三维集成层间光互联结构及形成方法技术

本发明专利技术提供了一种三维集成层间光互联结构及形成方法，包括：第一功能材料层、光隔离层、第二功能材料层和层间波导；第一功能材料层与第二功能材料层之间通过光隔离层隔离；层间波导位于光隔离层中并连接第一功能材料层和第二功能材料层；第一功能材料层包含第一光波导信道、第一楔形波导和第一光栅耦合波导；第二功能材料层包含第二光波导信道、第二楔形波导和第二光栅耦合波导。本发明专利技术通过楔形波导转换至合适宽度并通过光栅耦合器将处理后的光信号传递至层间波导以实现光信号在层间的低损耗传输，具有应用范围广以及三维集成层间互联的低损耗、高消光比、高集成度的优点。高集成度的优点。高集成度的优点。

【技术实现步骤摘要】
三维集成层间光互联结构及形成方法


[0001]本专利技术涉及三维光学器件集成领域，特别是涉及一种三维集成层间光互联结构及形成方法。

技术介绍

[0002]近年来，绝缘体上硅(Silicon-on-insulator,SOI)材料其由于高折射率对比，与成熟的CMOS工艺相兼容且低成本，使得SOI材料为更紧凑、大规模、高密度的光子集成提供了可能。但是，单纯的面内集成已经越来越难以满足人们对高性能、高集成度、低功耗的器件需求。越来越多的研究人员对于三维混合集成方面予以密切关注，这将为未来高速率通信、低功耗、低时延、多功能的要求提供解决方案。
[0003]目前，光信号在不同架构层间的传输存在着诸多问题，三维集成的片上光互联不同于成熟的电互联工艺，为了充分利用不同层间材料的优越的性能，光路需要在不同层间传输，当前的光路由于没有充分的光波导局限，层间的传输往往伴随着极大的损耗，相对面内集成反而得不偿失。
[0004]因此，有必要提出一种新的三维集成层间光互联结构及形成方法，以解决上述问题。

技术实现思路

[0005]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种三维集成层间光互联结构及形成方法，用于解决现有技术中光信号难以在三维集成层间低损耗传输的问题。
[0006]为实现上述目的及其它相关目的，本专利技术提供了一种三维集成层间光互联结构，其特征在于，包括：第一功能材料层、光隔离层、第二功能材料层和层间波导；
[0007]所述第一功能材料层与所述第二功能材料层之间通过所述光隔离层隔离；
[0008]所述层间波导位于所述光隔离层中并连接所述第一功能材料层和所述第二功能材料层；
[0009]所述第一功能材料层包含第一光波导信道、第一楔形波导和第一光栅耦合波导，所述第一楔形波导连接所述第一光波导信道和所述第一光栅耦合波导，所述第一光栅耦合波导连接所述层间波导；
[0010]所述第二功能材料层包含第二光波导信道、第二楔形波导和第二光栅耦合波导，所述第二楔形波导连接所述第二光波导信道和所述第二光栅耦合波导，所述第二光栅耦合波导连接所述层间波导。
[0011]作为本专利技术的一种可选方案，所述光隔离层包括二氧化硅层；所述第一功能材料层、所述层间波导和所述第二功能材料层包括铌酸锂材料层。
[0012]作为本专利技术的一种可选方案，在所述层间波导与所述第一光栅耦合波导或所述第二光栅耦合波导之间转换的光信号满足以下关系：
[0013][0014]其中，为光信号在所述第一光栅耦合波导或所述第二光栅耦合波导内传输的导模的传播常数，为其波矢，为波矢在方向上的投影。
[0015]作为本专利技术的一种可选方案，所述第一光波导信道和所述第二光波导信道包括用于处理光信号的光学无源器件或光学有源器件、用于限制其导模的偏振滤波光栅以及用于实现光信号复用的波分复用组件。
[0016]作为本专利技术的一种可选方案，所述第一光栅耦合波导和所述第二光栅耦合波导的光栅宽度周期的范围介于1.0至1.1微米之间；所述第一光栅耦合波导和所述第二光栅耦合波导的光栅宽度周期的占空比介于0.4至0.6之间；所述第一光栅耦合波导和所述第二光栅耦合波导的光栅深度范围介于200至300纳米之间。
[0017]作为本专利技术的一种可选方案，所述第一功能材料层和所述第二功能材料层的厚度范围介于400至500纳米之间。
[0018]作为本专利技术的一种可选方案，所述层间波导的光信号传输方向与所述第一功能材料层或所述第二功能材料层表面法向方向的夹角大于4度。
[0019]本专利技术还提供了一种三维集成层间光互联结构的形成方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0020]提供一衬底；
[0021]在所述衬底上形成图形化的第一功能材料层，所述第一功能材料层包含第一光波导信道、第一楔形波导和第一光栅耦合波导，所述第一楔形波导连接所述第一光波导信道和所述第一光栅耦合波导；
[0022]在所述第一功能材料层上形成光隔离层，并在所述光隔离层中形成层间波导，所述第一光栅耦合波导连接所述层间波导；
[0023]在所述光隔离层上形成图形化的第二功能材料层，所述第二功能材料层包含第二光波导信道、第二楔形波导和第二光栅耦合波导，所述第二楔形波导连接所述第二光波导信道和所述第二光栅耦合波导，所述第二光栅耦合波导连接所述层间波导。
[0024]作为本专利技术的一种可选方案，所述衬底包括SOI衬底；形成所述光隔离层的材料包括二氧化硅；形成所述第一功能材料层、所述层间波导和所述第二功能材料层的材料包括铌酸锂。
[0025]作为本专利技术的一种可选方案，形成所述第一功能材料层、所述光隔离层和所述第二功能材料层的方法包括离子束剥离转移或外延生长。
[0026]如上所述，本专利技术提供了一种三维集成层间光互联结构及形成方法，具有以下有益效果：
[0027]本专利技术引入了在功能材料层间传输光信号的楔形波导、光栅耦合波导和层间波导，在功能材料层中实现光信号的处理，通过楔形波导转换至合适宽度并通过光栅耦合器将处理后的光信号传递至层间波导以实现光信号在层间的低损耗传输。本专利技术具有应用范围广以及三维集成层间互联的低损耗、高消光比、高集成度的优点。
附图说明
[0028]图1显示为本专利技术实施例一中提供的三维集成层间光互联结构的截面图。
[0029]图2显示为本专利技术实施例一中提供的三维集成层间光互联结构的透视图。
[0030]图3显示为本专利技术实施例一中提供的光栅宽度周期与光信号耦合进层内比例的关系图。
[0031]图4显示为本专利技术实施例一中提供的光栅宽度周期占空比与光信号耦合进层内比例的关系图。
[0032]图5显示为本专利技术实施例一中提供的功能材料厚度与光信号耦合进层内比例的关系图。
[0033]图6显示为本专利技术实施例一中提供的光栅深度与光信号耦合进层内比例的关系图。
[0034]图7显示为本专利技术实施例一中提供的层间波导与光栅耦合波导相对位置变化与光信号耦合进层内比例的关系图。
[0035]图8显示为本专利技术实施例一中提供的层间波导与光栅耦合波导夹角与光信号耦合进层内比例的关系图。
[0036]元件标号说明
[0037]101
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第一功能材料层101
[0038]101a
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第一光波导信道
[0039]101b
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第一楔形波导
[0040]101c
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第一光栅耦合波导
[0041]102
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第二功能材料层
[0042]102a
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第二光波导信道
[0043]102b
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第二楔形波导
[0044]102c
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第二光栅耦合波导
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维集成层间光互联结构，其特征在于，包括：第一功能材料层、光隔离层、第二功能材料层和层间波导；所述第一功能材料层与所述第二功能材料层之间通过所述光隔离层隔离；所述层间波导位于所述光隔离层中并连接所述第一功能材料层和所述第二功能材料层；所述第一功能材料层包含第一光波导信道、第一楔形波导和第一光栅耦合波导，所述第一楔形波导连接所述第一光波导信道和所述第一光栅耦合波导，所述第一光栅耦合波导连接所述层间波导；所述第二功能材料层包含第二光波导信道、第二楔形波导和第二光栅耦合波导，所述第二楔形波导连接所述第二光波导信道和所述第二光栅耦合波导，所述第二光栅耦合波导连接所述层间波导。2.根据权利要求1所述的三维集成层间光互联结构，其特征在于，所述光隔离层包括二氧化硅层；所述第一功能材料层、所述层间波导和所述第二功能材料层包括铌酸锂材料层。3.根据权利要求1所述的三维集成层间光互联结构，其特征在于，在所述层间波导与所述第一光栅耦合波导或所述第二光栅耦合波导之间转换的光信号满足以下关系：其中，为光信号在所述第一光栅耦合波导或所述第二光栅耦合波导内传输的导模的传播常数，为其波矢，为波矢在方向上的投影。4.根据权利要求1所述的三维集成层间光互联结构，其特征在于，所述第一光波导信道和所述第二光波导信道包括用于处理光信号的光学无源器件或光学有源器件、用于限制其导模的偏振滤波光栅以及用于实现光信号复用的波分复用组件。5.根据权利要求1所述的三维集成层间光互联结构，其特征在于，所述第一光栅耦合波导和所述第二光栅耦合波导的光栅宽度周期的范围介于1.0至1.1微米之间；所述第一光栅耦合波导和所述第二光栅...

【专利技术属性】
技术研发人员：欧欣，李忠旭，黄凯，陈阳，赵晓蒙，鄢有泉，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：