用于激光器与单模硅波导间的耦合结构及其制作方法技术

本发明专利技术提供一种用于大尺寸发光端面激光器与单模硅波导间的耦合结构及其制作方法，耦合结构包括：直波导；锥形波导，锥形波导的输入端连接于直波导；单模硅波导，连接于锥形波导的输出端；直波导与锥形波导包括交替层叠的二氧化硅层及氮化硅层，交替层叠的次数为2次以上，单模硅波导包括插入至锥形波导中的第一硅波导段以及凸出于锥形波导的第二硅波导段，第一硅波导段被锥形波导最下层的二氧化硅层包裹。本发明专利技术可以用于实现大尺寸差下激光器/波导与波导间的光耦合，具有耦合效率高，传输损耗小，结构简单，便于加工等优点，在硅光集成领域存在诸多潜在的应用。域存在诸多潜在的应用。域存在诸多潜在的应用。

【技术实现步骤摘要】
用于激光器与单模硅波导间的耦合结构及其制作方法


[0001]本专利技术属于集成光电子器件领域，特别是涉及一种用于大尺寸发光端面激光器与单模硅波导间的耦合结构的制作方法。

技术介绍

[0002]随着通信技术的快速发展，在大数据时代的背景下，数据流量急剧增长，对带宽的要求越来越大，而传统的电互连在带宽、距离、能耗等方面的局限性也越来越突出，已经难以满足高速通信以及高性能微电子芯片的发展需求。硅基光电互连作为现在最有前途的解决方案之一，已经逐渐成为当前的一个研究热点。
[0003]硅基光子器件具有与互补金属氧化物半导体CMOS工艺兼容、大带宽、低延迟、低能耗、低串扰等显著的优点，可以实现高性能、低成本、小尺寸、高集成的片上光互联。对于硅基光子芯片而言，一个亟待解决的问题是实现芯片片内的光信号与片外的光信号的高效耦合连接。
[0004]目前可用于片上发光的端面发光激光器端面尺寸与常用的片上单模硅波导的截面尺寸相差较大，这导致了两者之间的能量耦合较为困难。为了实现较好的能量耦合需要在两个维度进行模场变化。由于氮化硅材料具有较低的非线性、损耗低、允许大能量输入，折射率低于硅材料等优点，所以在需要将较大能量耦合进硅波导的应用中具有天然的优势，可以作为激光器与硅波导耦合的中间介质。但是氮化硅波导在实际制作过程中由于应力的存在，对其厚度有所约束。

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用于大尺寸发光端面激光器与单模硅波导间的耦合结构及其制作方法，用于解决现有技术中大尺寸端面发光波导型激光器和单模硅波导之间的耦合损耗大问题。
[0006]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种用于大尺寸发光端面激光器与单模硅波导间的耦合结构，所述耦合结构包括：直波导；锥形波导，所述锥形波导的输入端连接于所述直波导；单模硅波导，连接于所述锥形波导的输出端；所述直波导与所述锥形波导包括交替层叠的二氧化硅层及氮化硅层，所述交替层叠的次数为2次以上，所述单模硅波导包括插入至所述锥形波导中的第一硅波导段以及凸出于所述锥形波导的第二硅波导段，所述第一硅波导段被所述锥形波导最下层的所述二氧化硅层包裹。
[0007]可选地，所述交替层叠的二氧化硅层及氮化硅层中，所述二氧化硅层的厚度介于0.1μm至0.5μm之间，氮化硅层的厚度介于0.3μm至0.9μm之间。
[0008]可选地，所述锥形波导的长度介于40μm至45μm之间，输入端的宽度介于4μm至6μm之间，输出端的宽度介于0.5μm至1μm之间。
[0009]可选地，所述单模硅波导的高度介于0.15μm至0.3μm之间，宽度介于0.4μm至0.6μm之间。
[0010]可选地，所述第一硅波导段的长度与所述锥形波导的长度相等。
[0011]可选地，所述直波导与所述锥形波导上还包括二氧化硅上包层。
[0012]本专利技术还提供一种用于大尺寸发光端面激光器与单模硅波导间的耦合结构的制作方法，包括步骤：1)提供一衬底，于所述衬底上形成单模硅波导；2)于所述衬底及所述单模硅波导上形成二氧化硅层，所述二氧化硅层包裹所述单模硅波导；3)于所述二氧化硅层上形成氮化硅层；4)重复进行步骤2)及步骤3)形成交替层叠的二氧化硅层及氮化硅层；5)通过光刻工艺及刻蚀工艺，在所述交替层叠的二氧化硅层及氮化硅层中形成直波导及锥形波导，并使所述单模硅波导包括插入至所述锥形波导中的第一硅波导段以及凸出于所述锥形波导的第二硅波导段，所述第一硅波导段被所述锥形波导最下层的所述二氧化硅层包裹。
[0013]可选地，步骤2)采用等离子体增强化学气相沉积工艺形成所述二氧化硅层，步骤3)采用低压化学气相沉积工艺形成所述氮化硅层。
[0014]可选地，所述交替层叠的二氧化硅层及氮化硅层中，所述二氧化硅层的厚度介于0.1μm至0.5μm之间，氮化硅层的厚度介于0.3μm至0.9μm之间。
[0015]可选地，所述锥形波导的长度介于40μm至45μm之间，输入端的宽度介于4μm至6μm之间，输出端的宽度介于0.5μm至1μm之间。
[0016]可选地，所述第一硅波导段的长度与所述锥形波导的长度相等。
[0017]可选地，还包括步骤6)，采用等离子体增强化学气相沉积工艺于所述直波导与所述锥形波导上形成二氧化硅上包层。
[0018]如上所述，本专利技术的用于大尺寸发光端面激光器与单模硅波导间的耦合结构及其制作方法，具有以下有益效果：
[0019]本专利技术提供了一种可以用于大尺寸截面激光器与单模硅波导间的耦合结构，该耦合结构包括单模硅波导、氮化硅与二氧化硅多层夹心型直波导和氮化硅与二氧化硅多层夹心型锥形波导。夹心型直波导与锥形波导处于同一平面，具有的相同的整体厚度，从上而下氮化硅与二氧化硅层不断交替，最下面的二氧化硅层将单模硅波导包裹。大尺寸端面发光激光器的发光端面与夹心型直波导直接端面耦合，泵浦光能量从夹心型直波导的输入端经过夹心型锥形波导与单模硅波导耦合区将光能量耦合进单模硅波导中。本专利技术可以用于实现大尺寸差下激光器/波导与波导间的光耦合，具有耦合效率高，传输损耗小，结构简单，便于加工等优点，在硅光集成领域存在诸多潜在的应用。
[0020]本专利技术利用光学倏逝波原理以及锥形波导等方法来实现两个不同尺寸波导之间的耦合，倏逝波耦合可以波导不处于同一层中的光波，实现波导高度方向尺寸变化以及光场耦合；而利用锥形波导可以实现波导水平方向尺寸变化以及光场耦合。本专利技术将两者方法进行结合实现了两个维度尺寸差异变化的光场耦合，同时利用氮化硅与二氧化硅交替长的方法制作出了夹心型波导，消除了应力的约束，实现大尺寸差下端面激光器与单模硅波导之间较高的耦合效率，并且此方法与CMOS工艺很好的兼容。
附图说明
[0021]图1～图7显示为本专利技术实施例的用于大尺寸发光端面激光器与单模硅波导间的耦合结构的制作方法各步骤所呈现的结构示意图，其中，图6及图7显示为本专利技术实施例的
用于大尺寸发光端面激光器与单模硅波导间的耦合结构的结构示意图，图7显示为图6的耦合结构的俯视结构示意图。
[0022]元件标号说明
[0023]101
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衬底
[0024]102
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单模硅波导
[0025]1021
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第一硅波导段
[0026]1022
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第二硅波导段
[0027]103
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二氧化硅层
[0028]104
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氮化硅层
[0029]20
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锥形波导
[0030]30
ꢀꢀ本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于大尺寸发光端面激光器与单模硅波导间的耦合结构，其特征在于，所述耦合结构包括：直波导；锥形波导，所述锥形波导的输入端连接于所述直波导；单模硅波导，连接于所述锥形波导的输出端；所述直波导与所述锥形波导包括交替层叠的二氧化硅层及氮化硅层，所述交替层叠的次数为2次以上，所述单模硅波导包括插入至所述锥形波导中的第一硅波导段以及凸出于所述锥形波导的第二硅波导段，所述第一硅波导段被所述锥形波导最下层的所述二氧化硅层包裹。2.根据权利要求1所述的用于大尺寸发光端面激光器与单模硅波导间的耦合结构，其特征在于：所述交替层叠的二氧化硅层及氮化硅层中，所述二氧化硅层的厚度介于0.1μm至0.5μm之间，氮化硅层的厚度介于0.3μm至0.9μm之间。3.根据权利要求1所述的用于大尺寸发光端面激光器与单模硅波导间的耦合结构，其特征在于：所述锥形波导的长度介于40μm至45μm之间，输入端的宽度介于4μm至6μm之间，输出端的宽度介于0.5μm至1μm之间。4.根据权利要求1所述的用于大尺寸发光端面激光器与单模硅波导间的耦合结构，其特征在于：所述单模硅波导的高度介于0.15μm至0.3μm之间，宽度介于0.4μm至0.6μm之间。5.根据权利要求1所述的用于大尺寸发光端面激光器与单模硅波导间的耦合结构，其特征在于：所述第一硅波导段的长度与所述锥形波导的长度相等。6.根据权利要求1所述的用于大尺寸发光端面激光器与单模硅波导间的耦合结构，其特征在于：所述直波导与所述锥形波导上还包括二氧化硅上包层。7.一种用于大尺寸发光端面激光器与单模硅波导间的耦合结构的制作方法，其特征在于，包括步骤：1)提供一衬底，于所述衬底上形成单模硅波导；2)于所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋若谷，蔡艳，汪巍，余明斌，
申请(专利权)人：上海新微技术研发中心有限公司，
类型：发明
国别省市：