一种杂散光偏转器、光芯片及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种杂散光偏转器、光芯片及其制作方法。本发明专利技术基于灰度刻蚀的方式在芯片开设凹槽，在凹槽的槽壁上镀设可将不同波长杂散光反射至外部空间的金属反射层构成杂散光偏转器，能够有效的去除光芯片的不同波长、不同模式、不同角度的杂散光，且工艺步骤简单，布局灵活且成本低。

【技术实现步骤摘要】
一种杂散光偏转器、光芯片及其制作方法
本专利技术涉及一种光波导器件，具体涉及一种杂散光偏转器、光芯片及其制作方法。
技术介绍
光芯片、光子芯片或集成光波导芯片是5G光通信、光计算等领域的关键器件结构之一。激光器、光纤以及光学探测器均可以通过不同种的耦合方式直接与光芯片连接交互。常见的耦合方式如图1所示，分为两种：端面耦合和光栅耦合。信号光源从激光器01或者光纤02输出，并通过光芯片03中的一个输入波导04进入到光芯片回路05中进行光信号处理，光信号处理完后通过输出波导06的端口传输至光探测器07中。在光芯片03与激光器01、光纤探测器07交互处理过程中，不可避免的存在两种耦合损耗：耦合损耗与片上损耗。耦合损耗是由激光器01或光纤02与光芯片03耦合时存在不可避免的光损失，使部分光进入光芯片波导以外的区域产生的。这些进入波导以外区域的部分光被称作散射光，如图2所示。同理，片上损耗是光芯片中进行信号处理的光，在芯片各波导内部交互不可避免存在的散射光。在光芯片上无论哪种损耗的散射光，都不受光波导的限制，可以在芯片中以任意方向传播。一部分散射光可能进入光学探测器、光芯片监控器中，而这部分未经光学回路处理的散射光(即杂散光)同样会被光学探测器、光芯片监控器转化为电信号。那么意味着这些散射光将产生背景噪声和串扰，并干扰正常处理过的有用光信号的识别率。这些干扰将会降低光学系统的性能和光芯片的性能，导致光学组件和芯片性能和良率的降低。为解决上述杂散光串扰的问题，目前该领域也提出了一些解决办法：中国专利，公开号CN1290354A，名称为一种集成光学回路杂散光吸收的方法，该专利采用在芯片内设置掺杂区来对杂散光进行吸收，但是该方式在光芯片中设置掺杂区工艺流程复杂，成本较高。中国专利，公开号CN108037564A，名称为散射光偏转器，该专利采用了设置由高折射率和低折射率呈周期性或准周期性结构交替布置在光芯片内的反射单元实现对杂散光进行处理，但是这种方式依然存在以下问题：1、波长选择性、模式选择性以及传输方向选择性是反射单元的天然属性(具体分析见本段末尾)。而芯片波导回路中散射光的模式和方向是不确定的。因此具有较大带宽、较多模式和多方向散射的杂散光不可避免的需要多周期的光子晶体结构进行级联，才能完成散射光转向或屏蔽。根据文献[FinkY.ADielectricOmnidirectionalReflector[J].Science.1998,282(5394):1679-1682.]记载的计算方法。以一维光子晶体多层膜周期的光子帯隙为例，图3为一维光子晶体结构图以及参数，n0、n1、n2分别为介质1、介质2、介质3，3种不同的材料折射率；h1、h2为介质1和介质2的厚度，a＝h1+h2，a为光子晶体周期厚度；波矢为k,与晶体周期排列方向平行的方向为y,与晶体周期排列方向垂直的方向为x,。图4中(A)为一维光子晶体结构分别为折射率n0＝1,n1＝2.2,n2＝1.7,厚度比例h2/h1＝2.2/1.7的带隙图，图4中(B)为折射率n0＝1,n1＝4.6,n2＝1.6,厚度比例h2/h1＝1.6/0.8的带隙图。图4中(A)和(B)中反射带为白色区域，横轴代表x方向的波矢；纵轴代表的是频率,单位为(2πc/a)。由于图4中(A)和(B)的填充材料与填充比例不同，所以带隙有很大区别，这说明光子晶体反射频带(或反射波段)与材料折射率和填充比例(即厚度比例)相关。从纵轴频率的单位2πc/a可以看出光子晶体反射频带(或反射波段)受光子晶体的周期宽度影响。进一步的，在横轴上不同的ky所对应的反射带隙也是不同的，表明光子晶体反射频带(或反射波段)是与光传播方向与模式是相关的。由以上描述可知，波长选择性、模式选择性以及方向选择性分别会造成部分波长的杂散光、部分非设定的模式杂散光以及部分非设定角度的杂散光不会较好的偏转或滤除掉，因此，实现宽波段或多模式或多方向的偏转器结构需要多级级联进行覆盖，这样必然导致偏转器结构尺寸大，占用芯片功能区的空间，或者说在空间有限的芯片功能区无法放置高性能光子晶体转向器。2、为了确保反射单元对各种波长的杂散光均进行反射处理，反射单元就需要严苛的刻蚀线宽和尺寸(根据上述光子晶体带隙分析，刻蚀线宽和尺寸与反射波长有紧密关系)，这将带来了较大工艺挑战。例如220nm芯层厚度的Si光芯片中工作在C波段的光子晶体孔洞的直径大致为80nm～200nm，条形周期结构的宽度大致为80nm～200nm。。除此之外，在刻蚀完孔洞或者条形周期结构后需要进行相应折射率材料的填充。而小尺寸的孔洞/刻槽对填充工艺有较高的要求。填充缺陷将会改变填充区域的折射率，进一步影响反射单元的性能，包括影响工作波长、反射效率。3、上述方式中,杂散光转向后仍然会由残留光被束缚在波导芯层进行传播，很有可能会传输回激光器回路内成为回损分量(或传输到探测器成为噪声分量)，这是设计人员无法预估的。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种大带宽、模式与散射方向不敏感、工艺容易实现的杂散光偏转器，该杂散光偏转器可将杂射光全部从光芯片中反射出外部空间避免了残留光被束缚在波导层进行传播，可能会传输回激光器回路内成为回损分量或传输到探测器成为噪声分量等问题。同时，本专利技术还提供了一种使用上述杂散光偏转器的光芯片及其制作方法。本专利技术的具体技术方案是：本专利技术提供了一种杂散光偏转器，包括开设在光芯片上的凹槽，凹槽的两侧槽壁有一个为倾斜面，并且倾斜面上镀设有可将不同波长、不同模式和不同角度的杂散光从凹槽开口端全部反射至外部空间的金属反射层；凹槽的长度、宽度以及深度均为微米级或亚微米级。进一步地，上述倾斜面为直线斜面或曲线斜面。进一步地，上述凹槽采用CMOS的灰度刻蚀工艺或者机械刻蚀的制作。进一步地，上述金属反射层的材料采用金或铜或铝。本专利技术提供了一种光芯片，包括输入波导、输出波导，至少一条光信号传输波导和/或至少一个敏感区域；输入波导两侧设置两个上述杂散光偏转器，用于将输入波导输出的杂散光反射出凹槽。进一步地，光芯片的输出波导两侧设置两个上述杂散光偏转器，用于将输入波导输出的杂散光反射出凹槽。进一步地，光芯片的光信号传输波导一侧或两侧设有上述杂散光偏转器，用于将光信号传输波导输出的杂散光反射出凹槽。进一步地，光芯片的每一个敏感区域被多个上述杂散光偏转器包围其中。本专利技术提供了上述光芯片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：在基层上依次采用沉积或生长的方式制作下包覆层、波导层以及上包覆层，从而构成光芯片本体；步骤2：采用CMOS灰度刻蚀的方式在光芯片本体上开设凹槽，凹槽的两个槽壁有一个为倾斜面；步骤3：在光芯片本体上镀覆金属反射材料，从而形成用于将不同波长的杂散光从凹槽开口端反射至外部空间的杂散光偏转器；步骤4：去除除倾斜面之外光芯片本体上其他区域的金属反射材料，从而在凹槽的倾斜面上形成金属反射层，光芯片制作完成。...

【技术保护点】
1.一种杂散光偏转器，其特征在于：包括开设在光芯片上的凹槽，凹槽的两侧槽壁有一个为倾斜面，并且倾斜面上镀设有可将不同波长、不同模式和不同角度的杂散光从凹槽开口端全部反射至外部空间的金属反射层；凹槽的长度、宽度以及深度均为微米级或亚微米级。/n

【技术特征摘要】
1.一种杂散光偏转器，其特征在于：包括开设在光芯片上的凹槽，凹槽的两侧槽壁有一个为倾斜面，并且倾斜面上镀设有可将不同波长、不同模式和不同角度的杂散光从凹槽开口端全部反射至外部空间的金属反射层；凹槽的长度、宽度以及深度均为微米级或亚微米级。


2.根据权利要求1所述的杂散光偏转器，其特征在于：所述倾斜面为直线斜面或曲线斜面。


3.根据权利要求2所述的杂散光偏转器，其特征在于：所述凹槽采用CMOS的灰度刻蚀工艺或者机械刻蚀的制作。


4.根据权利要求3所述的杂散光偏转器，其特征在于：金属反射层的材料采用金或铜或铝。


5.一种光芯片，包括输入波导、输出波导，至少一条光信号传输波导和/或至少一个敏感区域；其特征在于：输入波导两侧设置两个如权利要求1-4所述杂散光偏转器，用于将输入波导输出的杂散光反射出凹槽。


6.根据权利要求5所述光芯片，其特征在于：输出波导两侧设置两个如权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜炳政，朱晓田，李特尔·布兰特·埃弗雷特，戴维森·罗伊·理查德，王翔，李伟恒，张强，
申请(专利权)人：珠海奇芯光电科技有限公司，西安奇芯光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44