專利名稱：窄表面波紋光柵的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的實施例屬于集成光學部件(IOC)領域，并且更特別地涉及表面波紋光柵。
背景技術：
通信網(wǎng)絡在覆蓋的廣度和數(shù)據(jù)密度方面持續(xù)增長。該持續(xù)增長的重要使能技術是提高的光學(光子)部件的集成。例如，現(xiàn)在正在采用波分多路復用(WDM)來部署城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，所述波分多路復用(WDM)使用利用超大規(guī)模集成(VLSI)制造技術集成到硅、或其它半導體、基底上的波長選擇性濾波器來分/插(add/drop)信道。在光通信中，除了至少在某種程度上利用布拉格光柵的波長選擇性濾波器之外還存在許多應用，諸如激光器(例如，分布式布拉格反射器(DBR)激光器或分布反饋(DFB)激光器)、光柵輔助耦合器以及色散補償器等等。通常被稱為“波紋光柵”的一種類型的集成布拉格光柵通過以物理方式使被圖案化到基底之上的薄膜中的波導(例如，平面或肋形/脊形波導)的表面成波紋狀來形成。對于將以1550 nm波長工作的一階波紋光柵而言，光柵周期或“齒”間距是在約200 nm與250 nm之間。這個相對小的特征間距給使用VLSI制造技術調(diào)節(jié)光柵強度U)留下很少的活動余地。


通過舉例而不是限制的方式在附圖的各圖中圖示了本發(fā)明的實施例，其中 圖IA圖示了依照實施例的波紋表面光柵的等距視圖IB圖示了依照實施例的波紋表面光柵的等距視圖2圖示了依照實施例的、作為針對恒定波導寬度的光柵寬度的函數(shù)的光柵強度的圖
表；
圖3圖示了依照實施例的波紋表面光柵的俯視圖； 圖4A圖示了依照實施例的波紋表面光柵的俯視圖； 圖4B圖示了依照實施例的波紋表面光柵的俯視圖； 圖5是依照實施例的形成波紋表面光柵的方法的流程圖6A圖示了依照實施例的、在鄰近有源波導區(qū)的無源波導區(qū)中包括一對光柵鏡 (grating mirror)的光子設備的橫截面視圖6B圖示了依照實施例的、在無源波導區(qū)和有源波導區(qū)中包括一對光柵鏡的光子設備的橫截面視圖；以及
圖7描繪了包括一起被集成在公共基底上的多個光子設備的光學通信系統(tǒng)。
具體實施例方式在本文中參考各圖描述了窄表面波紋光柵、其制造以及在集成光學部件中的應用的實施例。如在本文中所提及的那樣，表面波紋光柵是“窄的”，其中光柵寬度比在其上形成了該光柵的波導的寬度要窄。
可以在不采用這些特定細節(jié)中的一個或多個的情況下、或結合其它已知的方法、 材料及裝置來實現(xiàn)在本文中所描述的特定實施例。例如，盡管在基于硅的DBR和DFB激光器的背景下描述了光柵鏡，但是在本文中所描述的窄表面波紋光柵和技術可以容易地適用于其它集成光學部件，諸如但不限于光學分/插濾波器、信號調(diào)節(jié)器、等等。在以下說明中， 闡明了多個特定細節(jié)(諸如特定材料、尺寸以及材料參數(shù)、等等)以提供對本發(fā)明的實施例的徹底理解。在其它實例中，沒有特別詳細地描述公知的光學設計和VLSI制造技術以避免不必要地使本發(fā)明模糊。遍及本說明書的對“實施例”的提及意指與實施例相關地描述的特定特征、結構、材料或特性包括在本發(fā)明的至少一個實施例中。因此，在遍及本說明書的各個地方的措辭“在實施例中”的出現(xiàn)未必指代本發(fā)明的同一實施例。此外，在一個或多個實施例中，可以以任何適當?shù)姆绞絹斫M合所述特定特征、結構、材料或特性。還應當理解的是，各特定實施例可以在不互相排斥的情況下進行組合。如本文中使用的術語“之上”、“之下”、“之間”和“上面”指代一個構件相對于其它構件的相對位置。同樣地，例如，布置在另一構件之上或之下的一個構件可以直接地與所述另一個構件接觸或者可以具有一個或多個介于中間的構件。而且，布置在構件之間的一個構件可以直接地與所述兩個構件接觸或者可以具有一個或多個介于中間的構件。與此相反，在第二構件“上”的第一構件與該第二構件緊密接觸。此外，假設在不考慮基底或構件的絕對方位的情況下相對于各構件共用的基底執(zhí)行操作來提供一個構件相對于其它構件的相對位置。參考圖1A，描繪了示例性窄表面波紋光柵100的等距視圖。該窄表面波紋光柵100 包括通過使基底105之上的波導110的一部分成波紋狀而形成的光柵115。波導110具有頂表面111，該頂表面111具有如由進一步限定肋或脊高度仏的第二波導側(cè)壁113和第一波導側(cè)壁112所限定的寬度Wwe。因為波導側(cè)壁112和113可能不是精確地垂直的(即正交于頂表面111)，所以頂表面111的寬度Wwe在本文中被用作波導寬度。在特定實施例中，寬度 Wwe在大約0. 3與2. 5 μ m之間，并且肋高度Hk在大約0.2 ym與2 ym之間。通常，光柵將被形成在具有恒定波導寬度的波導的一部分或區(qū)域中，如圖IA中所描繪的那樣。然而， 在替代性實施例中，窄表面波紋光柵被形成在波導的錐形部分中。窄波紋表面光柵一般地可應用于波紋表面光柵的領域中已知的任何材料系統(tǒng)。例如，基底105可以由任何適用于集成光學部件制作的材料構成。在一個實施例中，基底105 是由可以包括但不局限于硅或III-V化合物半導體材料(諸如磷化銦(InP))的材料的單晶構成的塊狀基底。在另一實施例中，基底105包括塊狀層，其中在該塊狀層之上形成頂部外延層。在特定實施例中，塊狀層由可以包括但不限于硅或III-V化合物半導體材料的單晶材料構成，而頂部外延層由可以包括但不限于硅或III-V化合物半導體材料的單晶層構成。在另一實施例中，頂部外延層通過介于中間的絕緣體層(諸如二氧化硅、氮化硅以及氮氧化硅)與塊狀層分離(例如以形成絕緣體上硅結構基底)。例如，波導110可以是被描述為用于基底105的候選物的那些材料中的任何一種，或者可以是本領域中已知的其它材料， 諸如，聚合物(SU-8等)。光柵115包括多個凹槽，所述多個凹槽包括沿著光柵長度Le形成在波導頂表面 111中的凹槽GpG2W3至Gn。凹槽G1 - Gn使波導110的頂表面111成波紋狀，結果產(chǎn)生凹槽和在形成布拉格光柵的凹槽之間的“齒”或“脊”的周期性排列以調(diào)節(jié)波導110的一部分中的折射率。凹槽G1 - Gn具有光柵間距或周期Pe，其(取決于實施例)可以是均勻的或分級的，并且被定位或分布在上部結構中。窄光柵的某些實施例也可以是傾斜的，從而使得凹槽& - Gn從圖IA中所描繪的方位傾斜(S卩，凹槽不正交于波導的長度)。凹槽G1 - Gn具有通常顯著小于肋高度仏的波紋深度De，其中更深的凹槽深度增加光柵強度。在一個實施例中，其中光柵形成在具有在大約1 - 1.5 μ m之間的寬度和大約0.5 μ m的肋高度Hk的硅波導中，深度De在大約10 - 300 nm之間。如圖IA中進一步所示出的那樣，凹槽& - Gn具有限定光柵占空比(基于光柵周期 Pe的DC)的長度尺寸。該光柵占空比是凹槽之間的空間(即脊長度)與光柵周期的比率，并且因此是對于給定的圖案形成方法可實現(xiàn)的最小凹槽尺寸(即凹槽長度)和最小凹槽間隔的函數(shù)。對于特定光柵間距Pe而言，光柵占空比隨著凹槽對齒長度比率變大而減小。例如， 在凹槽具有等于齒的長度的長度的情況下，光柵占空比為50%，并且對于240nm的光柵間距和150 nm凹槽長度(90 nm齒)而言提供了 37. 5%的占空比，而90nm凹槽長度提供了 62. 5% 的占空比。在其中光柵被形成在具有大約1 - 1.5 μπι的寬度和大約0.5 μπι的肋高度仏的硅波導中的一個特定的實施例中，光柵波紋深度De大約為10 - 300 nm，而光柵長度Le大約為1 - 200 μ m，并且多個凹槽具有大約190 - 250 nm的間距(S卩，光柵周期Pe)。這個示例性實施例相當適合于在利用1550 nm標稱波長的電信中的集成光學波導應用。在實施例中，凹槽G1 - 中的至少一個具有比波導寬度更窄的寬度。在示例性窄波紋表面光柵100中，多個凹槽中的每一個都具有比波導寬度Wwe更窄的寬度we。一般地，為了實現(xiàn)在光柵強度方面的降低，基本上所有的凹槽& - Gn都將具有比波導的寬度更窄的寬度。然而，在不偏離窄波紋表面光柵的精神的情況下，只要比波導寬度更窄的凹槽& -Gn的數(shù)量足以實現(xiàn)在光柵強度方面的明顯降低，凹槽G1 - 中的一個或多個可以具有等于波導寬度的寬度We。因此在特定實施例中，窄光柵中的至少95%的凹槽具有比波導窄的寬度。在進一步的實施例中，大多數(shù)凹槽的寬度比波導的寬度窄大約相同的數(shù)量(即大多數(shù)具有相同的寬度)。在特定實施例中，如圖IA和IB中所描繪的那樣，所有的(或基本上所有的)光柵凹槽G1 - Gn或光柵齒T1 - Tn分別具有沿著光柵長度Le大約相同的窄寬度。在實施例中，窄表面波紋光柵包括至少一個小于或等于波導寬度的90%的寬度的凹槽。因此，對于大約為1.5 μ m寬的示例性波導而言，窄表面波紋光柵將具有小于約1.35 Pm的光柵寬度。在進一步的實施例中，窄表面波紋光柵包括至少一個寬度為波導寬度的至少5%但不大于波導寬度Wwe的90%的凹槽。因此，對于大約為1. 5 μ m寬的示例性波導而言，窄表面波紋光柵將具有在約75 nm與1.35 μπι之間的光柵寬度。使光柵寬度變窄以小于波導寬度允許控制光柵強度κ。因此，也可以根據(jù)光柵寬度來控制反射率和帶寬以提供在表面波紋光柵的設計和形成方面的額外的自由度。光柵的反射率/P在方程式(1)中近似為
其中L是光柵長度(例如，圖IA中的Le)。在圖2中描繪了窄表面波紋光柵的實驗和現(xiàn)場仿真數(shù)據(jù)。如所示出的那樣，在1.5μπι寬波導上圖案化的光柵的光柵強度χ根據(jù)光柵寬度而被建模。針對1.3 μπι與0.3 μπι之間的光柵寬度以實驗方式來確定光柵強度，其中光柵強度從針對1.3 μπι光柵寬度的320 CnT1減小到針對0.3 μπι光柵寬度的78 cnT1。
往回參考圖1A，設置光柵的寬度以控制光柵強度κ具有獨立于光柵間距Pe或光柵深度De (其中的每一個在尺寸上都比波導寬度Wwe小很多)的好處。因此，例如，光柵圖案化方法的解決不會造成與在通過改變光柵占空比來調(diào)節(jié)光柵強度的情況下其所造成的相同的局限性。在某些應用中，光柵深度可以是如此的小(大概相當于幾十納米)以至于凹槽蝕刻對于可控制造來說變得相當困難。然而，具有相對于全寬度凹槽減小的光柵強度的窄光柵凹槽能被蝕刻到相對較大的深度(例如2-3倍深)以實現(xiàn)特定的光柵強度。因此，采用本文中所描述的窄表面波紋光柵可得到額外的凹槽蝕刻工藝自由和可控性。同樣地，因為光柵深度通常難于在同一基底上的光柵之間變化，所以可以為所有光柵提供相對較大的光柵深度以實現(xiàn)最大光柵強度的第一光柵，其然后能夠被通過使基底上的其它光柵的光柵寬度變窄來在特定于光柵的基礎上減小。由于這些原因，可以通過針對給定光柵長度的窄波紋表面光柵來實現(xiàn)大范圍的光柵強度κ。如圖IA中進一步所描繪的那樣，光柵115具有近似與波導110的縱向中心線對準的縱向中心線，在凹槽與波導側(cè)壁112和113之間留下空間S1和&。在所描繪的示例性實施例中，由于沿著光柵長度的中心線對準和恒定的光柵寬度，S1的尺寸大約等于&的尺寸， 但是要理解的是，根據(jù)所采用的制造方法和執(zhí)行該方法的特定設備的公差將預料到光柵和波導的縱向中心線之間的一定量的不重合。一般地，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)對波導和光柵的縱向中心線之間的不重合的敏感度與光柵寬度We成反比。圖IB描繪了作為圖IA中所圖示的實施例的替代物的窄表面波紋光柵的實施例。 在這個替代性實施例中，窄表面波紋光柵101包括具有比波導寬度Wwe更窄的寬度的光柵齒 T1 - Tn0如所描繪的那樣，波導的連續(xù)部分被移除以限定光柵齒T1 - Tn并且從而沿著整個光柵長度Le形成空間S1和&。空間S1和&然后將被采用適當?shù)母矊硬牧吓c齒T1 - Tn之間的凹槽一起基本上被填滿，就像凹槽G1 - 用于圖IA的實施例那樣。取決于光柵間距 Pe和占空比DC，圍繞獨立的光柵齒T1 - Tn的覆層填充可能優(yōu)于在圖IA的凹槽G1- Gn中的覆層填充。圖IB中所描繪的窄表面波紋光柵101的剩余特征基本上與圖IA中所描繪的窄表面波紋光柵100的那些特征相同。在進一步的實施例中，光柵寬度根據(jù)光柵長度而變化，從而使得在構成表面波紋光柵的多個凹槽中的每個凹槽的寬度不是全部都相等。這樣的光柵結構允許光柵強度沿著光柵長度變化，從而提供能減小旁瓣強度的切趾窄表面波紋光柵。該光柵寬度切趾法能夠用來改變光柵的反射率和帶寬以減少插入損耗和/或使透射光譜平滑。光柵寬度We的調(diào)節(jié)可以提供任何類型的切趾法，諸如但不限于高斯和升余弦。圖3圖示了光柵寬度切趾表面波紋光柵300的一個實施例的俯視圖。如所示出的那樣，光柵315被形成在基底305之上的波導310上。光柵寬度We沿著光柵長度Le從We，MIN 變化到\ΜΧ。盡管在圖3中所描繪的示例性實施例中光柵的每個部分的光柵寬度We都小于波導寬度Wwe，但是在其它實施例中構成光柵的某子集的凹槽可以具有等于波導寬度Wwe 的寬度。在圖3中所描繪的實施例中，光柵間距和占空比DC在光柵長度Le上保持恒定。然而，在其它實施例中，占空比DC和光柵寬度We兩者都可以在光柵長度Le上變化以可能地提供更大的耦合系數(shù)變化，該更大的耦合系數(shù)變化通過可以單獨實現(xiàn)的寬度或占空比調(diào)節(jié)而將是可能的。圖4A描繪了波導410，該波導的一部分包含光柵415。光柵415具有恒定光柵間距PG，而光柵的寬度沿著光柵長度從Wtu到到^3變化。光柵占空比DC也沿著光柵長度從DC1到DC2到DC3變化。在另一個實施例中，沿著光柵(例如啁啾窄表面波紋光柵)的長度與經(jīng)調(diào)節(jié)的光柵周期相結合地利用窄光柵寬度。例如，圖4B描繪了具有從Wtu到We, 變化的光柵寬度、同時光柵周期從Ptu到Pe,2變化的光柵415。在其它實施例中，光柵周期被以本領域已知的任何方式加以分級，從而與具有小于波導的寬度的固定寬度的光柵相結合地控制反射/透射光譜(例如，加寬反射光譜)。在實施例中，參考圖1-4B所描述的窄表面波紋光柵被采用掩模光刻法進行圖案化。掩模光刻法具有勝過對光柵圖案化的典型方法(諸如全息(干涉)和電子束圖案化技術) 的許多優(yōu)點。例如，掩模光刻法具有被廣泛地采用的VLSI制造工藝的優(yōu)點并且這種形式的光刻提供了用于形成比典型的波導窄以及與波導足夠?qū)实墓鈻诺哪芰ΑＯ啾戎?，全息技術一般依靠跨越很大區(qū)域(例如，整個基底)對干涉圖進行圖案化，而電子束寫入是具有相對更差的對準能力的相對慢的工藝。掩模光刻法的使用也使光柵強度能夠跨越同一基底被調(diào)諧到不同的值，從而允許光柵濾波器或鏡被調(diào)諧用于在同一基底上的光學部件之間或者甚至在同一光學部件的兩個不同部分之間的不同波長。圖5描繪了形成窄表面波紋光柵的示例性掩模光刻方法500的流程圖。方法500 從在操作501處供應基底開始，諸如針對圖IA中的基底105所描述的那些中的任何一個。 例如，在一個實施例中提供了絕緣體上硅結構基底。接下來，在操作505處，使用第一光掩模圖案在材料層中對具有特定長度、周期和寬度的光柵進行圖案化。圖案化操作505可以包括本領域已知的任何常規(guī)的光刻工藝。然而，在一個實施中，采用了 193 nm光刻。在193 nm光刻節(jié)點處的分檔器能印刷足夠最小的特征尺寸(例如，大約90 nm),以針對形成在硅內(nèi)并且被針對在光學通信中使用的標稱1550 nm波長設計的光學波導來印刷具有足夠周期(例如，大約200 nm到250 nm)的光柵。因此，在一個實施例中，在操作505處，SOI基底被采用光敏層加以涂覆并且采用 193 nm波長電磁能量進行曝光，以基于第一光掩模將光柵圖案印刷到光敏層中。根據(jù)該實施例，光柵圖案可以是提供抗蝕開口(其中窄光柵凹槽將被蝕刻)或者抗蝕柱(其中窄光柵齒將被形成在基底內(nèi))的任何一個。在任何一種情況下，第一光掩?？梢允敲鲌鲅谀?僅掩蔽光柵的一部分以及稍微大于波導的區(qū)域)或者暗場掩模(僅暴露光柵的一部分)。光敏層然后被顯影成蝕刻掩模并且使用本領域已知的任何蝕刻工藝(濕式或干式)將圖案轉(zhuǎn)印到在下面的中間硬掩模層中或者直接轉(zhuǎn)印到波導層中。例如，SOI基底的頂部硅層可以被蝕刻以將蝕刻掩模的光柵圖案轉(zhuǎn)印到硅層中。在一些實施例中，采用雙重圖案化方法將光柵的間距減小到低于第一光掩模的間距?？刹捎肰LSI技術領域內(nèi)已知的任何傳統(tǒng)的雙重圖案化方法。在一個示例性實施例中，經(jīng)曝光的圖案被轉(zhuǎn)印到在下面的蝕刻掩模層中，在掩模層的任一側(cè)上形成隔離物，移除掩模層，并且然后隔離物被用作半間距掩模以用于將光柵蝕刻到基底(例如，SOI基底的頂部硅層)中。在示例性掩模光刻方法500中，在光柵圖案被形成在基底(例如，SOI基底的頂部硅層)之上、上或中的層中之后，然后在操作510處采用第二光掩模來以光刻方式對波導進行圖案化。第二光掩模與光柵圖案對準以使波導圖案包圍光柵(即，波導圖案比光柵的至少某些部分不僅更長而且更寬)。在一個實施例中，采用193 nm光刻來對波導進行圖案化。在193 nm光刻節(jié)點處的分檔器能以足夠小的錯誤配準(例如，大約100 nm)來將波導光掩模與光柵光掩模對準，以至于能夠利用寬范圍的光柵寬度以達到控制光柵強度的目的。在替代性實施例中，可以首先對波導進行圖案化，并且光柵圖案隨后被與波導圖案對準并且被印刷為第二光掩模圖案。然而，在對波導圖案化之前對光柵圖案化是有利的，因為采用較平坦的基底表面更容易獲得光柵的相對較小的尺寸。在光柵和波導兩者的圖案化之后，方法500完成，并且然后可以執(zhí)行波導和/或光柵的任何進一步的傳統(tǒng)處理。例如，可以在波導和光柵周圍形成覆層，填充凹槽和/或封裝光柵的齒?？梢圆捎锰峁┳銐虻闹笖?shù)反差(index contrast)的任何覆層材料(如同依賴于用于波導的材料系統(tǒng))用于該覆層。在一個示例性SOI實施例中，硅波導使用二氧化硅覆層以覆蓋波導并且填充光柵凹槽。在替代的SOI實施例中，SU-8被用作硅波導上的覆層。窄表面波紋光柵和形成這樣的光柵的方法可以被應用于多個光學應用，諸如，但不限于集成光學光柵濾波器和集成光學光柵鏡。集成光學光柵鏡可以被更特別地用于形成 DFB和DBR激光器的光共振腔。圖6A圖示了示出了采用至少一個窄表面波紋光柵的電泵浦混合半導體消逝激光器的一個實施例的橫截面視圖。所描繪的橫截面是沿著混合半導體消逝激光器和光柵的縱向中心線截取的。如所示出的那樣，DBR激光器601被集成在包括單晶半導體層603的SOI 基底中，其中掩埋氧化層6 被布置在半導體層603與基底層631之間。在一個示例中，半導體層603和基底層631由無源硅制成。如所示出的那樣，光學波導605被布置在通過其引導光束619的半導體層603中。在圖6A中所圖示的示例中，光學波導605是肋形波導、 帶形波導等。光共振腔622在鄰近光共振腔622的每一端的光學波導605的無源部分中的光柵反射器607與609之間形成波導的有源部分。如在圖6A中所示出的那樣，反射器607 和609是布拉格光柵反射器，并且在特定實施例中反射器607和609中的至少一個是具有小于光學波導605的無源部分的寬度的光柵寬度的窄表面波紋光柵，諸如在本文中先前所描述的那些中的任何一個。III-V增益介質(zhì)623被跨越光學波導605的“頂部”并且毗連光學波導605來結合至或外延成長在半導體層603的“頂部”上以提供增益介質(zhì)-半導體材料界面633。界面 633沿著與光束619的傳播方向平行的光學波導605延伸。在一個示例中，增益介質(zhì)_半導體材料界面633是可以包括在有源增益介質(zhì)材料623與光學波導605的半導體層603之間的結合界面的消逝耦合界面。例如，這樣的結合界面可以包括薄二氧化硅層或其它適當?shù)慕Y合界面材料。作為一個示例，增益介質(zhì)材料623是有源III-V增益介質(zhì)，并且存在在光學波導605與增益介質(zhì)材料623之間的增益介質(zhì)一半導體材料界面633處的消逝光耦合。取決于光學波導605的波導尺寸，光束619的光模的一部分是在III-V增益介質(zhì)材料623內(nèi)部并且光束619的光模的一部分是在光學波導605內(nèi)部。增益介質(zhì)材料623可被電泵浦以在光共振腔622內(nèi)生成光。在實施例中，增益介質(zhì)材料623是這樣的有源半導體材料并且是包括III-V半導體材料的III-V半導體條，所述III-V半導體材料諸如是hP、AlGaInAs, InGaAs和/或 InP/ InGaAsP、和/或本領域已知的適當材料及它們的以適當?shù)臐舛群蛽诫s濃度的組合。在一個特定實施例中，增益介質(zhì)材料623是偏移多重量子井(MQW)區(qū)增益芯片，其為跨越SOI 晶片的硅層中的一個或多個光學波導的“頂部”外延生長的或結合的晶片或結合的倒裝芯片(flip chip)。在一個實施例中，其中增益介質(zhì)材料623包括有源材料(諸如MQW)并且采用基于無源硅波導的光柵作為反射器或鏡(它們中的至少一個是窄表面波紋光柵)，可以在光共振腔622內(nèi)獲得激光作用。在圖6A中，采用在光共振腔622中的反射器607與609之間來回地反射的光束619示出了激光作用。在所圖示的示例中，在激光器的“背面”側(cè)處的反射器 607具有比反射器609更高的功率反射率。反射器609是部分反射的，從而使得光束619從激光器的“前”側(cè)輸出到光學波導的無源部分中，光束619可以被通過光學波導引導至其它部件?？梢曰诠鈻砰L度和光柵強度中的任何一個或兩個來調(diào)節(jié)反射器607和609中的每一個的反射功率。在實施例中，基于這兩個反射器的光柵寬度來獨立地調(diào)節(jié)反射器607 和609中的每一個的功率反射率。在一個實施例中，反射器607和609兩者都是窄表面波紋光柵以獨立于光柵深度通過光柵寬度來調(diào)節(jié)光柵強度。作為示例，反射器607是具有小于無源波導寬度的第一光柵寬度的第一窄表面波紋光柵，而反射器609是具有小于無源波導寬度的第二光柵寬度的第二窄表面波紋光柵，所述第二光柵寬度與所述第一光柵寬度相同或不同。在一個這樣的實施例中，反射器607和609中的每個都具有在5與500 ym之間的鏡長度，并且光柵寬度小于在大約1與1. 5 μ m之間的無源波導寬度的90%。在另一實施例中，反射器609是具有小于無源波導寬度的光柵寬度的窄表面波紋光柵，而反射器607是具有基本上等于無源波導寬度的光柵寬度的光柵(即，僅反射器609 是窄表面波紋光柵)。在進一步的實施例中，反射器607和609中的任何一個或兩者都是切趾窄表面波紋光柵，如在本文中別處所描述的那樣。圖6B描繪了替代性實施例，其中DFB激光器602被集成在包括單晶半導體層603 的SOI基底中，其中掩埋氧化層6 布置在半導體層603與基底層631之間。如進一步所描繪的那樣，光束619被在光共振腔622內(nèi)的反射器607與609之間來回地反射。在特定實施例中，光柵被采用作為反射器607和609，并且這些光柵被布置在硅波導光共振腔622 的有源部分內(nèi)。在一個實施例中，反射器607和609兩者都是用于獨立于光柵深度和光柵長度通過光柵寬度來調(diào)節(jié)光柵強度的窄表面波紋光柵。例如，反射器607是具有小于有源波導寬度的第一光柵寬度的第一窄表面波紋光柵，而反射器609是具有小于有源波導寬度的第二光柵寬度的第二窄表面波紋光柵，所述第二光柵寬度與所述第一光柵寬度相同或不同。在另一實施例中，反射器609是具有小于有源波導寬度的光柵寬度的窄表面波紋光柵，而反射器607是具有基本上等于有源波導寬度的寬度的光柵(即，僅反射器609是窄表面波紋光柵)。在進一步的實施例中，反射器607和609中的任何一個或兩者都可以是切趾窄表面波紋光柵，如在本文中別處所描述的那樣。圖7是利用包括集成半導體調(diào)制器多波長激光器的集成光學部件的示例性光學系統(tǒng)751的圖示，所述集成半導體調(diào)制器多波長激光器具有耦合至在基底703之上、上面或中的無源半導體層的電泵浦混合半導體消逝激光器陣列701。在一個實施例中，激光器陣列 701中的每個激光器可以是基本如參考圖6A-6B所描述的電泵浦混合硅消逝激光器。在另一實施例中，激光器陣列701包括利用低光柵強度的DBR激光器和利用高光柵強度的DFB 激光器二者。在圖示的示例中，圖11的半導體基底703是包括多個光學波導705A - 705N的光學芯片，在其之上結合有單條增益介質(zhì)材料723以產(chǎn)生分別在多個光學波導705A -705N中生成多個光束719A - 719N的激光器陣列。多個光束719A - 719N由調(diào)制器713A -713N來進行調(diào)制，并且然后各選定波長的多個光束719A - 719N則在光分插復用器717 中被組合以輸出單光束721，其然后通過單根光纖753被傳送至外部光接收器757。在實施例中，反射器709A - 709N中的至少一個是具有小于在其中形成了光柵的波導寬度(取決于激光器的類型的無源和/或有源)的光柵寬度的窄表面波紋光柵，如在本文中別處所描述的那樣。在特定實施例中，反射器709A - 709N中的每一個都是窄表面波紋光柵，其中的一個或多個具有不同于其它的寬度。在另一實施例中，復用器717包括具有小于在其中形成了光柵的光學波導705A - 705N的寬度的光柵寬度的至少一個窄表面波紋光柵，如在本文中別處所描述的那樣。在其它實施例中，復用器717或反射器709A - 709N 中的任何一個可以包括切趾窄表面波紋光柵。同樣地，當反射器709A - 709N中的任何一個和/或復用器717被同時制作為集成在半導體基底703上的光學部件時，可以利用光刻法來對包括多個光柵的單個光掩模成像，每個光柵都具有針對特定應用所需的特定光柵功率而指定的寬度(例如，激光器、復用濾波器等)。在一個實施例中，集成半導體調(diào)制器多波長激光器能以大于1 Tb/s的速度通過單根光纖753發(fā)送在包括在單光束721中的多個波長下的數(shù)據(jù)。在一個示例中，多個光學波導705A - 705N在半導體基底703之上的單層內(nèi)被間隔開大約50 - 100 μ m。因此，在一個示例中，可能從具有小于4毫米的一片基底703的集成半導體調(diào)制器多波長激光器發(fā)送整個總線的光學數(shù)據(jù)。圖7還示出了在光學系統(tǒng)751的示例中，單個半導體基底703也可以被耦合以通過光纖755來接收來自外部光發(fā)射器759的光束721。因此，在該圖示的實施例中，單個半導體基底703是在小的形狀因子之內(nèi)的超高容量發(fā)射器接收器。盡管光接收器757和外部光發(fā)射器759也被圖示為存在于相同的芯片761上，但是要理解的是，外部光接收器757和外部光發(fā)射器759可被提供在分離的芯片上。在所圖示的實施例中，所接收的光束722被光分/插解復用器718接收，光分/插解復用器718把所接收的光束722分成多個光束720A -720N。在一個示例性實施例中，在解復用器718內(nèi)由一個或多個窄表面波紋光柵根據(jù)它們各自的波長分離所述多個光束720A - 720N,并且然后通過布置在半導體基底703之上、 上面或中的薄膜層中的多個光學波導706A - 706N來引導所述多個光束720A - 720N。如在圖示的實施例中所示出的，一個或多個光檢測器被光耦合至多個光學波導 706A - 706N中的每一個以檢測相應的多個光束720A - 720N。光電檢測器763A - 763N 的陣列被光耦合至多個光學波導706A - 706N。作為一個示例，光電檢測器763A - 763N中的每一個是基于硅鍺的光電檢測器等。在另一實施例中，也在圖7中示出，單條半導體材料 7M可以跨越多個光學波導706A - 706N被結合至在基底703之上、上面或中的層，以形成光耦合至多個光學波導706A - 706N的光電檢測器的陣列。作為一個示例，單條半導體材料7M包括III-V半導體材料以產(chǎn)生III-V光電檢測器。采用光耦合至如所示出的多個光學波導706A -706N的基于硅鍺和III- V的光電檢測器，可以檢測用于多個光束720A -720N的各種波長?？刂?泵浦電路也可以被包括或集成到基底703上面。在其中基底703包括硅層 (例如，SOI基底)的一個實施例中，控制電路762可被直接地集成在硅中。在一個示例中，控制電路762可被電耦合以控制、監(jiān)控和/或電浦泵多波長激光器陣列701中的激光器中的任一個、多個光調(diào)制器713A - 713N、光電檢測器(例如，763A - 713N)陣列或布置在基底 703上的其它設備或結構。 因此，已經(jīng)公開了窄表面波紋光柵、制造方法和在光學部件集成中的應用。盡管已經(jīng)以特定于結構特征或方法行為的語言對本發(fā)明的實施例進行了描述，但是要理解的是， 在隨附權利要求中所限定的本發(fā)明未必局限于所描述的特定特征或行為。所公開的特定特征和行為將僅被理解為所提供的企圖說明而不是限制本發(fā)明的所要求保護的發(fā)明的特別得體的實施方式。
權利要求
1.一種光子設備，包括在基底之上的第一和第二無源半導體波導區(qū)，和在所述第一與第二無源波導區(qū)之間耦合的消逝半導體波導區(qū)，其中所述無源或消逝波導區(qū)中的一個包括第一布拉格反射器，所述第一布拉格反射器包括具有比在其中形成了所述光柵的所述波導區(qū)的寬度更窄的寬度的表面波紋光柵。
2.如權利要求1所述的光子設備，其中包括所述第一布拉格反射器的所述波導區(qū)包括在所述基底相對的頂表面處限定所述波導寬度的兩個相對的側(cè)壁；并且其中所述表面波紋光柵包括沿著光柵長度形成在所述波導頂表面中的多個凹槽，其中大多數(shù)凹槽的寬度比所述波導寬度窄大約相同的數(shù)量。
3.如權利要求1所述的光子設備，其中，包括所述第一布拉格反射器的所述波導區(qū)包括在所述基底相對的頂表面處限定所述波導寬度的兩個相對的側(cè)壁；并且其中所述表面波紋光柵包括沿著光柵長度形成在所述波導頂表面中的多個齒，其中大多數(shù)齒比所述波導寬度窄大約相同的數(shù)量。
4.如權利要求1所述的光子設備，其中所述半導體包括硅，所述第一布拉格反射器具有在5與500 μ m之間的鏡長度，包括所述第一布拉格反射器的所述波導區(qū)具有在大約1與 1. 5 μ m之間的寬度，并且所述第一光柵寬度小于所述波導寬度的90%。
5.如權利要求1所述的光子設備，其中所述半導體包括硅，并且其中所述消逝波導區(qū)包括布置在所述波導之上的電泵浦發(fā)光層。
6.如權利要求1所述的光子設備，其中所述第一無源波導區(qū)包括所述第一布拉格反射器，并且所述第二無源波導區(qū)包括形成DBR激光器的第二布拉格反射器，所述第二布拉格反射器包括具有比所述第二無源波導區(qū)的寬度更窄的第二光柵寬度的表面波紋光柵。
7.如權利要求6所述的光子設備，其中，所述第一光柵寬度不同于所述第二光柵寬度， 以便提供具有比所述第二光柵更高的光柵強度的所述第一光柵。
8.如權利要求1所述的光子設備，其中所述消逝波導區(qū)包括所述第一布拉格反射器光柵和第二布拉格反射器光柵以形成DFB激光器，并且其中所述第一和第二光柵中的每個都具有比所述消逝波導區(qū)更窄的寬度。
9.一種裝置，其包括如權利要求1所述的第一光子設備；和如權利要求1所述的第二光子設備，其中所述第一和第二光子設備都被集成到相同的基底上。
10.如權利要求9所述的裝置，其中所述第一光子設備的所述第一光柵寬度不同于所述第二光子設備的光柵寬度。
11.一種系統(tǒng)，包括在光學波導中的表面波紋光柵，其中所述光柵的寬度比所述光學波導的寬度窄，并且其中所述光柵在激光器的有源波導部分之內(nèi)或者在激光器的有源波導部分的界面處；和耦合至所述光學波導以調(diào)制由所述激光器生成的所述光的光調(diào)制器。
12.如權利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述光學波導包括硅，并且其中所述光柵限定混合硅消逝激光器的光共振腔。
13.如權利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述光柵包括在所述光學波導的頂表面中的多個凹槽，并且其中大多數(shù)凹槽的寬度比所述波導頂表面的寬度窄大約相同的數(shù)量。
14.一種窄表面波紋光柵，包括在基底之上的光學波導，所述波導包括限定與所述基底相對的頂表面的寬度的兩個相對的側(cè)壁；和沿著光柵長度形成到所述波導頂表面中的多個齒和在其間的多個凹槽，其中基本上所有的凹槽或齒的寬度都比所述波導頂表面寬度窄。
15.如權利要求14所述的波紋光柵，其中，所述凹槽或齒寬度跨越所述多個中的大多數(shù)是大約相等的并且不大于所述波導頂表面寬度的90%。
16.如權利要求14所述的波紋光柵，其中所述波導包括硅，所述波導頂表面寬度在大約1與1. 5 μ m之間，所述光柵長度在大約1與200 μ m之間，并且所述光柵具有在大約190 與250 nm之間的間距。
17.如權利要求14所述的波紋光柵，其中，所述多個凹槽的子集具有變化的凹槽寬度， 切趾所述窄光柵。
18.一種形成窄表面波紋光柵的方法，包括基于第一掩模光刻曝光將多個光柵凹槽和在其間的多個光柵齒圖案化到薄膜的表面中以使所述表面成波紋狀；并且基于第二掩模光刻曝光將波導圖案化到所述薄膜中，所述波導具有界定波導寬度的兩個相對的側(cè)壁，其中所述波紋表面被布置在所述波導側(cè)壁之間以形成波導頂表面的一部分，其中基本上所有的凹槽或齒的寬度小于所述波導寬度。
19.如權利要求18所述的方法，其中，所述光柵的所述圖案化和波導的所述圖案化中的每個都進一步包括在所述基底之上沉積光敏層；通過光掩模將所述光敏層暴露于電磁輻射；以及在所述曝光后對所述光敏層顯影以形成蝕刻掩模圖案。
20.如權利要求19所述的方法，其中所述電磁輻射具有大約193nm的波長，所述波導被圖案化到在大約1與1. 5 μ m之間的寬度，并且所述表面波紋光柵被圖案化到在大約1與 200 μ m之間的長度、在190與250 nm之間的間距以及在大約0. 3 μ m與1. 3μπι之間的寬度。
全文摘要
用于集成光學部件的窄表面波紋光柵及其制造方法。實施例包括具有比在其上形成了光柵的波導的寬度更窄的寬度的光柵。依照本發(fā)明的某些實施例，采用掩模光刻法形成具有期望的光柵強度的窄光柵。在實施例中，采用具有比所述波導的寬度更窄的寬度的反射器光柵來形成激光器的光共振腔。在另一實施例中，集成光學通信系統(tǒng)包括一個或多個窄表面波紋光柵。
文檔編號G02B6/124GK102378933SQ201080015269
公開日2012年3月14日 申請日期2010年3月8日 優(yōu)先權日2009年3月31日
發(fā)明者瓊斯 R. 申請人:英特爾公司