具有宽带宽和降低的功率损耗的光耦合设备制造技术

本发明专利技术涉及具有宽带宽和降低的功率损耗的光耦合设备。光子集成电路包括位于两个连续互连金属层之间的光耦合设备。光耦合设备包括第一光学部分，第一光学部分接收具有横向磁分量和在基模中的横向电分量的光学信号。第二光学部分将光信号的横向磁分量转换成处于高阶模中的转换的横向电分量。第三光学部分将横向电分量与转换的横向电分量分离，并将高阶模切换到基模。第四光学部分将横向电分量传输到一个波导，并将转换的横向电分量传输到另一波导。

【技术实现步骤摘要】
具有宽带宽和降低的功率损耗的光耦合设备相关申请的交叉引用本申请要求2017年2月20日提交的法国专利申请No.1751328的优先权权益，其公开内容通过引用以其整体在法律允许的最大程度上并入本文。
实现方式和实施例涉及集成光子电路，具体涉及诸如光纤的输入设备与这种类型的电路的耦合，最具体地涉及用于长距离传输信号的光纤的耦合。
技术介绍
基于光纤的收发机允许长距离传输信号。它们通常使用频率复用，以便能够利用单个光纤传输/接收多个信号。因此，它们在宽频带中传输信号。然而，现今的耦合设备通常是为适应受限的频率范围而定制的。此外，在常规光纤中行进的光信号以随机的方式偏振，即，其电场的取向是随机的。此外，在集成电路的常规波导(即，矩形横截面的波导)中行进的光信号仅允许光信号在两个方向上的偏振。称为横向电(TE偏振)的第一方向被定义为与集成电路的层平行，例如在绝缘体上硅类型的技术中与掩埋绝缘层平行。称为横向磁(TM偏振)的第二方向被定义为与第一方向正交。某些光子硬件部件特别适合于以横向电方式偏振的信号，而其他光子硬件部件特别适合于以横向磁方式偏振的信号。其他硬件部件可以接收以任一方式偏振的信号。存在用于将输入/输出设备耦合到集成电路的各种手段。第一种解决方案在于将输入/输出设备耦合在集成电路的上表面上，并通过光栅型耦合器将信号传输到波导。这种解决方案使得可以传输光信号的横向电分量以及经转换变为横向电分量的横向磁分量。然而，这种传输仅在非常小的光学带宽上实现。因此，可能会损耗光功率的不可忽略的部分(有时大于50％)。第二种解决方案在于将输入/输出设备耦合在集成电路的侧面上，并且使得可以传输在横向电方向和横向磁方向上偏振的信号。然而，现有的解决方案是昂贵的，因为它们需要实现特定的制作方法，并且它们不允许横向磁分量的足够限制，从而导致信号扩散到集成电路的载体衬底中并因此导致光功率损耗。因此，期望限制横向磁分量扩散到载体衬底中。
技术实现思路
因此，根据一个实施例，提出了一种用于将输入设备耦合到集成电路并且允许传输宽带宽的信号的设备，其光功率损耗降低并且独立于信号的波长。此外，该耦合设备可以通过常规制作方法生产。根据一个方面，提出了一种光子集成电路，该光子集成电路包括：由包括多个金属层的互连区域覆盖的衬底，至少两个波导，以及位于所述互连区域的两个连续的金属层之间的至少一个耦合设备，并且该至少一个耦合设备包括：第一部分，被耦合到光子集成电路的侧面并被配置为接收入射光信号，所述信号包括横向磁分量和处于基模中的横向电分量；第二部分，被耦合到第一部分并被配置为将入射信号的横向磁分量转换成处于高阶模中的转换的横向电分量；第三部分，被配置为将此时处于基模中的横向电分量和此时处于高阶模中的转换的横向电分量分离，以便将转换的横向电分量切换到基模中；以及第四部分，被配置为将横向电分量和转换的横向电分量传输到所述至少两个波导。因此，通过转换横向磁分量，避免了当集成电路的衬底是绝缘体上硅(SOI)类型的衬底时，由横向磁分量特别是在集成电路的掩埋绝缘层中的扩散引起的损耗，同时以转换的形式保持对应的功率。此外，将转换的横向电分量切换到与基模不同的模式中，使得特别是可以防止信号的两个分量彼此干涉，这将导致功率损耗，或者甚至在最不利的情况下信号的抵消。根据一个实施例，第一部分包括沟槽波导，沟道波导包括具有第一光学指数的第一上带、第一下带以及位于第一上带与第一下带之间的第一中间带，并且第一中间带具有比第一光学指数低的第二光学指数。这使得可以有利地将横向磁分量限制在耦合设备的第一部分中，以便降低由信号在掩埋绝缘层中的扩散引起的功率损耗。根据一个实施例，第一部分包括位于所述侧面的层级处的第一端部，并且第一下带和第一中间带具有比第一上带的长度大的长度，并且从第一端部延伸。第一上带从第一端部向前延伸非零的距离。第一部分可以具有增加的宽度，并且可以包括位于所述侧面的层级处并具有第一宽度的第一端部，以及具有第二宽度的第二端部，第一宽度小于第二宽度。这使得可以有利地以这样的方式渐进地定制光学指数，以便限制例如由信号的反射引起的光功率损耗。根据一个实施例，第二部分包括偏振旋转器，该偏振旋转器包括第二上带、第二下带和第二中间带，第二上带和第二中间带形成第一上带和第一中间带从第一部分的第二端部的延长部分，并且具有减小的宽度，以便在第二部分的端部处获得比第二宽度小的宽度，并且第二下带形成第一下带从第一部分的第二端部的延长部分并且具有增加的宽度，以便在第二部分的端部处获得第三宽度。可以选择第三宽度，使得转换的横向电分量处于一阶光学模式中。根据一个实施例，第三部分包括并排制造的第三下带和侧带，第三下带形成第二下带的延长部分，并且包括宽度恒定的第一子部分，侧带具有恒定的宽度，第三部分被配置为实现转换的横向电分量的定向耦合，以便将转换的横向电分量切换到基模中。根据一个变型，第三部分可以包括并排制造的第三下带和侧带，第三下带形成第二下带的延长部分并且包括宽度减小的第二子部分，侧带能够包括宽度增加的第三子部分，第二子部分和第三子部分彼此相对，并且第三部分被配置为实现转换的横向电分量的绝热耦合，以便将转换的横向电分量切换到基模中。因此，对于宽频率范围内的信号而言，绝热耦合是可能的，从而使得可以独立于它们的频率而耦合光信号。侧带的宽度可以被选择，使得转换的横向电分量可以在侧带中以基模行进。第四部分可以被配置为将横向电分量传输到第一波导并将转换的横向电分量传输到第二波导。这使得可以有利地保持两个分量的功率，特别是在其组合将产生干涉的情况下。第四部分可以包括：第三下带的第一延长部分，平行于第一波导并且位于第一波导的上方，使得所述第一延长部分和第一波导适合于实现绝热耦合；以及侧带的第二延长部分，平行于第二波导并且位于第二波导的上方，使得所述第二延长部分和第二波导适合于实现绝热耦合。中间带可以由氮化硅、二氧化硅或氮化铝制成，而其他带可以由非晶硅制成。由于非晶硅支持高达500度的温度，并且由于在生产互连部分期间使用的温度不超过450度，这呈现允许将设备集成到互连部分中的优点。此外，由于非晶硅的高的光学指数，这允许光学信号在设备中的更显著的限制。附图说明在细阅完全非限制的本专利技术的实施例的详细描述和所附附图后，本专利技术的其他优点和特征将变得明显，在附图中：图1是光子集成电路的横截面图；图2示意性地图示了根据一个实施例的耦合设备；图3是沿着图2的截面线III-III的截面图；图4是沿着图2的截面线IV-IV的截面图；图5是沿着图2的截面线V-V的截面图；以及图6图示了根据另一实施例的耦合设备。具体实施方式图1是根据一个实施例的光子集成电路的横截面图。集成电路包括半导衬底或膜5，其包括各种有源硬件部件51和无源硬件部件50，半导衬底或膜5被制造在掩埋绝缘层9上，掩埋绝缘层9通常由本领域技术人员通过首字母缩略词BOX(“掩埋氧化物”)来指代，掩埋绝缘层9本身被制造在载体衬底(未表示)上。半导衬底5被互连区域6覆盖(或BEOL，根据本领域技术人员众所周知的首字母缩略词的“后道工艺”)，互连区域6包括多个金属层60、61、62、63。每个金属层包括被包封在绝缘材料或金属间介质(IMD)(在此是二氧化硅)中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光子集成电路，包括：衬底，由包括多个金属层的互连区域覆盖；至少两个波导；以及至少一个耦合设备，位于所述互连区域的两个连续的金属层之间；其中所述至少一个耦合设备包括：第一部分，被耦合到所述光子集成电路的侧面并且被配置为接收入射光信号，所述信号包括横向磁分量和处于基模中的横向电分量，第二部分，被耦合到所述第一部分并且被配置为将所述入射光信号的所述横向磁分量转换成处于高阶模中的转换的横向电分量，第三部分，被配置为将所述横向电分量和所述转换的横向电分量分离，以便将所述转换的横向电分量切换到基模中，以及第四部分，被配置为将所述横向电分量和所述转换的横向电分量传输到所述至少两个波导。

【技术特征摘要】
2017.02.20 FR 17513281.一种光子集成电路，包括：衬底，由包括多个金属层的互连区域覆盖；至少两个波导；以及至少一个耦合设备，位于所述互连区域的两个连续的金属层之间；其中所述至少一个耦合设备包括：第一部分，被耦合到所述光子集成电路的侧面并且被配置为接收入射光信号，所述信号包括横向磁分量和处于基模中的横向电分量，第二部分，被耦合到所述第一部分并且被配置为将所述入射光信号的所述横向磁分量转换成处于高阶模中的转换的横向电分量，第三部分，被配置为将所述横向电分量和所述转换的横向电分量分离，以便将所述转换的横向电分量切换到基模中，以及第四部分，被配置为将所述横向电分量和所述转换的横向电分量传输到所述至少两个波导。2.根据权利要求1所述的集成电路，其中所述第一部分包括沟道波导，所述沟道波导包括：具有第一光学指数的第一上带和第一下带，以及第一中间带，所述第一中间带位于所述第一上带与所述第一下带之间并且具有比所述第一光学指数低的第二光学指数。3.根据权利要求2所述的集成电路，其中所述第一部分包括位于所述侧面的层级处的第一端部，并且所述第一下带和所述第一中间带具有比所述第一上带的长度大的长度并且从所述第一端部延伸，所述第一上带从所述第一端部进一步延伸非零的距离。4.根据权利要求2所述的集成电路，其中所述第一部分具有增加的宽度，并且包括位于所述侧面的层级处并具有第一宽度的第一端部，以及具有第二宽度的第二端部，所述第一宽度小于所述第二宽度。5.根据权利要求2所述的集成电路，其中所述第二部分包括偏振旋转器，所述偏振旋转器包括第二上带、第二下带和第二中间带，所述第二上带和所述第二中间带形成所述第一上带和所述第一中间带从所述第一部分的所述第二端部的延长部分，并且具有减小的宽度，以便在所述第二部分的端部处获得比所述第二宽度小的宽度，并且所述第二下带形成所述第一下带从所述第一部分的所述第二端部的延长部分并具有增加的宽度，以便在所述第二部分的所述端部处获得第三宽度。6.根据权利要求5所述的集成电路，其中所述第三宽度的值使得所述转换的横向电分量处于一阶光学模式中。7.根据权利要求5所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·盖尔贝，C·鲍多特，F·多芒吉，
申请(专利权)人：意法半导体克洛尔二公司，
类型：发明
国别省市：法国,FR