專利名稱：基于雙光子吸收的硅波導光功率監(jiān)控器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的實施例涉及光功率監(jiān)控，更具體地，涉及硅波導中的原位(in-situ)光功率監(jiān)控。
背景技術：
由于互聯網數據流量多年以來連續(xù)以指數的方式增長，并且電子互連已經到達它們的支撐這樣的增長的極限，所以高帶寬、高功率效率和可靠的光鏈路具有改變消費電子和服務器市場的潛力。集成的光電技術可以用作關鍵的推動者以使個人計算設備能夠以空前的速率發(fā)送和接收數據。近些年來，在硅光子學領域的光學部件研究中的許多成功已經使得絕緣體上硅(SOI)成為用于未來幾代的集成光電系統(tǒng)的最有前途的材料平臺選擇。典型的集成光電系統(tǒng)可以包括激光器、調制器、復用器/解復用器、光電檢測器、以及諸如濾波器和耦合器之類的其它無源部件。激光器是通過受激發(fā)射來發(fā)射光且產生頻譜范圍為從紅外到紫外的相干光束的公知的設備，并且可以用在各種各樣的應用中。在集成的光子鏈路中，來自激光器源的數據通過調制器編碼，并且通過波導傳播。在許多應用中，光數據傳播經過同一芯片上的一些有源和無源部件，并且理想的是，在系統(tǒng)的各個級監(jiān)控光功率。當前，一種監(jiān)控波導內的光功率的標準的方式是用光纖或自由空間物鏡(objective)收集離開波導的光?？梢杂猛獠康墓β视嫓y量光功率。實際的功率可以通過假定一些預表征的損耗(包括輸入/輸出耦合損耗和波導傳播損耗)來確定。事先仔細地測量和校準所有這些損耗特征。例如，經常采用片上削減(cutback)方法測量傳播損耗，所述方法需要在同一芯片上制造具有各種長度的幾個彎曲波導?？梢詼y量來自每個彎曲的波導的輸出功率，并且經由統(tǒng)計擬合確定傳播損耗。上文描述的方法會占據寶貴的晶片區(qū)域，并且可能僅僅在部件級上以簡單的波導結構工作。在集成的光子網絡設定中(其中許多光部件在同一襯底上鏈接在一起)，上述方法可能不能良好工作。例如，在網絡故障的情況下，重要的是找到集成的網絡中的故障部件。因為上述方法僅僅確定網絡是否發(fā)生故障，但不確定網絡在哪里發(fā)生故障，所以期望有一種替代的功率監(jiān)控方案。


當聯系附圖閱讀時，從下文中對布置和示例性實施例的詳細說明以及權利要求中，本發(fā)明的前述的以及更好的理解可以變得顯而易見，所有這些內容形成本發(fā)明的公開內容的一部分。雖然前述的以及下文中描述的和示出的公開內容聚焦在公開本發(fā)明的布置和示例性實施例上，但是應當清楚理解的是，所述公開內容僅用以說明和示例，并且本發(fā)明不限于所述公開內容。圖1是根據一個實施例的p-1-n波導截面的掃描電鏡圖；圖2A是包括諸如圖1中示出p-1-n波導之類的p_i_n波導的俯視圖的框圖2B是沿著圖2A的線A-A’取得的p-1_n波導的截面圖；圖3是示出了波導內的光功率相對于所測量的雙光子吸收(TPA)產生的電流的曲線圖；圖4是示出了施加在波導p-1-n 二極管上的反向偏置電壓相對于所測量的TPA產生的電流的曲線圖；以及圖5是示出了集成的光子網絡的框圖，所述集成的光子網絡可以被探測以確定在波導中的任意點處的原位光功率。
具體實施例方式描述了一種用于原位光功率監(jiān)控的方法和裝置。近些年來，已經開發(fā)了諸如激光器、調制器、光電檢測器、波長轉換器和波長復用器/解復用器之類的硅光子部件。當將所有這些獨立的部件集成在單一的基于硅的平臺上時，理想的是能夠在芯片級上監(jiān)控集成系統(tǒng)的光功率。即，需要監(jiān)控在芯片上任意期望點處的光功率的能力。因此，原位功率監(jiān)控在不影響系統(tǒng)的性能的情況下識別且隔離系統(tǒng)中的故障部件方面將是有用的。本說明書中通篇提及的“一個實施例”或“實施例”意味著結合該實施例描述的特定特征、結構或特性包括在本發(fā)明的至少一個實施例中，因此，在本說明書的許多地方出現的短語“在一個實施例中”或者“在實施例中”未必都指代同一實施例。此外，特定的特征、結構或特性可以在一個或多個實施例中以任意合適的方式結合。參考圖1，其示出了 p-1-n波導截面的掃描電鏡圖。本發(fā)明的實施例在硅波導中利用非線性光效應，即雙光子吸收(TPA)，以允許對波導內的光功率進行直接探測。如圖所示，硅襯底100上可以形成有掩埋氧化物層(BOX) 102以及脊型波導104。p摻雜區(qū)域106和η摻雜區(qū)域108可以設置在脊型波導104的任意一側。氧化物層110可以形成在所述結構上，作為鈍化層。歐姆接觸部112和114可以形成在氧化物層110上，以便分別利用通孔116和118而與P摻雜區(qū)域106和η摻雜區(qū)域108形成電接觸。嵌入方框120示出了脊型波導104的放大圖。同時參考圖2Α和2Β，它們示出了框圖以更好地示出諸如圖1中所示的p-1-n波導之類的P-1-n波導。圖2A示出了根據本發(fā)明的教導的光波導211的俯視圖，并且圖2B示出了沿著圖2A的截面線A-A’取得的光波導211的截面圖。波導211可以形成在包括硅襯底200和掩埋氧化物(BOX)層202的絕緣體上硅(SOI)平臺上。光射束217可以傳播經過波導211的第一部分，并且光射束219可以繼續(xù)通過波導211的第二部分。波導211可以包括脊型區(qū)域239和板區(qū)域241。在一個實施例中，波導211的半導體材料包括帶有P+摻雜區(qū)域243和η.摻雜區(qū)域245的本征硅，所述ρ+摻雜區(qū)域243和η.摻雜區(qū)域245設置在板區(qū)域241的相對的側面且在通過波導211的光路徑或光模式218之夕卜。在一個實施例中，P+摻雜區(qū)域243耦合至地，并且η.摻雜區(qū)域245耦合至VD，使得所得到的P-1-N 二極管結構適于根據本發(fā)明的教導反向偏置。在一個實施例中，在硼作為P型摻雜劑且磷作為η型摻雜劑的情況下，摻雜劑濃度可以在IO17至1018l/cm3的量級。當然，摻雜劑類型和濃度并不限于此。在一個實施例中，波導211的脊型區(qū)域239具有寬度W=0.6 μ m，波導211具有高度H=0.5 μ m，以及0.22 μ m的蝕刻深度。如在描述的實施例中示出的，P+摻雜區(qū)域243與n+摻雜區(qū)域245之間的間隔為2.4μ m。在一個實施例中,根據本發(fā)明的教導，間隔為2.4 μ m的P+摻雜區(qū)域243和n+摻雜區(qū)域245幾乎不會帶來額外的光損耗。多個歐姆接觸部250可以形成在波導211的頂部表面上，所述歐姆接觸部250利用通孔251連接至P摻雜區(qū)域243。同樣地，多個歐姆接觸部252可以形成在波導211的頂部表面上，所述歐姆接觸部252利用通孔253連接至N摻雜區(qū)域245。歐姆接觸部250和252可以形成在沿著波導211的長度的任意期望的點處，以生成探測點，從而通過反向偏置P-1-n結構并測量TPA引起的電流而使得能夠在該點處原位確定在光導211中傳播的光功率。當光子在波導211內部傳播時，對于每兩個被吸收的光子，產生一個電子空穴對，并且可以產生電流。在無源的方案中，TPA引起的電流將在波導的表面復合。在當前的p-1-n波導方案中，本征電場掃除(swe^ )跨越波導211的TPA引起的電流，并且因此可以用電流計探針260探測到。在該過程期間，一些TPA引起的電流仍將在波導的表面與p-1-n二極管的本征電場復合。通過向該二極管施加更多的反向偏置，甚至可以生成更強的電場以收集更多的TPA引起的電流，并且因此增強所述效應。由于電流是由光子產生的，而不是通過反向偏置二極管產生的，因此可以在不改變波導的初始光響應的情況下監(jiān)控光功率。TPA被理解為非線性過程，這意味著自由載流子密度N (Z)與輸入峰值功率P(Z)有關，如:其中β是TPA吸收系數，λ ρ是光波的波長，τ eff是有效自由載流子的壽命，he是光子能量，并且Aeff是波導的有效面積。共同轉讓的美國專利7266258提供了對TPA和可以適于實施本發(fā)明的可能的波導結構的更為具體的討論，該美國專利通過參考并入本文中?，F在參考圖3，其示出了波導內部的光功率相對于所測量的雙光子吸收(TPA)產生的電流的曲線圖，并且展示了光功率與TPA電流之間的二次曲線關系(quadraticrelationship)。如圖所示,不同的曲線對應于p_i_n 二極管的各種反向偏置條件。在該實驗中，曲線代表0V、7V和15V的反向偏置電壓。對所測量數據的二次擬合顯示了光功率與所測量的電流之間存在平方功率相關性，這是TPA的鮮明特征。對于給定的光功率，通過施加15V的反向偏置電壓，觀察到功率監(jiān)控的響應度提高6倍?，F在參考圖4，其示出了向波導p-1-n 二極管施加的反向偏置電壓相對于所測量的TPA產生的電流的曲線圖。不同的曲線對應于波導內的各種輸入光功率。在該曲線圖中，示出了 0.209mW、0.177mW、0.116mW和0.052mff的光功率。通過增加反向偏置電壓，如圖所示，p-1-n功率監(jiān)控的響應度在15V處改進約6倍。因此，可以測量像0.05mff (_13dBm)那么小的光功率，其敏感度足以用于典型的片上光互連。圖5是示出了集成的光子網絡的框圖，根據一個實施例，所述集成的光子網絡可以被探測以在波導中的任意點處原位確定光功率。網絡可以形成在SOI襯底500上，并且可以包括任意數目和類型的設備。在該示例中，根據本發(fā)明的實施例，所述網絡可以包括一個或多個激光器502、常規(guī)的功率監(jiān)控器504、調制器506、WDM復用器(MUX) 508、連接的光纖以及各種P-1-n波導211的網絡?？梢詫⑻綔y點520(其可以對應于參考圖2A和圖2B討論的歐姆接觸部250和252)設置在沿著P-1-n波導211的任意的多個位置處?？梢詫⑦@些探測點520反向偏置，并且包括電流計的探針設備530可以用來檢測在該點處的TPA引起的電流，從而確定在該點處的波導內的光功率。除了其它原因，這對確定網絡中的附近的部件的健康或故障可以是有用的。如上所述，實施例包括將ρ型摻雜劑注入波導的一側的所選擇的區(qū)域，并且將η型摻雜劑注入另一側。一旦激活了摻雜劑且沉積了金屬接觸部，就形成P-1-n結構。實施例將p-1-n結構結合到波導中，當前的無源的波導設備中沒有所述p-1-n結構。這允許在存在P-1-n接觸部的任何地方探測TPA產生的電流。該方法相對于常規(guī)的功率監(jiān)控方案具有優(yōu)勢，因為P-1-n結構可以設置在沿著波導的任意位置，所以可以從樣品的頂部表面沿著波導的多個部分探測和監(jiān)控光功率，而非從端面監(jiān)控光輸出。包括摘要中描述的內容的對本發(fā)明的示出的實施例的上述描述不是意在毫無遺漏的，或是將本發(fā)明限制為所公開的精確形式。雖然為例示性的目的在本文中描述了本發(fā)明的具體實施例和示例，但是，如本領域技術人員將意識到的，在本發(fā)明的范圍內的各種等同形式的修改也是可能的?？梢栽诳紤]到上述詳細的描述的情況下，做出對本發(fā)明的這些修改。在以下的權利要求中使用的術語不應當被解釋為將本發(fā)明限制為在說明書和權利要求中所公開的具體實施例。恰恰相反，本發(fā)明的范圍將完全由以下的權利要求確定，將根據已建立的權利要求的解讀原則來解釋所述權利要求。
權利要求
1.一種裝置，包括: 波導，形成在絕緣體上硅(SOI)襯底上； P摻雜區(qū)域，位于所述波導的第一側； η摻雜區(qū)域，位于所述波導的相對側， 其中，當所述P摻雜區(qū)域和所述η摻雜區(qū)域被反向偏置時，通過測量雙光子吸收(TPA)產生的電流來監(jiān)控所述波導中的光功率。
2.根據權利要求1所述的裝置，進一步包括: 電接觸部，位于所述波導的頂部表面上，電連接至所述P摻雜區(qū)域和所述η摻雜區(qū)域。
3.根據權利要求2所述的裝置，其中，將用電流計探測所述電接觸部。
4.根據權利要求2所述的裝置，其中，所述電接觸部設置在沿著所述波導的多個位置。
5.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述波導包括脊型波導。
6.根據權利要求1所述的裝置，其中，在以硼作為P型摻雜劑且以磷作為η型摻雜劑的情況下，摻雜劑濃度在IO17至1018l/cm3的量級。
7.根據權利要求1所述的裝置，其中，所述SOI襯底包括多個有源和無源部件。
8.一種方法，包括: 在絕緣體上硅(SOI)襯底上形成`波導； 在所述波導的第一側形成P摻雜區(qū)域； 在所述波導的相對側形成η摻雜區(qū)域； 將反向偏置電壓施加到所述P摻雜區(qū)域和所述η摻雜區(qū)域； 測量在施加所述反向偏置電壓時所生成的雙光子吸收(TPA)產生的電流；以及 基于所述TPA產生的電流確定所述波導中的光功率。
9.根據權利要求8所述的方法，進一步包括: 在沿著所述波導的長度的多個位置處形成多個電接觸部，以便反向偏置所述P摻雜區(qū)域和所述η摻雜區(qū)域。
10.根據權利要求9所述的方法，進一步包括: 在所述多個位置中的任意一個位置處用電流計進行探測，以監(jiān)控該位置處的所述波導中的光功率。
11.根據權利要求8所述的方法，其中，所述反向偏置電壓的范圍為從OV至15V。
12.根據權利要求8所述的方法，其中，在以硼作為P型摻雜劑且以磷作為η型摻雜劑的情況下，摻雜劑濃度在IO17至1018l/cm3的量級。
13.—種系統(tǒng),包括: 集成的光子網絡，包括多個有源的和無源的設備； 多個波導，光連接所述多個有源的和無源的設備； P摻雜區(qū)域，位于所述波導的第一側； η摻雜區(qū)域，位于所述波導的相對側； 位于沿著所述多個波導的點處的多個電接觸部，用于反向偏置所述P摻雜區(qū)域和η摻雜區(qū)域； 用于測量任意一點處所生成的雙光子吸收(TPA)產生的電流的模塊。
14.根據權利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述集成的光子網絡集成在SOI襯底上。
15.根據權利要求12所述的系統(tǒng)，其中，所述集成的光子網絡包括由所述多個波導連接的激光器和檢測器和調制器和復用器中的任何設備。
16.根據權利要求12所述的系統(tǒng)，其中，用于測量的所述模塊包括用于測量電流的探針。
17.根據權 利要求16所述的系統(tǒng)，其中，所述探針包括電流計。
全文摘要
提供一種在不影響設備或系統(tǒng)性能的情況下監(jiān)控波導內部的光功率的直接的方法，以代替監(jiān)控從波導出來的光功率。波導包括p-i-n結構，所述p-i-n結構引起TPA產生的電流并且可以用反向偏置二極管增強。TPA電流可以通過探測設置在波導的頂部表面上的金屬接觸部來直接測量，并且可以使得能夠進行晶圓級測試。可以在遍及集成的網絡的期望的點處實施p-i-n結構，從而允許對不同設備進行探測，以用于原位功率監(jiān)控和故障分析。
文檔編號G01J3/02GK103140743SQ201180047209
公開日2013年6月5日 申請日期2011年9月27日 優(yōu)先權日2010年9月30日
發(fā)明者H·榮, I-W·A·謝, M·J·帕尼恰 申請人:英特爾公司