基于双光子吸收的硅波导光功率监控器

摘要

提供一种在不影响设备或系统性能的情况下监控波导内部的光功率的直接的方法，以代替监控从波导出来的光功率。波导包括p-i-n结构，所述p-i-n结构引起TPA产生的电流并且可以用反向偏置二极管增强。TPA电流可以通过探测设置在波导的顶部表面上的金属接触部来直接测量，并且可以使得能够进行晶圆级测试。可以在遍及集成的网络的期望的点处实施p-i-n结构，从而允许对不同设备进行探测，以用于原位功率监控和故障分析。

说明书

技术领域

本发明的实施例涉及光功率监控，更具体地，涉及硅波导中的原位 （in-situ）光功率监控。

背景技术

由于互联网数据流量多年以来连续以指数的方式增长，并且电子互连 已经到达它们的支撑这样的增长的极限，所以高带宽、高功率效率和可靠 的光链路具有改变消费电子和服务器市场的潜力。集成的光电技术可以用 作关键的推动者以使个人计算设备能够以空前的速率发送和接收数据。近 些年来，在硅光子学领域的光学部件研究中的许多成功已经使得绝缘体上 硅（SOI）成为用于未来几代的集成光电系统的最有前途的材料平台选择。 典型的集成光电系统可以包括激光器、调制器、复用器/解复用器、光电检 测器、以及诸如滤波器和耦合器之类的其它无源部件。

激光器是通过受激发射来发射光且产生频谱范围为从红外到紫外的相 干光束的公知的设备，并且可以用在各种各样的应用中。在集成的光子链 路中，来自激光器源的数据通过调制器编码，并且通过波导传播。在许多 应用中，光数据传播经过同一芯片上的一些有源和无源部件，并且理想的 是，在系统的各个级监控光功率。

当前，一种监控波导内的光功率的标准的方式是用光纤或自由空间物 镜（objective）收集离开波导的光。可以用外部的功率计测量光功率。实际 的功率可以通过假定一些预表征的损耗（包括输入/输出耦合损耗和波导传 播损耗）来确定。

事先仔细地测量和校准所有这些损耗特征。例如，经常采用片上削减 （cutback）方法测量传播损耗，所述方法需要在同一芯片上制造具有各种 长度的几个弯曲波导。可以测量来自每个弯曲的波导的输出功率，并且经 由统计拟合确定传播损耗。

上文描述的方法会占据宝贵的晶片区域，并且可能仅仅在部件级上以 简单的波导结构工作。在集成的光子网络设定中（其中许多光部件在同一 衬底上链接在一起），上述方法可能不能良好工作。例如，在网络故障的情 况下，重要的是找到集成的网络中的故障部件。因为上述方法仅仅确定网 络是否发生故障，但不确定网络在哪里发生故障，所以期望有一种替代的 功率监控方案。

附图说明

当联系附图阅读时，从下文中对布置和示例性实施例的详细说明以及 权利要求中，本发明的前述的以及更好的理解可以变得显而易见，所有这 些内容形成本发明的公开内容的一部分。虽然前述的以及下文中描述的和 示出的公开内容聚焦在公开本发明的布置和示例性实施例上，但是应当清 楚理解的是，所述公开内容仅用以说明和示例，并且本发明不限于所述公 开内容。

图1是根据一个实施例的p-i-n波导截面的扫描电镜图；

图2A是包括诸如图1中示出p-i-n波导之类的p-i-n波导的俯视图的框 图；

图2B是沿着图2A的线A-A’取得的p-i-n波导的截面图；

图3是示出了波导内的光功率相对于所测量的双光子吸收（TPA）产生 的电流的曲线图；

图4是示出了施加在波导p-i-n二极管上的反向偏置电压相对于所测量 的TPA产生的电流的曲线图；以及

图5是示出了集成的光子网络的框图，所述集成的光子网络可以被探 测以确定在波导中的任意点处的原位光功率。

具体实施方式

描述了一种用于原位光功率监控的方法和装置。近些年来，已经开发 了诸如激光器、调制器、光电检测器、波长转换器和波长复用器/解复用器 之类的硅光子部件。当将所有这些独立的部件集成在单一的基于硅的平台 上时，理想的是能够在芯片级上监控集成系统的光功率。即，需要监控在 芯片上任意期望点处的光功率的能力。因此，原位功率监控在不影响系统 的性能的情况下识别且隔离系统中的故障部件方面将是有用的。

本说明书中通篇提及的“一个实施例”或“实施例”意味着结合该实 施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中，因 此，在本说明书的许多地方出现的短语“在一个实施例中”或者“在实施 例中”未必都指代同一实施例。此外，特定的特征、结构或特性可以在一 个或多个实施例中以任意合适的方式结合。

参考图1，其示出了p-i-n波导截面的扫描电镜图。本发明的实施例在 硅波导中利用非线性光效应，即双光子吸收（TPA），以允许对波导内的光 功率进行直接探测。如图所示，硅衬底100上可以形成有掩埋氧化物层 （BOX）102以及脊型波导104。p掺杂区域106和n掺杂区域108可以设 置在脊型波导104的任意一侧。氧化物层110可以形成在所述结构上，作 为钝化层。欧姆接触部112和114可以形成在氧化物层110上，以便分别利 用通孔116和118而与p掺杂区域106和n掺杂区域108形成电接触。嵌 入方框120示出了脊型波导104的放大图。

同时参考图2A和2B，它们示出了框图以更好地示出诸如图1中所示 的p-i-n波导之类的p-i-n波导。图2A示出了根据本发明的教导的光波导211 的俯视图，并且图2B示出了沿着图2A的截面线A-A’取得的光波导211的 截面图。波导211可以形成在包括硅衬底200和掩埋氧化物（BOX）层202 的绝缘体上硅（SOI）平台上。光射束217可以传播经过波导211的第一部 分，并且光射束219可以继续通过波导211的第二部分。

波导211可以包括脊型区域239和板区域241。在一个实施例中，波导 211的半导体材料包括带有p⁺掺杂区域243和n⁺掺杂区域245的本征硅， 所述p⁺掺杂区域243和n⁺掺杂区域245设置在板区域241的相对的侧面且 在通过波导211的光路径或光模式218之外。在一个实施例中，p⁺掺杂区域 243耦合至地，并且n⁺掺杂区域245耦合至V_D，使得所得到的P-I-N二极 管结构适于根据本发明的教导反向偏置。在一个实施例中，在硼作为p型 掺杂剂且磷作为n型掺杂剂的情况下，掺杂剂浓度可以在10¹⁷至10¹⁸1/cm³的量级。当然，掺杂剂类型和浓度并不限于此。

在一个实施例中，波导211的脊型区域239具有宽度W=0.6μm，波导 211具有高度H=0.5μm，以及0.22μm的蚀刻深度。如在描述的实施例中示 出的，p⁺掺杂区域243与n⁺掺杂区域245之间的间隔为2.4μm。在一个实施 例中，根据本发明的教导，间隔为2.4μm的p⁺掺杂区域243和n⁺掺杂区域 245几乎不会带来额外的光损耗。多个欧姆接触部250可以形成在波导211 的顶部表面上，所述欧姆接触部250利用通孔251连接至P掺杂区域243。 同样地，多个欧姆接触部252可以形成在波导211的顶部表面上，所述欧 姆接触部252利用通孔253连接至N掺杂区域245。欧姆接触部250和252 可以形成在沿着波导211的长度的任意期望的点处，以生成探测点，从而 通过反向偏置p-i-n结构并测量TPA引起的电流而使得能够在该点处原位确 定在光导211中传播的光功率。

当光子在波导211内部传播时，对于每两个被吸收的光子，产生一个 电子空穴对，并且可以产生电流。在无源的方案中，TPA引起的电流将在 波导的表面复合。在当前的p-i-n波导方案中，本征电场扫除（sweep）跨 越波导211的TPA引起的电流，并且因此可以用电流计探针260探测到。 在该过程期间，一些TPA引起的电流仍将在波导的表面与p-i-n二极管的本 征电场复合。通过向该二极管施加更多的反向偏置，甚至可以生成更强的 电场以收集更多的TPA引起的电流，并且因此增强所述效应。由于电流是 由光子产生的，而不是通过反向偏置二极管产生的，因此可以在不改变波 导的初始光响应的情况下监控光功率。

TPA被理解为非线性过程，这意味着自由载流子密度N（z）与输入峰 值功率P（z）有关，如：

$N\left(z\right)=\frac{{\mathrm{\beta \lambda }}_p{\tau }_{\mathrm{eff}}}{2\mathrm{hc}}\frac{P^2\left(z\right)}{A_{\mathrm{eff}}^2}$

其中β是TPA吸收系数，λ_p是光波的波长，τ_eff是有效自由载流子的 寿命，hc是光子能量，并且A_eff是波导的有效面积。共同转让的美国专利 7266258提供了对TPA和可以适于实施本发明的可能的波导结构的更为具 体的讨论，该美国专利通过参考并入本文中。

现在参考图3，其示出了波导内部的光功率相对于所测量的双光子吸收 （TPA）产生的电流的曲线图，并且展示了光功率与TPA电流之间的二次 曲线关系（quadratic relationship）。如图所示，不同的曲线对应于p-i-n二极 管的各种反向偏置条件。在该实验中，曲线代表0V、7V和15V的反向偏 置电压。对所测量数据的二次拟合显示了光功率与所测量的电流之间存在 平方功率相关性，这是TPA的鲜明特征。对于给定的光功率，通过施加15V 的反向偏置电压，观察到功率监控的响应度提高6倍。

现在参考图4，其示出了向波导p-i-n二极管施加的反向偏置电压相对 于所测量的TPA产生的电流的曲线图。不同的曲线对应于波导内的各种输 入光功率。在该曲线图中，示出了0.209mW、0.177mW、0.116mW和0.052mW 的光功率。通过增加反向偏置电压，如图所示，p-i-n功率监控的响应度在 15V处改进约6倍。因此，可以测量像0.05mW（-13dBm）那么小的光功 率，其敏感度足以用于典型的片上光互连。

图5是示出了集成的光子网络的框图，根据一个实施例，所述集成的 光子网络可以被探测以在波导中的任意点处原位确定光功率。网络可以形 成在SOI衬底500上，并且可以包括任意数目和类型的设备。在该示例中， 根据本发明的实施例，所述网络可以包括一个或多个激光器502、常规的功 率监控器504、调制器506、WDM复用器（MUX）508、连接的光纤以及 各种p-i-n波导211的网络。

可以将探测点520（其可以对应于参考图2A和图2B讨论的欧姆接触 部250和252）设置在沿着p-i-n波导211的任意的多个位置处。可以将这 些探测点520反向偏置，并且包括电流计的探针设备530可以用来检测在 该点处的TPA引起的电流，从而确定在该点处的波导内的光功率。除了其 它原因，这对确定网络中的附近的部件的健康或故障可以是有用的。

如上所述，实施例包括将p型掺杂剂注入波导的一侧的所选择的区域， 并且将n型掺杂剂注入另一侧。一旦激活了掺杂剂且沉积了金属接触部， 就形成p-i-n结构。实施例将p-i-n结构结合到波导中，当前的无源的波导设 备中没有所述p-i-n结构。这允许在存在p-i-n接触部的任何地方探测TPA 产生的电流。该方法相对于常规的功率监控方案具有优势，因为p-i-n结构 可以设置在沿着波导的任意位置，所以可以从样品的顶部表面沿着波导的 多个部分探测和监控光功率，而非从端面监控光输出。

包括摘要中描述的内容的对本发明的示出的实施例的上述描述不是意 在毫无遗漏的，或是将本发明限制为所公开的精确形式。虽然为例示性的 目的在本文中描述了本发明的具体实施例和示例，但是，如本领域技术人 员将意识到的，在本发明的范围内的各种等同形式的修改也是可能的。

可以在考虑到上述详细的描述的情况下，做出对本发明的这些修改。 在以下的权利要求中使用的术语不应当被解释为将本发明限制为在说明书 和权利要求中所公开的具体实施例。恰恰相反，本发明的范围将完全由以 下的权利要求确定，将根据已建立的权利要求的解读原则来解释所述权利 要求。