与光耦合元件的3D光子集成
专利汇可以提供与光耦合元件的3D光子集成专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且公开了用于在可能包括集成 电子 器件的互补金属 氧 化物 半导体 (CMOS)相容性 硅 (Si) 光子 芯片上实现集成 激光器 和光子集成 电路 的方法。集成技术依赖于与集成光耦合元件(诸如转向镜、透镜和表面光栅 耦合器 )的光耦合。使用光耦合元件从两个或更多个衬底之间耦合光。该技术可以在Si上实现集成激光器，其中，增益 倒装芯片 (第二衬底)接合到Si芯片(第一衬底)，并且光通过倒装芯片中的转向镜或光栅耦合器和Si芯片中的光栅耦合器在增益倒装芯片中的 波导 与Si波导之间耦合。也可以包括集成透镜和其他元件(诸如光斑尺寸转换器)来改变来自增益倒装芯片的模式，以增强与Si芯片的耦合效率。光耦合集成技术也允许集成其他部件，诸如 调制器 、 放大器 和光电检测器。这些部件可以是基于波导的或基于非波导的，也就是说，表面发射或照明的。，下面是与光耦合元件的3D光子集成专利的具体信息内容。
1.一种方法，包括：
选择第一光学衬底和第二光学衬底，其中，至少所述第一衬底包括平面波导；
选择光耦合到所述平面波导的光束方向转换，所述光束方向转换定位成界定光束传播轴，所述光束传播轴包括对应于所述平面波导的轴的部分，和从所述光束方向转换延伸穿过第一光学衬底的主表面的部分；以及
将所述第二光学衬底固定到所述第一光学衬底，以便光耦合所述第一光学衬底和所述第二光学衬底的所述光束传播轴。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一光学衬底和所述第二光学衬底通过直接分子键合、粘合剂接合、通过界面层的接合、倒装芯片金属热压接合或倒装芯片焊料接合来固定。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述光束方向转换包括光栅耦合器、平面外全内反射转向镜、透镜、棱镜或它们的组合中的至少一个。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第二光学衬底包括光束方向转换，所述光束方向转换定位成将所述光束传播轴光耦合到所述第二光学衬底中的平面波导中。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第一光学衬底和所述第二光学衬底的所述光束方向转换分别与所述第一光学衬底和所述第二光学衬底相应地成整体。
6.根据权利要求3所述的方法，进一步包括光耦合到所述第一衬底的所述光束传播轴的至少一个滤光器、光学涂层、光隔离器、偏振器或透镜。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，光耦合到所述第一衬底的所述光束传播轴的所述至少一个滤光器、光学涂层、光隔离器、偏振器或透镜界定在所述第一光学衬底或所述第二光学衬底中。
8.一种光子器件，包括：
界定在衬底中的至少一个水平波导；
至少一个光斑尺寸转换器，其界定在所述衬底中并且光耦合到所述至少一个水平波导，所述光斑尺寸转换器定位成接收在所述水平波导中传播的光束或将光束引导到所述水平波导，所述光斑尺寸转换器被配置成基于水平波导模场直径产生光斑尺寸转换光束；以及
至少一个光束转换，其界定在所述衬底中并且耦合到所述至少一个光斑尺寸转换器，并且被定位成接收或发射所述光斑尺寸转换光束。
9.根据权利要求8所述的光子器件，其中，所述水平波导是脊、肋、条、条纹、埋脊、埋条、埋沟、光子晶体或开槽波导中的至少一个。
10.根据权利要求9所述的光子器件，其中，所述光斑尺寸转换器过渡元件选自由以下组成的组：横向向下锥形掩埋波导、横向向上锥形掩埋波导、从脊波导到光栅耦合器匹配波导的单个横向锥形过渡、从脊波导到光栅耦合器匹配波导的多段锥形过渡、双侧重叠掩埋波导锥、双侧重叠脊波导锥、从脊波导到光栅耦合器匹配波导的嵌套锥形过渡、垂直向下锥形掩埋波导、垂直向下锥形脊波导、垂直重叠脊波导锥、从掩埋波导到光栅耦合器匹配波导的垂直重叠波导锥过渡、从脊波导到光栅耦合器匹配波导的垂直重叠波导锥过渡、组合的横向和垂直脊波导锥、从掩埋波导到光栅耦合器匹配波导的2-D重叠波导过渡，以及从脊波导到光栅耦合器匹配波导的具有两段的重叠波导锥过渡。
11.根据权利要求10所述的光子器件，其中，所述光斑尺寸转换器被定位成：当光束传播到所述光束方向转换或从所述光束方向转换传播时，改变离开或进入光波导的光束的光束尺寸、光束形状和光束发散度中的至少一个，其中，所述光束方向转换将光束传播方向从水平方向改变为平面外方向。
12.根据权利要求11所述的光子器件，其中，所述光束方向转换选自由以下组成的组：
全内反射镜、转向镜、弯曲的全内反射镜、光栅、光栅耦合器、光栅辅助耦合器、棱镜，或这些元件中的多于一个的组合。
13.根据权利要求12所述的光子器件，其中，所述光束方向转换被定位成使得相对于所述衬底的平面将光路从水平重定向到垂直。
14.一种光子电路，包括：
至少两个光子器件，其中，所述光子器件中的至少一个包括平面波导，并且所述至少两个或更多个光子器件彼此固定。
15.根据权利要求13所述的光子电路，其中，所述光子器件中的至少一个是表面发射光子器件。
16.根据权利要求15所述的光子电路，其中，所述至少两个光子器件中的至少一个是所述表面发射器件，所述表面发射器件包括至少一个水平波导和至少一个光斑尺寸转换器以及光耦合到所述光斑尺寸转换器的至少一个光束方向转换。
17.根据权利要求15所述的光子电路，其中，所述光子器件中的至少一个被光耦合，以便从所述表面发射器件接收光束。
18.根据权利要求15所述的光子电路，其中，所述至少两个光子器件中的至少一个包括光耦合到至少一个光斑尺寸转换器的水平波导，以及光耦合到所述表面发射器件的至少一个光束方向转换。
19.根据权利要求15所述的光子电路，其中，所述至少两个光子器件中的一个固定到第三光子器件，以便在所述第一光子器件和所述第三光子器件之间耦合光束。
20.一种方法，包括：
在界定在第一衬底中的平面波导中传播光束；
沿着延伸出所述衬底的轴引导在所述平面波导中传播的光束；以及
在固定到所述第一衬底的第二衬底中接收所引导的光束。
21.一种器件，包括：
第一硅(Si)衬底，其中，波导形成在绝缘体上硅(SOI)结构的硅层中，其中，能够形成无源部件和有源部件；以及第二衬底，其使用直接分子键合、粘合剂接合、通过界面层的接合或倒装芯片(基于金属或焊料的)接合而接合到第一衬底，其中，使用垂直光耦合元件将光耦合在所述第一衬底和所述第二衬底的SOI波导之间，所述垂直光耦合元件是诸如光栅耦合器、转向镜和透镜。
22.根据权利要求21所述的集成平台，其中，所述第一衬底是由III-V半导体(诸如砷化镓(GaAs)或磷化铟(InP))制成的倒装芯片。
23.根据权利要求22所述的集成平台，其中，所述III-V倒装芯片包括用于增益的量子阱(QW)或量子点(QD)。
24.根据权利要求23所述的集成平台，其中，形成增益介质QW、QD和/或其他相关的光或电限制层的层由以下材料制成：砷化铟镓(InGaAs)、砷化镓(GaAs)、砷化铟(InAs)、砷化铝镓(AlGaAs)、磷化砷镓铟(InGaAsP)、砷化铝镓铟(InGaAlAs)、氮化铟砷镓(InGaAsN)、磷化铟(InP)、磷化铟镓(InGaP)、砷化铟铝(InAlAs)、锑化铟(InSb)、锑化铝(AlSb)、锑化铝砷(AlAsSb)、锑化镓铟(InGaSb)、锑化铟镓铝(InGaAlSb)。
25.根据权利要求24所述的集成平台，其中，III-V芯片被制造为基于波导的反射半导体光放大器(RSOA)。
26.根据权利要求25所述的集成平台，其中，所述RSOA包括涂覆了高反射(HR)涂层的切割背面。
27.根据权利要求25所述的集成平台，其中，所述RSOA包括涂覆了高反射(HR)涂层的蚀刻背面。
28.根据权利要求26或27所述的集成平台，其中，在所述波导结构的另一端形成垂直转向镜，以将被引导的光向上重定向到上包层中或向下重定向到下包层/衬底中。
29.根据权利要求28所述的集成平台，其中，所述转向镜的角度被优化，以减少在垂直半导体/空气界面处的反射，并且最大化光到Si芯片或衬底中的Si波导的耦合。
30.根据权利要求29所述的集成平台，其中，将抗反射(AR)涂层涂覆到所述垂直半导体/空气界面以减少反射。
31.根据权利要求30所述的集成平台，其中，III-V倒装芯片RSOA的波导结构被制造为脊、肋、埋肋、埋沟、条纹、氧化带。
32.根据权利要求31所述的集成平台，其中，所述波导结构包括水平锥形，以减小横向维度上的发散度。
33.根据权利要求32所述的集成平台，其中，使用诸如反应离子蚀刻(RIE)、电感耦合等离子体蚀刻、(ICP)-RIE(ICP-RIE)、化学离子束蚀刻(CIB)、化学辅助离子束蚀刻(CAIBE)的干蚀刻技术、湿蚀刻以及可能的过度生长(在掩埋结构的情况下)来形成所述波导结构。
34.根据权利要求33所述的集成平台，其中，所述转向镜是通过使用倾斜的干蚀刻形成，所述倾斜的干蚀刻是诸如CIB或CAIBE。
35.根据权利要求33所述的集成平台，其中，所述转向镜使用聚焦离子束(FIB)技术形成。
36.根据权利要求33所述的集成平台，其中，所述转向镜使用角度抛光技术形成。
37.根据权利要求33所述的集成平台，其中，所述转向镜使用湿蚀刻技术形成。
38.根据权利要求33-36所述的集成平台，其中，金属触点形成在III-V倒装芯片的顶侧和背侧上。
39.根据权利要求21所述的集成平台，其中，Si衬底或芯片能够在与所述倒装芯片的制造线分开的制造线中制造。
40.根据权利要求39所述的集成平台，其中，Si衬底或芯片包括由Si层(典型厚度为
220nm，但也能够具有几μm的厚度)、掩埋氧化物层(BOX)(典型厚度在2-3μm范围内)和Si衬底本身组成的结构。
41.根据权利要求40所述的集成平台，其中，所述Si衬底或芯片包括使用Si波导层制造的波导部件，所述部件能够是无源部件(诸如分光器、耦合器、滤光器、阵列波导光栅、分布布拉格反射器(DBR)光栅、中阶梯光栅)和有源部件(诸如光调制器、PD(PD)、开关、移相器)。
42.根据权利要求41所述的集成平台，其中，Si衬底或芯片包括用于将来自倒装芯片的光耦合到Si波导的表面光栅耦合器。
43.根据权利要求42所述的集成平台，其中，Si衬底或芯片包括基于光栅的反射器，诸如DBR反射镜。
44.根据权利要求43所述的集成平台，其中，通过将来自RSOA倒装芯片的光通过所述表面光栅耦合器耦合到Si芯片来形成集成激光器，并且激光腔包括RSOA的HR涂覆的背面，RSOA本身的增益，形成在倒装芯片中的转向镜，倒装芯片中的垂直传播区域，倒装芯片/空气界面，空气中的传播区域，氧化物包层或折射率匹配材料，Si芯片中的光栅耦合器，Si波导的短部分，以及基于光栅的反射器。
45.根据权利要求44所述的集成平台，其中，倒装芯片的转向镜以小于或大于45°的角度定向，以减少在垂直半导体/空气界面处的反射，并且最大化耦合到Si芯片中的光栅耦合器的光。
46.根据权利要求45所述的集成平台，其中，倒装芯片包括有源-无源集成，以减少转向镜附近的任何光学损耗。
47.根据权利要求21所述的集成平台，其中，倒装芯片接合到Si芯片的氧化物上包层，而不是直接接合在Si层上。
48.根据权利要求21所述的集成平台，其中，III-V倒装芯片包括两个转向镜，以实现能够用作集成SOA的双端口器件。
49.根据权利要求48所述的集成平台，其中，将AR涂层涂覆到倒装芯片的入射面和出射面。
50.根据权利要求48所述的集成平台，其中，两个光栅耦合器并入Si芯片中，以用于耦合到倒装芯片和从倒装芯片耦合。
51.根据权利要求21所述的集成平台，其中，III-V倒装芯片包括从光纤的直接耦合，然后在放大之后，使用转向镜和光栅耦合器耦合到Si芯片。
52.根据权利要求51所述的集成平台，其中，SOA用作用于接收器的前置放大器。
53.根据权利要求21所述的集成平台，其中，III-V倒装芯片包括两个转向镜，以实现能够用作双镜DBR激光器的增益部分的双端口器件。
54.根据权利要求53所述的集成平台，其中，DBR反射镜形成在Si芯片的Si波导层中。
55.根据权利要求53所述的集成平台，其中，前DBR反射镜被设计成具有在<5％至多达
90％的范围内的反射率，并且后DBR反射镜被设计成具有在>90％的范围内的高反射率。
56.根据权利要求53所述的集成平台，其中，实现了高级DBR激光器配置，诸如但不限于数字超模(DS)-DBR(DS-DBR)激光器、采样光栅(SG)-DBR(SGDBR)激光器、超结构(SS)-DBR(SSDBR)激光器。
57.根据权利要求21所述的集成平台，其中，III-V倒装芯片包括两个转向镜，以实现能够用作由可调谐环形谐振器滤波器实现的可调谐激光器的增益部分的双端口器件。
58.根据权利要求57所述的集成平台，其中，两个光栅耦合器并入Si芯片中，以用于耦合到倒装芯片和从倒装芯片耦合。
59.根据权利要求57所述的集成平台，其中，包括DBR反射镜以封闭所述激光腔。
60.根据权利要求57所述的集成平台，其中，包括诸如热光调谐的调谐机构，以用于所述环形谐振器。
61.根据权利要求21所述的集成平台，其中，在倒装芯片中实现双端口光增益器件，其中，增益介质波导在平面中进行180°转向。
62.根据权利要求61所述的集成平台，其中，垂直发射转向镜具有相同的定向，因此能够在一个制造步骤中形成。
63.根据权利要求21所述的集成平台，其中，倒装芯片利用导电衬底上的上下p-i-n结构来实现。
64.根据权利要求63所述的集成平台，其中，p型金属触点形成在倒装芯片的顶侧上，并且n型金属触点形成在倒装芯片的背侧上。
65.根据权利要求63所述的集成平台，其中，倒装芯片通过将所述p型触点金属接合到Si芯片上的金属接合焊盘而倒装芯片接合到Si芯片。
66.根据权利要求63所述的集成平台，其中，在倒装芯片的p型金属化步骤期间并入一些额外的金属层，以适应所述倒装芯片接合。
67.根据权利要求63所述的集成平台，其中，Si芯片上的金属从倒装芯片下方横向或向后延伸出来，以提供接近倒装芯片的p型电极的手段。
68.根据权利要求63所述的集成平台，其中，用于倒装芯片的所述p型金属触点不包括金(Au)，而是基于与Si芯片上的金属相容的铝(Al)。
69.根据权利要求21所述的集成平台，其中，倒装芯片通过用于p型金属和n型金属的背侧触点来实现。
70.根据权利要求69所述的集成平台，其中，倒装芯片的顶侧用用于接合到Si芯片的结合金属和/或焊料金属来金属化。
71.根据权利要求69所述的集成平台，其中，倒装芯片在无需任何金属的情况下直接接合到Si芯片，因此使用直接分子键合、氧化物结合或粘合剂接合。
72.根据权利要求69所述的集成平台，其中，倒装芯片是顶侧向下的n-i-p结构，而不是p-i-n结构。
73.根据权利要求21所述的集成平台，其中，Si芯片中的光栅耦合器被设计成最大化从倒装芯片入射的光模的耦合效率。
74.根据权利要求73所述的集成平台，其中，光栅耦合器具有在两个维度上变化的周期和填充因子，以便增加与来自倒装芯片的模式匹配的模式。
75.根据权利要求21所述的集成平台，其中，通过沉积多晶Si(poly-Si)、非晶Si或单晶Si，在光栅耦合器区域中局部地使Si芯片的Si层更厚。
76.根据权利要求21所述的集成平台，其中，III-V倒装芯片的波导更厚并且被设计用于较低的限制，以便实现具有较低发散度的较大和更为圆形的模式形状。
77.根据权利要求21所述的集成平台，其中，Si芯片的Si波导层更厚，以增加从倒装芯片的耦合效率，以允许更高功率操作，并增加制造公差。
78.根据权利要求21所述的集成平台，其中，光斑尺寸转换器并入III-V倒装芯片中，使得离开倒装芯片的光模与光栅耦合器更好地匹配。
79.根据权利要求21所述的集成平台，其中，可能在根据权利要求25所述的无源区中，光栅并入III-V倒装芯片波导中，并且光栅被设计成在从转向镜的反射之前改变模式大小和形状，使得离开倒装芯片的模式具有较低的发散度并且与Si光栅耦合器更好地匹配。
80.根据权利要求21所述的集成平台，其中，表面光栅耦合器并入倒装芯片中，以用于垂直发射。
81.根据权利要求80所述的集成平台，其中，所述表面光栅耦合器被设计成用于改变模式大小、形状和发散度，以便最大化到Si芯片中的光栅耦合器的耦合效率。
82.根据权利要求80所述的集成平台，其中，根据权利要求46，光栅耦合器形成在无源区中。
83.根据权利要求80所述的集成平台，其中，空气包层并入倒装芯片中，以增加光栅耦合器的输出耦合效率。
84.根据权利要求80所述的集成平台，其中，垂直DBR层并入倒装芯片中，以增加光栅耦合器的输出耦合效率。
85.根据权利要求21所述的集成平台，其中，Si芯片中的光栅耦合器包括闪耀(齿形或平行四边形形状的)光栅。
86.根据权利要求80所述的集成平台，其中，倒装芯片中的表面光栅耦合器包括闪耀光栅。
87.根据权利要求21所述的集成平台，其中，倒装芯片中的转向镜定向成使得光通过所述衬底发射。
88.根据权利要求87所述的集成平台，其中，底部发射倒装芯片通过金属或焊料接合而倒装芯片接合。
89.根据权利要求87所述的集成平台，其中，底部发射倒装芯片包括顶侧n型金属触点和p型金属触点。
90.根据权利要求87所述的集成平台，其中，底部发射倒装芯片的底侧被金属化以用于倒装芯片接合，并且在金属中打开窗口以允许光离开芯片。
91.根据权利要求87所述的集成平台，其中，透镜直接形成在倒装芯片衬底中，以减小出射光束的发散度。
92.根据权利要求87所述的集成平台，其中，透镜附接到倒装芯片衬底，以减小出射光束的发散度。
93.根据权利要求87所述的集成平台，其中，渐变折射率(GRIN)透镜附接到倒装芯片衬底，以减小出射光束的发散度。
94.根据权利要求87所述的集成平台，其中，底部发射倒装芯片在不使用金属的情况下直接接合到Si。
95.根据权利要求87所述的集成平台，其中，使用界面层或诸如AR涂层的层来接合底部发射倒装芯片。
96.根据权利要求21所述的集成平台，其中，倒装芯片接合到Si晶片而不是切割的芯片，并且芯片在晶片级共同制造。
97.根据权利要求96所述的集成平台，其中，转向镜能够直接与Si芯片中的光栅耦合器对准。
98.根据权利要求21所述的集成平台，其中，在倒装芯片的表面处形成光栅，以用于在光束离开倒装芯片时重新成形光束并用于减小发散度。
99.根据权利要求21所述的集成平台，其中，在倒装芯片的表面处形成等离子体结构，以用于在光束离开倒装芯片时重新成形光束并用于减小发散度。
100.根据权利要求21所述的集成平台，其中，在倒装芯片的表面处形成GRIN结构，以用于在光束离开倒装芯片时重新成形光束并用于减小发散度。
101.根据权利要求21所述的集成平台，其中，在倒装芯片中形成弯曲(透镜)转向镜，以用于减小反射光束的发散度。
102.根据权利要求101所述的集成平台，其中，使用化学蚀刻和质量传输技术形成透镜。
103.根据权利要求101所述的集成平台，其中，使用FIB技术形成透镜。
104.根据权利要求101所述的集成平台，其中，透镜也形成在衬底上，以进一步减小光束的所述发散度，并且在光束行进通过衬底之后准直光束。
105.根据权利要求101所述的集成平台，其中，透镜附接到衬底，以进一步减小光束的发散度，并且在所述行进通过衬底之后准直光束。
106.根据权利要求101所述的集成平台，其中，GRIN结构附接到衬底，以进一步减小光束的发散度，并且在光束行进通过衬底之后准直光束。
107.根据权利要求21所述的集成平台，其中，倒装芯片具有用于垂直发射的转向镜，并且其中，倒装芯片附接到Si衬底的背面。
108.根据权利要求107所述的集成平台，其中，光行进通过Si衬底、然后通过BOX层，然后通过形成在顶部Si层中的光栅耦合器耦合到Si波导。
109.根据权利要求107所述的集成平台，其中，基于金属或一些堆叠的介电层的反射器被沉积在光栅耦合器上方，使得耦合到Si波导中的光增加。
110.根据权利要求107所述的集成平台，其中，如在权利要求101中，垂直转向镜是弯曲的，以减小发散度。
111.根据权利要求107所述的集成平台，其中，在Si衬底的背面上沉积GRIN透镜，以减小耦合到Si衬底中的光模的发散度。
112.根据权利要求107所述的集成平台，其中，形成背侧触点，使得能够在不使用金属的情况下接合倒装芯片。
113.根据权利要求21所述的集成平台，其中，倒装芯片包括外部调制激光器(EML)。
114.根据权利要求113所述的集成平台，其中，EML芯片包括电吸收调制器。
115.根据权利要求113所述的集成平台，其中，EML芯片包括马赫-曾德尔调制器(MZM)。
116.根据权利要求113所述的集成平台，其中，EML芯片包括转向镜，以垂直地重定向光，以便通过形成在Si中的光栅耦合器耦合到Si芯片。
117.根据权利要求113所述的集成平台，其中，EML芯片能够包括任何类型的集成激光器，所述集成激光器包括DBR激光器或分布反馈(DFB)激光器。
118.根据权利要求113所述的集成平台，其中，包括有源-无源集成。
119.根据权利要求113所述的集成平台，其中，使用离子注入或蚀刻来电隔离所述器件的不同部分。
120.根据权利要求21所述的集成平台，其中，倒装芯片包括激光器、外部调制器和光电检测器。
121.根据权利要求120所述的集成平台，其中，用于所述光电检测器的区域与用于增益的区域相同。
122.根据权利要求120所述的集成平台，其中，倒装芯片包括垂直耦合元件，所述垂直耦合元件是诸如转向镜、透镜转向镜或光栅，以用于通过Si芯片中的光栅耦合器将光垂直地重定向，以耦合到Si芯片。
123.根据权利要求21所述的集成平台，其中，倒装芯片包括表面照明器件。
124.根据权利要求123所述的集成平台，其中，所述表面照明器件是PIN PD。
125.根据权利要求123所述的集成平台，其中，所述表面照明器件是雪崩PD(APD)。
126.根据权利要求123所述的集成平台，其中，所述表面照明器件是双向光调制器。
127.根据权利要求123所述的集成平台，其中，使用直接分子键合、氧化物结合或粘合剂接合将倒装芯片接合到Si芯片。
128.根据权利要求123所述的集成平台，其中，光通过光栅耦合器从Si芯片耦合到所述表面照明器件。
129.根据权利要求126所述的集成平台，其中，两个光栅耦合器并入Si波导层中，一个用于以一角度耦合到光调制器，另一个用于从光调制器耦合回到Si。
130.根据权利要求21所述的集成平台，其中，倒装芯片以Si制造并且包括有源部件，并且Si芯片仅包括无源部件。
131.根据权利要求130所述的集成平台，其中，使用在两个芯片中制造的光栅耦合器将光耦合在倒装芯片和Si芯片之间。
132.根据权利要求131所述的集成平台，其中，Si芯片包括集成电子器件。
133.根据权利要求21所述的集成平台，其中，使用倒装芯片集成实现的激光器被直接调制。
134.根据权利要求21所述的集成平台，其中，使用倒装芯片集成实现的激光器使用在Si芯片中实现的光调制器被外部调制。
135.根据权利要求21所述的集成平台，其中，使用倒装芯片集成实现单个激光器，其中，倒装芯片被制造为具有集成转向镜的反射SOA，并且所述Si芯片包括光栅耦合器和DBR反射镜。
136.根据权利要求135所述的集成平台，其中，来自激光器的光被分成多个路径，并且每个路径中的光由单独的外部调制器调制，从而产生四个单独的信号。
137.根据权利要求135所述的集成平台，其中，光信号耦合到光纤阵列或多芯光纤。
138.根据权利要求21所述的集成平台，其中，实现了多个激光器，其中，倒装芯片被制造为具有集成转向镜的反射SOA，并且Si芯片包括光栅耦合器和DBR反射镜，其中，所述DBR反射镜被设计用于不同的信道波长。
139.根据权利要求138所述的集成平台，其中，来自每个激光器的光被直接调制用于波分复用(WDM)收发器。
140.根据权利要求139所述的集成平台，其中，光信号被复用起来，使得结果能够耦合到单模光纤。
141.根据权利要求138所述的集成平台，其中，来自每个臂的光被外部调制。
142.根据权利要求141所述的集成平台，其中，光信号被复用起来，使得结果能够耦合到单模光纤。
143.根据权利要求142所述的集成平台，其中，集成收发器芯片用于WDM应用。
144.根据权利要求141所述的集成平台，其中，使用分别具有不同带隙的单独倒装芯片，使得能够实现用于粗WDM(CWDM)应用的具有宽间隔工作波长的激光器。
145.根据权利要求21所述的集成平台，其中，以足够宽的增益光谱实现QW或QD结构，以支持特定WDM光谱，诸如CWDM。
146.根据权利要求21所述的集成平台，其中，光栅耦合器被设计成部分反射，以便封闭包括所述RSOA的激光腔，并且部分地透射，以允许所得到的激光耦合到Si波导中。
147.根据权利要求21所述的集成平台，其中，电子电路直接在Si芯片中集成或通过单独芯片的倒装芯片接合而集成。
148.根据权利要求21所述的集成平台，其中，倒装芯片在凹入开口中从顶侧接合到Si衬底。
149.根据权利要求148所述的集成平台，其中，所述凹槽通过蚀刻上SiO2包层，蚀刻Si波导层，以及蚀刻BOX层而形成。
150.根据权利要求148所述的集成平台，其中，使用金属热压接合或焊料接合将倒装芯片在所述凹入开口中倒装芯片接合到Si衬底。
151.根据权利要求21所述的集成平台，其中，倒装芯片是DBR或DFB激光器。
152.根据权利要求151所述的集成平台，其中，DBR或DFB激光器包括转向镜或其他光重定向元件。
153.根据权利要求21所述的集成平台，其中，倒装芯片是提供多个激光线的梳状激光源。
154.根据权利要求153所述的集成平台，其中，倒装芯片梳状激光源基于QW或QD。
155.根据权利要求153所述的集成平台，其中，所述梳状激光源是短腔多模激光器。
156.根据权利要求153所述的集成平台，其中，所述梳状激光源包括用于平衡所述激光线的光功率的多个部分。
157.根据权利要求153所述的集成平台，其中，倒装芯片是耦合到Si芯片的QD梳状激光器，并且Si芯片包括总线波导和可调谐环形谐振器滤波器或一些其他解复用部件，诸如AWG，以用于将所述激光线分离成单独的波导。
158.根据权利要求157所述的集成平台，其中，所分离的激光线被单独调制，以形成激光调制器发射器。
159.根据权利要求158所述的集成平台，其中，所调制的激光线被组合，然后耦合到用于传输的单个光纤，从而利用WDM。
160.根据权利要求158所述的集成平台，其中，所调制的激光线被单独耦合到用于传输的并行光纤，从而利用空分复用(SDM)。
161.根据权利要求153所述的集成平台，其中，倒装芯片是耦合到Si芯片的QD梳状激光器，并且Si芯片包括具有用于调制由所述梳状激光源提供的各个线的环形谐振器调制器的总线波导。
162.根据权利要求161所述的集成平台，其中，光耦合到用于传输的单个光纤，从而利用WDM。
163.根据权利要求161所述的集成平台，其中，所得到的发射器也与接收器集成，以形成收发器。
164.根据权利要求21所述的集成平台，其中，倒装芯片是耦合到Si芯片的QD RSOA。
165.根据权利要求164所述的集成平台，其中，来自QD RSOA的光在Si芯片上分成多个路径，每个路径均包括DBR反射镜，从而形成共享共同增益介质的多个激光腔。
166.根据权利要求164所述的集成平台，其中，来自QD RSOA的光在Si芯片上分成多个路径，每个路径均包括环形谐振器滤波器和DBR反射镜，从而形成共享共同增益介质的多个激光腔。
167.根据权利要求164所述的集成平台，其中，来自QD RSOA的光耦合到Si芯片上的具有环形谐振器滤波器的总线波导，其中，DBR反射镜包括在所述环形谐振器的跌落口上，以封闭共享公共增益介质的各个激光腔。
168.根据权利要求21所述的集成平台，其中，倒装芯片波导包括锥形，所述锥形增加波导的宽度并因此减小横向维度上的发散度。
169.根据权利要求168所述的集成平台，其中，倒装芯片锥形是绝热的，因此当宽度增加时最小化激发高阶模的概率。
170.根据权利要求168所述的集成平台，其中，倒装芯片锥形不是绝热的，并且宽度在短距离上增加，使得光不被限制在横向维度上。
171.根据权利要求21所述的集成平台，其中，倒装芯片包括任何类型的光斑尺寸转换器，以改变模式的尺寸和形状并且减小发散角，以便实现倒装芯片模式和光栅耦合器模式之间的更好的匹配。
172.根据权利要求171所述的集成平台，其中，所述光斑尺寸转换器从标准脊、肋或掩埋波导转换为作为形成为肋的厚波导结构的板耦合光波导，其中，单模操作通过将脊区域的高阶模耦合到板区域中的高阶模来实现。
173.根据权利要求171所述的集成平台，其中，所述光斑尺寸转换器是横向向下锥形掩埋波导、横向向上锥形掩埋波导、从脊波导到光栅耦合器匹配波导的单个横向锥形过渡、从脊波导到光栅耦合器匹配波导的多段锥形过渡、双侧重叠掩埋波导锥、双侧重叠脊波导锥、从脊波导到光栅耦合器匹配波导的嵌套锥形过渡、垂直向下锥形掩埋波导、垂直向下锥形脊波导、垂直重叠脊波导锥、从掩埋波导到光栅耦合器匹配波导的垂直重叠波导锥过渡、从脊波导到光栅耦合器匹配波导的垂直重叠波导锥过渡、组合的横向和垂直脊波导锥、从掩埋波导到光栅耦合器匹配波导的2-D重叠波导过渡，或从脊波导到光栅耦合器匹配波导的具有两段的重叠波导锥过渡。
174.根据权利要求21所述的集成平台，其中，倒装芯片包括用于改变模式大小、形状和发散角的元件，诸如光栅、GRIN结构或透镜。
175.根据权利要求21所述的集成平台，其中，倒装芯片封装在封装材料中，所述封装材料是诸如环氧树脂。
176.根据权利要求21所述的集成平台，其中，所述集成平台用于在硅上实现用于诸如光互连多核处理器的光子网络芯片上应用的有源光子部件。
177.根据权利要求21所述的集成平台，其中，倒装芯片在通过蚀刻形成的凹入开口中附接到Si衬底或芯片的背侧，并且光从倒装芯片耦合到形成在Si波导层的顶侧上的光栅耦合器。
178.根据权利要求177所述的集成平台，其中，在光经由光栅耦合器从倒装芯片耦合到Si波导的区域中形成额外的较小的凹槽，该凹槽通过从所述背侧蚀刻剩余的Si衬底材料和所述BOX层而形成，由此暴露Si波导层。
179.根据权利要求178所述的集成平台，其中，将AR涂层涂覆到Si波导层的背侧，以减少反射。
180.根据权利要求179所述的集成平台，其中，光栅耦合器在其顶侧上包括反射器，以用于提高从倒装芯片的耦合效率。
181.根据权利要求180所述的集成平台，其中，P型金属触点和N型金属触点形成在倒装芯片的背侧上，并且通过直接接合到Si芯片来附接倒装芯片。
182.根据权利要求180所述的集成平台，其中，倒装芯片通过倒装芯片接合在背侧的凹入开口中附接到Si衬底。
183.根据权利要求182所述的集成平台，其中，倒装芯片P型金属触点和N型金属触点形成在顶侧上。
184.根据权利要求183所述的集成平台，其中，通孔形成在SiO2上包层中，并且通过下面的Si波导层以从背侧暴露倒装芯片金属。
185.根据权利要求184所述的集成平台，其中，金属互连形成在所述通孔中，以将倒装芯片的P型金属和N型金属连接到Si芯片上的顶侧触点。
186.根据权利要求21所述的集成平台，其中，所述光栅耦合器被设计成使反射最小化。
187.根据权利要求21所述的集成平台，其中，Si衬底基于双SOI，从而能够实现高效光栅耦合器。
与光耦合元件的3D光子集成
技术领域
背景技术
紧凑型发射器和接收器。诸如但不限于分光器、组合器、阵列波导光栅(AWG)和中阶梯光栅的无源部件可以在Si中用优异的性能和小尺寸来制造。在Si中也展示了一些有源部件，包
括基于P-N结的光调制器和基于Si(Ge/Si)上的锗(Ge)或离子注入的光电二极管(PD)。尽管
这些部件的性能是合理的，但是对于一些应用，具有由其他材料系统(诸如但不限于铌酸锂(LiNbO3)、磷化铟(InP)或砷化镓(GaAs))提供的更高性能将是有益的。
长下发光，并且使用微光学技术将来自激光器芯片的光耦合到Si。这是一种相当麻烦的方
法，其需要包括透镜和光隔离器的多个微光学部件。这种方法对于需要多于一个激光源的
应用也不能很好地扩展。
且表现出固有的可靠性问题，因为这两种材料具有显著不同的热膨胀系数，并且这些材料
通过晶片接合而紧密接触。尽管晶片接合方法允许有效地执行可扩展性(即，Si芯片上的激光器的数目增加)，但是其需要在相同设施中制造InP和Si材料。这些是不相容的材料，因此需要大量投资来使该技术成熟。
发明内容
片中的层之间或在芯片的顶侧和背侧之间耦合光。我们通常将芯片之间的光耦合称为垂直
光耦合，然而耦合的方向不需要是精确垂直的。作为实例，这种集成技术允许在Si上实现小形状因子和高性能激光器，以及在Si上集成光调制器和PD，其具有比可以直接用Si或Ge/Si实现的更高的性能。这种集成技术可以在后端步骤而不是前端处理中执行，这意味着Si
PIC和其他光子芯片(例如InP增益芯片)被单独制造，然后在接合步骤中结合在一起。替代
性地，如果一些协同制造是有益的，例如在允许一个芯片中的转向镜与Si芯片中的光栅耦
合器直接对准的情况下，则这也是可能的。
成哪些光子部件也没有限制。该方法具有晶片接合方法的可扩展性和紧凑性优点，并且仅
需要在一个平面中的被动对准(在接合步骤期间)。因此，其是非常可靠和可制造的。
的那些部件的其他光子部件的另一衬底(例如Si衬底)上。
行，这意味着多个第二衬底可以附接到处于整晶片形式的第一衬底。垂直光耦合技术也可
以用于在单个衬底上的层之间耦合光。
明中使用的直接接合不需要分子键合，而是可以使用界面氧化物或聚合物层，其使得接合
更加坚固并且减轻与不同衬底的热膨胀系数的失配相关的问题。本发明不需要协同处理芯
片；而是可以在已经单独制造芯片之后进行接合。衬底将包括光耦合元件(诸如转向镜、透镜和光栅耦合器)，或者可以是固有地表面照明或表面发射(诸如但不限于表面法线PIN
PD、表面法线雪崩PD(APD)或表面发射垂直腔半导体光放大器(VCSOA))。光可以通过表面光栅耦合器耦合到第一衬底(从第一衬底耦合)，所述表面光栅耦合器可以被设计成匹配要从
第二衬底上耦合(耦合到第二衬底上)的部件的模式形状。作为使用转向镜的替代，第二衬
底可以使用表面光栅耦合器、弯曲转向镜或透镜。这些元件可以用于改变模式，使其更适于耦合到第一衬底中的光栅耦合器。光斑尺寸转换器也可以并入第二衬底中以改变模式。
以通过表面光栅耦合器耦合到Si波导。
通过形成在Si波导层中的表面光栅耦合器耦合到表面法线PD芯片。
附图说明
斑尺寸转换器和水平(相对于衬底的平面)波导；
具体实施方式
论都是为了便于解释，但是所公开的系统、方法和装置不限于这些操作理论。
人员可以容易地辨别。
垂直于平面轴，而是可以处于相对于平面内轴的诸如在约45度和80度之间的倾斜角度。如
上所述，这些轴被称为水平的和垂直的，然而其不一定是正交的。这种指定不意味着任何进一步的空间定向。另外，定位一个或多个棱镜、反射镜、透镜、衍射光栅或其他光学器件(本文中称为光束方向转换)，以便沿着与平面波导的轴不平行或共面的轴将光束耦合到水平
波导中或水平波导外。在一些实例中，光束方向转换被定位成将在平面波导中传播的或传
播至平面波导的光束沿着平面外轴引导至衬底主表面，以便将光束耦合到光学衬底中或光
学衬底外。如本文所使用的，轴或光束轴是指与波导传播，或与沿着一个或多个其他方向在波导内或不带波导的光束传播相关联的光轴。在一些情况下，轴将被理解为包括一个或多
个段，并且光轴可以使用一个或多个棱镜、反射镜、衍射光栅或者可以或不可集成到衬底中的其他光学器件来弄弯、折叠、弯曲或以其他方式成形。为了方便起见，传播的光辐射可以被称为束或光束。
应用于在单个芯片中实现的层之间的耦合。
阱(QW)或量子点(QD)的III-V芯片被制造为反射半导体光放大器(SOA)，其中背面提供宽带
反射。波导增益芯片的另一端具有以超过临界角的角度蚀刻的集成转向镜，从而允许光大
致垂直地重定向。转向镜的角度将不同于45°，使得在III-V增益介质平面波导中产生的光
以相对于衬底的法线偏离的角度重定向。光的偏离法线的重定向的动机是双重的；以优化
光通过光栅耦合器与SOI芯片中的Si波导的耦合，以及减少光反射回到增益介质波导中。
布布拉格反射器(DBR)、微环形谐振器或一系列微环形谐振器、AWG或中阶梯光栅。
实现混合集成光调制器和光电检测器。关于后面的实施方案，基于但不限于Si、III-V或
LiNbO3的调制器可以包括集成转向镜、光栅耦合器或透镜，并且可以附接到Si PIC；光然后将使用形成在Si中的光栅耦合器和形成在光调制器结构中的垂直光耦合元件的组合来耦
合到光调制器结构和从光调制器结构耦合。也可以在第一衬底或第二衬底上包括其他集成
光学部件，以提高耦合效率。这些部件可以包括透镜、渐变折射率(GRIN)元件、等离子体结构或金属或介质反射器。
造为反射SOA。该部件可以在一端具有HR涂层的背面，并且在另一端具有近45°的转向镜。该部件可以接合到作为元件102的第一衬底(例如Si PIC芯片)。可以利用多种接合技术，包括但不限于金属对金属热压接合(如图1中所示)、焊料接合、直接接合(具有或不具有界面层)或粘合剂接合。图1中所示的实施方案包括第二衬底(在这种情况下为倒装芯片)元件100，
其倒装芯片接合(flip-chip-bonded)到作为元件102的第一衬底(在这种情况下为SOI芯
片)的波导层元件104。倒装芯片和Si芯片在单独的前端过程中被制造，然后在后端倒装芯
片接合步骤中集成。这避免了过程不兼容性问题。完成这种集成激光器的实现的步骤的顺
序可能以多种方式和以不同顺序执行，并且在不脱离本发明的范围的情况下，可以改变每
个部件的设计。
砷化铟镓(InGaAs)、磷化砷镓铟(InGaAsP)、砷化铟铝镓(InAlGaAs)、砷化铟(InAs)、InP、GaAs、砷化铝镓(AlGaAs)、氮化铟砷镓(InGaAsN)、磷化铟镓(InGaP)、砷化铟铝(InAlAs)、锑化铟(InSb)、锑化铝(AlSb)、锑化铝砷(AlAsSb)、锑化镓铟(InGaSb)、锑化铟镓铝
(InGaAlSb)或其中的多种组合。
直背面110可以通过干蚀刻或在随后的步骤中通过机械切割(mechanical cleaving)来形
成。在图1中示出该配置。用于形成成角度的转向镜的干蚀刻工艺将以这样的方式执行：使得与其普通配置相比，衬底以一定角度定位。替代性地，可以使用聚焦离子束(FIB)工艺形成转向镜。利用该技术，可在所有前端处理步骤之后执行转向镜形成，并且有可能实现原子级光滑表面。角度抛光也可以用于形成转向镜，如果倒装芯片由LiNbO3制造，则这将是特别期望的。湿蚀刻也可以用作形成转向镜或抛光转向镜的表面的替代方案。
成步骤之后的某个点执行单独的电镀步骤以形成焊料金属。替代性地，可以在Si芯片上形
成焊料金属。根据需要，几个芯片可以接合到Si芯片。除了芯片到芯片接合之外，还可能在晶片级执行接合；也就是说，在切割Si晶片之前，芯片可以接合到全Si晶片。
128。Si波导结构可以包括上包层材料，诸如SiO2，然而，为了简单起见，图1和许多其他图不示出这层。Si芯片也可以包括许多其他元件，包括有源部件(诸如PD和光调制器)以及无源
部件(诸如分光器和滤光器)，然而，为了简单起见，在一些具体配置中，仅在图1中示出实现集成激光源所需的那些元件。可以通过局部加热DBR反射镜，也就是说，通过使用热光效应来调谐激光波长。也可能替代地将光栅耦合器设计为耦合元件以将来自倒装芯片的光耦合
到Si芯片，以及设计为用于激光器的反射器。一些元件和其特性，例如倒装芯片的转向镜的角度，将针对这种结构进行优化。
集成透镜。为了减小一个维度上的发散，可以并入锥形(taper)。图2b示出具有锥形的倒装芯片的示例性引导区域的俯视图。该锥形可以是绝热的，使得来自单模区域元件200的光在尺寸上被转换，但是当其传播通过锥形区域元件202并且进入宽多模区域元件204时不激发
高阶模。当光到达由元件206指示的转向镜并且被垂直重定向时，出射光束的发散度将在横向维度上显著降低。这简化了光栅耦合器的设计要求并且可以提高耦合效率和对准公差。
中，诸如从常规的脊、肋或掩埋波导转换为板耦合光波导(其是形成为肋的厚波导结构)的
光斑尺寸转换器，由此通过将脊区域中的高阶模耦合到板区域中的高阶模来实现单模操
作。可以使用的其他类型的光斑尺寸转换器包括但不限于横向向下锥形掩埋波导、横向向
上锥形掩埋波导、从脊波导到光栅耦合器匹配波导的单个横向锥形过渡、从脊波导到光栅
耦合器匹配波导的多段锥形过渡、双侧重叠掩埋波导锥、双侧重叠脊波导锥、从脊波导到光栅耦合器匹配波导的嵌套锥形过渡、垂直向下锥形掩埋波导、垂直向下锥形脊波导、垂直重叠脊波导锥、从掩埋波导到光栅耦合器匹配波导的垂直重叠波导锥过渡、从脊波导到光栅
耦合器匹配波导的垂直重叠波导锥过渡、组合的横向和垂直脊波导锥、从掩埋波导到光栅
耦合器匹配波导的2-D重叠波导过渡、从脊波导到光栅耦合器匹配波导的具有两段的重叠
波导锥过渡。
且在远离倒装芯片的方向上折射。示出近似光路302。而在图4中，示出侧视示意图，其中倒装芯片中的转向镜以由元件300表示的略大于45°的角度定向，使得光离开倒装芯片的表面
并且在朝向倒装芯片的方向上折射。示出近似光路402。后一种方法可以通过利用倒装芯片下面的区域来减小激光器的总体占用面积。
区域，以允许光从芯片的垂直发射，因此有源介质的小区域可能不会接收到足够的电泵浦，因此可能在激光腔中引入光损耗源。为了显著减小这种损耗源，可以并入如图5中所示的有源-无源集成，使得没有金属的区域变为无源的。该无源部分由图5中的元件500表示。有源-无源集成可以使用多种技术来执行，这些技术包括但不限于量子阱混合(其中量子阱被选
择性地混合以改变带隙)、偏移量子阱(其中量子阱被选择性地去除以形成无源区)、对接生长(其中通过附加的生长步骤形成单独的有源区和无源区)、选择区域生长(其中使用预图
案化选择性地改变生长速率，以便选择性地改变带隙)，或垂直波导(其中多个波导在垂直
堆叠中生长，并且光使用垂直耦合器锥形在这些波导之间耦合)。
代实施方案中，可以利用直接接合方法中的一种，也就是说，不使用金属。在图6中所示的实施方案中，用于实现激光器的倒装芯片将被定位成垂直地更远离Si芯片。因此，来自倒装芯片的光模的出射点可能更远离Si芯片的表面光栅耦合器。在该实施方案中，设计参数可能
不同，以便最大化两个芯片之间的耦合效率。例如，对于该实施方案，倒装芯片相对于光栅耦合器的最佳横向位置可能不同。在这种情况下，入射到光栅耦合器上的光模也可以稍大，因为模式行进更大的垂直距离，因此发散到更大的程度。这种增加的模式大小可能有利于
增加通过光栅耦合器与Si波导的耦合效率，或者有利于使用集成光学部件来准直光束。接
合到上氧化物包层也可以具有一些其他优点。
口。接合到上氧化物包层上的金属接合焊盘或直接接合到没有金属的氧化物包层的情况可
以更简单，并且也与典型的Si光子过程更相容。这也可以允许确保整个Si波导结构嵌入在
氧化物包层中并且不暴露于空气。
器并且通过转向镜耦合到倒装芯片。光可以在倒装芯片增益介质波导中传播时经历放大，
然后可以由第二转向镜向下引导，然后通过第二光栅耦合器重新耦合到Si PIC。
的反射。特别是对于前置放大器SOA，如可以用于接收器的前置放大器SOA(其中信号可以在耦合之后并且在任何解复用或检测之前被立即放大)，可以实现修改的实施方案，其中输入光从例如光纤直接耦合到倒装芯片，然后放大，然后使用转向镜和光栅耦合器耦合到Si芯
片。对于用于发射器的升压放大器(其中信号将在离开芯片之前被放大)，光可以从增益倒
装芯片直接耦合到外部元件(诸如光纤)。这些替代实施方案可以避免一个Si到倒装芯片耦
合，并且可以提高接收器的整体灵敏度或发射器的耦合效率。
角度形成，以进一步最小化反射。
件802可以被设计成具有>90％的高反射率。除了所描述的双镜DBR激光器之外，具有两对耦合元件(转向镜和光栅耦合器)的该实施方案允许其他先进的集成激光器配置，诸如但不限
于数字超模DBR(DS-DBR)激光器、采样光栅DBR(SGDBR)激光器和超结构光栅DBR(SSG-DBR)
激光器。在所有情况下，可以在Si波导层中制造DBR光栅反射镜，如图8中所示。该实施方案也可以改变以允许对称的激光器设计，其中两个反射镜具有50％的反射率，并且在这种情
况下来自该单个增益元件的光可以用直接的方式用于两个单独的光路。这种实施方案可以
用在空分复用(SDM)应用中。
以允许实现欧姆接触和特定的Si电阻率。对于如图所示的两个环形谐振器，可以使用游标
调谐，其中调谐环，使得由于差分自由光谱范围，谐振波长仅在一个选择的波长处对准。DBR反射镜可以用于封闭激光腔；然而，也可以使用宽带蚀刻或抛光的面。后DBR反射镜可以设计成具有相当高的反射率(>90％)和宽带光谱，并且前DBR反射镜设计成具有较低反射率
(在5-90％的范围内)以及宽带光谱。
Si波导层中的光栅耦合器耦合到Si波导。环形谐振器可以被设计用于特定的自由光谱范
围，并且谐振波长可以再次使用集成加热器来调谐以调谐激光波长。DBR反射镜可以设计成具有在5-90％范围内的反射率。后一种配置将不具有与使用游标调谐的前者一样大的调谐
范围，然而，实施起来稍微更简单，因为只需要一个转向镜。
前所述。
在一个步骤中制造。增益介质波导由虚线指示。该实施方案可以提供一种方法来降低增益
倒装芯片的制造成本，并且也实现占据较小面积的更紧凑的激光器结构。在图10中所示的
配置中，使用两个DBR反射镜来实现集成激光器；然而，该实施方案也可以使用如前述实施方案中的环形谐振器滤波器。该实施方案允许实现由两个滤波器(诸如DBR光栅或环形谐振
器滤波器)组成的激光器结构，从而允许复杂的激光器配置(诸如前面描述的那些配置)，同时保持简单的制造工艺，其仅需要一个步骤来实现所有转向镜。如果使用有源-无源集成，则180°转向也可以在无源区中实现。这种有源-无源集成的概念将在后面的实施方案中描
述。
在图12中示出该实施方案，其中本发明用于实现具有四个集成激光源的光子集成电路，然
而这可以扩展到许多多于四个的源。在这两种情况下，尽管不是必需的，但是有利的是，至少对于p型金属并且期望地对于n型金属使用无金(Au)的接触方案，以便使增益芯片与在倒
装芯片接合步骤中配合的Si芯片兼容。也可以使用直接接合以避免用于接合工艺的金属，
如前所述。对于金属或焊料接合，最顶层的金属是Al的接触方案是优选的，以便简化对Si芯片上的含Al金属接合焊盘的倒装芯片接合工艺。
1304，如果有益的话可以沉积焊料金属，以用于倒装芯片接合工艺。
中，可以使用对于增益芯片(例如由III-V材料制成)更传统的含Au金属堆叠，并且在用于倒装芯片接合的情况下并且不会产生任何有源接触的顶侧金属可以包括Al，其将与对于Si光
子学常见的Al基金属接合焊盘兼容。替代性地，可以使用其他金属，诸如但不限于铜(Cu)。
件1306的掩埋脊型波导，其对于该N-I-P结构特别方便，然而也可以使用其他波导结构。
些光栅耦合器被优化用于从光纤耦合。常规增益芯片(诸如但不限于III-V芯片)的模式明
显不同于光纤的模式；其通常是椭圆形的，小的，并且具有大的发散角的特性。为了增强耦合效率，可以追求倒装芯片增益介质波导的模式形状和Si表面光栅耦合器的模式形状的优
化。在以下实施方案中，首先可以提高耦合效率，也可以提高倒装芯片接合步骤的对准公
差。可以使光栅具有远离其中心变化的间距和占空因数，如图14中所示，以便产生光栅耦合器的模式和增益倒装芯片的模式的更好匹配。以这种方式，光栅耦合器可以表现出类似透
镜的特性，其可以补偿来自倒装芯片的光模的大发散角。这种对光栅进行变迹的总体概念
可以使光栅耦合器定制成适于来自倒装芯片的期望模式。可以使光栅周期和填充因子在光
传播方向和横向方向(即，图14中的水平和垂直方向)上不均匀。
区域中实现较厚的层。使用较厚的波导层可以显著提高耦合效率。图15中所示的光栅蚀刻
不穿透下面的220nm厚的Si，然而其可以并且可能以这种方式表现出较高的耦合效率。
片时保持较小的发散角。这种结构可以使用板耦合光波导、稀释波导、掩埋波导以及表现出这种模态行为的多种其他结构来实现。这些结构的大且更对称的模式将更高效地耦合到光
栅耦合器，并且也增加接合步骤的对准公差。这种实施方案也将允许更高功率操作，因为最大可实现功率与光模的功率密度相关。对于高功率应用，Si波导层的厚度也可以增加。
导中的光栅。
垂直发射的模式偏转，并且不需要转向镜的辅助，如在图16的实施方案中。在这种情况下，尽管不是必要的，但是也利用有源-无源集成将是有益的，使得光栅可以在无源区中实现。
可以使用任何前述的有源-无源集成技术。倒装芯片中的该光栅可以设计成也改变模式形
状，使得其更好地匹配Si芯片上的光栅耦合器的模式。可以通过在光栅区域中使用空气包
层，并且也通过并入垂直DBR或其他类型的反射器来提高倒装芯片中的光栅的输出耦合效
率，后者用于提高从倒装芯片的一个表面的提取效率。空气包层可以通过湿化学蚀刻形成。
在形成转向镜之后，波导的横截面被暴露，因此下面的层将易受湿蚀刻的影响。在波导芯上方和下方的InP层将被底切蚀刻，由此形成空气包层。这种结构也将受益于模式转换器，以便从InP包层区域转换到空气包层区域。这可以使用水平和垂直锥形来实现；湿蚀刻可以被定制以形成垂直锥形。
此将在尺寸上扩大和在形状上改变。较大的尺寸可能更有利于通过Si中的光栅耦合器耦
合。该底部发射配置也可以包括已经描述的任何概念，诸如在增益波导中用于重新成形光
束并减小发散角的光栅。
件1704表示。可以替代地使用没有金属的直接接合，这将在后面的实施方案中描述。
部发射实施方案集成，但是更直接的是将透镜集成在衬底的底部(其将是平面的)上，而顶
侧可以不是平面的。
器件同样好用。在图18中呈现用于底部发射器件的这种方法，其中元件1800表示AR涂层/粘合层。AR涂层通常由介电层组成，因此AR涂层也可以用于接合。可以使晶片在晶片接合或芯片接合系统中接触，并且可以在受控制环境下施加温度和压力。对于这种直接接合方法，顶侧金属将可能用于N型触点和P型触点。
程序更好的对准公差，并且将更多地呈现整体(monolithic)过程而不是混合过程。
被专门设计成用于减小发散角，这可以直接提高所呈现的任何实施方案的耦合效率。替代
性地，可以在该出射面上形成等离子体结构，以用于相同目的。由于在表面上形成光栅或等离子体结构，所以与例如在垂直波导面上形成类似结构的情况相比，这更容易制造。如果发散角可以减小到更类似于对于光纤观察到的发散角，则耦合效率以及对准公差将大大提
高。
可以利用底部发射方法。第二透镜元件2002可以并入在底部发射表面上，以在该模式已传
播通过衬底的厚度之后再次重新成形该模式。这些透镜可以用诸如FIB的工具形成，以将它们的形状定制成适于倒装芯片波导的椭圆形模式，或者通过诸如化学蚀刻工艺的一些其他
手段形成。
同的期望效果。期望透镜组合可以被设计成使得离开芯片的模式是圆形和对称的，具有与
单模光纤的直径相似的直径(大约8-10μm)，并且具有在5-10°范围内的小发散角。在这种情况下，被设计用于光纤耦合的常规光栅耦合器可以用于垂直光耦合。在一个实施方案中，转向镜上的第一透镜可以用于减小光束的发散度并将其重新成形，使得一旦光束到达出射
面，其尺寸增加到约8-10μm。当模式退出时，底侧上的第二透镜将减小发散度，期望地对光束进行准直。
位。在转向镜处的重新成形可以通过沉积多层堆叠以实现GRIN效应，或通过将光栅直接形
成到转向镜中来实现。最后，垂直界面和光栅耦合器之间的空间可以填充一些材料以增强
模式匹配。
该面有一定距离，以垂直(向上或向下)重定向光。该转向镜可以具有弯曲的形状，使得其不仅重定向光束，而且在反射时重新成形光束，从而潜在地准直光束。该结构可以用这种方式设计：使得所得的垂直传播光束具有用于通过光栅耦合器高度耦合到Si芯片的期望尺寸和
形状。该实施方案可以采取许多形式并且可以并入来自所描述的许多其他实施方案的元
件。反射SOA或激光器前端面和转向镜之间的空间可以通过干蚀刻、湿蚀刻或通过FIB形成。
可以被制成弯曲的转向镜可以通过蚀刻和质量传输，通过FIB形成，或者可以附接。替代性地，可以通过蚀刻或FIB来实现非弯曲倾斜的反射镜，然后可以在表面上沉积GRIN透镜。
导的区域中形成额外的较小凹槽。该实施方案的优点是反射器可以用直接的方式形成在光
栅耦合器上方，如图20中的元件2100所示，以提高光栅耦合器的耦合效率。在该实施方案
中，P型金属触点和N型金属触点形成在倒装芯片的背侧上，如由元件2102所示，并且倒装芯片通过直接接合而附接到Si芯片。可以在Si波导的背侧上形成额外的AR涂层以减少Si界面
处的反射，如由元件2104所示。对于该实施方案，也包括来自其他实施方案的一些元件将是有利的，诸如透镜、光栅或GRIN透镜，以用于重新成形离开倒装芯片的光束并减小光束的发散度。也可以包括具有低发散度的倒装芯片波导结构。
然后通过热压或焊料接合而在凹槽中接合到Si的背侧。该结构也包括用于光耦合的较小凹
槽，以及在Si波导层的背侧上的AR涂层。为了从Si芯片的顶侧接触倒装芯片，可以形成通孔和顶侧金属触点，如图22中所示。倒装芯片从背侧附接到Si衬底的这些结构表现出高效的
散热性能，因为在倒装芯片的有源区中产生的热量将扩散到Si衬底中，然后顺着(down)扩
散到附接有Si芯片的散热器。图22的实施方案也具有的优点是，倒装芯片可以用与其他Si
光子部件(诸如光调制器)相同的方式从Si芯片的顶侧电驱动，由此简化了封装。
曾德尔调制器(MZM)。如在前面的实施方案中，转向镜可以并入倒装芯片中以垂直地重定向光并允许通过光栅耦合器耦合到Si波导。在图23中示出该实施方案，其中元件2300表示DBR反射镜部分，而元件2302表示调制器部分。在该特定实施方案中，激光腔包括后HR涂层反射镜面、增益部分、DBR反射镜部分(其中DBR反射镜部分具有其自己的用于波长调谐的独立金属焊盘)。为了集成增益，调制器和无源部分(后者用于DBR反射镜以及转向镜附近的短无源区)，可以利用类似于所描述的一些有源-无源集成技术的集成技术。可以使用离子注入来
电隔离器件的不同部分以允许独立控制。相同类型的区域可以用于调制器和无源区。或者
以略微更复杂的形式，单独类型的区域可以用于调制器部分，以便同时优化调制器效率和
无源损耗。
高激光器性能。此外，III-V调制器远比Si调制器更高效，因此如果使用III-V EML芯片，则调制所需的驱动功率将降低，并且总器件占用面积可能明显更小。
在实现用于调制器器件的高速界面时可能是有益的。
化并降低Si芯片的成本。然而，倒装芯片可能不一定比图23中所示的实施方案中的倒装芯
片更复杂，因为用于增益(用于激光器和放大器)的相同区域可以用于光电检测。
耦合器用于将倒装芯片的发射和接收部件连接到Si芯片。该实施方案的一个优点是所有有
源部件来自一个倒装芯片制造，并且对于每个收发器仅接合一个倒装芯片，因此整体器件
占用面积将更小并且集成将更具成本效益。为简单起见，图24中的图解仅示出一个激光器
和一个光电检测器，然而，收发器可以包括用于发射和接收功能的这些部件中的每一个的
若干个。在激光调制器发射器部件的情况下，倒装芯片通过Si光栅耦合器将光耦合到Si芯
片。在光电检测器接收器部件的情况下，光将通过光栅耦合器从Si芯片耦合到倒装芯片，其中光将在光电检测部分中被吸收。使用这种方法也可以实现其他类型的PIC，其中包括有源部件的一个或多个倒装芯片接合到Si芯片。
且光可以通过光栅耦合器从Si波导耦合到这些芯片。对于收发器的接收方面，信号可以耦
合到Si波导并且经历诸如偏振旋转、分光和滤波的无源功能，然后通过光栅耦合器耦合到
垂直照明的光电检测器。在这种情况下，光栅耦合器设计被定制成用于集成表面照明部件。
当APD用作光电检测器时，这种集成技术是特别有益的。APD通常具有更高的灵敏度，因此可以提高例如使用收发器的光链路的性能。APD很难以波导形式制造，然而，容易以表面照明形式获得。光可以使用光栅耦合器从Si波导耦合到表面照明APD。图25图示使用垂直光耦合集成技术的表面照明光电检测器(诸如PIN-PD和APD)的集成。在该实施方案中，使用通过金属或焊料的倒装芯片接合。环形接触可以用在照明侧，如图25中所示，其中元件2500表示PD倒装芯片。元件2500和2502分别表示PD顶部触点和Si上的金属。这可以用环形配置被图案
化，并且Si金属可以在一些区域中更大，以允许从顶部接近金属触点。元件2506表示PD有源区，2508表示PD衬底，并且2510表示PD底部触点。尽管该配置示出了顶侧向下的倒装芯片集成方法，但是也可以使用底侧向下方法，在这种情况下，可以从背侧照明PD。在修改的实施方案中，PD芯片可以直接接合到Si，在这种情况下，阳极和阴极金属都可以被并入一侧(在顶侧向下接合集成的情况下在背侧)。透镜或其他聚焦元件也可以并入在Si上或PD的表面
上，以增加与PD的耦合效率，并因此提高响应度。
的Si波导层，这将增加制造公差。
调制器芯片的垂直耦合；例如，转向镜、光栅和透镜可以并入调制器芯片中，以用于将光从Si耦合到调制器芯片以及从调制器芯片耦合到Si芯片。调制器具有光输入和输出，因此可
以类似于图7至图10的实施方案中呈现的光放大器或可调谐激光器结构。调制器芯片的选
择可以取决于性能要求。例如，InP、GaAs和LiNbO3提供优于Si调制器的一些性能优势。
光栅耦合器来连接两个Si芯片可能是明智的。这可以用作用于不同Si芯片的3D集成的实用
程序，例如一个可以包括有源部件，而另一个可以包括无源部件。这也可以用于这种情况：
为了无源功能和路由可能在一个芯片中制造无源Si部件，并且在也包括电子器件的Si芯片
中制造有源部件。
输入，一个用于输出，并且照明角度将使得光通过光栅耦合器从Si芯片耦合到表面照明调
制器，通过一次有源区，反射，第二次通过有源区，然后离开芯片并耦合到新的光栅耦合器。
该方案的一个优点是调制器占用面积小，耦合效率高。
用于激光腔的第二反射器，其中第一反射器由增益倒装芯片的HR涂覆的面提供。然而，可以在此使用所描述的任何实施方案，包括但不限于利用环形谐振器进行滤波的实施方案，或
包括双镜DBR激光器设计的实施方案。在图25中所示的实施方案中，可以使用MZM在四个路
径中的每一个上编码数据，然后信号可以耦合到具有四个光纤的光纤阵列或耦合到具有四
个芯的多芯光纤。如果每个MZM以25Gb/s被调制，则该实施方案将产生100Gb/s容量的发射
器。
来实现，如在图24中所示的实施方案中所描述的。诸如耦合器和分光器的无源元件可以集
成在Si波导层中。这种收发器还可以被扩展到更大数量的激光器和光电检测器，以增加数
据承载容量。另外，表面照明光电检测器(诸如PIN-PD或APD)可以用图25中所示的实施方案中所描述的方式集成，以提高接收器的灵敏度。
质的增益带宽通常不足够大，从而难以支持该间隔。因此，可以集成两个单独的增益倒装芯片，其中由具有优化的增益光谱的单独材料制造的每个倒装芯片被适当地居中。
接接合到Si波导层或接合到上包层的顶部时，由于作为热绝缘体的BOX层，在倒装芯片中产生的热不会高效地流入Si衬底。将倒装芯片直接接合到Si芯片的这一概念可以应用于任何
其他实施方案。这也具有以下优点：倒装芯片的出射面可以被定位成垂直地更靠近光栅耦
合器，这可以提高耦合效率。
中，双SOI可以用于包括Si波导层下方的反射器层，以恢复透射通过光栅耦合器的光。优化Si波导层和下Si层之间的间隔以反射透射通过光栅耦合器的光，使得其与直接耦合到Si波
导中的光重组。设计可以包括多于一层以形成DBR反射器。
(Si3N4)波导的集成。光栅耦合器可以形成在Si3N4波导中，并且光将从InP耦合到Si3N4波导。
这种Si3N4结构可以直接形成在SOI结构上，并且Si波导可以用作单独的波导层和反射器层，以便恢复透射通过光栅耦合器的光，并且以类似于图30的实施方案中呈现的方式提高整体
耦合效率。
合到Si芯片。
者可以利用多个部分来实现，以平衡由激光器产生的线的功率。可基于QW或QD材料的梳状
激光源可以用于WDM传输，或者用于芯片上应用的WDM/密集WDM(DWDM)。
的滤波功能，或者光通过公共总线馈送到一系列环形谐振器滤波器，并且由此环形谐振器
在相对端口上具有DBR反射镜以封闭激光腔。
光斑尺寸转换器，使得只有靠近转向镜的输出部分包括这种类型的波导结构。这种模态行
为将显著提高通过光栅耦合器从倒装芯片到Si芯片的耦合效率，并且也将提高对准公差。
结构。
是指数的。一旦确定泄漏因数的期望分布，就调整光栅间距和占空比以获得它。也可以通过将泄漏因数的计算分布仅用作随后的遗传算法搜索例程的起点，并与数值光学仿真软件结
合，来执行优化程序的进一步改进。除了光栅间距和占空比之外，光栅深度也可以被变迹。
用于从集成波导结构耦合的光栅耦合器设计对于包括光斑尺寸转换器的实施方案可以采
用类似的方法，然而，对于从具有高度发散光束的波导的耦合可以不同。
软件)来执行在横向维度上的光栅几何形状的设计。在横向维度上的光栅设计的一个重要
方面是光栅几何形状和/或波导锥的设计，其将来自相对宽的光栅(通常在10-20μm的范围
内)的光聚焦到可以用于光的芯片上路由的窄光波导(通常为0.2-1μm)中。如果光栅凹槽不是弯曲的而是直的，则可以通过将来自光栅的光耦合到具有类似宽度的波导中并且横向地
渐缩波导宽度来执行聚焦，使得光被绝热地聚焦到路由波导的小模式中。替代性地，光栅凹槽可以是弯曲的，使得聚焦动作发生在光栅本身内。
对光栅和激光源之间的光隔离器的需要。
明显的光发散。因此，横向维度上的光栅设计可能需要将光栅设计成二维的并且收集和聚
焦横向发散光，这对于光纤光栅耦合器通常是不必要的。
中引导光。光斑尺寸转换器改变离开或进入波导的光的尺寸、形状和其他特性(诸如发散
度)。水平到平面外过渡元件将平面引导光重定向到衬底的平面之外。光斑尺寸转换器的目的是使离开或进入该表面发射光子器件的光能够高效地耦合到其他波导、器件、部件或光
子集成电路或从其他波导、器件、部件或光子集成电路耦合。
底的平面)波导的另一器件。在该实施方案中，可以通过以这种方式集成多于一个光子器件或多于一个光子集成电路来形成光子集成电路。
3320中被制造为表面照明或发射器件(诸如但不限于垂直腔表面发射激光器、表面照明光
电检测器、垂直调制器、垂直腔半导体光放大器)，或可以(用可选步骤3322、3324、3326)被制造为包括垂直发射或照明元件(诸如但不限于如图31中呈现的表面发射光子器件)的平
面波导器件。对于后一种情况，形成水平/平面波导结构，形成光斑尺寸转换器，并形成水平到平面外过渡元件。顺序不一定需要按此次序执行，并且可以利用相同的步骤形成这些元
件中的多于一个的一些属性。一般来说，当涉及光传播的方向时，水平到平面外也可以意指平面外到水平。器件也可能以双向方式操作，其中相同的元件或元件的组合在两个方向上
传播光。
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