一种带有损耗补偿功能的光栅层间耦合器及其制备方法技术

一种带有损耗补偿功能的光栅层间耦合器及其制备方法，属于层间耦合器技术领域。由硅衬底、第一SiO2埋氧层、第一金属反射镜、第二SiO2埋氧层、硅层、SiO2隔离层、第一聚合物包层、铒镱共掺聚合物层、第二聚合物包层和第二金属反射镜构成；硅层由第一硅波导、硅光栅、第二硅波导组成；铒镱共掺聚合物层由铒镱共掺聚合物波导、铒镱共掺聚合物光栅和铒镱共掺聚合物光波导放大器组成；硅光栅及铒镱共掺聚合物光栅的单个光栅单元类似“台阶”结构。该器件分别将硅基光栅耦合器和聚合物光栅耦合器分别置于两层，实现了硅基、聚合物光子回路的三维混合集成，实现了结构紧凑、高效的光栅层间耦合，在三维光子集成领域具有很强的应用潜力。在三维光子集成领域具有很强的应用潜力。在三维光子集成领域具有很强的应用潜力。

【技术实现步骤摘要】
一种带有损耗补偿功能的光栅层间耦合器及其制备方法


[0001]本专利技术属于层间耦合器
，具体涉及一种带有损耗补偿功能的光栅层间耦合器及其制备方法。

技术介绍

[0002]二十一世纪以来，伴随着信息技术的发展，数据中心、高性能计算机的通信容量也迅速增加，这对传统集成电路的带宽、功耗等性能提出了挑战。随着器件尺寸的减小，用来传输电信号的金属导线也就越来越密集，电互联的功耗、延时、漏电流等问题越来越严重，这些将严重限制通信容量。为了进一步突破电互联的瓶颈，人们尝试用光互连取代电互联实现更大容量的传输。其中，硅基光子集成回路(Photonics integrated circuits,PICs)，凭借其与传统互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)工艺兼容，可以实现低成本、大规模的制造，同时采用光作为传输媒介，能够实现大带宽、低功耗、低延迟的光子互联，在数据中心、高性能计算机等领域具有巨大的应用潜力。
[0003]另一方面，光在传输过程中，不可避免的会产生插入损耗、散射损耗、弯曲损耗等，而光放大器凭借其避免了光
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电
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光转换可以直接对光信号进行放大的优势逐渐成为人们研究的热点。以聚合物材料为基质的铒镱共掺光波导放大器，基于铒离子的受激辐射原理，能够实现在1550nm波长区域的低噪声、高增益的放大。聚合物光子放大器并凭借其结构紧凑、易于制作、制作成本低等易于实现与硅基光子集成光路的混合集成。
[0004]目前，由于集成规模逐渐增大，单位面积上的器件个数逐渐增多，传统的二维平面集成受到了限制，为了进一步提高集成光路的集成度，三维光子集成应运而生。三维光子集成回路(Three dimensional photonics integrated circuits,3D
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PICs)，可以通过在不同的层中设置不同的功能光子器件，在有限的晶圆尺寸下实现高密度、多功能的集成，从而实现传统PICs无法实现的功能。在3D
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PICs当中，最为关键的器件就是层间耦合器，然而大部分的层间耦合器都存在损耗过大的缺点，能够实现90％以上的耦合效率的层间耦合器屈指可数。

技术实现思路

[0005]本专利技术提出的一种带有损耗补偿功能的光栅层间耦合器及其制备方法。该器件分别将硅基光栅耦合器和聚合物光栅耦合器分别置于两层，基于光栅的衍射原理，可以实现高效的层间耦合。同时聚合物光栅耦合器采用具有光放大功能的铒镱共掺聚合物材料制备，补偿光传输路径中产生的损耗；该器件实现了硅基、聚合物光子回路的三维混合集成，实现了结构紧凑、高效的光栅层间耦合，在三维光子集成领域具有很强的应用潜力。
[0006]本专利技术所述的一种带有损耗补偿功能的光栅层间耦合器，其器件部分结构示意图如图1所示，图2为该器件图1所示A
‑
A
’
方向上的截面示意图，所述的光栅层间光栅耦合器，从下至上，依次由硅衬底1、第一SiO2埋氧层2、第一金属反射镜3、第二SiO2埋氧层4、硅层5、SiO2隔离层6、第一聚合物包层7、铒镱共掺聚合物层8、第二聚合物包层9和第二金属反射镜
10构成；其中，如附图3所示，铒镱共掺聚合物层8由铒镱共掺聚合物波导a2、铒镱共掺聚合物光栅b2和铒镱共掺聚合物光波导放大器c2三部分组成；硅层5由第一硅波导a1、硅光栅b1、第二硅波导c1三部分组成；硅光栅b1及铒镱共掺聚合物光栅b2的单个光栅单元如附图3中虚线框所示，类似“台阶”结构；H即为铒镱共掺聚合物层8或硅层5的厚度，W为硅层5和铒镱共掺聚合物层8刻蚀后的宽度，其他层宽度均大于W，E为刻蚀深度，L为未刻蚀区长度，λ为光栅周期，占空比F＝L/λ；硅光栅b1单个光栅单元的厚度H为220～340nm，刻蚀深度E为70～150nm，周期λ为590～670nm，宽度W为5～10μm，未刻蚀区长度L为236～402nm，占空比F为40～60％；铒镱共掺聚合物光栅b2单个光栅单元的厚度H为0.5～1μm，周期λ为1150～1350nm，刻蚀深度E为0.2～0.6μm，宽度W为5～10μm，未刻蚀区长度L为460～810nm，占空比F为40～60％。
[0007]第一SiO2埋氧层2和第二SiO2埋氧层4的厚度分别为1～3μm和0.5～1μm；
[0008]第一金属反射镜3和第二金属反射镜10的材料为金、铝、银等高反射率金属中的一种，厚度为50～100nm，用来提高光栅层间耦合器的耦合效率；
[0009]SiO2隔离层6作为硅光栅上包层的同时也是聚合物光栅的衬底，厚度为1～2μm；
[0010]第一聚合物包层7和第二聚合物包层9的材料相同，为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯(PE)、聚酯(PET)、聚苯乙烯(PS)、EpoClad、CYTOP等聚合物材料，厚度为1～5μm；
[0011]铒镱共掺聚合物层8带有损耗补偿功能，材料为掺杂NaYF4:Yb
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、Er
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纳米晶的SU
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8 2000.5、SU
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8 2002、SU
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8 2005、EpoCore等聚合物芯层材料。铒镱共掺光波导放大器的工作原理是基于Er
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的受激辐射和Er
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、Yb
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能级间能量传递来实现信号光的放大。Yb
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具有典型的二能级结构，对980nm泵浦光的吸收截面较大，通常作为敏化剂掺杂在含有Er
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的材料体系中，在980nm泵浦光激发下，Yb
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吸收泵浦光能量跃迁至2F
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能级并通过交叉弛豫过程将泵浦能量传递给Er
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，处于基态的Er
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发生受激吸收跃迁至激发态能级4I
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，但激发态能级的寿命较短，很快以非辐射跃迁的方式跃迁至亚稳态能级4I
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，亚稳态较稳定能级寿命相对较高，会在亚稳态能级停留较长时间。Er
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的基态能级4I
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和亚稳态能级4I
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会发生粒子数反转，在信号光的作用下，由亚稳态能级向基态能级受激辐射跃迁，产生与信号光的频率、相位相同的光，从而实现了对信号光的放大，Er
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、Yb
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能级结构如附图4所示。光放大器的泵浦方式可根据泵浦光传播的方向分为同向泵浦和反向泵浦，即泵浦光与信号光传播方向相同为同向泵浦，泵浦光与信号光传播方向相反为反向泵浦。附图5为信号光和泵浦光在所述带有损耗补偿功能的光栅层间耦合器中传输路径示意图。根据光栅布拉格条件，光栅会改变光的传输方向，将水平方向传输的光变为垂直方向传输，将垂直方向传输的光变为水平方向传输。根据此原理信号光首先沿硅层5从左向右传播，当传播到硅光栅b1时改本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带有损耗补偿功能的光栅层间耦合器，其特征在于：从下至上，依次由硅衬底(1)、第一SiO2埋氧层(2)、第一金属反射镜(3)、第二SiO2埋氧层(4)、硅层(5)、SiO2隔离层(6)、第一聚合物包层(7)、铒镱共掺聚合物层(8)、第二聚合物包层(9)和第二金属反射镜(10)构成；硅层(5)由第一硅波导(a1)、硅光栅(b1)、第二硅波导(c1)三部分组成；铒镱共掺聚合物层(8)由铒镱共掺聚合物波导(a2)、铒镱共掺聚合物光栅(b2)和铒镱共掺聚合物光波导放大器(c2)三部分组成；硅光栅(b1)及铒镱共掺聚合物光栅(b2)的单个光栅单元类似“台阶”结构，硅层(5)和铒镱共掺聚合物层(8)的宽度小于其余层的宽度；H为铒镱共掺聚合物层(8)或硅层(5)的厚度，W为硅层(5)和铒镱共掺聚合物层(8)刻蚀后的宽度，E为刻蚀深度，L为未刻蚀区长度，λ为光栅周期，占空比F＝L/λ；硅光栅(b1)单个光栅单元的厚度H为220～340nm，刻蚀深度E为70～150nm，周期λ为590～670nm，宽度W为5～10μm，未刻蚀区长度L为236～402nm，占空比F为40～60％；铒镱共掺聚合物光栅(b2)单个光栅单元的厚度H为0.5～1μm，周期λ为1150～1350nm，刻蚀深度E为0.2～0.6μm，宽度W为5～10μm，未刻蚀区长度L为460～810nm，占空比F为40～60％；聚合物光栅(b2)与硅光栅(b1)在沿着光传播方向上存在相对位移d，d为1～2μm。2.如权利要求1所述的一种带有损耗补偿功能的光栅层间耦合器，其特征在于：第一SiO2埋氧层(2)和第二SiO2埋氧层(4)的厚度分别为1～3μm和0.5～1μm。3.如权利要求1所述的一种带有损耗补偿功能的光栅层间耦合器，其特征在于：第一金属反射镜(3)和第二金属反射镜(10)的材料为金、铝或银中的一种，厚度为50～100nm。4.如权利要求1所述的一种带有损耗补偿功能的光栅层间耦合器，其特征在于：SiO2隔离层(6)作为硅光栅上包层的同时也是聚合物光栅的衬底，厚度为1～2μm。5.如权利要求1所述的一种带有损耗补偿功能的光栅层间耦合器，其特征在于：第一聚合物包层(7)和第二聚合物包层(9)的材料相同，为聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚酯、聚苯乙烯、EpoClad或CYTOP等聚合物材料，厚度为1～5μm。6.如权利要求1所述的一种带有损耗补偿功能的光栅层间耦合器，其特征在于：铒镱共掺聚合物层(8)带有损耗补偿功能，材料为掺杂NaYF4:Yb
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、Er
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纳米晶的SU
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8 2000.5、SU
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8 2002、SU
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8 2005或EpoCore聚合物芯层材料。7.权利要求1～6任何一项所述的一种带有损耗补偿功能的光栅层间耦合器的制备方法，其步骤如下：(1)选用在硅表面生长有SiO2的晶圆分别作为硅衬底(1)和第一SiO2埋氧层(2)，在第一SiO2埋氧层(2)上蒸镀金属薄膜作为第一金属反射镜(3)；(2)在第一金属反射镜3上利用等离子体增强化学气相沉积方法沉积SiO2作为第二SiO2埋氧层(4)；(3)在第二SiO2埋氧层(4)上利用等离子体增强化学气相沉积方法沉积硅层(5)；然后再采用化学机械抛光的方法对沉积的硅层(5)进行平坦化处理；(4)深刻蚀：在硅层(5)表面旋涂SU
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8 2005负性光刻胶，然后在加热板上进行60～90℃、20～30分钟的前烘并降温固化；再在紫外光刻机下进行掩模曝光，掩模版的结构为第一硅波导(a1)、硅光栅(b1)及第二硅波导(c1)构成的硅光栅耦合器的轮廓，掩模版为负版，其中紫外光波长为365nm，光功率为20～25mW/cm2；将光刻后的基片置于热板上进行65～95℃、20～30分钟的后烘处理，冷却至室温后放入PGMEA显影液中显影，未曝光的光刻胶被去...

【专利技术属性】
技术研发人员：王菲，曹至庚，尹悦鑫，陶思亮，许崇前，孙潼鹤，张大明，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：