一种光学芯片及其制备方法技术

本申请提供了一种光学芯片及其制备方法，该光学芯片包括光学基板，依次设于光学基板上的第一功能层，第一间隔层以及第二功能层；第二功能层上形成有第二光学结构，第二光学结构包括第二层间耦合结构和第二层内传输结构，第二层内传输结构位于第二功能层的第一区域；第一功能层上形成有位于第二区域的第一光学结构，第一光学结构包括第一层间耦合结构和第一层内传输结构，第二区域与该第一区域在光学基板平面的法向的投影不重叠；第二层间耦合结构位于第二功能层中的第三区域，第一层间耦合结构位于第一功能层的第四区域，第三区域与第四区域在光学基板平面的法向投影部分或全部重叠。该光学芯片各功能层中的光学结构无需基于机械方式光学对准。机械方式光学对准。机械方式光学对准。

【技术实现步骤摘要】
一种光学芯片及其制备方法


[0001]本申请涉及半导体领域和光电集成领域，并且更具体地，涉及一种光学芯片及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，为了适应人工智能、云、高性能计算等应用场景中，对信息的传输和计算需求的爆炸性增长，全光信息处理系统逐渐进入集成芯片化时代。相比于传统的基于光纤连接不同功能器件的方式构建的分立式光学信息处理系统，集成芯片化的光学系统(即光学芯片)不仅不易受到温度、磁场、噪声变化等情况的影响，具有更强的抗干扰性；同时，系统整体尺寸的集成化，可以将光学信息处理系统的带宽密度提升若干个数量级，大幅降低功耗密度，使其满足大规模信息处理的实际需求。
[0003]在光学芯片中，可以包括光信号的产生、调制、被动传输和探测等多种具有不同功能的模块，以实现单一芯片上光学信号的传输和处理。这些模块的构建，对所需要的光学材料的特性各不相同。例如，对于芯片中的光信号产生和探测模块，需要使用具有较高增益和吸收系数的材料；对于传输模块，需要使用光学透明(即增益和吸收系数较低)的材料，以降低芯片整体的信号传输损耗。因此，光学芯片的构建很难基于单一材料，其通常选用多种材料构建不同的功能模块，并进行异质集成。
[0004]在构建异质集成光学芯片过程中，需要将利用不同材料构建的不同功能模块，在沿着芯片平面内方向或法向的投影进行高精度机械对准，因此，限制了此类异质集成光学芯片的制备效率。

技术实现思路

[0005]本申请提供一种光学芯片及其制备方法，该光学芯片各功能层中的光学结构无需基于机械方式光学对准，能够提升异质集成光学芯片的制备效率。
[0006]第一方面，提供了一种光学芯片，该光学芯片包括光学基板，设于该光学基板上的第一功能层，设于该第一功能层上的第一间隔层，以及设于该第一间隔层上的第二功能层；该第二功能层上形成有第二光学结构，该第二光学结构包括第二层间耦合结构和第二层内传输结构，该第二层内传输结构位于该第二功能层的第一区域；该第一功能层上形成有第一光学结构，该第一光学结构包括第一层间耦合结构和第一层内传输结构，该第一光学结构位于该第一功能层的第二区域，该第二区域与该第一区域在该光学基板平面的法向的投影不重叠；其中，该层间耦合结构用于该第一功能层与该第二功能层之间的信号交换，该层内传输结构用于控制该功能层内的信号传输，该第二层间耦合结构位于该第二功能层中的第三区域，该第一层间耦合结构位于该第一功能层的第四区域，该第三区域与该第四区域在该光学基板平面的法向的投影部分或全部重叠。
[0007]根据本申请实施例提供的光学芯片，该第二功能层上形成有位于第一区域的第二光学结构，该第二光学结构包括第二层间耦合结构和第二层内传输结构；该第一功能层上
形成有位于第二区域的第一光学结构，该第一光学结构包括第一层间耦合结构和第一层内传输结构，该第二区域与该第一区域在该光学基板平面的法向投影不重叠；该第二层间耦合结构位于该第二功能层中的第三区域，该第一层间耦合结构位于该第一功能层的第四区域，该第三区域与该第四区域在该光学基板平面的法向投影部分或全部重叠。该光学芯片各功能层中的光学结构无需基于机械方式光学对准。
[0008]结合第一方面，在第一方面的某些设计中，该第二光学结构还包括位于该第二功能层的第九区域的该第二层间耦合结构，该光学芯片还包括设于该第二功能层上的第二间隔层，以及设于该第二间隔层上的第三功能层，该第三功能层上形成有第三光学结构，该第三光学结构包括第三层间耦合结构和第三层内传输结构；其中，该第三层间耦合结构位于该第三功能层中的第七区域，该第三层内传输结构位于该第三功能层中的第八区域，该第八区域与该第一区域在该光学基板平面的法向的投影不重叠，该第九区域与该第七区域在该光学基板平面的法向的投影部分或全部重叠。
[0009]结合第一方面，在第一方面的某些设计中，该第二层内传输结构包括第一输入波导，第一输出波导以及至少一个第一光学谐振腔；其中，该第一输出波导包括至少一个波导结构，该至少一个波导结构与该至少一个第一光学谐振腔一一对应且光耦合连接，该第一输入波导包括一个波导结构，该一个波导结构与该至少一个第一光学谐振腔光耦合连接。
[0010]结合第一方面，在第一方面的某些设计中，该第二层间耦合结构包括在该第一输入波导的第一端形成的第一锥型结构。
[0011]结合第一方面，在第一方面的某些设计中，该第一光学结构包括第二光学谐振腔，以及平行的第一波导和第二波导，该第一波导的一端与该第一锥型结构光耦合连接。
[0012]结合第一方面，在第一方面的某些设计中，该第二功能层的厚度范围为150nm至5μm。
[0013]结合第一方面，在第一方面的某些设计中，该第一功能层的厚度范围为150nm至5μm。
[0014]结合第一方面，在第一方面的某些设计中，该第二层内传输结构为马赫增德干涉仪结构，该马赫增德干涉仪结构包括第一干涉臂，第二干涉臂和第二输入波导；该第二层间耦合结构包括在该第二输入波导的第一端形成的第二锥型结构。
[0015]结合第一方面，在第一方面的某些设计中，该第一光学结构包括直波导结构，该直波导结构的一端与该第二锥型结构光耦合连接。
[0016]结合第一方面，在第一方面的某些设计中，该第二功能层的厚度范围为300nm至1μm。
[0017]结合第一方面，在第一方面的某些设计中，该第一功能层的厚度范围为200nm至500nm。
[0018]第二方面，提供了一种光学芯片的制备方法，该方法包括：在光学基板上依次沉积第一功能层，第一间隔层以及第二功能层，以形成第一结构；图案化该第二功能层以形成第二光学结构，该第二光学结构位于该第二功能层的第一区域，该第二光学结构包括第二层间耦合结构和第二层内传输结构；移除第二区域中的该第一间隔层以露出该第一功能层，该第二区域与该第一区域在该第一结构平面的法向的投影不重叠；图案化该第二区域中的该第一功能层以形成第一光学结构，该第一光学结构包括第一层间耦合结构和第一层内传
输结构；其中，该层间耦合结构用于该第一功能层与该第二功能层之间的信号交换，该层内传输结构用于控制该功能层内的信号传输，该第二层间耦合结构位于该第二功能层中的第三区域，该第一层间耦合结构位于该第一功能层的第四区域，该第三区域与该第四区域在该第一结构平面的法向的投影部分或全部重叠。
[0019]根据本申请实施例提供的光学芯片的制备方法，先将未经图案化的异质光学材料层叠排布于同一光学基底之上，在材料薄膜层叠完毕之后，再按照由上至下的顺序，依次在各层上图案化出相应的光学结构，实现异质集成光学芯片的构建，该方法基于由上至下的顺序加工方式，可以较为方便地实现模块间耦合结构的对准，无需基于机械方式进行各个模块之间的光学对准，提升了光学芯片的制备效率。同时，在间隔层厚度的控制方面，该方法也不需要在已有图案化的结构的上方进行间隔层的布置，因此其厚度可以实现精确控制。
[0020]结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，在图案化该第本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光学芯片，其特征在于，包括光学基板，设于所述光学基板上的第一功能层，设于所述第一功能层上的第一间隔层，以及设于所述第一间隔层上的第二功能层；所述第二功能层上形成有第二光学结构，所述第二光学结构包括第二层间耦合结构和第二层内传输结构，所述第二层内传输结构位于所述第二功能层的第一区域；所述第一功能层上形成有第一光学结构，所述第一光学结构包括第一层间耦合结构和第一层内传输结构，所述第一光学结构位于所述第一功能层的第二区域，所述第二区域与所述第一区域在所述光学基板平面的法向的投影不重叠；其中，所述层间耦合结构用于所述第一功能层与所述第二功能层之间的信号交换，所述层内传输结构用于控制所述功能层内的信号传输，所述第二层间耦合结构位于所述第二功能层中的第三区域，所述第一层间耦合结构位于所述第一功能层的第四区域，所述第三区域与所述第四区域在所述光学基板平面的法向的投影部分或全部重叠。2.根据权利要求1所述的光学芯片，其特征在于，所述第二光学结构还包括位于所述第二功能层的第九区域的所述第二层间耦合结构，所述光学芯片还包括设于所述第二功能层上的第二间隔层，以及设于所述第二间隔层上的第三功能层，所述第三功能层上形成有第三光学结构，所述第三光学结构包括第三层间耦合结构和第三层内传输结构；其中，所述第三层间耦合结构位于所述第三功能层中的第七区域，所述第三层内传输结构位于所述第三功能层中的第八区域，所述第八区域与所述第一区域在所述光学基板平面的法向的投影不重叠，所述第九区域与所述第七区域在所述光学基板平面的法向的投影部分或全部重叠。3.根据权利要求1或2所述的光学芯片，其特征在于，所述第二层内传输结构包括第一输入波导，第一输出波导以及至少一个第一光学谐振腔；其中，所述第一输出波导包括至少一个波导结构，所述至少一个波导结构与所述至少一个第一光学谐振腔一一对应且光耦合连接，所述第一输入波导包括一个波导结构，所述一个波导结构与所述至少一个第一光学谐振腔光耦合连接。4.根据权利要求3所述的光学芯片，其特征在于，所述第二层间耦合结构包括在所述第一输入波导的第一端形成的第一锥型结构。5.根据权利要求4所述的光学芯片，其特征在于，所述第一光学结构包括第二光学谐振腔，以及平行的第一波导和第二波导，所述第一波导的一端与所述第一锥型结构光耦合连接。6.根据权利要求1至5中任一项所述的光学芯片，其特征在于，所述第二功能层的厚度范围为150nm至5μm。7.根据权利要求1至6中任一项所述的光学芯片，其特征在于，所述第一功能层的厚度范围为150nm至5μm。8.根据权利要求1或2所述的光学芯片，其特征在于，所述第二层内传输结构为马赫增德干涉仪结构，所述马赫增德干涉仪结构包括第一干涉臂，第二干涉臂和第二输入波导；所述第二层间耦合结构包括在所述第二输入波导的第一端形成的第二锥型结构。9.根据权利要求8所述的光学芯片，其特征在于，所述第一光学结构包括直波导结构，
所述直波导结构的一端与所述第二锥型结构光耦合连接。10.根据权利要求8或9中所述的光学芯片，其特征在于，所述第二功能层的厚度范围为300nm至1μm。11.根据权利要求8或9中所述的光学芯片，其特征在于，所述第一功能层的厚度范围为200nm至500nm。12.一种光学芯片的制备方法，其特征在于，包括：在光学基板上依次沉积第一功能层，第一间隔层以及第二功能层；图案化所述第二功能层以形成第二光学结构，所述第二光学结构位于所述第二功能层的第一区域，所述第二光学结构包括第二层间耦合结构和第二层内传输结构；移除第二区域中的所述第一间隔层以露出所述第一功能层，所述第二区域与所述第一区域在所述光学基板平面的...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛欣翔，张翔，董晓文，
申请(专利权)人：华为技术有限公司，
类型：发明
国别省市：