CN108351467B - 具有介质波导的化合物半导体光子集成电路 - Google Patents
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Abstract
通过外延在衬底上生长一种光子集成电路（PIC）。该PIC包括至少一个有源元件、至少一个无源元件和介质波导。至少一个有源和无源元件形成在衬底之上并且彼此光接触。该介质波导形成在衬底之上，并且与该至少一个有源和无源元件光接触。使用III‑V化合物半导体材料来形成该至少一个有源元件和无源元件。
Description
技术领域
本发明涉及光子集成电路并且更特别地涉及半导体衬底和光子集成电路上的介质波导和介质结构。
背景技术
光子集成电路（PIC）将不同光功能集成在单个光子芯片上。PIC实现了使用高体积半导体晶片制造技术来产生复杂光电路。归因于上面提到的能力，PIC被用在光通信网络中。相应地，它们提供降低部件覆盖区、消除多个封装问题和多个光对准，并且最终实现在大规模消费类光子产品的生产中的前所未有的成本效率和体积可伸缩性。
在应用背景中，当有源波导器件（诸如激光、光电探测器等）与无源波导器件和波导电路的元件相组合从而在芯片上形成具有最小光端口的高功能光子系统时，PIC的优点变得尤其引人注目。通过电手段调制光信号的有源器件通常由人工生长的半导体制成，所述半导体具有可调整至其特定应用的功能和波长范围的带隙结构。这些半导体被利用作为PIC的基底材料。因此，基于半导体的PIC是有前途的解决方案，在基于半导体的PIC中在单个单片半导体芯片中实施诸如光信号检测、调制和光信号发射的若干功能。此外，磷化铟（InP）以及其相关III-V半导体材料系统提供附加的益处，因为它们允许制造在1300nm和1550nm附近的重要波长范围中（即在玻璃纤维的两个占优势的低损耗传输窗口中）操作的有源器件。然而，即使是这样的单片集成也能够提供成本障碍，其中设计方法差、制造产量低、制造过程复杂、并且外延生长过程重复昂贵。因此，结合已建立的晶片制造技术的单步外延晶片生长方法已作为进一步实现降低的光部件成本的一种手段而受到关注。
备选地，可以采用砷化镓（GaAs）和砷化铝镓（AlGaAs）来用于850nm和1300nm PIC。进一步地，可以通过开发采用铟（In）、镓（Ga）、铝（Al）、砷（As）和磷（P）的其他第三和三元半导体材料来跨可见和近紫外区采用PIC。由外延生长的半导体异质结构组成的PIC内的任何波导器件的功能是由其波段结构并且更特别地由（一个或多个）波导芯层、（一个或多个）覆层和衬底的带隙波长预先确定的。因此，功能不同的器件通常由不同的、但兼容的半导体材料制成，尽管通过有针对性的设计一些结构可以提供具有反向偏置极性的光放大和光电检测。然而，衬底和波导设计的选择对PIC的设计和制造两者有着深远的影响。
在范围自波分复用器（WDM）、波分解复用器（也被称为WDM）、光功率（信道）监测器、可重构光分插复用器（ROADM）和动态增益（信道）均衡器（DGE/DCE）的若干PIC中，基于每个波长来对至少一个多波长信号进行光谱色散、检测、监测和处理。对于多波长信号阵列，基于每个波长来监测和处理多波长信号阵列，然后将其复用以形成多波长输出信号。这些PIC必须操作在预定信道波长规划（即O波段（原始的；I260nm≤λ≤ I360nm）；E波段（扩展的，I360nm≤λ≤ I460nm）；S波段（短的；I430nm≤λ≤ I530nm）；C波段（常规的；I530nm≤λ≤I565nm）；以及L波段（长的；I565nm≤λ≤1625nm））上，因为不同的波长光信号通常是从多个远程且分立的发射机提供的。信道波长规划是由国际电信联盟在ITU-T G.694.1“SpectralGrids for WDM applications: DWDM Frequency Grid”中定义的。相应地，ITU-T G.694.1根据如下面示出的等式（1）来定义利用12.5GHz、25GHz、50GHz和100GHz的信道间隔的固定栅格：
193.1THz + n*Spacing/1000 （1）
在这里Spacing=12.5GHz、25GHz、50GHz和100GHz，并且在光谱的C和L波段内n≥0。
还存在灵活栅格，其具有中心处在193.1THz+n*0.00625（在这里n≥ 0），即在6.25Ghz中心处的信道和由12.5GHz*m（在这里m≥ 0，）定义的信道带宽。代替密集的WDM（DWDM），其他系统利用如由ITU-T G.694.2规定的粗WDM（CWDM），该ITU-T G.694.2定义具有20nm信道间隔的从1271nm直至1611nm的波长。
在操作温度范围0℃≤T≤70℃（即在内部客户处所和电信安装期间）以及对于外部工厂的- 40℃≤T≤85℃上，PIC的温度稳定性变成一个设计约束。进一步地，按~0.8nm（100GHz）和~0.4nm（50GHz）的信道间隔，以
为单位的温度依赖性变得重要。然而，InP展示~0.1
的温度灵敏度，以使得在0℃≤T≤70℃上，波长在100GHz/50GHz处将分别移位~7nm和~9/~18信道。照此，通过加热器和热电冷却器的温度控制已经变成InP和其他化合物半导体PIC内的标准。然而，当我们从考虑单个DFB激光器移动直至4信道、16信道、和40信道PIC（诸如具有集成光电二极管的CWDM和DWDM接收器）时，管芯覆盖区显著增加（这主要来自于WDM部件），以使得有效温度稳定变得越来越难实现。此外，存在随着集成产生的附加问题，例如邻近元件等等之间的热串扰。
现在参考图1，示出根据现有技术的设计的InP和SiO2中阶梯光栅的温度相关的波长偏移。首先图表100A示出具有高斯带通特性的InP中阶梯光栅WDM的一个信道的预期透射移位。峰值在85℃上移位近似+7.6nm，对应于
。因此，为了部署这样的InP WDM，必须通过某种形式的补偿来修改WDM的有效
，以使得环境温度
的影响降低。在现有技术内，这可以通过利用热电冷却器来将InP管芯温度保持在标称值（例如
=35℃）或通过利用电阻金属迹线的芯片上微加热器的采用以使得标称InP管芯温度设置在最大操作温度以上（例如
=70℃-85℃）以便避免在
=100℃下的控制问题。在现有技术内，还已知可以通过集成具有相反
的第二波导区段或通过修改波导设计来包括具有负的
的覆层材料来补偿对于材料的固有折射率变化的补偿，以使得波导的有效温度诱导指数变化降低。
然而，加热器和热电冷却器可能需要大量的电功率消耗，并且而且即使对于仅仅无源DWDM也对管芯封装强加复杂的热管理要求，以确保即使在考虑有源器件之前的均匀温度。此外，负温度系数材料（即
＜0）通常是聚合的并且具有低系数以使得补偿高
材料（诸如InP）需要大量的波导基板面来实现预期的平衡。然而，其他波导材料系统提供不同的
以及因此
。例如，参考第二图表100B，在那里绘制了具有高斯带通特性的SiO2中阶梯光栅WDM的一个信道的预期透射移位。与
相比，石英提供
以使得在80℃上中心波长移位≈0.8mm，其等同于
，数量级低于InP。
此外，当将InP波导沉积在SiO2衬底上时，归因于InP波导的晶格结构和SiO2之间的失配，InP波导由于InP波导和SiO2衬底之间的高应力而断裂。
因此向PIC设计者提供与在化合物半导体PIC上的单片集成兼容的备选WDM将是有益的，其提供非热性能以使得WDM元件的温度控制会显著降低，热管理问题得以解决，并且其消耗较少功率。
发明内容
本发明的一个目标是减轻与光子集成电路有关，并且更特别地与半导体衬底和光子电路上的介质波导和介质结构有关的现有技术中的限制。
在一个实施例中，提供一种光子集成电路（PIC）。该PIC通过外延在衬底上生长。该PIC包括至少一个有源元件、至少一个无源元件和介质波导。该至少一个有源和无源元件形成在衬底上并且彼此光接触。该介质波导形成在衬底上，并且与有源和无源元件中的至少一个光接触。使用III-V化合物半导体材料来形成该至少一个有源元件和至少一个无源元件中的每一个。
在另一实施例中，提供一种用于在衬底上制造光子集成电路的方法。该方法包括提供衬底。该方法还包括在衬底上提供包括第一多个层的化合物半导体结构。该方法进一步包括在衬底和化合物半导体结构的预定部分中的至少一个内蚀刻多个垂直特征。该方法进一步包括在衬底上沉积包括第二多个层的第一介质结构以使得该介质结构邻接多个垂直特征。
在又一实施例中，提供一种用于在衬底上制造光子集成电路的方法。该方法包括提供衬底。该方法进一步包括在衬底上提供包括多个第一层的第一III-V化合物半导体结构。该方法进一步包括在衬底和第一III-V化合物半导体结构的预定部分中的至少一个内蚀刻第一多个垂直特征。该方法进一步包括提供第二III-V化合物半导体结构来形成掩埋波导和光栅结构中的至少一个。该方法进一步包括在衬底和第二III-V化合物半导体结构中的至少一个内蚀刻第二多个垂直特征。该方法进一步包括在衬底上沉积包括第二多个层的第一介质结构以使得该第一介质结构进行邻接和填充第二多个垂直特征的第一预定部分中的至少一项。该方法进一步包括蚀刻第一介质结构以形成介质波导。
本发明的各种实施例提供一种具有通过外延生长在由III-V化合物半导体材料制成的衬底上的波导的光子集成电路（PIC）。该PIC包括至少一个有源元件、至少一个无源元件和介质波导。该至少一个有源和无源元件形成在衬底上并且彼此光接触。该介质波导形成在衬底上，并且与至少一个有源和无源元件光接触。使用III-V化合物半导体材料来形成该至少一个有源和无源元件中的每一个。
该介质波导由折射率随温度变化较低的材料组成。为了降低功率损耗，介质波导与PIC的波导模式匹配。该PIC进一步包括沉积在波导和介质波导之间以降低薄膜干扰的影响的抗反射涂层层。因为在温度控制中不涉及加热器和热电冷却器，所以PIC的总尺寸降低。
在结合附图审阅本发明的具体实施例的以下描述时，本发明的其他方面和特征对本领域普通技术人员来说将变得显而易见。
附图说明
所附绘图的详细描述意图作为本发明的当前优选实施例的描述，并且不意图表示可以在其中实践本发明的唯一形式。要理解可以由意图包括在本发明的精神和范围内的不同实施例来完成相同或等同功能。现在将参考附图仅通过示例的方式来描述本发明的实施例，在其中：
图1是示出根据现有技术设计的对于InP和SiO2中阶梯光栅的温度相关波长偏移的曲线图；
图2是根据本发明的一个实施例的利用低、中和高信道数波分复用器和解复用器的第一直至第三光网络的示意性框图；
图3A是根据本发明的一个实施例的光子集成电路（PIC）的顶视图；
图3B是根据本发明的一个实施例的支持图3A的PIC的InP和InP上SiO2波导区段的光接收器的高级示意性横截面。
图4A是根据本发明的一个实施例的图3A的PIC的顶视图；
图4B是根据本发明的另一实施例的图3A的PIC的顶视图；
图5A是根据本发明的另一实施例的图3A的PIC上的具有薄膜滤波器的介质“之字形”波导的顶视图；
图5B是根据本发明的另一实施例的具有抗反射层的图5的介质波导的横截面视图；
图6A是根据本发明的一个实施例的光斑大小转换器（SSC）的横截面视图；
图6B是根据本发明的一个实施例的图6A的光SSC的顶视图；
图6C是根据本发明的一个实施例的图6A的光SSC的模式的等值线图和功率曲线；
图7是根据本发明的一个实施例的利用低应力SiOXNY光波导区段的图3A的PIC的波导结构的横截面；
图8是根据本发明的另一个实施例的利用具有抗反射涂层的InP上Si3N4光波导区段的图3A的PIC的波导结构的横截面；
图9是示出根据本发明的另一个实施例的具有模制在SiO2上的Si3N4干扰层的InP上Si02光波导的光反射率的模拟的曲线图；
图10是根据本发明的另一实施例的利用具有Si02-Si3N4反射率降低结构的InP上SiOXNY光波导区段的图3A的PIC的波导结构的横截面；
图11是示出根据本发明的另一个实施例的具有图10的Si02-Si3N4反射率降低结构的InP上SiOXNY光波导区段的光反射率的模拟的曲线图；
图12和13是示出根据本发明的另一实施例的对于图10的波导结构的光建模结果的模拟和曲线图；
图14是根据本发明的另一实施例的利用具有SiO2-SiOXNY滤波器的InP上SiOXNY光波导区段的图3A的PIC的波导结构的横截面；
图15A和15B分别是根据本发明的一个实施例的图3A的PIC中的嵌入式介质波导的顶视图和横截面视图；
图15C是示出根据本发明的一个实施例的在耦合至III-V波导的图15A和15B的介质波导中的测得的光信号的曲线图；
图16是根据本发明的一个实施例的用于制造图3A的PIC的流程图；以及
图17是根据本发明的另一个实施例的用于制造图3A的PIC的流程图。
具体实施方式
本发明涉及光子集成电路并且更特别地涉及半导体衬底和光子电路上的介质波导和介质结构。
接下来的描述仅提供（一个或多个）示例性实施例，并且不意图限制本公开的范围、适用性或配置。相反地，接下来的（一个或多个）示例性实施例的描述将向本领域技术人员提供用于实施示例性实施例的有条件完成的描述。要理解可以在不偏离所附权利要求中阐述的精神和范围的情况下对元件的功能和布置做出各种改变。
如在本文中以及遍及本公开使用的“发射器”或“分布反馈（DFB）激光器”或“发光二极管（LED）”指代但不限于使用诸如半导体结、pn结、pin结、量子结构和量子点之类的半导体发光结构的光发射器的类型。此类结构可以包括用来生成单个或多个波长的单个或多个量子结构和结以及其组合。此类光发射器可以包括但不限于半导体LED、半导体DFB激光器、半导体外部腔激光器（ECL）、和固定波长发射器和可调发射器。此类光发射器利用光器件内的电子和空穴的复合来生成光子，其颜色（对应于光子的能量）通过在其内生成它们的半导体的能量带隙来确定。
如在本文中以及遍及本公开使用的“半导体”指代但不限于具有落在导体和绝缘体的电导率值之间的电导率值的材料。该材料可以是单质材料或化合物材料。半导体可以包括但不限于单质、二元合金、三元合金和四元合金。使用一个或多个半导体形成的结构可以包括单个半导体材料、两个或更多半导体材料、单组成的半导体合金、两个或更多分立组成的半导体合金、以及从第一半导体合金缓变至第二半导体合金的半导体合金。半导体可以是未掺杂（本征）的、p型掺杂的、n型掺杂的、掺杂从一种类型的第一掺杂水平到相同类型的第二掺杂水平缓变的、以及掺杂从一种类型的第一掺杂水平到不同类型的第二掺杂水平缓变的中的一种。半导体可以包括但不限于III-V半导体，诸如在铝（Al）、镓（Ga）、和铟（In）与氮（N）、磷（P）、砷（As）和锡（Sb）之间的那些，包括例如GaN、GaP、GaAs、InP、InAs、A1N和AlAs。
如在本文中以及遍及本公开使用的“金属”指代但不限于，作为容易失去外壳电子的结果而具有良好电导率和热导率的材料（单质、化合物和合金）。这可以包括但不限于金、铬、铝、银、铂、镍、铜、铑、钯、钨以及这样的材料的组合。
如在本文中以及遍及本公开使用的“电极”、“接触件”、“轨迹”、“迹线”或“电端子”指代但不限于具有光学上不透明的电导率的材料。这包括由例如具有包括但不限于诸如金、铬、铝、银、铂、镍、铜、铑、钯、钨以及这些材料的组合之类的金属的材料的薄膜、厚膜和镀膜形成的结构。其他电极配置可以采用金属的组合（例如铬粘附层和金电极层）。
如在本文中以及遍及本公开使用的“量子结构”指代但不限于在一个或多个轴上具有物理尺寸的半导体结构，其中所述物理尺寸足够小使得电子和空穴的性质受量子力学和量子电性质支配。这可以包括但不限于：量子点，其是足够小使得其激子被约束在所有三个空间维度中的半导体材料的纳米晶体；量子阱，其中激子被约束在一个维度以使得它们可以在平面层中移动；以及量子线，其中激子被约束在两个维度中。“量子结构”可以包括但不限于分立量子结构（诸如胶状量子点）、分立量子线（诸如纳米管）、半导体结构内的量子结构（诸如纳米线内的量子点）、另一量子结构内的量子结构（诸如量子阱内的量子点或另一量子点内的量子点）。
如在本文中以及遍及本公开使用的“衬底”指代但不限于可以在其上生长半导体结构（诸如本发明的实施例和PIC）的表面。这可以包括但不限于InP、GaAs、硅、硅上石英、石英、聚合物上石英、玻璃、金属、陶瓷、聚合物或其组合。
如在本文中以及遍及本公开使用的“模式”指代由具有随着沿该“模式”的传播方向的平移不变的结构的媒介支持的电磁辐射的配置。这包括但不限于：约束到波导的电磁波谱的可见至近红外区内的电磁辐射的模式。
如在本文中以及遍及本公开使用的“光波导”、“介质波导”或“波导”指代但不限于，支持预定波长范围内的光信号的传播的、沿着传播方向不变的介质媒介或媒介的组合。光波导可以以下各项中至少一个：包括至少芯和覆层（例如光纤）、形成为载体的一部分、形成在衬底内（例如平面光波电路、光子集成电路、集成光器件）的隔离结构和光波导。这包括但不限于由压型玻璃、压型掺杂石英、压型硫系玻璃和聚合物形成的柔性光波导。这进一步包括但不限于形成在以下各项内的光波导：AlGaAs-GaAs材料系统、InGaAs-InP材料系统、离子交换玻璃、离子交换铁电材料（例如质子交换的LiNbO3）、掺杂铁电材料（例如钛掺杂的铌酸锂）、绝缘体上石英、硅上石英、掺杂硅、离子注入硅、硅上聚合物、硅上氮氧化硅、硅上聚合物、绝缘体上硅（SOI）和聚合物上聚合物。
如在本文中以及遍及本公开使用的“光纤”指代传送预定波长范围上的光信号的柔性光波导。这包括但不限于阶跃折射率光纤、缓变折射率光纤、石英光纤、硫系玻璃光纤、以及聚合物光纤。此类光纤可以是支持多个模式的多模光纤。此类光纤可以是圆形的由此支持作为横向、垂直和径向对称的模式中的至少一个的多个模式，可以是矩形的由此支持横向多个模式但垂直单模式，可以是矩形的从而支持横向多个模式与垂直有限模式（例如2-5），以及具有相似或其他横截面的波导。此类光纤可以是分立的，处于每个光纤都具有分立覆层的由分立光纤组装的带状格式，处于在光纤之间具有共同覆层的带状格式，嵌入在聚合物柔性膜中的光纤，和附接至聚合物柔性膜的光纤。
如在本文中以及遍及本公开使用的“接收器”指代将接收到的光信号转换成电信号的设备。这包括但不限于分立光电检测器、集成光电检测器、具有电放大的光电检测器、具有电增益和逻辑生成电路的光电检测器、p-n光电二极管、p-i-n光电二极管、雪崩光电二极管和金属-半导体-金属光电检测器。
如在本文中以及遍及本公开使用的“复用器”（MUX）指代组合多个源信道并且提供单个经组合输出的设备。这包括但不限于无源复用器，具有发射机和WDM的有源复用器，具有接收器、发射机和WDM的有源复用器，单向复用器以及双向复用器。
如在本文中以及遍及本公开使用的“解复用器”（DMUX）指代组合多个源信道并且提供单个经组合输出的设备。这包括但不限于无源解复用器，具有接收器和WDM的有源解复用器，具有接收器、发射机和WDM的有源解复用器，单向解复用器以及双向解复用器。
现在参考图2，示出根据本发明的一个实施例的分别利用低、中和高信道数密集波分复用器（DWDM MUX）和解复用器（DWDM DMUX）的第一直至第三光网络200A-200C。第一光网络200a表示两个光平面的一个光平面，一个用于从“左”至“右”的传输（在光链路中通常被称为“东向”）并且另一个用于从“右”至“左”的传输（通常被称为“西向”）。第一光网络200a的东向和西向链路中的每一个都包括第一直至第四MUX 202a-202d、DWDM MUX 204、光纤206、DWDM DMUX 208和第一直至第四DMUX 210a-210d。DWDM MUX 204和DWDM DMUX 208中的每一个都支持40个信道。此外，DWDM MUX 204具有8个分立DWDM输入信道。在一个实施例中，第一直至第四MUX 202a-202d中的每一个都接收第一直至第四输入光信号。由第一MUX202a接收到的第一直至第四输入信号处在第一预定子带中。此外，由第二直至第四MUX202b-202d接收到的对应第一直至第四输入信号分别处在第二直至第四预定子带中。因此，第一直至第四MUX 202a-202d输出在对应子带中的第一直至第四输出光信号。DWDM MUX204连接至第一直至第四MUX 202a-202d以用于分别接收第一直至第四输出光信号。此外，DWDM MUX 204接收第五和第六输入信号。DWDM MUX 204输出第一输出光信号。光纤206耦合至DWDM MUX 204以用于接收第一输出光信号。DWDM DMUX 208耦合至光纤206以用于接收第一输出光信号。该DWDM DMUX 208具有8个分立DWDM输出信道。第一直至第四DMUX 210a至210d连接至DWDM DMUX 208。DWDM DMUX 208接收第一输出光信号并且将第一输出光信号分成中间输出信号，以使得每个中间输出信号都是第一输出光信号的子带。第一直至第四DWDM DWUX 210a-210d接收对应的中间输出信号并且输出对应的中间输出信号。在另一实施例中，DWDM MUX和DMUX 204和208可以为四个8信道波段和8个单信道中的至少一个提供直接光吞吐量以用于光-电-光（OEO）转换。在一个示例中，利用DWDM MUX 204，每个8信道波段被复用，经由光电检测器耦合至电域，耦合至发射器，然后与其他信道进行复用。
第二光网络200b包括扩展DWDM MUX 212、DWDM MUX 214、单模光纤216、DWDM DMUX218和扩展DWDM DMUX 220。该DWDM MUX 214耦合至单模光纤216。该DWDM DMUX 218耦合至单模光纤216。DWDM MUX 214和DWDM DMUX 218中的每一个都支持40个信道但是可以支持8、16、24、32和48个信道。此外，DWDM MUX 214和DWDM DMUX 218中的每一个都包括光交织器，其将一对相对于彼此偏移50GHz的100GHz梳状滤波器（comb）分别复用和解复用成经组合的50GHz DWDM梳状滤波器。扩展DWDM MUX 212和扩展DWDM DMUX 220是40信道DWDM设备，其中它们的频率栅格相对于DWDM MUX 214和DWDM DMUX 218偏移50GHz。
在另一实施例中，可以采用带式滤波器以使得DWDM MUX 214和DWDM DMUX 218操作在非重叠波长范围内，例如在I565nm≤λ≤1625nm之间的L波段以及在I530nm≤λ≤I565nm之间的C波段。
该第三光网络200c包括第一8信道粗波分复用器（CWDM）222、第二直至第四8信道DWDM MUX 224a-224c、操作在1551nm的第五CWDM MUX 226、具有1310nm覆盖的CWDM波段MUX228、单模光纤230、具有1310nm覆盖的CWDM波段DMUX 232、第一CWDM 8信道DMUX 234、第二直至第四8信道DWDM DMUX 236a-236c、以及操作在1551nm的第五CWDM DMUX 238。CWDM波段MUX 228耦合至单模光纤230。第一CWDM MUX 222和第二DWDM MUX 224a连接至CWDM波段MUX228。第三和第四CWDM MUX 224b和224c通过第五CWDM MUX 226连接至CWDM波段MUX 228。第一CWDM MUX 222具有1310nm宽带信道（其具有8个CWDM输入信道）并且第二DWDM MUX 224a具有支持8个DWDM波长的1531nm CWDM输入信道。第三和第四DWDM MUX 224b和224c中的每一个都支持8个信道DWDM波长。在另一实施例中，CWDM波段MUX 228连接至6个CWDM信道输入端。
该CWDM波段DMUX 232连接至第一DMUX 234和第二DMUX 236a。此外，CWDM波段DMUX232通过第五DMUX 238连接至第三和第四DMUX 236b和236c。第一DMUX 234具有1310nm宽带信道（其具有8个CWDM输出信道）并且第二DMUX 236a具有支持8个DWDM波长的1531nm CWDM信道。第三和第四DWDM DMUX 236b和236c中的每一个都支持8个信道DWDM波长。在另一实施例中，CWDM波段DMUX 232连接至6个CWDM信道输入端。
图3A描绘根据本发明的一个实施例的光子集成电路（PIC）300的顶视图。可以使用PIC 300来实施第一直至第三光网络200a-200c中的MUX 202a-202d、204、214、222、224a-224c、226和228以及DMUX 208、210a-210d、218、220、232、234、236a-236c和238中的每一个。该PIC 300通过外延生长在衬底302上。在本实施例中，使用III-V半导体材料来形成衬底302。在一个示例中，衬底302的III-V半导体材料是InP、InGaAs（P）和GaAs中的至少一个。在一个实施例中，PIC 300包括第一和第二斑点大小转换器（SSC）304a和304b、与第一SSC304a光接触的第一III-V波导306a、与第二SSC 304b光接触的第二III-V波导306b、介质波导308、至少一个有源元件310和至少一个无源元件312。该第一和第二III-V波导306a和306b统称为“III-V波导306”。在另一实施例中，该PIC 300包括第一和第二斑点大小转换器（SSC）304a和304b、与第一SSC 304a光接触的第一组III-V波导306a、与第二SSC 304b光接触的第二组III-V波导306b、介质波导308、至少一个有源元件310和至少一个无源元件312。该至少一个有源元件310包括光接收器314。PIC 300包括InGaAsP、AlGaAs和InGaAlAs中的至少一个的合金。在本实施例中，为了沉积介质波导308，以在衬底302的法线的5度内的角度来蚀刻衬底302。对衬底302进行蚀刻所用的角度也被称为“凹入轮廓（re-entrantprofile）”。因此该凹入轮廓在衬底302的法线的5度内。
在一个实施例中，将第一SSC 304a连接在介质波导308和第一III-V波导306a之间，并且将第二SSC 304b连接在介质波导308和第二III-V波导306b之间。在另一实施例中，将第一和第二SSC 304a和304b分别连接在第一和第二光纤与第一和第二III-V波导306a和306b之间。在又一实施例中，将第一SSC 304a连接在光纤和第一III-V波导306a之间，并且将第二SSC 304b连接在介质波导308和第二III-V波导306b之间。
在一个实施例中，第一和第二SSC 304a和304b分别接收通过第一和第二SSC 304a和304b的对应输入光信号。在另一实施例中，第一和第二SSC 304a和304b分别向第一和第二光纤提供对应输出光信号。通过第一和第二III-V波导306a和306b将介质波导308分别光耦合至第一和第二SSC 304a和304b。通过蚀刻衬底302并且沉积不同且受控折射率的介质层来形成介质波导308。介质波导308中的模式具有类似于耦合至介质波导308的III-V波导306内的模式的EX和EY场分布。第一III-V波导306a将至少一个有源元件310光连接至介质波导308，并且第二III-V波导306b将至少一个无源元件312光连接至介质波导308。
将该至少一个有源元件310和至少一个无源元件312形成在衬底302上。在一个示例中，该至少一个有源元件310包括LED、半导体DFB、半导体外腔激光器（ECL）、固定波长发射器、可调发射器、光电检测器、集成光电检测器、具有电放大的光电检测器、具有电增益和逻辑生成电路的光电检测器、p-n光电二极管、p-i-n光电二极管、雪崩光电二极管、金属-半导体-金属光电检测器、和光接收器。在该示例中，该至少一个无源元件312包括无源波导、过渡波导和光栅（诸如中阶梯光栅和阵列波导光栅）。
在一个实施例中，III-V波导306利用绝热锥状物来在第一光模式几何结构和第二光模式几何结构之间提供对应SSC 304。第一光模式几何结构是介质波导308的光模式几何结构。在一个实施例中，第二光模式几何结构是第一III-V波导306a和第二III-V波导306b中的至少一个的光模式几何结构。在另一实施例中，第二光模式几何结构是光耦合至介质波导308的光电二极管（未被示出）、光放大器（未被示出）、和光发射器（未被示出）中的一个。
在电信的感兴趣的波长范围（通常1310nm和1550nm）内，可以利用若干介质材料来提供介质波导308，该若干介质材料包括例如石英（二氧化硅，SiO2），氮化硅（Si3N4）、氮氧化硅（SiOXNY）和氮化铝（AlN）。在一些情况下，材料的吸收波段（在一个示例中在1520nm附近的硅上SiOXNY和Si3N4波导中的N-H波段）可能导致使用在其他波长（例如1310nm）的材料。在关于图3至15描述和呈现的本发明的以下实施例内，将PIC 300设计成在1310nm处操作以支持例如40GBASE-LR系统，其利用使用在
处的4个CWDM波长在1310nm处在10km上的4×10Gb/s传输。然而，可以在1550nm以及E波段、S波段和L波段处实施采用其他介质和多层介质、退火介质等等的本发明的实施例。已经论证使用基于磁控管的PECVD沉积的AlN在1550nm处展示低损耗，从而允许其在下面呈现的本发明的实施例内作为对高折射率Si3N4层的替换方案的使用。
在表1中示出针对磷化铟（InP）、氮化硅（Si3N4）、石英（Si02）、氮化铝（AlN）以及氟化聚合物的折射率的温度依赖性。
表1：InP和介质波导材料的温度依赖性。
光波导（即第一和第二III-V波导306a和306b以及介质波导308中的至少一个）的有效折射率由芯材料、覆层材料以及关于覆层的模态重叠来确定。因此，可以通过使用具有多层介质的衍射元件来调整光波导的折射率的总体温度依赖性。通过等式（2）来给出光波导的总体温度相关折射率变化：
在这里，光模式的部分Γ在芯内传播并且因此（1-Γ）在覆层中传播。等式（3）示出当光波导具有第一和第二覆层材料时光波导的总体温度相关折射率变化：
如果
（覆层_2）＜0，则增大与聚合物的模式重叠可以降低温度依赖性。
然而，InP的绝对折射率大于SiO2、Si3N4和大多数聚合物的绝对折射率。因此，波导的折射率温度系数可以根据介质波导308的设计来改变。
现在参考图3B，示出根据本发明的实施例的在PIC 300中使用的光接收器314。光接收器314包括上脊波导316、第一间隔层318、过渡波导320、第二间隔层322和稀释波导324。将第二间隔层322沉积在稀释波导324上，并且将过渡波导320沉积在第二间隔层322上。进一步地，将第一间隔层318沉积在过渡波导320上，并且将上脊波导316沉积在第一间隔层318上。使用InGaAs来形成上脊波导316，使用InGaAsP来形成过渡波导320，并且稀释波导324包括多层InGaAsP。过渡波导320被用于在PIC 300内路由光信号。过渡波导320接收光信号并且将光信号耦合至上脊波导316。上脊波导316是生成对应于光信号的电信号的检测器。稀释波导324是支持大模式的InP波导。过渡波导320接收来自稀释波导324的大光模式，并且输出小光模式。通过过渡和稀释波导320和324的相对宽度来控制稀释波导324和过渡波导320之间的光模式转换。第一和第二间隔层318和322由III-V半导体材料形成。第一间隔层318提供在脊和过渡波导316和320之间的光隔离，并且第二间隔层322提供在过渡和稀释波导320和324之间的光隔离。
现在参考图4A，示出根据本发明的实施例的PIC 400A的顶视图。该PIC 400A包括化合物半导体波导402、介质波导404、中阶梯光栅406（也被称为“光栅元件406”）、和多个输出波导408a-408e。在一个实施例中，PIC 400A是PIC 300。因此，介质波导404是介质波导308并且化合物半导体波导402是第一和第二III-V波导306a和306b中的至少一个。在一个实施例中，化合物半导体波导402耦合至第一和第二斑点大小转换器（SSC）304中的至少一个以用于分别耦合至光纤。化合物半导体波导402接收输入光信号。介质波导404与化合物半导体波导402光接触以用于接收和发射输入光信号。在本发明的一个实施例中，PIC 400A起到光DMUX的作用。中阶梯光栅406与介质波导404光接触以用于接收输入光信号。中阶梯光栅406接收输入光信号并且生成多个输出光信号。多个输出波导408a-408e接收对应输出信号。PIC 400A进一步包括检测器元件阵列410，其与多个输出波导408a-408e光接触以用于接收对应多个输出光信号。检测器元件阵列410中的每个检测器元件接收对应输出光信号并且生成对应电信号。
在本发明的另一实施例中，PIC 400A起到光MUX的作用。多个输出波导408a-408e接收并发射对应多个输入光信号。介质波导404接收并发射多个输入光信号。中阶梯光栅406接收并组合多个输入光信号并且生成输出光信号。化合物半导体波导402接收并发射输出光信号。
现在参考图4B，示出根据本发明的另一实施例的PIC 400B的顶视图。该PIC 400B包括化合物半导体波导412、第一介质波导414、阵列波导光栅（AWG）416、第二介质波导418、第一直至第六输出波导420a-420f、和检测器元件阵列422。在一个实施例中，PIC 400B是PIC 300。因此，第一和第二介质波导414和418是介质波导308并且化合物半导体波导412是第一和第二III-V波导306a和306b中的至少一个。因此，化合物半导体波导412耦合至第一和第二SSC 304a和304b。在目前优选的实施例中，使用III-V半导体材料来形成化合物半导体波导402。第一和第二SSC 304a和304b中的至少一个耦合至单模和多模光纤中的至少一个以用于接收输入光信号。由诸如SiO2和Si3N4之类的介质材料形成AWG 416。在本发明的一个实施例中，PIC 400B起到光解复用器的作用。第一介质波导414与化合物半导体波导412光接触以用于接收输入光信号。第一介质波导414发射输入光信号。AWG 416与第一介质波导414进一步接触以用于接收输入光信号。AWG 416生成多个输出光信号。第二介质波导418接收并发射多个输出光信号。多个输出波导420接收并发射对应输出光信号。检测器元件阵列422与多个输出波导420光接触以用于接收多个输出光信号。检测器元件阵列420中的每个检测器元件基于对应输出光信号来生成电信号。
在本发明的另一实施例中，PIC 400B起到光复用器的作用。多个输出波导420接收并发射对应输入光信号。第二介质波导418接收并发射多个输入光信号。AWG 416接收并组合多个输入光信号并且生成输出光信号。进一步地，化合物半导体波导402接收并发射输出光信号。
现在参考图5A，示出根据本发明的另一实施例的PIC 500的顶视图。在该实施例中，PIC 500是PIC 300。PIC 500包括III-V结构502和介质“之字形”波导504。PIC 500进一步包括沉积在III-V结构502的侧壁上的第一直至第四介质滤波器506a-506d。具有多个波长的输入射束508入射在介质波导504上。在介质波导504和III-V结构502之间的界面处反射输入射束508。输入射束508通过介质波导504入射在第一介质滤波器506a上。第一介质滤波器506a分离第一波长的输入射束508并且发射具有第一波长510的输入射束。将已滤波的输入射束508发射至第二介质滤波器506b。第二介质滤波器506b分离第二波长的输入射束512并且发射具有第二波长512的输入射束。将已滤波的输入射束508发射至第三介质滤波器506c。类似地，第三和第四介质滤波器506c和506d分别分离第三和第四波长的输入射束508，并且发射具有第三和第四波长514和516的输入射束。
现在参考图5B，示出根据本发明的另一实施例的图5A的PIC 500的侧视图。图5B示出在其上外延生长III-V结构502的衬底302。蚀刻III-V结构502以沉积介质波导504。III-V结构502包括第一和第二无源波导520和522。
现在参考图6A，示出根据本发明的一个实施例的光SSC 600a的横截面视图。在一个实施例中，光SSC 600a是图3的第一和第二SSC 304a和304b中的至少一个。在本发明的一个实施例中，光SSC 600a被连接在光纤和PIC 300之间，其将InP上介质波导区段用于波分复用和解复用。在本发明的另一实施例中，光SSC 600a被连接在第一和第二III-V波导306a和306b与介质波导308之间。光SSC 600a将一端处的小模式（如在图像600a-1中示出的）耦合至另一端处的大稀释光模式（如在图像600a-2中示出的）。因此，光SSC 600a将III-V波导306的高度受约束的模式耦合至光纤的较低约束模式。
现在参考图6B，示出根据本发明的一个实施例的光SSC 600a的顶视图。光SSC600a包括三个区段602a-602c。在表2中呈现光SSC 600a的设计参数。
表2：光SCC 600a的设计参数。
现在参考图6C，示出根据本发明的一个实施例的从大掩埋模式演变成小模式的光SSC 600a的模式的等值线图和功率曲线。
现在参考图7，示出根据本发明的一个实施例的利用低应力SiOXNY光波导区段的PIC 300的横截面。对使用III-V半导体材料形成的衬底302进行蚀刻以形成III-V结构704。在一个实施例中，III-V结构704是InP结构704。该InP结构704是光栅元件406、光栅元件416、第一和第二无源波导520和522、以及III-V波导306中的至少一个。在一个实施例中，利用金属层706对InP结构704进行金属化。在一个示例中，金属层706包括金、铬、铝、银、铂、镍、铜、铑、钯、钨以及这些材料的组合。将包括多层介质材料的介质波导708沉积在衬底302的经蚀刻的部分上。介质波导708是介质波导404、阵列波导光栅416以及第一和第二介质波导414和418中的至少一个。介质波导708的多个层包括沉积在金属层706上的具有折射率nSiO2=1.445的厚度为dSiO2的薄SiO2层708a（也被称为“
介质层708a”）。
介质层708a提供InP结构704和介质波导708之间的低反射系数。多个层进一步包括第一氮化硅（SiOX1NY1）层708b、第二SiOX2NY2层708c、和第三SiOX3NY3层708d。将具有折射率nSiON-1=1.55（
）的厚度为dSiON-1的第一SiOX1NY1层708b沉积在薄SiO2层708a上。将具有折射率nSiON-2=1.95（
）的厚度为dSiON-2的第二SiOX2NY2层708c沉积在第一SiOX1NY1层708b上，并且将具有折射率nSiON-3=1.85（
）的厚度为dSiON-3的第三SiOX3NY3层708d沉积在第二SiOX2NY2层708c上。薄SiO2层708a和第一直至第三SiON层708b-708d形成介质波导708。进一步地，第一直至第三SiON层708b-708d分别形成介质波导708的下覆层、芯和上覆层。PIC300进一步包括沉积在介质波导708的上覆层708d以上的聚合物层710。聚合物涂层710具有负热系数的折射率，其降低PIC 300的温度相关折射率变化。金属层706限定在InP结构704和介质波导708之间的界面处的电场的边界条件。金属层706改变在介质波导708和InP结构704之间的界面处的电场的Ex和Ey条件。金属层706充当反射传播通过介质波导708的光信号的“反射镜”表面。在另一实施例中，可以在沉积介质波导708之前移除衬底302上的金属层706。将介质波导708沉积在经过图案化的金属层708上以使得经过图案化的金属层708的厚度足够薄以在Ex和Ey场的尾部具有低损耗以便具有光信号的低吸收。
在若干其他实施例中，介质波导708可以是掩埋波导，即在掩埋异质结构器件内。在一个实施例中，掩埋异质结构器件包括P-N结阻挡层。进一步地，采用选择性区域生长技术来沉积掩埋波导。
现在参考图8，示出根据本发明的另一实施例的利用SiOXNY光波导区段的PIC 300的波导结构800的横截面。对使用III-V半导体材料形成的衬底302进行蚀刻以形成III-V结构804。在一个实施例中，III-V结构804是InP结构804。该InP结构804具有多层结构，其包括第一SSC层808、第二SSC层810、蚀刻停止层812和薄波导（TWG）层814。该第一和第二SSC层808和810是磷砷化铟镓（InGaAsP）层。第一SSC层808是用于介质波导806的沉积的蚀刻停止层并且第二SSC层810是无源波导。使用III-V半导体材料来形成TWG层814。在一个示例中，TWG层814的III-V材料是InGaAsP和InGaAlAs中的至少一个。TWG层814发射通过介质波导806接收到的光信号。
随后，在InP结构804的侧壁处生长介质波导806。将如在表3中限定的介质波导806沉积并图案化在金属层816的顶上。将金属层816沉积在第一SSC层808和InP结构804的侧壁上。金属层816被图案化以使得经图案化的金属层816的厚度足够薄以具有低的光信号损耗。
在一个实施例中，介质波导806是中阶梯光栅406的平板波导。对衬底302进行蚀刻以使得该开口的边缘提供中阶梯光栅406的InP结构804。介质波导806包括沉积在衬底302的经蚀刻部分内的多个层。将金属层816沉积在中阶梯光栅406的侧壁处以反射透射通过介质波导806的光信号。在该实施例中，InP结构804不包括TWG层814。
表3：介质波导结构。
SiON（N=1.95）是介质波导806的芯。在另一实施例中，介质波导806是PIC 400B的平板波导，并且InP结构804是PIC 400B的输入和输出波导中的至少一个。InP结构804包括TWG层814，并且不将金属层816沉积在InP结构804的侧壁上。TWG 814发射通过介质波导806接收到的光信号。在又一实施例中，InP结构804是PIC 300的无源波导。
不仅仅针对期望光波导参数而且还使得形成介质波导806的多个层充当抗反射涂层来设计该介质波导806。介质层806在InP结构804的侧壁延伸以提供抗反射涂层。抗反射涂层包括多个抗反射层828-836。该抗反射层828-836包括二氧化硅（SiO2）层836、邻近SiO2层836的氮化硅（Si3N4）层834、邻近Si3N4层834的二氧化硅（SiO2）层832、邻近SiO2层832的氮氧化硅（SiON）层830、和邻近SiON层832的SiON层828。PIC 300进一步包括沉积在介质波导806以上的聚合物层838。聚合物涂层838具有负热系数的折射率以降低PIC 300的温度相关折射率变化。
现在参考图9，示出根据本发明的一个实施例的光波导结构800的波长范围
上的光反射率的模拟。对于波长范围
，最佳反射率是~0.55，对于包括440nm：
的配置“6”。SiO2：InP界面的固有反射率是~0.13。
现在参考图10，示出根据本发明的另一实施例的利用SiOXNY光波导区段的PIC 300的波导结构1000的横截面。将波导结构1000形成在衬底302上。对使用III-V半导体材料形成的衬底302进行蚀刻以形成III-V结构1004。在一个实施例中，III-V结构1004是InP结构1004。波导结构1000包括对应于介质波导308的介质波导1006。
在介质波导1006和InP结构1004之间的界面处形成抗反射涂层。衬底302具有沉积在于衬底302中蚀刻的开口内的多个层以使得该开口的边缘提供光栅元件406的InP结构1004。InP结构1004包括TWG层1008。
对衬底302进行蚀刻以形成InP结构1004。在InP结构1004的开口和侧壁内生长介质波导1006。介质波导1006包括在表4中限定的介质材料的多个层1010-1016。在一个实施例中，将金属层1018沉积在衬底302的经蚀刻的部分和InP结构1004的侧壁上。在另一实施例中，在介质波导1006的沉积之前将金属层蚀刻掉。金属层1018限定在InP结构1004和介质波导1006之间的界面处的电场的边界条件。金属层1018改变在介质波导1006和InP结构1004之间的界面处的电场的Ex和Ey条件。金属层1018充当反射传播通过介质波导1006的光信号的“反射镜”表面。将介质波导1006沉积在金属层1018上。在一个实施例中，InP结构1004是中阶梯光栅406。将金属层1018沉积在中阶梯光栅406的侧壁上以反射透射通过介质波导1006的光信号。进一步地，InP结构1004不包括TWG 1008。在另一实施例中，介质波导1006是PIC 400B的平板波导，并且InP结构1004是PIC 400B的输入和输出波导中的至少一个。不将金属层1018沉积在InP结构1004的侧壁处并且TWG 1008存在于InP结构1004中以发射通过介质波导1006接收到的光信号。在又一实施例中，InP结构1004是PIC 300的无源波导。不将金属层1018沉积在InP结构1004的侧壁处，并且TWG 1008存在于InP结构1004中以发射通过介质波导1006接收到的光信号。波导结构1000进一步包括沉积在介质波导1006以上的聚合物层1020。聚合物涂层1020具有负热系数的折射率，其降低PIC 300的温度相关折射率变化。
不仅仅针对期望光波导参数而且还使得在InP结构1004的侧壁上形成介质波导1006的多个层充当抗反射涂层来设计该介质波导1006。介质层806在InP结构804的侧壁延伸以提供抗反射涂层。SiON（N=1.95）是介质波导1014的芯。
表4：介质波导的多个层。
现在参考图11，示出根据本发明的一个实施例的光波导结构1010（其包括在单个Si3N4干扰层上的SiO X N Y 与SiO 2 ）的在波长范围
上的光反射率的模拟。跨
的在前说明的波长范围，最佳反射率是~0.02，对于包括1100nm：
的配置“5”。
图12和13描绘根据本发明的一个实施例的对于具有在表5中呈现的结构的波导结构800的光建模结果。
表5：对于具有SSC转换器的在InP上的介质波导的详述波导结构。
图12在第一图像1200A中呈现波导结构800的横截面的有限元建模（FEM），并且在第二图像1200B中描绘对于SSC-TWG 2.5μm脊、没有金金属化层的2.5μm脊、和具有金金属化层的2.5μm脊的垂直光模式分布。图像1300A示出包括介质波导1302和InP脊 1304的平面视图。图像1300B和1300C分别表示InP脊1304和介质波导1302的横截面FEM分析。
现在参考图14，示出根据本发明的另一实施例的PIC 300的波导结构1400的横截面，所述PIC 300具有在使用III-V半导体材料形成的衬底302上的经蚀刻III-V结构1404的侧壁上的介质滤波器1402。在一个实施例中，该III-V结构1404是InP结构1404。在一个实施例中，第一直至第四滤波器504a-504d中的每一个都包括滤波器层1402。
在InP结构1404的开口和侧壁内生长介质波导1408。将介质波导1408沉积并图案化在初始金属层1410的顶上。可以在介质波导1408的沉积之前从底部蚀刻掉金属层1410。表6包括介质波导1408的多个介质层1412-1422。
表6：用于InP特征1404的侧壁上的介质滤波器1402的介质波导1408。
现在参考图15A、15B和15C，示出根据本发明的一个实施例的在III-V外延生长结构中的嵌入式介质波导的顶视图和横截面视图，以及在InP波导中且离开介质波导308的波导模式。图15A示出PIC 300的顶视图并且图15B示出PIC 300的侧视图。图15C示出行进通过介质波导308和III-V波导306的光模式。因此，介质波导308中的光模式与行进通过III-V波导306的光模式相匹配。
因此，对于本领域技术人员来说将明显的是，本发明的实施例涉及在III-V光子集成电路300上引入介质平板波导和脊波导中的至少一个。为了引入波导，利用低应力介质材料，即Si3N4、SiOXNY、AlN和SiO2。如从表1明显的，当与具有负折射率变化的聚合物层耦合时具有更低折射率温度变化的这些材料可以降低折射率随温度的变化。
因此，介质波导308在外延生长III-V衬底302上的集成使得在III-V衬底302上生长的器件能够与波长可选择元件相匹配。折射率随III-V和IV族材料的温度的变化比大多数介质大一个数量级。介质波导308是以下各项中的一个：与在PIC 300上生长的波导的脊结构相匹配的脊结构、与PIC 300的波导的脊结构相匹配的平板波导、使用PIC 300中的凹入蚀刻空间形成的平板波导、被形成为使得它可以在有源波导310和无源波导312中的至少一个的选择性区域再生长中使用的平板波导、以及掩埋波导结构。
通过使用光子集成电路（PIC）300上的介质并且利用介质波导308结合聚合物在上涂层，降低对温度的灵敏度。这些材料的组合实现诸如在复用器和解复用器、“之字形”元件（参见图5）和波导中的光栅器件和路径长度波长器件的较低温度灵敏度。
为了实现集成，存在用来实现介质波导308集成的四个选项：
-选项A：蚀刻到III-V衬底302中并使用PECVD工艺进行沉积；
-选项B：局部生长PIC 300，然后沉积介质材料并且使用选择性再生长来生长其他元件；
-选项C：将介质元件晶片键合至III-V光子集成电路300；以及
-选项D：（一个或多个）稀土氧化物在硅上的生长以及介质在（一个或多个）稀土氧化物界面上的沉积、选择性图案化、以及III-V材料在（一个或多个）稀土氧化物界面上的生长。
为了实现III-V PIC波导（即III-V波导306）和在衬底302上生长的介质波导308之间的高效耦合，通过在与介质波导层的界面处的
材料和多层堆叠中的至少一个的适当使用在选项（A）和（B）中采用AR涂层。关于选项D，则这实现III-V在硅上的生长，因为（一个或多个）稀土元素氧化物实现应变松弛层。（一个或多个）稀土元素氧化物充当缓冲层。III-V生长是使用MOCVD、MBE和CVD沉积工艺中的至少一个的III-V波导306以及有源和无源元件310和312的生长。例如，可以通过经由分子束外延的稀土氧化物生长来实现硅上GaN。
为了进一步实现高效耦合，介质波导308与III-V衬底302上的III-V波导306模式匹配。模式匹配需要脊和掩埋波导中的至少一个最初形成在III-V外延堆叠中，并且然后使这些与介质平板波导（仅垂直约束）、介质脊波导、和掩埋介质波导（垂直和水平约束）中的至少一个相匹配。通过利用具有预定应力和折射率的介质材料堆叠来实现模式匹配。随后处理这些以限定并蚀刻介质材料和InP波导之间的脊波导界面。
为了实现小蚀刻深度并实现用来改进E场强度的E场边界条件，将金属层706沉积在III-V波导306和介质波导308之间。通过控制介质波导308的每个层中的厚度和折射率，在III-V波导306和介质波导308之间实现良好的耦合。
因为嵌入式介质波导308在III-V光子集成电路300中的实施会降低光栅406和相位干扰器件416的dn/dT，所以PIC 300会消耗更小功率和大小。进一步地，这消除加热器和冷却器在PIC 300中的使用。
现在参考图16，示出图示根据本发明的一个实施例的用于制造PIC 300的方法的流程图。方法步骤1602-1612和步骤1618形成PIC 400A。方法步骤1602-1608和1614-1618形成PIC 400B。在步骤1602处，提供衬底302。在步骤1604处，在衬底302上生长包括第一多个层的III-V化合物半导体结构。在步骤1606处，在衬底302和III-V化合物半导体结构中的至少一个内蚀刻多个垂直特征。在一个示例中，III-V化合物半导体结构是III-V波导306、中阶梯光栅406、第一和第二无源波导520和522、以及光接收器314中的至少一个。在步骤1608处，在衬底302上沉积包括第二多个层708a-708d的第一介质结构708以使得第一介质结构708邻接多个垂直特征。在一个实施例中，该多个垂直特征是中阶梯光栅406的一部分并且第一介质结构708是中阶梯光栅406的平板波导404的预定部分。在步骤1610处，在第一介质结构708的预定部分上沉积包括第三多个层的第二介质结构。在一个实施例中，第二介质结构710是降低包括第一和第二介质结构708和710的光波导的温度相关折射率变化的聚合物层710。在步骤1612处，执行第二介质结构710的选择性垂直蚀刻。
在步骤1614处，在衬底302上沉积包括第三多个层的第二介质结构416。在另一实施例中，第一介质结构是形成PIC 400B的第一预定部分的输入和输出平板波导414和418中的至少一个，并且第二介质结构416是形成PIC 400B的第二预定部分的相控波导阵列416。该相控波导阵列416对应于阵列波导光栅416。在步骤1616处，在第一介质结构的预定部分和第二介质结构416的预定部分中的至少一个上沉积包括第四多个层的第三介质结构710。第三介质结构416降低第一介质结构和第二介质结构418中的至少一个的温度相关折射率变化。在步骤1618处，第一介质结构被选择性地蚀刻以形成介质波导708。在一个实施例中，第三介质结构是降低包括第一和第二介质结构的光波导的温度相关折射率变化的聚合物层。
现在参考图17，示出图示根据本发明的另一实施例的用于制造PIC 300的方法的流程图。在步骤1702处，提供衬底302。在步骤1704处，在衬底302上生长包括第一多个层的第一III-V化合物半导体结构。在步骤1706处，在衬底302和第一III-V化合物半导体结构中的至少一个内蚀刻第一多个垂直特征。在一个实施例中，第一III-V化合物半导体结构是光检测器310、无源波导306、和PIC 300的波导中的至少一个。在步骤1708处，提供第二III-V化合物半导体结构以形成以下各项中的至少一个：掩埋波导、以及中阶梯光栅406和AWG416中的至少一个。在步骤1710处，在衬底302和第二III-V化合物半导体结构中的至少一个内蚀刻第二多个垂直特征。在步骤1712处，在衬底302上沉积包括第二多个层的第一介质结构，并且其邻接第二多个垂直特征。在步骤1714处，选择性地蚀刻第一介质结构以形成介质波导708。
在本发明的前述实施例内，已经关于波分复用器并且主要是接收器侧器件解复用和耦合至光电检测器而描述了这些。然而，对于本领域技术人员来说将显然的是，方法和设计可以被修改和适配以提供一系列光部件和光功能，在这里介质波导降低已实施的光部件和与其有关的光功能的波长灵敏度，其中部件和/或光功能仅仅在化合物半导体结构内实施。
已经为了说明和描述的目的呈现了本发明的示例性实施例的前述公开。其不意图是详尽的或将本发明限于所公开的精确形式。鉴于上面的公开，本文中描述的实施例的许多变化和修改对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的。本发明的范围将仅由附于此的权利要求并且由其等同物来限定。
进一步地，在描述本发明的代表性实施例的过程时，说明书已经将本发明的方法和/或过程呈现为特定的步骤序列。然而，就该方法或过程不依赖于本文中阐述的特定的步骤顺序而言，不应该将该方法或过程限于描述的特定的步骤序列。如本领域普通技术人员将领会到的，步骤的其他序列可以是可能的。因此，不应该将在说明书中阐述的特定的步骤顺序解释为对权利要求的限制。此外，不应该将涉及本发明的方法和/或过程的权利要求限制成它们的步骤按所书写的顺序的性能，并且本领域技术人员可以容易地领会到该顺序可以改变并且仍保持在本发明的精神和范围之内。
Claims (21)
1.一种通过外延在衬底上生长的光子集成电路，该光子集成电路包括：
在衬底的第一部分之上形成的至少一个有源元件，其中使用III-V化合物半导体材料形成该至少一个有源元件和该衬底；
在衬底的第二部分之上形成III-V化合物半导体波导，其中该III-V化合物半导体波导是由III-V化合物半导体结构形成的，并且其中III-V化合物半导体结构是通过蚀刻衬底而形成的；以及
在衬底的第三蚀刻部分之上形成的介质波导，使得该介质波导通过III-V化合物半导体波导与至少一个有源元件光接触，并且邻接该III-V化合物半导体波导，其中该蚀刻部分与第一和第二部分分开。
2.根据权利要求1所述的光子集成电路，进一步包括沉积在介质波导内的抗反射层。
3.根据权利要求1所述的光子集成电路，其中介质波导中的模式的Ex和Ey场分布匹配III-V化合物半导体波导中的模式的Ex和Ey场分布。
4.根据权利要求3所述的光子集成电路，进一步包括：
形成在衬底之上且与介质波导光耦合的斑点大小转换器，其中该斑点大小转换器从介质波导接收第一光模式并且向III-V化合物半导体波导、多个输出波导、光电二极管、光放大器和光发射器中的至少一个提供第二光模式。
5.根据权利要求1所述的光子集成电路，进一步包括光栅元件，其光连接至III-V化合物半导体波导并且将III-V化合物半导体波导耦合至外部单模和多模光纤中的至少一个。
6.根据权利要求1所述的光子集成电路，进一步包括沉积在衬底上的金属层，其中在所述金属层上形成介质波导。
7.根据权利要求1所述的光子集成电路，其中该介质波导是以下各项中的一个：
i）与光子集成电路的III-V化合物半导体波导的脊结构相匹配的平板波导；
ii）与光子集成电路的III-V化合物半导体波导的脊结构相匹配的脊波导；
iii）使用光子集成电路中的凹入蚀刻的空间形成的平板波导；
iv）被形成为使得它能在有源波导和无源波导中的至少一个的选择性区域再生长中使用的平板波导；以及
v）掩埋波导结构。
8.根据权利要求1所述的光子集成电路，其中该光子集成电路包括InGaAsP、AlGaAs和InGaAlAs中的至少一个的合金。
9.根据权利要求1所述的光子集成电路，其中该至少一个有源元件包括光发射器和光接收器中的至少一个。
10.根据权利要求1所述的光子集成电路，其中介质波导由多个层形成，所述多个层包括：
在衬底和金属层中的至少一个上形成的二氧化硅层；
在二氧化硅层上形成的第一氮氧化硅层；
在第一氮氧化硅层上形成的第二氮氧化硅层；和
在第二氮氧化硅层上形成的第三氮氧化硅层。
11.根据权利要求1所述的光子集成电路，其中III-V化合物半导体结构包括：
在衬底之上形成的第一InGaAsP层，其中第一InGaAsP层是用于沉积介质波导的蚀刻停止层；
在第一InGaAsP层上形成的第二InGaAsP层；
在第二InGaAsP层上形成的第二蚀刻停止层；
和
在第二蚀刻停止层上形成的薄波导层，其中使用III-V化合物半导体材料形成该薄波导层，并且其中III-V化合物半导体材料是InGaAsP和InGaAlAs中的至少一个。
12.根据权利要求1所述的光子集成电路，其中介质波导由多个层形成，所述多个层包括：
在金属层上形成的第一二氧化硅层，其中在InGaAsP层上形成所述金属层，并且其中在衬底上形成所述InGaAsP层；
在第一二氧化硅层上形成的氮化硅层；
在氮化硅层上形成的第二二氧化硅层；
在第二二氧化硅层上形成的第一氮氧化硅层；以及
在第一氮氧化硅层上形成的第二氮氧化硅层。
13.根据权利要求1所述的光子集成电路，其中介质波导由多个层形成，所述多个层包括：
在金属层上形成的二氧化硅层，其中在衬底上形成该金属层；
在二氧化硅层上形成的氮化硅层；
在氮化硅层上形成的第一氮氧化硅层；
在第一氮氧化硅层上形成的第二氮氧化硅层；
在第二氮氧化硅层上形成的第三氮氧化硅层；以及
在第三氮氧化硅层上形成的第四氮氧化硅层。
14.根据权利要求1所述的光子集成电路，进一步包括：
在III-V化合物半导体结构的侧壁上形成的第一到第四介质滤波器，其中第一到第四介质滤波器中的每个介质滤波器接收输入射束，分离输入射束的第一波长，并且发射具有第一波长的输入射束。
15.根据权利要求1所述的光子集成电路，进一步包括：
光栅元件，其中该光栅元件是与介质波导光接触的中阶梯光栅，其中该中阶梯光栅是由III-V化合物半导体结构形成的，并且其中该中阶梯光栅执行以下之一：
接收输入光信号，并且生成多个输出光信号；和
接收多个输出光信号，并且生成输入光信号。
16.根据权利要求1所述的光子集成电路，进一步包括：
光栅元件，其中该光栅元件是在第一侧与所述介质波导光接触且在第二处与第二介质波导光接触的阵列波导光栅，其中该阵列波导光栅是由介质材料形成的，并且其中阵列波导光栅执行以下之一：
接收输入光信号，并且生成多个输出光信号；和
接收多个输出光信号，并且生成输入光信号。
17.根据权利要求1所述的光子集成电路，进一步包括：
在介质波导上沉积的聚合物层，其中该聚合物层具有负热系数的折射率。
18.一种制造光子集成电路的方法，该方法包括：
提供衬底，其中使用III-V化合物半导体材料形成该衬底；
在衬底的第一部分之上提供有源元件，其中该有源元件是由III-V化合物半导体材料形成的；
通过蚀刻衬底的第二部分来提供III-V化合物半导体结构，其中III-V化合物半导体结构包括第一多个层；
在衬底的第三部分和III-V化合物半导体结构的预定部分中的至少一个内蚀刻多个垂直特征；以及
在衬底的第三部分和和III-V化合物半导体结构的预定部分中的至少一个上沉积包括第二多个层的第一介质结构以使得第一介质结构邻接该多个垂直特征。
19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括：
在第一介质结构的预定部分上沉积包括第三多个层的第二介质结构，其中该多个垂直特征是中阶梯光栅的一部分，并且第一介质结构是中阶梯光栅的平板波导的预定部分。
20.根据权利要求18所述的方法，进一步包括：
在衬底上沉积包括第三多个层的第二介质结构，以使得该第二介质结构进行邻接和填充该多个垂直特征的第二预定部分中的至少一项，其中该第一介质结构是输入平板波导和输出平板波导中的至少一个从而形成阵列波导光栅的第一预定部分，并且其中该第二介质结构是形成阵列波导光栅的第二预定部分的相控波导阵列。
21.根据权利要求20所述的方法，进一步包括：
在第一介质结构的预定区段和第二介质结构的预定区段中的至少一个上沉积包括第四多个层的第三介质结构。
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