具有片上光學(xué)增益測(cè)量結(jié)構(gòu)的光子電路器件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明一般涉及光子電路器件的領(lǐng)域，特別是，涉及光學(xué)增益測(cè)量。
【背景技術(shù)】
[0002] 硅光子涉及光子系統(tǒng)，這種情況下，由于材料的低損耗，硅用于光傳播的介質(zhì)。硅 光子使用互補(bǔ)性金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)電子元件中利用的眾所熟知的硅制造原理。通常 以次微米精度將特征圖案化至微光子部件中（以在紅外光中操作）。絕緣體上硅(SOI)典型 地用作選擇的材料。硅光子器件的制造可另外涉及已知的半導(dǎo)體制造技術(shù)；因?yàn)榇蠖鄶?shù)集 成集成電路已將硅用作基板選擇，創(chuàng)建混合式器件是可能的，在該混合式器件中將光學(xué)及 電子部件集成至單芯片上。
[0003] 為滿足未來計(jì)算系統(tǒng)的要求，需要片上電互連件的高速及節(jié)能的替代器件。集成 集成光學(xué)，特別是硅光子滿足這樣的要求。需要用于大規(guī)模制造低成本、高效能的基于CMOS 的芯片的具有相容光源的集成光學(xué)互連件。由于硅的間接能帶隙，無可用的硅基光源。有效 光源典型地基于異質(zhì)或混合集成于硅光子平臺(tái)上的III-V族半導(dǎo)體。
[0004] 迄今最有前景的方法訴諸于將基于III-V族的完全外延增益層堆疊或薄晶種層 (可經(jīng)受連續(xù)的再生長)接合至硅光子波導(dǎo)的頂部。在其中任一情況下，要測(cè)量、表征及評(píng)估 激光結(jié)構(gòu)或光源，則需要特殊的測(cè)試結(jié)構(gòu)，以便了解關(guān)鍵器件參數(shù)。關(guān)鍵參數(shù)之一為光學(xué)增 益。增益的計(jì)算并不非常精確，因此需要測(cè)量該增益，以模型化增益層，且因此最佳化有源 光學(xué)器件，諸如激光或光學(xué)放大器。然而，對(duì)于片上應(yīng)用(諸如硅光子），增益測(cè)量非常具有 挑戰(zhàn)性。原因?yàn)楝F(xiàn)有技術(shù)及方法涉及裂開刻面或要求許多器件，這不為片上應(yīng)用中的實(shí)現(xiàn) 所需，因?yàn)樵摲椒ㄙM(fèi)時(shí)、具有破壞性和/或由于大量消耗占用面積。而且，這樣的技術(shù)可能要 求高解析度分光計(jì)，以便解析輸出功率譜中的振蕩。此外，大多數(shù)現(xiàn)有概念僅可提取閾值以 下或閾值周圍的光學(xué)增益，這對(duì)于激光器件的操作為常見模式。因此，在所感興趣發(fā)光器件 中使用的實(shí)際栗送條件（即栗送電流密度等于目標(biāo)激光的操作條件)下，已知的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)并 不可能表征增益材料的操作條件的增益性質(zhì)。
[0005] 總之，不存在允許簡(jiǎn)單測(cè)量片上光學(xué)器件的增益的適當(dāng)器件，即，不制造多個(gè)器 件，必須使器件裂開或研磨器件的刻面，以將多個(gè)接觸應(yīng)用至增益測(cè)量結(jié)構(gòu)，或以在實(shí)際栗 送/操作條件下精確測(cè)量閾值以上的增益。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 根據(jù)第一方面，本發(fā)明體現(xiàn)為一種用于光學(xué)增益測(cè)量的光子電路器件，該光子電 路器件包含：
[0007] _基板，該基板具有光子電路，該光子電路包含一個(gè)或多個(gè)波導(dǎo)，該波導(dǎo)限定沿相 同方向?qū)?zhǔn)的兩個(gè)波導(dǎo)部分；
[0008] -有源增益區(qū)，該有源增益區(qū)位于基板的頂部上，且耦合在器件中通過電栗送或光 學(xué)栗送產(chǎn)生光；
[0009] -至少兩個(gè)光耦合器，該耦合器經(jīng)布置以使得該有源增益區(qū)的至少一部分位于該 光耦合器之間，且配置為耦合有源增益區(qū)與該波導(dǎo)部分之間的光；以及
[0010] -部分反射器，該部分反射器經(jīng)布置，以便將沿該相同方向傳播的光反射回該增益 區(qū)的中心，
[0011] 且其中，該器件并不包含相對(duì)于該有源增益區(qū)與該部分反射器相對(duì)，且配置為將 光反射回增益區(qū)的中心的任何其他反射器。
[0012]在實(shí)施例中，該光親合器沿所述相同方向縱向延伸。
[0013] 優(yōu)選地，該光耦合器各自包含至少一個(gè)錐形部分，所述錐形部分終止波導(dǎo)部分或 連接至有源增益區(qū)，且其中，優(yōu)選地，該錐形部分實(shí)質(zhì)上各自具有拋物線形狀。
[0014] 在優(yōu)選實(shí)施例中，該光耦合器各自包含兩個(gè)錐形部分，該錐形部分相反取向且重 疊，其中該兩個(gè)錐形部分的第一個(gè)終止各自的波導(dǎo)部分，該兩個(gè)錐形部分的第二個(gè)連接至 該有源增益區(qū)。
[0015] 優(yōu)選地，該波導(dǎo)部分的每個(gè)包含額外的光親合器，部分反射器位于該光親合器的 一個(gè)與這樣的額外的光耦合器之間，其中每個(gè)額外的光耦合器優(yōu)選地位于波導(dǎo)部分的所述 每個(gè)的一端，該一端與波導(dǎo)部分的所述每個(gè)的另一端(最接近該光親合器的一端)相對(duì)。
[0016] 在實(shí)施例中，額外的光親合器為光柵親合器，該光柵親合器配置為能夠垂直測(cè)量 在所述額外的光耦合器處發(fā)射的光。
[0017] 優(yōu)選地，光子電路為硅光子電路，且更優(yōu)選地，該基板進(jìn)一步包含除光子電路之外 的電路。
[0018]在優(yōu)選實(shí)施例中，該波導(dǎo)部分各自直接在該器件的介電層上延伸，其中，優(yōu)選地介 電層位于該基板的頂部上，且該介電層的厚度超過1微米。
[0019] 優(yōu)選地，該一個(gè)或多個(gè)波導(dǎo)的每個(gè)與接合層接觸，且各波導(dǎo)優(yōu)選地部分嵌入該接 合層中，且各波導(dǎo)更優(yōu)選地具有與接合層表面齊平的一個(gè)表面，所述接合層優(yōu)選為以下的 一個(gè):聚合物;Si〇2;或Al 2〇3或它們的任意組合。
[0020] 在實(shí)施例中，增益區(qū)包含以下的一個(gè)或多個(gè):III-V族半導(dǎo)體材料、II-VI族半導(dǎo)體 材料，諸如鍺的半導(dǎo)體、諸如硅鍺的半導(dǎo)體合金、聚合物、包含嵌入量子點(diǎn)及/或量子線的材 料或量子阱材料。
[0021] 優(yōu)選地，該增益區(qū)為III-V族半導(dǎo)體材料增益區(qū)，該增益區(qū)包含：
[0022] -底部接觸層，該底部接觸層包含第一金屬接觸;及
[0023] -上部分，該上部分位于底部接觸層的頂部，且包含第二金屬接觸。
[0024] 在優(yōu)選實(shí)施例中，該增益區(qū)包含外延層堆疊，該外延層堆疊包括n型摻雜半導(dǎo)體， 該n型摻雜半導(dǎo)體的至少部分形成該底部接觸的至少部分，且其中該外延層堆疊進(jìn)一步包 含上堆疊，該上堆疊形成III-V族半導(dǎo)體材料增益區(qū)的所述上部分的至少部分，且該上堆疊 自身包含：
[0025] -第一本征半導(dǎo)體，該第一本征半導(dǎo)體位于該n型摻雜半導(dǎo)體的頂部上；
[0026] -多量子阱區(qū)，該多量子阱區(qū)位于該第一本征半導(dǎo)體的頂部上；
[0027] -第二本征半導(dǎo)體，該第二本征半導(dǎo)體位于該多量子阱區(qū)的頂部上；以及
[0028] -p型摻雜半導(dǎo)體，該p型摻雜半導(dǎo)體位于該第二本征半導(dǎo)體的頂部上。
[0029] 在特定的優(yōu)選實(shí)施例中，該光子電路包含兩個(gè)波導(dǎo)，每個(gè)波導(dǎo)限定該波導(dǎo)部分的 一個(gè)；以及該光耦合器配置為使該有源增益區(qū)（一方面)與該兩個(gè)波導(dǎo)的每個(gè)(另一方面)之 間的光能夠耦合，其中該兩個(gè)光耦合器的每個(gè)包含兩個(gè)錐形部分，該錐形部分相反取向且 重疊，且其中：
[0030] -該兩個(gè)錐形部分的第一個(gè)形成該波導(dǎo)部分的一個(gè)的一端；以及
[0031] -該兩個(gè)錐形部分的第二個(gè)連接至該有源增益區(qū)，且優(yōu)選地形成該有源增益區(qū)的 一部分。
[0032] 在變型中，該光子電路僅包含限定該兩個(gè)波導(dǎo)部分的一個(gè)波導(dǎo)，該波導(dǎo)優(yōu)選地具 有變化的橫截面，該變化的橫截面更優(yōu)選地具有中間部分，該中間部分與該波導(dǎo)的外部分 相比具有減小的寬度，其中外部分限定所述兩個(gè)波導(dǎo)部分。
[0033] 根據(jù)另一個(gè)方面，本發(fā)明可體現(xiàn)為一種光學(xué)增益測(cè)量的方法，該方法包含以下步 驟：
[0034]提供根據(jù)以上實(shí)施例的任一個(gè)的器件，其中所述兩個(gè)波導(dǎo)部分包含第一波導(dǎo)部分 及第二波導(dǎo)部分；
[0035] 通過電栗送或光學(xué)栗送激發(fā)該增益區(qū)，以在該增益區(qū)中產(chǎn)生光；
[0036] 經(jīng)由光耦合器使得所產(chǎn)生的光轉(zhuǎn)移至兩個(gè)波導(dǎo)部分中的每個(gè)，在該部分反射器處 部分地反射該光；以及
[0037]感測(cè)從該第一波導(dǎo)部分發(fā)射的光的光功率及從該第二波導(dǎo)部分發(fā)射的光的光功 率兩者，以評(píng)估該有源增益區(qū)的光學(xué)增益，其中執(zhí)行感測(cè)以使得：
[0038] 從該第一波導(dǎo)部分發(fā)射的該光包含以下兩者：
[0039] 經(jīng)產(chǎn)生且直接轉(zhuǎn)移至該第一波導(dǎo)部分的光；以及
[0040] 經(jīng)產(chǎn)生、在部分反射器處經(jīng)反射且隨后轉(zhuǎn)移至第一波導(dǎo)部分的光，以及 [0041]從該第二波導(dǎo)部分發(fā)射的所述光包含在該部分反射器處不反射的光。
[0042] 在實(shí)施例中，所提供的器件的波導(dǎo)部分的每個(gè)包含額外光耦合器，該部分反射器 位于該光耦合器的一個(gè)與這樣的額外的光耦合器之間，該額外的耦合器優(yōu)選地位于波導(dǎo)部 分的所述每個(gè)的一端，該一端與波導(dǎo)部分的所述每個(gè)的另一端(最接近該光親合器額一端） 相對(duì)；以及在該額外的光耦合器處感測(cè)發(fā)射的光的光功率，以評(píng)估該有源增益區(qū)的光學(xué)增 益。
[0043] 優(yōu)選地，經(jīng)由位于該額外的光耦合器的每個(gè)附近的光纖或光檢測(cè)器執(zhí)行感測(cè)該光 功率的步驟。
[0044] 現(xiàn)將通過非限制性示例且參照附圖描述的體現(xiàn)本發(fā)明的器件、設(shè)備及方法。在圖 中未按比例描繪技術(shù)特征。
【附圖說明】
[0045]圖1至圖6、圖7及圖8A顯示在光子電路器件制造的多種階段及根據(jù)實(shí)施例的光子 電路器件的簡(jiǎn)化表示的3D圖。圖1至圖5描繪在該制造的中間階段的器件；
[0046]圖6B及圖8B分別示意性地示出圖6A及圖8A的器件的俯視圖；
[0047]圖9顯示與圖8B中相同的俯視圖，且根據(jù)本發(fā)明方法的實(shí)施例進(jìn)一步示出如何在 器件中產(chǎn)生、轉(zhuǎn)移、傳播及反射光；
[0048]圖10為流程圖，該流程圖示出根據(jù)實(shí)施例的測(cè)量器件(諸如圖1至圖9及圖11至圖 15中所描繪的器件）中光學(xué)增益的方法的高級(jí)步驟；
[0049] 圖11為諸如圖8中描繪的器件的簡(jiǎn)化表示的橫截面圖；
[0050] 圖12為圖8的器件的變型的簡(jiǎn)化表示的橫截面圖；
[0051] 圖13為圖8的器件的另一變型的簡(jiǎn)化表示的橫截面圖；
[0052] 圖14為諸如圖8中描繪的器件的簡(jiǎn)化表示的(縱向）側(cè)視圖；以及
[0053]圖15為實(shí)施例中涉及的形成III-V族半導(dǎo)體材料增益區(qū)（的部分)的外延層堆疊的 剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0054]本文描述結(jié)構(gòu)如下。首先描述一般實(shí)施例及高級(jí)變型（第一部分）。接下來的部分 討論更具體的實(shí)施例及技術(shù)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)(第二部分）。
[0055] 1、一般實(shí)施例及高級(jí)變型
[0056]參照?qǐng)D1至圖9及圖11至圖15,首先描述本發(fā)明的一方面，該方面關(guān)于用于光學(xué)增 益測(cè)量的光子電路器件1〇〇。此器件具備片上增益測(cè)量結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使得易于測(cè)量有源增益 區(qū)的光學(xué)增益測(cè)量成為可能。
[0057]首