宽波长范围内工作且能够处理高光功率。

在该公开内容中，如果装置或装置区域能够生成、放大、调制和/或检测光，我们称它有源。

发明内容

本发明包含用于在包括不同折射率的材料的元件之间提供实用且有效的光耦合的装置和方法，特别与集成PIC相关。