[发明专利]光子集成电路

说明书

本发明涉及一种器件，包括衬底、处于衬底上的电介质层、处于电介质层内的波导以及光耦合到波导的光电探测器。光电探测器设置在波导层上方，并与衬底单片集成。光电探测器构造为在低温(例如，低于约50K或约20K)下工作。在一些实施例中，单片式光子器件包括热隔离结构和光隔离结构。还描述了用于制造包括热隔离结构和光隔离结构的单片式光子器件的技术。

相关申请的交叉引用

本申请要求2020年6月16日提交的名称为“光子集成电路”的美国临时专利申请第63/039,840号的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文，用于所有目的。

背景技术

光子集成电路(例如光子量子计算系统中的光子集成电路)可以包括各种集成光学部件，例如波导、耦合器、光子发生器、滤光器、开关、探测器、干涉仪、延迟线等。将不同类型的集成光学部件集成到单个芯片上可能是很困难的，因为制作这些集成光学部件所用的工艺和材料不同。

将不同类型的集成光学部件集成到单个芯片上还可能会由于例如杂散光或从发热部件散发到其他部件的热量所引起的噪声而对光子集成电路的性能产生负面影响。例如，具有高灵敏度的光电探测器(例如单光子探测器)可以用于许多光子量子技术，例如量子密码术和量子计算。由于它们的高灵敏度，因此这些光电探测器可能对噪声(例如可能通过直接或间接路径到达光电探测器的不期望的环境光或杂散光)非常敏感。诸如用于调谐滤光器的热调谐器之类的某些热光部件可以采用加热器。加热器产生的热量可能会散发到光子集成电路的其他区域，这可能会降低热光部件的效率和/或可能会增加可能需要在低温(例如超低温(cryogenic)温度)下工作的其他部件的温度。

发明内容

本公开总体上涉及光子集成电路。更具体地，本公开涉及用于在单片式光子集成电路上集成不同类型的部件的技术。该单片式光子集成电路包括光学和/或热隔离结构。例如，该单片式光子集成电路可以包括光学隔离结构，用于防止背景光到达光子集成电路(Photonic Integrated Circuit，PIC)中的高灵敏度光电探测器(例如，超导纳米线单光子探测器)，以实现高灵敏度和高信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)。该单片式光子集成电路还可以包括热隔离结构，以减少或防止热量从一些热光器件散发到光子集成电路的其他区域。可以采用多种半导体处理技术的组合来制造具有光学和/或热隔离结构的单片式光子集成电路。本文描述了各种创造性实施例，包括方法、工艺、系统、设备等。

根据某些实施例，该光子集成电路可以包括用于光量子计算的光子集成电路。该光子集成电路可以包括不同类型的集成光学部件(例如波导、耦合器、光子发生器、滤光器、开关、探测器、干涉仪、延迟线等)的各种组合。例如，该光子集成电路可以包括用于产生单个光子的单光子发生器、可以由热光器件或其他调谐器调谐或控制的滤光器和开关、以及用于探测单个光子的单光子探测器。不同类型的集成光学部件可以在不同的温度下工作。例如，单光子探测器可以包括超导纳米线单光子探测器，该超导纳米线单光子探测器可以在低温下工作，而热光器件可以在高得多的温度下工作。

根据某些实施例，该光子集成电路可以包括采用CMOS后道(Back End Of Line，BEOL)工艺制作的隔离结构，以防止环境光或杂散光直接或间接到达光电探测器。隔离结构可以包括例如金属层、过孔阵列、气隙、填充有反射或吸收材料的沟槽等。隔离结构可以在包括光子集成电路和光电探测器的输入端口和输出端口的不同位置处向光电探测器和/或波导提供局部和/或全局隔离，使得来自光源或光子集成电路的任何散射光、反射光、漫射光或以其他方式泄漏的光被部分或完全阻挡，从而防止其到达光电探测器。

本文所公开的系统、设备和方法可以通过防止不期望的光到达高灵敏度光电探测器来提高光电探测器的信噪比。这样，光电探测器可以实现高灵敏度，并且可以具有最少量的停滞时间。可以采用标准的CMOS后道(Back End Of Line，BEOL)工艺或CMOS兼容的BEOL工艺来制作隔离结构。一些隔离可以是局部隔离，并且在层叠中可以不需要额外的全局层或材料，因此不会向电路和器件增加额外的热负荷。