Search

DE-112017001356-B4 - OPTISCHER ON-CHIP-ISOLATOR, VERFAHREN ZUM HERSTELLEN EINES OPTISCHEN ON-CHIP-ISOLATORS; SOWIE OPTISCHES SYSTEM

DE112017001356B4DE 112017001356 B4DE112017001356 B4DE 112017001356B4DE-112017001356-B4

Abstract

Photonische integrierte Schaltung (103, 203, 403, 754) umfassend: einen Laser (104, 204, 404) über einem optischen Wellenleiter (205, 312, 405); und einen On-Chip-Isolator (108, 208, 308, 408, 508), der optisch mit dem Laser (104, 204, 404) gekoppelt ist, wobei der On-Chip-Isolator (108, 208, 308, 408, 508) den optischen Wellenleiter (205, 312, 405), einen magnetooptischen, in Flüssigphasenepitaxie aufgewachsenen Granatfilm (228, 328, 428, 528), der mit einem ersten Teilabschnitt des optischen Wellenleiters (205, 312, 405) gekoppelt ist, sowie ein gitterangepasstes Substrat (229, 429) auf dem Granatfilm (228, 328, 428, 528) aufweist, wobei auf wenigstens einem zweiten Teilabschnitt des optischen Wellenleiters (205, 312, 405) und/oder auf dem Laser (104, 204, 404) eine Oxidummantelung (406) ausgebildet ist, und wobei der Granatfilm (228, 328, 428, 528) unterhalb einer oberen Oberfläche der Oxidummantelung (406) liegt.

Inventors

  • John Heck
  • David N. Hutchison
  • Jie Sun
  • Haisheng Rong
  • Woosung Kim

Assignees

  • INTEL CORPORATION

Dates

Publication Date
20260507
Application Date
20170206
Priority Date
20160315

Claims (20)

  1. Photonische integrierte Schaltung (103, 203, 403, 754) umfassend: einen Laser (104, 204, 404) über einem optischen Wellenleiter (205, 312, 405); und einen On-Chip-Isolator (108, 208, 308, 408, 508), der optisch mit dem Laser (104, 204, 404) gekoppelt ist, wobei der On-Chip-Isolator (108, 208, 308, 408, 508) den optischen Wellenleiter (205, 312, 405), einen magnetooptischen, in Flüssigphasenepitaxie aufgewachsenen Granatfilm (228, 328, 428, 528), der mit einem ersten Teilabschnitt des optischen Wellenleiters (205, 312, 405) gekoppelt ist, sowie ein gitterangepasstes Substrat (229, 429) auf dem Granatfilm (228, 328, 428, 528) aufweist, wobei auf wenigstens einem zweiten Teilabschnitt des optischen Wellenleiters (205, 312, 405) und/oder auf dem Laser (104, 204, 404) eine Oxidummantelung (406) ausgebildet ist, und wobei der Granatfilm (228, 328, 428, 528) unterhalb einer oberen Oberfläche der Oxidummantelung (406) liegt.
  2. Photonische integrierte Schaltung (103, 203, 403, 754) nach Anspruch 1 , wobei der On-Chip-Isolator (108, 208, 308, 408, 508) ferner eine Ummantelung umfasst, die mit dem Granatfilm (228, 328, 428, 528) gekoppelt ist.
  3. Photonische integrierte Schaltung (103, 203, 403, 754) nach Anspruch 2 , wobei die Ummantelung Siliciumdioxid, Siliciumoxinitrid oder Siliciumnitrid aufweist.
  4. Photonische integrierte Schaltung (103, 203, 403, 754) nach Anspruch 1 , wobei der optische Wellenleiter (205, 312, 405) ein erster optischer Wellenleiter (314, 514) ist und der On-Chip-Isolator (108, 208, 308, 408, 508) ferner einen zweiten optischen Wellenleiter (316, 516) umfasst, wobei der Granatfilm (228, 328, 428, 528) sowohl mit dem ersten als auch dem zweiten optischen Wellenleiter (314, 316, 514, 516) gekoppelt ist und der On-Chip-Isolator (108, 208, 308, 408, 508) in einer Mach-Zehnder-Interferometerkonfiguration angeordnet ist.
  5. Photonische integrierte Schaltung (103, 203, 403, 754) nach Anspruch 4 , wobei der On-Chip-Isolator (108, 208, 308, 408, 508) ferner umfasst: einen ersten Teiler (310), der mit dem ersten und dem zweiten optischen Wellenleiter (314, 316, 514, 516) gekoppelt ist; und einen zweiten Teiler (332), der mit dem ersten und dem zweiten optischen Wellenleiter (314, 316, 514, 516) gekoppelt ist, wobei der Granatfilm (228, 328, 428, 528) mit einem Teilabschnitt der ersten und zweiten optischen Wellenleiter (314, 316, 514, 516) zwischen dem ersten und dem zweiten Teiler (310, 332) gekoppelt ist.
  6. Photonische integrierte Schaltung (103, 203, 403, 754) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , wobei der Granatfilm (228, 328, 428, 528) aus einem Material aus einer Seltenerd-Granatfamilie ausgebildet ist.
  7. Photonische integrierte Schaltung (103, 203, 403, 754) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , wobei der Granatfilm (228, 328, 428, 528) ein Seltenerd-Eisen-Granat-Material, ein Seltenerd-Gallium-Granat-Material oder ein Seltenerd-Aluminium-Granat-Material aufweist.
  8. Photonische integrierte Schaltung (103, 203, 403, 754) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , wobei der Granatfilm (228, 328, 428, 528) mindestens eines von Wismut, Lutetium, Holmium, Gadolinium oder Yttrium aufweist.
  9. Photonische integrierte Schaltung (103, 203, 403, 754) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , wobei der optische Wellenleiter (205, 312, 405) eine Breite von mehr als oder gleich 220 Nanometer und weniger als oder gleich 300 Nanometer entlang des Teilabschnitts des optischen Wellenleiters (205, 312, 405) aufweist, der mit dem Granatfilm (228, 328, 428, 528) gekoppelt ist.
  10. Photonische integrierte Schaltung (103, 203, 403, 754) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , wobei der On-Chip-Isolator (108, 208, 308, 408, 508) ferner umfasst: einen ersten Polarisationsrotator; und einen zweiten Polarisationsrotator, wobei der erste und der zweite Polarisationsrotator entlang des Teilabschnitts des optischen Wellenleiters (205, 312, 405) voneinander beabstandet sind, der mit dem Granatfilm (228, 328, 428, 528) gekoppelt ist.
  11. Photonische integrierte Schaltung (103, 203, 403, 754) nach Anspruch 1 , wobei der On-Chip-Isolator (108, 208, 308, 408, 508) ferner eine Ummantelung umfasst, die mit dem Granatfilm (228, 328, 428, 528) gekoppelt ist, wobei: die Ummantelung Siliciumdioxid, Siliciumoxinitrid oder Siliciumnitrid aufweist; der Granatfilm (228, 328, 428, 528) ein Seltenerd-Eisen-Granat-Material, ein Seltenerd-Gallium-Granat-Material oder ein Seltenerd-Aluminium-Granat-Material aufweist; der optische Wellenleiter (205, 312, 405) ein erster optischer Wellenleiter (314, 514) ist und der On-Chip-Isolator (108, 208, 308, 408, 508) ferner einen zweiten optischen Wellenleiter (316, 516) umfasst; der Granatfilm (228, 328, 428, 528) mit dem ersten und dem zweiten optischen Wellenleiter (314, 316, 514, 516) gekoppelt ist; der On-Chip-Isolator (108, 208, 308, 408, 508) in einer Mach-Zehnder-Interferometerkonfiguration angeordnet ist; und der On-Chip-Isolator (108, 208, 308, 408, 508) ferner mindestens einen Polarisationsrotator in einem Teilabschnitt mindestens eines des ersten und zweiten optischen Wellenleiters (314, 316, 514, 516) umfasst, die mit dem Granatfilm (228, 328, 428, 528) gekoppelt sind.
  12. Verfahren (600) zum Herstellen einer photonischen integrierten Schaltung (103, 203, 403, 754), umfassend: Bilden (602) eines optischen Wellenleiters (205, 312, 405); Bilden (604) eines Lasers (104, 204, 404) über dem optischen Wellenleiter (205, 312, 405); und Bilden eines On-Chip-Isolators (108, 208, 308, 408, 508), der optisch mit dem Laser (104, 204, 404) gekoppelt ist, wobei das Bilden eines On-Chip-Isolators (108, 208, 308, 408, 508) beinhaltet: Entfernen (608) einer Oxidummantelung (406) von einem ersten Teilabschnitt des optischen Wellenleiters (205, 312, 405); Bonden (610) eines magnetooptischen, in Flüssigphasenepitaxie aufgewachsenen Granatfilms (228, 328, 428, 528) an den Wellenleiter (205, 312, 405) in dem ersten Teilabschnitt; und Abscheiden (612) einer Ummantelung auf den Granatfilm (228, 328, 428, 528), wobei der Granatfilm (228, 328, 428, 528) unterhalb einer oberen Oberfläche der Oxidummantelung (406) liegt, und wobei ein gitterangepasstes Substrat (229, 429) mit dem Granatfilm (228, 328, 428, 528) gekoppelt ist.
  13. Verfahren (600) nach Anspruch 12 , wobei die Ummantelung Siliciumdioxid, Siliciumoxinitrid oder Siliciumnitrid aufweist.
  14. Verfahren (600) nach Anspruch 12 , wobei der Granatfilm (228, 328, 428, 528) aus einem Material aus einer Seltenerd-Granatfamilie ausgebildet ist.
  15. Verfahren (600) nach einem der Ansprüche 12 bis 14 , wobei der Granatfilm (228, 328, 428, 528) ein Seltenerd-Eisen-Granat-Material, ein Seltenerd-Gallium-Granat-Material oder ein Seltenerd-Aluminium-Granat-Material aufweist.
  16. Verfahren (600) nach einem der Ansprüche 12 bis 14 , wobei der Granatfilm (228, 328, 428, 528) mindestens eines von Wismut, Lutetium, Holmium, Gadolinium oder Yttrium aufweist.
  17. Verfahren (600) nach einem der Ansprüche 12 bis 14 , wobei das Verfahren ferner das Entfernen eines Abschnitts des Substrats (229, 429) umfasst.
  18. Optisches System (100, 750), umfassend: einen Prozessor (702); und eine optische Vorrichtung (752), die mit dem Prozessor (702) gekoppelt ist, wobei die optische Vorrichtung (752) aufweist: eine photonische integrierte Schaltung (103, 203, 403, 754), umfassend: einen Laser (104, 204, 404) über einem optischen Wellenleiter (205, 312, 405); und einen On-Chip-Isolator (108, 208, 308, 408, 508), der optisch mit dem Laser (104, 204, 404) gekoppelt ist, wobei der On-Chip-Isolator (108, 208, 308, 408, 508) den optischen Wellenleiter (205, 312, 405), einen magnetooptischen, in Flüssigphasenepitaxie aufgewachsenen Granatfilm (228, 328, 428, 528), der mit einem ersten Teilabschnitt des optischen Wellenleiters (205, 312, 405) gekoppelt ist, sowie ein gitterangepasstes Substrat (229, 429) auf dem Granatfilm (228, 328, 428, 528) aufweist, wobei auf wenigstens einem zweiten Teilabschnitt des optischen Wellenleiters (205, 312, 405) und/oder auf dem Laser eine Oxidummantelung (406) ausgebildet ist, und wobei der Granatfilm (228, 328, 428, 528) unterhalb einer oberen Oberfläche der Oxidummantelung (406) liegt.
  19. Optisches System (100, 750) nach Anspruch 18 , wobei der On-Chip-Isolator (108, 208, 308, 408, 508) eine Ummantelung aufweist, die mit dem Granatfilm (228, 328, 428, 528) gekoppelt ist.
  20. Optisches System (100, 750) nach Anspruch 18 , wobei der Granatfilm (228, 328, 428, 528) aus einem Material aus einer Seltenerd-Granatfamilie ausgebildet ist.

Description

Gebiet Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beziehen sich im Allgemeinen auf das Gebiet der Optoelektronik und insbesondere auf photonische integrierte Schaltungen mit optischen On-Chip-Isolatoren, wie Silicium-Photonik-Übertragungsschaltungen, die auf Silicium-auf-Isolator (SOI) -Wafern hergestellt sind. Hintergrund Die Hintergrundbeschreibung, die hierin bereitgestellt wird, soll den Kontext der Offenbarung im Allgemeinen darstellen. Sofern hierin nicht anderweitig angegeben, sind die in diesem Abschnitt beschriebenen Materialien bezogen auf die Patentansprüche in dieser Anmeldung nicht Stand der Technik und werden durch Aufnahme in diesen Abschnitt nicht als Stand der Technik anerkannt. Die Silicium-Photonik wird oft als eine der beliebtesten und erfolgreichsten Technologieplattformen betrachtet, die auf planaren Photonikschaltungen zur kosteneffektiven Integration der Optoelektronik basiert. Lichtwellenleiterbasierte Photonikvorrichtungen, wie Laser, Modulatoren und Detektoren werden typischerweise auf Silicium-auf-Isolator (SOI)-Wafern hergestellt. Bei photonischen SOI-Systemen ist Licht typischerweise auf eine Wafer- (oder Chip-) Ebene beschränkt. Siliciumwellenleiter werden typischerweise mit Submikrometerquerschnitten ausgestaltet, was eine dichte Integration von aktiven und passiven Vorrichtungen ermöglicht, um eine höhere Geschwindigkeit und eine geringere Antriebsenergie zu erreichen. Licht, das von photonischen Silicium-SOI-Systemen übertragen wird, ist typischerweise außer-Chip auf nicht-vertikale Weise gekoppelt, kann aber auch vertikal mit optischen Fasern in einer Richtung orthogonal zu dem photonischen Silicium-Senderchip gekoppelt sein. Die US 2012/0002914 A1 zeigt eine photonische integrierte Schaltung mit einem On-Chip-Isolator, der mit einem Laser gekoppelt ist, und einen optischen Wellenleiter aufweist. Die US 2010/0307678 A1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines optischen nicht-reziproken Elements durch Verbinden einer Si-Schicht, auf der ein Wellenleiter ausgebildet ist, mit einer magnetooptischen Materialschicht. In Bi, Lei, et al. „On-chip optical isolation in monolithically integrated nonreciprocal optical resonators“, Nature Photonics, 2011, 5. Jg., Nr. 12, S. 758-762, werden nicht-reziproke photonische Bauelemente, wie optische Isolatoren, und die Integration solcher Bauelemente auf Halbleiterplattformen diskutiert und ein monolithisch integrierter nicht-reziproker optischer Resonator vorgestellt.In Shoji, Yuya et al. „Silicon Mach-Zehnder interferometer optical isolator having 8 nm bandwidth for over 20 dB isolation“, Japanese Journal of Applied Physics, 2014, 53. Jg., Nr. 2, S. 022202, wird ein magnetooptischer Isolator auf Basis eines Silizium-Mach-Zehnder-Interferometers (MZI) besprochen. Kurzbeschreibung der Zeichnungen Ausführungsformen der photonischen integrierten Schaltung mit optischen On-Chip-Isolatortechniken der vorliegenden Offenbarung können diese Beschränkungen überwinden. Die Techniken sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen ohne Weiteres ersichtlich. Zur Erleichterung dieser Beschreibung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche strukturelle Elemente. Ausführungsformen sind in den Figuren der begleitenden Zeichnungen lediglich beispielhaft und nicht einschränkend veranschaulicht.1 ist ein Blockdiagramm eines optoelektronischen Systems, das eine photonische integrierte Schaltung, die einen optischen On-Chip-Isolator der vorliegenden Offenbarung aufweist, gemäß verschiedenen Ausführungsformen aufnimmt.2 veranschaulicht schematisch eine Querschnittsseitenansicht einer photonischen integrierten Schaltung mit einem optischen On-Chip-Isolator gemäß einigen Ausführungsformen.3 ist ein Diagramm einer optischen Vorrichtung, die ein zusätzliches Detail für einen optischen On-Chip-Isolator gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt.4A bis 4D veranschaulichen schematisch eine Querschnittsseitenansicht einer photonischen integrierten Schaltung, die einen optischen On-Chip-Isolator gemäß einigen Ausführungsformen in verschiedenen Stufen der Ausbildung aufweist.5 zeigt ein zusätzliches Detail eines Abschnitts eines optischen On-Chip-Isolators, einschließlich einer Positionierung von Polarisationsrotatoren, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.6 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung einer photonischen integrierten Schaltung, die einen optischen On-Chip-Isolator gemäß verschiedenen Ausführungsformen aufweist, veranschaulicht.7 veranschaulicht schematisch eine beispielhafte Computervorrichtung und eine optische Vorrichtung mit einem optischen On-Chip-Isolator gemäß verschiedenen Ausführungsformen. Ausführliche Beschreibung In der Siliciumphotonik kann ein Laser in eine photonische integrierte Schaltung (PIC) integriert werden, die eine Vielzahl anderer Komponenten (Modulatoren, Teiler, Koppler, Filter, Detektoren) auf dem Chip enthält. Es ist wünschenswert, dass der Laser gegenüber Rückkop