一种低损耗硅光芯片的端面耦合结构制造技术

本发明专利技术涉及一种低损耗硅光芯片的端面耦合结构，包括硅衬底，所述硅衬底上设有激光器安装区，所述激光器安装区的一侧且在硅衬底上设置有埋氧层，所述埋氧层上设置有浅刻蚀区，所述埋氧层和浅刻蚀区形成的截面刻蚀有斜切端面，所述斜切端面用于减小反射损耗，所述浅刻蚀区上设置有面对激光器安装区的脊波导，所述脊波导的入射端位于斜切端面处。本发明专利技术可以实现较高的耦合效率与对准容差。实现较高的耦合效率与对准容差。实现较高的耦合效率与对准容差。

【技术实现步骤摘要】
一种低损耗硅光芯片的端面耦合结构


[0001]本专利技术涉及低损耗硅光芯片结构设计
，特别是涉及一种低损耗硅光芯片的端面耦合结构。

技术介绍

[0002]通信网络是整个信息社会的技术底座，当今大热的5G和云计算等技术依靠发达的通信技术才得以诞生和发展。在我国，过去十多年来，“光进铜退”工程稳步推进，光互连在数据通信领域占据了越来越重要的地位。
[0003]硅基光电子学作为新兴技术，可以利用现有的成熟CMOS工艺实现光电器件的大规模集成，具有广阔的发展前景。由于硅是间接带隙半导体，难以像三五族半导体一样产生受激辐射，所以在硅光芯片中，片上光源是一个难题。一种常见的方法是在硅光芯片上集成外部激光器。分布反馈式(DFB)激光器线宽极窄，功率高，适合用于长距离高速率光通信，因而被大量用作光源。根据硅光工艺平台的不同以及激光器发光部位不同，光源混合集成方式可分为端面(水平)耦合与光栅(垂直)耦合两种。其中，端面耦合结构天然兼容侧边出光的DFB激光器，在顶层硅厚度为3um的绝缘体上硅(SOI，Silicon
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on
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Insulator)平台得到了广泛应用。
[0004]然而，现有端面耦合结构的损耗普遍较大，一方面导致耦合进芯片的光功率严重衰减，另一方面对激光器的集成精度要求严格，可容忍的对准误差非常小。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种低损耗硅光芯片的端面耦合结构，可以实现较高的耦合效率与对准容差。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种低损耗硅光芯片的端面耦合结构，包括硅衬底，所述硅衬底上设有激光器安装区，所述激光器安装区的一侧且在硅衬底上设置有埋氧层，所述埋氧层上设置有浅刻蚀区，所述埋氧层和浅刻蚀区形成的截面刻蚀有斜切端面，所述斜切端面用于减小反射损耗，所述浅刻蚀区上设置有面对激光器安装区的脊波导，所述脊波导的入射端位于斜切端面处。
[0007]所述斜切端面的斜切角度根据DFB激光器入射能量计算得到，并且所述斜切端面的斜切角度满足：经斜切端面反射回DFB激光器出光面的能量损失至少小于
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30dB。
[0008]所述斜切端面镀有抗反射层。
[0009]所述抗反射层的厚度根据DFB激光器的输出波长计算得到，公式为：2kd＝π，其中，k为抗反射层中的波矢，d为抗反射层的厚度。
[0010]所述抗反射层为氮化硅层。
[0011]所述斜切端面设置有聚焦曲面，所述聚焦曲面位于脊波导输入端的正下方，所述聚焦曲面用于补偿脊波导入射端面光斑的相位与尺寸。
[0012]所述聚焦曲面的形状根据DFB激光器和斜切端面的位置关系计算得出；
[0013]所述聚焦曲面满足方程n1sinθ1＝n2sinθ2；
[0014]并且所述聚焦曲面还满足方程n1L1＝n2L2；
[0015]其中，n1为DFB激光器和硅光芯片的端面耦合结构之间的折射率，θ1为DFB激光器和硅光芯片的端面耦合结构之间的光线和法线夹角，法线垂直于斜切端面；n2为脊波导的折射率，θ2为脊波导中的光线和法线夹角，L1为DFB激光器和硅光芯片的端面耦合结构之间的传播距离，L2为脊波导中的传播距离。
[0016]所述脊波导设置有滤模结构以削弱高阶模的传输。
[0017]所述埋氧层由二氧化硅制成。
[0018]有益效果
[0019]由于采用了上述的技术方案，本专利技术与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本专利技术在硅光芯片上通过引入特定角度的端面斜切结构，在减小反反射损耗的同时保持高效耦合，并在波导端面镀有氮化硅层以进一步减小反射，后续通过滤模结构保证单模传输。本专利技术在硅光芯片边缘通过浅蚀刻形成具有特定形状的聚焦曲面，补偿入射端面的光斑相位与尺寸，使其与脊波导的基模更加匹配从而获得更高的耦合效率。本专利技术采用端面斜切布局，使得DFB激光器与波导端面的间距足够小以缩小入射光斑保证高效耦合。本专利技术的整个结构的关键参数经过设计可以实现较大的对准容差。
附图说明
[0020]图1是本专利技术实施方式一的低损耗硅光芯片的端面耦合结构立体示意图；
[0021]图2是本专利技术实施方式一的低损耗硅光芯片的端面耦合结构俯视图；
[0022]图3是本专利技术实施方式一的低损耗硅光芯片的端面耦合结构截面示意图；
[0023]图4是本专利技术实施方式一的反射损耗与端面斜切角度的关系图；
[0024]图5是本专利技术实施方式一的低损耗硅光芯片的端面耦合结构三个维度上的对准容差；
[0025]图6是本专利技术实施方式二的低损耗硅光芯片的端面耦合结构立体示意图；
[0026]图7是本专利技术实施方式二的耦合效率与对准容差与普通端面耦合结构对比实验图。
具体实施方式
[0027]下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0028]本专利技术的实施方式涉及一种低损耗硅光芯片的端面耦合结构，可以实现较高的耦合效率与对准容差。
[0029]实施方式一：
[0030]请参阅图1
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图3，包括硅衬底1，所述硅衬底1上设有DFB倒装区(即激光器安装区)，所述DFB倒装区上安装有DFB激光器，所述DFB倒装区的一侧且在硅衬底1上设置有埋氧层2，所述埋氧层2上设置有浅刻蚀区3，所述埋氧层2和浅刻蚀区3形成的截面刻蚀有斜切端面5，
所述斜切端面5用于减小反射损耗，所述浅刻蚀区3上设置有面对DFB倒装区的脊波导4，所述脊波导4的入射端位于斜切端面5处。
[0031]进一步地，所述斜切端面5的斜切角度根据DFB激光器入射能量计算得到，并且所述斜切端面5的斜切角度满足：经斜切端面5反射回DFB激光器出光面的能量损失至少小于
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30dB。
[0032]进一步地，所述斜切端面5镀有抗反射层，所述抗反射层为氮化硅层，所述抗反射层的厚度根据DFB激光器的输出波长计算得到，公式为：2kd＝π，其中，k为抗反射层中的波矢，d为抗反射层的厚度。
[0033]进一步地，所述埋氧层2由二氧化硅制成。
[0034]实施方式一的技术原理为：通过选取特定角度的端面斜切角避免激光垂直入射，从而减小反射回DFB激光器出射面的光功率。在硅光芯片端面镀上氮化硅层(即抗反射层)进一步减小反射率，同时增加耦合效率。耦合界面的关键参数经过设计后与DFB激光器的输出光斑匹配使对准容差最大化。耦合结构还包含了滤模结构以减弱高阶模式，实现纯净的单模传输。
[0035]在此耦合结构中，硅光芯片上用作输入的脊型波导端面做斜切处理，斜切端面镀抗反射层，斜切角度与波导尺寸等参数根据入射光斑尺寸优化，抗反射层厚度可以根据DFB激光器的波长计算本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低损耗硅光芯片的端面耦合结构，其特征在于，包括硅衬底(1)，所述硅衬底(1)上设有激光器安装区，所述激光器安装区的一侧且在硅衬底(1)上设置有埋氧层(2)，所述埋氧层(2)上设置有浅刻蚀区(3)，所述埋氧层(2)和浅刻蚀区(3)形成的截面刻蚀有斜切端面(5)，所述斜切端面(5)用于减小反射损耗，所述浅刻蚀区(3)上设置有面对激光器安装区的脊波导(4)，所述脊波导(4)的入射端位于斜切端面(5)处。2.根据权利要求1所述的低损耗硅光芯片的端面耦合结构，其特征在于，所述斜切端面(5)的斜切角度根据DFB激光器入射能量计算得到，并且所述斜切端面(5)的斜切角度满足：经斜切端面(5)反射回DFB激光器出光面的能量损失至少小于
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30dB。3.根据权利要求1所述的低损耗硅光芯片的端面耦合结构，其特征在于，所述斜切端面(5)镀有抗反射层。4.根据权利要求3所述的低损耗硅光芯片的端面耦合结构，其特征在于，所述抗反射层的厚度根据DFB激光器的输出波长计算得到，公式为：2kd＝π，其中，k为抗反射层中的波矢，d为抗反射层的厚度。5.根据权利要求3所述的低损耗硅光芯片的端面耦合结构，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：武爱民，吕东升，冯大增，李昂，
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：