[发明专利]带有源结构和无源结构的光子电路的制造工艺

说明书

技术领域

本发明涉及用于电信、数据通信、传感器及生物医学应用等领域的光子集成电路(photonic integrated circuit，PIC)，所述PIC一般需集成光学调制器和探测器等有源光子器件以及分光器、波导和光栅等高质量的无源光子器件。本发明尤其涉及一种实现高性能的有源和无源光子器件集成的工艺与平台。

背景技术

硅(Si)基光子技术能利用规模经济更大程度地降低光子集成电路成本，所述规模经济采用高成本效益的技术和CMOS铸造厂现成的设备。此外，硅的高折射率对比度能更有效地限制光并实现更高的弯曲度，从而大大缩小光子集成电路的体积。大部分的光学功能(除光源外)都可通过硅实现。特别地，集成锗探测器和硅调制器的性能是非常鼓舞人心的。因此，提高集成度和制造复杂PIC是有可能实现的。

硅基光子的当前问题是，硅无源器件(例如阵列波导光栅(arrayed waveguide grating，AWG)或分光器)的性能欠佳，这限制了集成有源和无源功能的复杂PIC技术的可用性。

一篇名为《采用晶片键合制成的传输损耗小于0.1dB/m的平面波导》的文章提出了一种高质量氮化硅(silicon nitride，SiN)平台的解决方案，这篇文章于2011年11月21日发表于《光学快讯》第19卷第24期，其作者为J.F.Bauters等人。

尽管许多平台提出使用高质量氮化硅(SiN)波导(如Bauters等人提出的波导)，但由于未解决如何在仅由氮化硅构成的平台上制造有源光子器件，如探测器和调制器，所述平台的应用仍十分受限。

另外，一些文章提出了一种仅使用硅波导的PIC。

然而，如前文所述，仅由硅构成的平台上的无源器件(如AWG或分光器)性能低下。

另一方面，一些文章推荐了多个将有源器件的波导和无源器件的氮化硅波导结合起来的解决方案。以下几段简要讨论了其中一些解决方案。

由C.R.Doerr等人撰写、于2011年9月1日发表于《IEEE光子技术快报》第23卷第17期第1201-1203页、名为《8信道SiO2/Si3N4/Si/Ge CWDM接收机》的文章提出，制作完有源硅光子器件后，通过等离子体增强化学气相沉积(plasma-enhanced chemical vapor deposition，PECVD)制备氮化硅层。

在Doerr等人提出的平台中，在制作完硅光子有源器件后制备氮化硅层这一做法严重限制了热预算。这就是为什么氮化硅层的制备选用PECVD技术。但是，基于PECVD的氮化硅存在一些问题。首先，其氢含量相对较高，这增加了光损耗，尤其是电信波长范围内的大约1530纳米处的光损耗。同时，其厚度均匀性和折射率均匀性远差于基于低压化学气相沉积(low-pressure chemical vapor deposition，LPCVD)的氮化硅。然而，LPCVD通常要求温度在780℃以上，这个温度会损坏硅光子有源器件。

由T.Tsuchizawa等人撰写、于2011年5/6月发表于《IEEE量子电子学选题期刊》第17卷第3期、名为《电信应用中的基于硅、锗和二氧化硅的光子器件的单片集成》的文章描述了在制作完硅光子有源器件后在低温下制备富硅氧化层。

T.Tsuchizawa等人提出的工艺和平台使用了一种低温电子回旋共振化学气相沉积(electron-cyclotron resonance chemical vapor deposition，ECR-CVD)技术。报告中指出富硅氧化层的传播损耗高于1.5dB/cm，但未提及富硅氧化层的均匀性。

由A.Biberman等人撰写、发表于于2010年9月19日至23日举行的美国光纤通讯展览会及研讨会(OFC/NFOEC)、名为《高性能数据中心网络中使用3D集成沉积硅材料的与CMOS兼容的可扩展的光子开关结构》的文章提出使用高质量氮化硅层和非晶硅层来测量开关性能。

虽然Biberman等人推荐使用高质量低损耗的氮化硅层，但是所推荐的硅层不是单晶硅层，而是通过LPCVD技术被沉积成非晶硅层或多晶硅层。因此，这种硅层不能用于制作集成锗探测器这一PIC重要器件。