一种应用于硅光芯片的耦合结构制造技术

本申请提出一种耦合结构，包括设置在衬底上的至少两层氮氧化硅层，每一层氮氧化硅层在光输入端配合实现光的耦合。每一层氮氧化硅层沿着垂直于衬底平面的方向叠置，越接近衬底的氮氧化硅层中的氧原子数量与氮原子数量之比值越小。设计包层作为耦合结构的最外层结构，与衬底配合将光束限制在至少两层的氮氧化硅层中，在一些实施例中，包层采用二氧化硅材质。避开了超窄波导刻蚀精度要求高的难题，在维持原有的工艺精度条件下同时实现光波导与单模光纤之间的超低耦合损耗，不用提高刻蚀工艺精度，且该结构对光的能量强度和温度变化都不敏感，可以在恶劣环境下实现相当高的耦合效率、超高的带宽且偏振不敏感。超高的带宽且偏振不敏感。超高的带宽且偏振不敏感。

【技术实现步骤摘要】
一种应用于硅光芯片的耦合结构


[0001]本申请涉及光纤通信领域，具体是一种应用于硅光芯片的耦合结构。

技术介绍

[0002]随着光网络传输速率的提升需求进一步加大，复杂的光传输系统越来越多的被应用在光网络中。硅材料因其高折射率而具有构建紧凑型光子器件的潜力，并且基于硅材料的光子器件与当前成熟和标准化CMOS工艺平台具有良好的兼容性，逐渐被应用于光子集成芯片中。光纤与硅光子集成光路的互联需求也逐步增多，并且光纤与光子集成芯片的耦合效果是影响系统性能的重要因素。专利技术人所知道的，光子集成芯片(即硅光芯片)的硅波导尺寸可以小到几十纳米至几百纳米，与其耦合的单模光纤(SMF)的典型直径约为125微米，单模光纤的纤芯直径接近10微米，因此，在单模光纤与硅波导之间存在较大的尺寸失配，而这种尺寸失配将会导致相当大的光传输损耗。
[0003]耦合器通常被用于解决光纤与硅波导之间的尺寸失配问题，其可以引导光实现模式转换，以解决上述问题。耦合器的设置方式主要有垂直耦合和边缘耦合两种。专利技术人所知道的垂直耦合多采用光栅耦合器，将光纤垂直放置在耦合器上方或略微倾斜一定程度，以保证较高的耦合效率。光栅耦合器尺寸紧凑、具有晶圆级测试能力、耦合位置灵活，但是其耦合效率相对较低(通常低于3dB)，带宽窄、波长敏感。边缘耦合器放置于晶片端面并与硅波导水平对齐，以实现光纤与硅光芯片上硅波导的光耦合。边缘耦合器可以实现相当高的耦合效率、较宽的带宽并且对偏振不敏感，但它们也有一些限制，比如，需要使用倒锥结构 (inversedtaper)。目前业界使用的比较多的是逆倒锥结构。“逆”表示与光的传播方向相对应，逆锥度是指沿模式传播方向宽度逐渐增大的锥形波导，即锥度的窄端靠近光纤，而宽端与光子波导相连。
[0004]光波导中的模态分布是由模态阶数和波导结构共同决定的，光波导与光纤一经生产定型，其光传输模式已经确定。对于特定模式来说，只有具有一定截面积的波导才能匹配整个模式的传输。目前，专利技术人所知的在可忽略的损耗下支持基本TE模式传播的硅光子波导尺寸约为200nm高和约500nm宽。硅光子波导截面积过小则不能支持整个基模，基模有一部分会分布在波导的外部区域。而截面积过大的波导很容易激发不需要的高阶模式。专利技术人所知道的在边缘耦合器中将硅波导设计为倒锥形，逐渐变化的横截面积支持模式转换和模式尺寸变化，该种设计仅适用于模式转换，倒锥形的尖端面积比匹配外部光纤/激光器所需的模态尺寸小，相当大的一部分电磁场分布在锥尖的周围，无法完全约束入射模在波导中的传输。随着锥体宽度变大，可以支持整个模式的传输并将电场整体限制在波导内部。

技术实现思路

[0005]本申请提供一种应用于硅光芯片的耦合结构，包括设置在衬底上的至少两层氮氧化硅层，每一层氮氧化硅层在光输入端配合实现光的耦合。每一层氮氧化硅层沿着垂直于衬底平面的方向叠置，越接近衬底的氮氧化硅层中的氧原子数量与氮原子数量之比值越
小。在某一些实施例中，与衬底键合的氮氧化硅层中氧原子含量为零，即为氮化硅层。本申请设计包层作为耦合结构的最外层结构，与衬底配合将光束限制在至少两层的氮氧化硅层中，在一些实施例中，包层采用二氧化硅材质。
[0006]在某些实施例中，至少两层的氮氧化硅层中的每一层在光输入端的宽度相同。每一层氮氧化硅层沿光传输方向的长度，在某些实施例中设计为逐渐减小，俯视所见的每一层氮氧化硅层为梯形。
[0007]在某一些实施例中，至少两层氮氧化硅层中的每一层沿光束传播方向的长度不等，长度变化规律为越靠近衬底的氮氧化硅层沿着光束传播方向的长度越大。
[0008]在某些实施例中，将衬底上的氮氧化硅层设计为二层、三层、四层、五层、六层、七层、八层或者更多层。在某一些实施例中，衬底上的氮氧化硅层共四层，包括在衬底层由上到下的第一氮氧化硅层、第二氮氧化硅层、第三氮氧化硅层、第四氮氧化硅层，各氮氧化硅层沿光束传播方向的长度关系为第一氮氧化硅层＜第二氮氧化硅层＜第三氮氧化硅层＜第四氮氧化硅层。
[0009]在另外一些实施例中，第一氮氧化硅层、第二氮氧化硅层、第三氮氧化硅层、第四氮氧化硅层高度均相同，且四层氮氧化硅层的高度之和取值范围为 6～14微米。高度的设计根据传输光的波长等相关因素计算确定。
[0010]在某些实施例中，第一氮氧化硅层、第二氮氧化硅层、第三氮氧化硅层、第四氮氧化硅层光输入端宽度相等，用于将光耦合到硅光芯片中。
[0011]基于设计需要，各层Si
x
O
y
N
z
中氧原子含量根据4x＝2y+3z公式计算确定，在某些实施例中，第一层氮氧化硅层材料为Si6O9N2，所述第二层氮氧化硅层材料为Si3O3N2，所述第三层氮氧化硅层材料为Si2ON2，所述第四层氮氧化硅层材料为Si3N4。
附图说明
[0012]图1为专利技术人所知的一个硅光耦合方案示意图；图2为专利技术人所知的另一个硅光耦合方案示意图；图3为专利技术人所知道的倒锥形硅光耦合方案示意图；图4为基于本申请的专利技术构思所实施的某一实施例中的耦合结构示意图；图5为某一个实施例中耦合结构光输入端示意图；图6为某一个实施例中耦合结构中光传输层示意图；图7为基于本申请的专利技术构思所实施的某一实施例中的耦合结构示意图；图8为基于本申请的专利技术构思所实施的某一实施例中的耦合结构示意图。
具体实施方式
[0013]下面通过具体实施例，并结合附图，对本专利技术的具体实施方式作进一步具体说明。需要说明的是，附图中各结构的填充图案仅用于标识各结构围合与便于理解，并不用来表示各结构的材质、相对大小等特性。
[0014]专利技术人所知道的一个边缘耦合器方案如图1所示，光纤的纤芯101直径在9微米左右，硅光芯片耦合光波导102尺寸在几百纳米，纤芯101与光波导 102之间存在较大的尺寸失配，随之而来的即是模场失配。光束从纤芯101耦合到光波导102时，由于模场失配，光耦
合损失较大，光耦合效率低。
[0015]在专利技术人所知道的另外一个耦合器方案中，如图2所示，在光波导202 靠近光输入的一端，通过减小波导尺寸，从而扩大本征模式，用于匹配纤芯201 的模场，以增加耦合效率。光波导202光输入端尺寸减小后，工艺容差导致的波导边缘的几何形态成为影响耦合效率的主要因素。这要求光波导202光输入端尺寸减小部分的刻蚀精度极高，才能避免因减小光输入端波导尺寸而带来的光损失。
[0016]专利技术人所知道的一个耦合器方案中，如图3所示，增加光波导302中光输入端的尺寸，以扩大本征模式，匹配光纤纤芯301的模场，试图提高耦合效率。然而，单层的光波导302厚度仅有几百纳米，无法匹配在光波导302厚度方向的纤芯301模场。为了降低厚度太薄带来的影响，需设计更宽的光波导以降低损耗。
[0017]在一些实例中，如图4所示，设计基于氮氧化硅的多级锥体耦合结构400，该结构是在二氧化硅衬底上设置四层不同长度的氮氧化硅层，依次为Si6O9N2层 401、Si3O3N2层402、S本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用于硅光芯片的耦合结构，其特征在于：包括衬底，以及设置于所述衬底上的至少两层氮氧化硅层与包层，所述至少两层氮氧化硅层中的每一层材料中的氧原子数量与氮原子数量之比均不相同，并且随着与所述衬底距离的增加材料中氧原子数量与氮原子数量之比增大；所述包层包覆于耦合结构外部，用于与衬底配合将光束限制在所述至少两层氮氧化硅层中。2.根据权利要求1所述的耦合结构，其特征在于：直接耦合于所述衬底上的氮氧化硅层其含氧原子量为零。3.根据权利要求1所述的耦合结构，其特征在于：所述至少两层氮氧化硅层中的每一层，距离所述衬底越近，其沿着光束传播方向的长度越长。4.根据权利要求1所述的耦合结构，其特征在于：设置于所述衬底上的氮氧化硅层为二至八层。5.根据权利要求1所述耦合结构，其特征在于：设置于所述衬底上的氮氧化硅层共四层，包括距离所述衬底由远到近的第一氮氧化硅层、第二氮氧化硅层、第三氮氧化硅层、第四氮氧化硅层，氮氧化硅层沿着光束传播方向的长度关系为所述第...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏晓亮，
申请(专利权)人：杭州芯耘光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：