包括耦合到波导的光电换能器的光学系统及其制造方法与流程

本发明的是用于芯片内和芯片间通信的光子器件。本发明涉及一种使用耦合至波导的半导体光电换能器的光学系统。

背景技术：

1、在芯片间或芯片内通信领域，用光代替电信号能够克服与金属互连的阻抗和尺寸相关的物理限制，从而满足以非常高的速度传输大量数据的需要。

2、为此目的开发的集成光子器件或平台包括光源，该光源通常具有微米尺寸，电激发并能够有效地耦合到光子波导，光子波导传输光并因此携带信息。

3、在这种情况下，发光二极管(led)架构，也称为led光源或微led光源，最近已经被用作光源。与激光光源相比，它们具有成本低、功耗低的优点。将它们的尺寸缩小到微米也更容易。

4、这种led架构通常由基于iii-v半导体材料的异质结构形成，iii-v半导体材料是由门捷列耶夫周期分类的iii列元素和v列元素组成的主体。例如，led光源是基于氮化镓(或gan)形成的。异质结构进一步连接到两个金属电极，当在它们之间施加电压时，激发iii-v半导体材料并产生光发射。

5、然而，led光源的使用带来了将发射的光有效耦合到波导中的问题。

6、第一个困难与led光源发射相互不相干的波这一事实有关。因此，不可能使用所谓的表面耦合技术，该技术包括利用相位匹配现象来选择传输光功率的传播模式。

7、第二个困难与这样一个事实有关，即通常需要为波导选择折射率低于led折射率的材料。由于光倾向于在折射率最高的材料中传播，因此即使led和波导完全相邻或彼此集成，光也只能非常微弱地从led传递到导向器(guide)。

8、更准确地说，led中光的遏制取决于led光源和波导各自的折射率和尺寸。

9、因此，led的iii-v半导体材料具有比用于波导的材料更高的折射率：在532nm处，iii-v半导体材料gan具有大约2.4的折射率，而通常用于波导的氮化硅sin具有接近2的折射率。

10、此外，led的尺寸通常比波导的尺寸大得多。例如，led光源的横向范围约为1μm x0.2μm，而导向器的横向范围约为150μm x 0.4μm。led的尺寸通常比波导的尺寸小得多。

11、为了克服这一困难并提高led光源在波导中发射的辐射的耦合效率，一种解决方案在于根据所谓的单片集成，由单层材料形成led光源和波导。

12、文献“on-chip photonic system using suspended p-n junction ingan/ganmultiple quantum wells device and multiple waveguides”，wang y.等人，《appliedphysics letters》，2016年，和专利us20180267238描述了从n掺杂gan层开始的led光源和波导的平面单片集成。

13、文献“waveguide-coupled nanopillar metal-cavity light-emitting diodeson silicon”，dolores-calzadilla v.等人，《nature communication》，2017年，描述了从p掺杂inp层开始的led光源和波导的垂直单片集成。然后将led光源布置在波导的一段上。

14、然而，使用单片集成并不能解决由led光源发射的辐射的很大一部分没有传输到波导的问题，这是由于led在不与导向器的端部相邻的区域中也发射辐射。如果没有收集这种辐射并将其返回波导的手段，它就会丢失。

15、然而，要有效地收集这种“丢失”的辐射并不容易，因为它的角度范围很高，或者换句话说，发散性很高。

16、上述专利us20180267238描述了在led光源和波导的一部分下方形成的空腔。该空腔使得可以形成有利于更好地利用led光源在垂直方向上发射的波的空气/gan界面。然而，沿与波导相反的方向横向发射的波仍然未被使用。

17、之前引用的文献“waveguide-coupled nanopillar metal-cavity light-emitting diodes on silicon”，dolores-calzadilla v.等人，《nature communication》，2017年，描述了通过将光源集成到金属腔中来调整led光源的结构。在此结构中，空腔由定义纳米级led光源的iii-v族半导体纳米柱组成。该纳米柱涂有金属，可将大部分自发发射引导至inp波导的基模中。

18、论文“inverse design optimization for effective coping of electro-injected optical antenna-led to a single-mode waveguide”，andrade等人，《opticsexpress》，2019年，也描述了一种集成到由金属包围的空腔中的led结构。空腔充当谐振腔，增加光源的自发发射。该结构与波导垂直或横向耦合。靠近led结构的波导壁由此涂覆有用于金属腔的金属。然而，通常应避免该区域存在金属(来自led结构或电极)，因为它会给led或波导带来更多光学损耗。

19、因此，在集成光学互连领域，仍然需要能够有效注入波导的led光源。

技术实现思路

1、通过使由电控微米led光源向后发射的侧辐射能够被收集并重定向到波导所处的led光源的前方，本发明提供了对上述问题的解决方案。因此，这种通常永远不会到达波导末端的“背面”侧辐射被引导到波导的数值孔径中。对称地，如果电控微米接收器是光电二极管，则本发明允许由波导向前发射的辐射被收集并重定向到微米接收器。

2、为此，led光源被集成到圆柱抛物面反射结构中，该圆柱抛物面反射结构被配置为反射来自该led光源的背面的光线，并使它们汇聚在位于led光源前方和波导末端前方的焦点位置处。

3、本发明的一个方面涉及一种光学系统，包括衬底、反射结构、光电换能器和波导，

4、-所述反射结构由设置在所述衬底上的圆柱抛物面柱形成，所述圆柱抛物面柱由包括抛物面侧表面和平面侧表面的圆柱形表面，以及与所述衬底的平面平行的两个平面界定，并且包括：

5、-具有抛物面轮廓的第一内反射面，设置在所述反射结构的圆柱形表面的抛物面侧表面上，所述第一内反射面由与所述衬底的平面平行的多个抛物面部分限定，每个抛物面部分由具有光轴线和焦点的抛物线限定，并且从所述抛物线的顶点延伸到垂直于所述光轴线的直线并穿过所述焦点。

6、-设置在所述反射结构的圆柱形表面的平面侧表面上的第二内平面反射面和第三内平面反射面，所述第二内反射面和第三内反射面与所述衬底的平面和包括所述多个抛物面部分的光轴线的平面正交，并且位于包括所述多个抛物面部分的焦点处的光轴线的所述平面的任一侧，

7、-所述光电换能器包括有源区域，所述有源区域被配置为发射光波或被配置为接收光波，并且被布置为使得所述有源区域位于所述反射结构中，在所述多个抛物面部分的焦点的一部分处，所述反射结构的材料被选择为对光波透明，

8、-所述波导具有近端、远端和平行于所述多个抛物面部分的光轴线的纵轴线，并且被布置在所述衬底上，使得所述近端在所述第二反射面和所述第三反射面之间并且在所述有源区域处邻接所述反射结构。

9、根据本发明，所述反射结构具有第一内反射面，所述第一内反射面具有由与所述衬底的平面平行的多个抛物面部分限定的抛物面轮廓，每个抛物面部分由具有光轴线和焦点的抛物线限定，并且从所述抛物线的顶点延伸到垂直于所述光轴线的直线并穿过所述焦点。

10、因此，该第一内反射面起到二维抛物面镜的作用，并且在与衬底的平面平行的每个平面中遵循抛物面镜特有的几何光学定律。

11、因此，在与衬底的平面平行的每个平面中，第一内反射面在其焦点(位于光轴线上)处提供位于无穷远处的点的完美图像。这意味着来自放置在焦点处的各向同性光源的光线平行于光轴线被反射(在该第一内反射面上)。对称地，平行于光轴线产生的光线在位于焦点处的点上被第一内反射面反射。

12、多个抛物面部分的所有焦点限定形成第一内反射面的焦点位置的直线段。

13、由于光电换能器包括被配置为发射光波或被配置为接收光波的有源区域，所以有源区域表现为各向同性光源或光接收器。“光波”是指在200nm和1200nm之间的光谱带中具有至少一种波长的波。

14、该有源区域位于反射结构中，在多个抛物面部分的一些焦点处。因此，有源区域具有朝向第一内反射面定向并位于其焦点位置附近的侧面(称为背面)。因此，在与衬底的平面平行的每个平面中，有源区域对应于位于抛物面部分的焦点处的点。由此，从其发出的光线被第一内反射面平行于光轴线反射。对称地，来自第一内反射面的平行于光轴线的光线被反射向有源区域。

15、此外，反射结构具有第二内平面反射面和第三内平面反射面，它们与衬底的平面和包括多个抛物面部分的光轴线的平面正交。

16、因此，第二内反射面和第三内反射面用作在垂直于衬底的平面的平面中设置在二维抛物面镜前方的平面镜。这意味着，在与衬底的平面平行的每个平面中，已经被第一内反射面平行于光轴线反射的光线被第二内反射面或第三内反射面在相同方向上反射。因此，来自第二内反射面或第三内反射面的这些光线然后通过来自第一内反射面的进一步反射而被导向有源区域。因此，光线集中在尺寸等于有源区域尺寸的区域中。这使得可以在不引入耦合损耗的情况下使用尺寸与有源区域尺寸(横截面)相当的波导(与其中由有源区域发射的光线集中的区域的尺寸比有源区域的尺寸大得多，或者比集成光学器件中使用的波导的典型尺寸大得多时的系统相比)。

17、波导截面的尺寸与有源区域的尺寸相当这一事实为与单模波导相当的光学系统开辟了道路，并因此具有改进的性能，特别是在引导方面。

18、第二内反射面和第三内反射面位于包括多个抛物面部分的焦点处的光轴线的平面的任一侧这一事实，意味着波导可以在有源区域处邻接反射结构并且尽可能靠近抛物面反射结构的焦点。因此，有源区域的与背面相对的表面，称为正面，与波导的近端相邻或至少位于波导的近侧端附近。这改善了有源区域和波导之间的光耦合。

19、适当地进一步提及的是，使用对有源区域发射或接收的光线透明的反射结构材料使得可以从实心柱制造内反射面。其优点是可以使用标准微电子制造技术(例如，层结构化)来制造这种实心柱。换句话说，整个光学系统与微电子制造方法兼容。

20、使用包含有源区域的实心透明抛物面圆柱体的另一个优点是在反射结构内存在折射率(index)连续性。这种折射率连续性减少了光学损耗，因此有助于改善有源区域和波导之间的光耦合。

21、因此，这些不同特性的组合使得可以获得集成光学互连(或集成光子系统)，其中光电换能器具有与波导截面相当的尺寸，同时有效地与波导耦合，因为由有源区域发射的前后光线被波导入口处的反射结构收集和集中。表述“有效耦合”是指传输到波导(当光电换能器是光源时)或传输到光电换能器(当光电换能器是光接收器时)的光功率的比例增加的事实。

22、有利地，光电换能器包括上部电极和下部电极，上部电极定位在反射结构的上平面上，与为有源区域预定的区域垂直对准，并且具有与有源区域的预定尺寸相对应的横向尺寸。

23、这样定位，上部电极位于与有源区域和波导的近端一定距离处。形成它的金属对光线造成很少或没有干扰，这减少了光学损耗并有利于提高耦合效率。

24、因此，通过反射结构的两个平行于衬底的平面，光电换能器的电极位于反射结构的外侧。因此，该反射结构可以由单一透明材料形成(有源区域仅由光电换能器的电极限定)。这种材料的连续性意味着反射结构内光学指数(optical index)的连续性，使得可以使该反射结构中的光学损耗最小化，并因此改善进入波导的光耦合。

25、还应该注意，上部电极的位置保持了反射结构的透明度。此外，由于有源区域的尺寸和位置由上部电极的尺寸和位置限定，因此不需要在换能器侧面上进行雕刻操作，从而使用简单的制造方法。

26、有利地，第一介质布置在反射结构的外侧，位于与第一内反射面相邻的空间中，第二介质布置在反射结构和波导的外侧，位于与第二内反射面相邻的空间中和与第三内反射面相邻的空间中，第一介质和第二介质的折射率严格低于为反射结构选择的透明材料的折射率。

27、因此，通过两种介质之间的界面获得内反射面。优点是这些内反射面可以以与标准微电子制造方法兼容的简单方式由实心柱制成。

28、根据一个第一替代实施例，第一介质由介电材料形成，第二介质包括空气。

29、介电材料使得可以在限定内反射面的同时，使反射结构的侧面电绝缘成为可能。

30、空气使得可以限定第二内反射面和第三内反射面，而不需要可能干扰靠近有源区域和/或波导的光线传播的金属材料。实际上，与第一内反射面不同，第二内反射面和第三内反射面位于波导和有源区域附近，并且优选避免在该区域中添加任何金属。

31、根据第二替代方案，第一介质和第二介质由介电材料形成。

32、介电材料使得可以在限定内反射面的同时，使反射结构的侧面电绝缘成为可能。

33、有利地并且以与前面两个替代实施例兼容的方式，金属材料壁设置在第一介质中并且靠近第一内反射面。

34、因此，金属材料壁允许第一内反射面以镜面反射或全反射方式工作。相对于透明材料/介电介质界面，反射辐射的比例增加。由于该面远离有源区域和波导，因此金属壁对有源区域或波导近端处的光线遏制没有影响。

35、除了上一段中刚刚讨论的特性之外，根据本发明一个方面的光学系统可以具有单独地考虑或根据任何技术上可能的组合考虑的以下特征中的一个或多个补充特征。

36、光电换能器由p-n结和设置在p-n结中的量子阱形成。

37、p-n结的材料是iii-v材料，例如gan基材料。

38、为反射结构选择的透明材料是p-n结的材料。

39、因此，反射结构和光电换能器形成具有均匀折射率的单个实心部分。其优点是改进了反射结构的品质因数，从而导致更好的耦合效率。

40、波导由p-n结材料和量子阱形成。

41、因此，波导邻接反射结构，而不需要蚀刻光电换能器的量子阱。其优点是避免了电气问题。

42、金属材料层设置在第二介质中，靠近第二内反射面和第三内反射面。

43、因此，第二内反射面和第三内反射面表现为全反射面。

44、反射结构在衬底平面中的横向高度尺寸严格大于波导的尺寸。

45、优选地，高度比波导的尺寸大18倍。

46、因此，即使是高度发散的光线(或与第一内反射面的光轴线成大角度的光线)也被收集并有效地朝向有源区域或波导重定向。反射结构也保持紧凑。

47、波导包括相对于波导的尺寸放大的近端。

48、波导的这种配置允许从有源区域发射并由反射结构重定向到波导近端的光被更有效地耦合。

49、本发明的另一方面涉及根据本发明第一方面的用于制造光学系统的方法，该方法包括以下步骤：

50、-提供衬底，所述衬底包括衬底层、设置在所述衬底层上的缓冲层和设置在所述缓冲层上的p-n结，

51、-对所述p-n结进行三维结构化，以限定所述波导的上表面以及形成所述反射结构的圆柱抛物面柱的一部分，所述结构化包括光刻子步骤，

52、-垂直蚀刻所形成的圆柱抛物面柱两侧的p-n结，以完成波导和形成反射结构的圆柱抛物面柱的限定，并限定结合层，

53、-在所述第一内反射面处，通过共形沉积使所述第一介电介质在所述圆柱抛物面柱的外侧钝化，以获得所述反射结构，

54、-在多个抛物面部分的焦点处的p-n结的上表面上形成上部电极，并在所述结合层上形成下部电极，以完成光电换能器和光学系统。

55、通过阅读以下描述并通过检查附图，将更好地理解本发明及其不同的应用。