CN111399117A - 混合集成的氮化硅微环谐振腔及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合集成的氮化硅微环谐振腔及其制备方法，其中，该氮化硅微环谐振腔包括：氮化硅波导；氮化硅微环谐振腔，设置与氮化硅波导形成耦合连接；楔形垂直耦合器，包括：氮化硅布拉格光栅耦合器，通过一楔形耦合器与氮化硅波导相连接，多晶硅楔形耦合结构，设置于氮化硅布拉格光栅耦合器和/或楔形耦合器上，以及III‑V族楔形耦合结构，设置于多晶硅楔形耦合结构上；III‑V族波导，设置与III‑V族楔形耦合结构相连接。本发明提供的该氮化硅微环谐振腔，可以实现III‑V族波导与氮化硅波导之间的垂直耦合。所设计的混合集成微环谐振腔具有低损耗、高偏振抑制比、高可集成度、制备工艺简单等综合优势。

Description

混合集成的氮化硅微环谐振腔及其制备方法
技术领域
本发明涉及光学领域和微纳***领域，尤其涉及一种混合集成的氮化硅微环谐振腔及其制备方法。
背景技术
谐振型集成光学陀螺仪的基本工作原理是通过探测波导环形谐振腔(WRR：Waveguide Ring Resonator)在旋转过程中由Sagnac效应引起的顺逆时针两束光的谐振频率差，从而实现对转动角速度的探测。其主要器件包括激光器、相位调制器、环形谐振腔和探测器。其中环形谐振腔是集成光学陀螺仪的核心器件，其性能参数决定了整个光学陀螺仪的极限灵敏度。目前国际和国内对集成光学陀螺仪的研究普遍集中在如何制备高品质的微环谐振腔，主要集中在如何减小波导传输损耗以及如何抑制次偏振态。高宽深比的氮化硅波导是制备高性能微环谐振腔的一个优秀解决方案。其高宽深比结构可以实现波导单TE模式的低损传输。然而，氮化硅是无法制备有源器件的，如何实现无源与有源器件的单片集成仍然是一个难题。
因此，有必要提出一种能够实现无源与有源混合集成的新型混合集成的氮化硅微环谐振腔，以实现真正意义上的单片集成光学陀螺仪。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供了一种混合集成的氮化硅微环谐振腔及其制备方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
本发明一方面提供了一种混合集成的氮化硅微环谐振腔，包括：
氮化硅波导；
氮化硅微环谐振腔，设置与氮化硅波导形成耦合连接；
楔形垂直耦合器，包括：
氮化硅布拉格光栅耦合器，通过一楔形耦合器与氮化硅波导相连接；
多晶硅楔形耦合结构，设置于氮化硅布拉格光栅耦合器和楔形耦合器上；以及
III-V族楔形耦合结构，设置于多晶硅楔形耦合结构上；
III-V族波导，设置与III-V族楔形耦合结构相连接；
其中，氮化硅布拉格光栅耦合器与氮化硅波导通过楔形耦合器相连，实现光场的耦合，III-V族波导与氮化硅波导之间通过三层楔形垂直耦合器相连，实现有源与无源器件的集成。
一些实施例中，该氮化硅微环谐振腔还包括：衬底硅片，其上淀积有二氧化硅层，氮化硅波导、氮化硅布拉格光栅耦合器、楔形耦合器和氮化硅微环谐振腔形成氮化硅芯层，设置于二氧化硅层上。
一些实施例中，二氧化硅层的厚度大于或等于2μm。
一些实施例中，楔形耦合器为一楔形结构的波导，该波导的窄波导端与氮化硅波导相连，宽波导端与氮化硅布拉格光栅耦合器的结构尺寸相匹配。
一些实施例中，多晶硅楔形耦合结构的厚度为400-600nm。
一些实施例中，氮化硅波导结构为矩形波导结构。
一些实施例中，氮化硅波导与微环谐振腔进行耦合连接处的波导结构为直波导或者弯曲波导结构。
本发明另一方面提供了一种上述混合集成的氮化硅微环谐振腔的制备方法，包括：
在衬底硅片的二氧化硅层上淀积氮化硅层；
在氮化硅层制备出氮化硅波导、氮化硅布拉格光栅耦合器、楔形耦合器和氮化硅微环谐振腔，得到氮化硅芯层；
在氮化硅芯层上淀积多晶硅层，在多晶硅层制备出多晶硅楔形耦合结构；
在多晶硅层上键合III-V族导出层，在III-V族导出层制备出III-V族楔形耦合结构和III-V族波导。
进一步的，其中：
一些实施例中，根据设定的微环传输损耗和谐振腔长，确定氮化硅波导和氮化硅微环谐振腔间的耦合间距。
一些实施例中，根据光栅衍射能力，光栅的方向性和光栅与光场的重叠积分对光栅耦合效率的影响，确定氮化硅布拉格光栅耦合器的周期、占空比、刻蚀深度和光栅周期数目。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明提供的该氮化硅微环谐振腔及其制备方法，具有以下有益效果：
(1)本混合集成的氮化硅微环谐振腔制备于硅基片的二氧化硅层上，借助于成熟的硅基集成光学发展，最终可以实现与激光器及探测器均集成在同一衬底上，实现谐振式陀螺仪真正的芯片级尺寸。除此之外，后续解调电路也可以借助成熟的硅基CMOS电路实现；
(2)高氮化硅波导是目前已知的传输损耗最低的波导结构，低波导传输损耗也就意味着器件精细度更高；
(3)通常光波导之间的耦合是通过水平耦合结构实现的，通过借助于光栅耦合，可以实现对光传播方向的控制，从而为器件集成立体化提供可能，并且LPCVD淀积的材料表面起伏只有零点几纳米，可以极大的降低耦合器***损耗；
(4)通过键合技术，可以在垂直耦合器件上进一步开展其他工艺，方便了后续工艺的实施，对于器件的高集成度有很大帮助。
附图说明
图1为根据本发明一实施例所示的楔形垂直耦合器搭建图；
图2为根据本发明一实施例所示的混合集成的氮化硅微环谐振腔的分层构示意图；
图3为图2所示的混合集成的氮化硅微环谐振腔的分层正面俯视图；
图4为根据本发明一实施例所示的氮化硅微环谐振腔的制备方法流程图。
符号说明：
101-氮化硅布拉格光栅耦合器； 102-楔形耦合器；
103-直波导； 104-微环谐振腔；
201-多晶硅楔形耦合结构；
301-III-V族楔形耦合结构； 302-III-V族直波导；
具体实施方式
为了减少光在传输过程中的损耗，目前常用的波导材料通常为高宽深比的氮化硅波导，这种氮化硅波导的传输损耗可以低于传统的硅波导2-3个数量级。但是氮化硅由于其固有的特性，无法制作激光器和光电探测器，对于整个陀螺的集成化带来了前所未有的挑战。
将光从一个光学元件引入到另一个光学元件当中的过程称为光耦合，使一个模式的功率完全转移到同一波导的另一个模式之中或者两个波导之间的能量交换称为光波导耦合。
楔形耦合器又称尖劈型耦合器，是将波导的一段制成尖劈型光波导区域构成的。楔形斑模变换器利用楔形波导克服有效折射率、芯径尺寸和对称性等方面带来的差异，改进模场匹配的程度和降低端面反射损耗，从而将光波耦合进尺寸不同的波导中。
光栅垂直耦合结构中，利用波导表面的衍射光栅将垂直波导表面的入射的光波衍射进另一波导结构中，可以改变光的传播方向。
本发明通过借助硅波导与氮化硅波导的垂直耦合结构，得以充分利用硅波导的可集成和氮化硅波导的低损耗优势。波导垂直耦合结构的耦合间距较波导水平耦合，耦合间距控制更加精确，器件性能更加符合设计值。因此，该陀螺仪光波导芯片具有更加广袤的应用前景。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
在一方面，本发明提供了一种混合集成的氮化硅微环谐振腔，包括：
氮化硅波导；
氮化硅微环谐振腔，设置与氮化硅波导形成耦合连接；
楔形垂直耦合器，包括：
氮化硅布拉格光栅耦合器，通过一楔形耦合器与氮化硅波导相连接；
多晶硅楔形耦合结构，设置于氮化硅布拉格光栅耦合器和楔形耦合器上；以及
III-V族楔形耦合结构，设置于多晶硅楔形耦合结构上；
III-V族波导，设置与III-V族楔形耦合结构相连接；
其中，氮化硅布拉格光栅耦合器与氮化硅波导通过楔形耦合器相连，实现光场的耦合，III-V族波导与氮化硅波导之间通过三层楔形垂直耦合器相连，实现有源与无源器件的集成。
一些实施例中，该氮化硅微环谐振腔还包括：
衬底硅片，其上淀积有二氧化硅层；
上述的氮化硅波导、氮化硅布拉格光栅耦合器、楔形耦合器和氮化硅微环谐振腔形成氮化硅芯层，设置于该二氧化硅层上；
进一步的，该二氧化硅层的厚度大于或等于2μm。
一些实施例中，上述的楔形耦合器为一楔形结构(宽度渐变)的波导，该波导的窄波导端与氮化硅波导相连，宽波导端与氮化硅布拉格光栅耦合器的结构尺寸相匹配，其通过改变波导宽度来调节波导限制系数从而实现异质波导耦合。
一些实施例中，上述的多晶硅楔形耦合结构层淀积的厚度为400-600nm。
一些实施例中，上述的氮化硅波导结构为矩形波导结构，这样的氮化硅波导结构可以有效减小由于刻蚀导致的波导粗糙侧壁所带来的损耗。
一些实施例中，上述的氮化硅波导与微环谐振腔进行耦合连接处的波导结构为直波导或者弯曲波导结构，以减小耦合失配因子，降低倏逝波耦合器的***损耗。
有鉴于此，在本发明的第一个示例性实施例中，提供了一种陀螺仪光波导芯片。结合上述实施方式，具体地，包括：
衬底硅片，其上淀积有二氧化硅层、氮化硅芯层、多晶硅层、键合层和III-V族导出层，制备于衬底硅片上的氮化硅波导末端制备有楔形垂直耦合器，其中：
氮化硅芯层，位于热氧二氧化硅上层，其上制备有氮化硅波导芯区结构，该氮化硅光波导芯区结构包括：布拉格光栅耦合器101、楔形耦合器102、直波导103和微环谐振腔104，需精确控制光栅周期以控制其耦合波长；
多晶硅层，位于脊形氮化硅光波导上方，其上制备有多晶硅楔形耦合结构201，需精确控制其厚度以控制上下两波导之间的耦合间距；
III-V族导出层，位于多晶硅耦合区上方，其上制备有III-V族楔形耦合结构301和III-V族波导302；
且，氮化硅布拉格光栅耦合器101、多晶硅楔形耦合结构201以及III-V族楔形耦合结构301共同构成该楔形垂直耦合器，位于底层的氮化硅微环谐振腔104通过两侧的楔形垂直耦合器实现光的耦合输入、输出，并利用该楔形垂直耦合器的楔形耦合结构301来导入导出光路。
需要说明的是，楔形耦合器通过波导宽度渐变实现，通过改变波导宽度能够改变波导结构的限制系数。
图1为根据本发明一实施例所示的陀螺仪光波导芯片的分层搭建图，其中氮化硅芯层，多晶硅层和III-V族导出层将由下到上依次叠加结合。图2为如图一所示的分层具体结构示意图。此外，101-302标号对应的结构均在SOI基片1的氮化硅上刻蚀掉部分氮化硅的高度得到的(如图2所示)，在图2中进行了示意。
下面结合附图来详细介绍本实施例所示的光波导垂直耦合芯片的各个部分。
本实施例中，于氮化硅芯层制作有脊形硅波导芯区结构(简称芯区结构)，该芯区结构是通过刻蚀形成的，如图2所示，氮化硅芯层在1.55μm波长处的折射率为3.471，与多晶硅层的折射率相差58％，如此高的折射率差可以有效的将光限制在芯区结构中实现器件结构的小型化、微型化。在一优选的实例中，如图2所示，该脊形光波导芯区结构的横截面为矩形，脊高350nm、宽400nm。在氮化硅波导末端刻蚀出光栅图形，光栅间隔为560nm。
本实施例中，多晶硅层覆盖于氮化硅波导上方，该多晶硅层的厚度为80nm并将氮化硅光栅填充，在1.55μm波长处的折射率为1.457。
本实施例中，多晶硅层的厚度需要精确的控制以实现与氮化硅芯层和III-V族导出层的耦合。
本实施例中，III-V族导出层的厚度为800nm。
本实施例中，氮化硅芯层制备有波导微环谐振腔104，微环谐振腔104位于直波导103一侧。氮化硅折射率为1.97，与包层二氧化硅折射率差26％。在一优选的实例中，如图2所示，该氮化硅光波导芯区结构的横截面为矩形，高350nm、宽400nm，该高深宽比的波导结构可以保证1.55μm的光波在波导中实现单模传输。
本实施例中，借助布拉格光栅耦合器，最终可以实现III-V族波导与氮化硅波导之间低损传输。
本实施例中，III-V族波导与氮化硅波导之间通过三层楔形垂直耦合器实现有源与无源器件的集成。该方案可以实现高偏振抑制比、低损耗的氮化硅波导与有源器件之间的混合集成，借助于三层楔形垂直耦合器的低损耗特性，该混合集成的氮化硅微环谐振腔的损耗很小，在达到战术级惯性导航精度前提下，能够进一步实现集成光学陀螺的小型化。
还需要注意的是，该矩形氮化硅波导结构是一种单偏振态单模结构，这种结构可以充分抑制硅波导微环谐振腔中普遍存在的偏振态波动噪声。
在另一方面，针对上述的氮化硅微环谐振腔，本发明提供了一种实现该混合集成的氮化硅微环谐振腔的制备方法，包括：
在衬底硅片的二氧化硅层上淀积氮化硅层；
在氮化硅层制备出氮化硅波导、氮化硅布拉格光栅耦合器、楔形耦合器和氮化硅微环谐振腔，得到氮化硅芯层；
在氮化硅芯层上淀积多晶硅层，在多晶硅层制备出多晶硅楔形耦合结构；
在多晶硅层上键合III-V族导出层，在III-V族导出层制备出III-V族楔形耦合结构和III-V族波导。
有鉴于此，在本发明的第二个示例性实施例中，提供了一种新型的混合集成的氮化硅微环谐振腔的制备方法，包括：
步骤S21：在硅片的热氧二氧化硅层上制备氮化硅波导层(即氮化硅芯层)结构。
本实施例中，先准备高精抛硅晶圆并进行基片清洗，晶圆清洗流程如下：首先将硅晶圆片放入清洗烧杯中，然后倒入适量双氧水，按照硫酸双氧水1∶3的比例加入适量硫酸，通过氧化还原反应硅晶圆片上的污染物能够被反应去除，最后通过10-15次去离子水冲洗去除晶圆表面硫化物，氮***吹干，保证晶圆表面无颗粒及水渍；
热氧化二氧化硅层，热氧化二氧化硅层较常温生长的更加致密，损耗缺陷更少。然后借助低压化学气相沉积(LPCVD)沉积一定厚度的氮化硅层。在基片表面涂覆一定厚度的光刻胶，采用紫外光刻对基片表面光刻胶进行曝光，显影、定影后留下布拉格光栅耦合器101、楔形耦合器102、直波导103和微环104胶层；
感应耦合等离子体刻蚀机(ICP)完全刻蚀氮化硅层，并清洗去胶完成光刻胶图形到氮化硅层图形转移。
步骤S22：制备多晶硅楔形结构。
本实施例中，通过LPCVD在制备完氮化硅波导结构的晶圆表面淀积一定厚度的多晶硅，然后磨抛表面使表面平整光滑。在晶圆表面涂覆一定厚度的光刻胶，采用紫外光刻曝光，显影、定影后留下多晶硅楔形结构201胶层；
感应耦合等离子体刻蚀机(ICP)完全刻蚀多晶硅层，并清洗去胶完成光刻胶图形到氮化硅层图形转移。
需要注意的是，通过精确控制LPCVD的气流大小和温度以控制多晶硅层厚度
步骤S23：在抛光后的多晶硅层上键合III-V族材料并制备III-V族楔形波导结构和直波导结构。
本实施例中，III-V族层通过键合实现与晶圆结合，键合后的III-V族层通过磨抛减薄然后在晶圆表面涂覆一定厚度的光刻胶，采用紫外光刻曝光，显影、定影后留下III-V族楔形耦合结构301和III-V族直波导结构302胶层；感应耦合等离子体刻蚀机(ICP)完全刻蚀III-V族材料层，并清洗去胶完成光刻胶图形到III-V族材料层图形转移。
基于上述氮化硅微环谐振腔及其制备方法，下面进一步结合附图来详细介绍上述实施例中的氮化硅微环谐振及陀螺仪光波导光栅耦合芯片的光路和工作原理。
一些实施例中，根据光栅衍射能力，光栅的方向性和光栅与光场的重叠积分对光栅耦合效率的影响，确定氮化硅布拉格光栅耦合器的周期、占空比、刻蚀深度和光栅周期数目。
结合上述实施方式，如图2所示，光栅耦合的基本结构为布拉格光栅结构，其采用波失的概念来解释入射光波失与衍射光波失之间的关系。入射光在光栅表面发生衍射，为了实现干涉相长，发生衍射的光束需满足公式
Figure BDA0002476010150000091
其中m表示衍射级数，取整数；λ为光传播空间中波长，d为光栅中心，θ为入射角，
Figure BDA0002476010150000092
为衍射角。为了获取较大的耦合效率，通常对光栅耦合器的周期，占空比，刻蚀深度，光栅周期数目进行改变。对于均匀光栅耦合器来讲，影响光栅耦合器耦合效率的因素包括三个方面：光栅衍射能力η1，光栅的方向性η2和光栅与光场的重叠积分η3。
其中，光栅的衍射能力η1是与光栅的透射率和反射率相关的，具体为：
η1＝1-T-R
T＝t2
R＝r2
而光栅的方向性是指光栅向上衍射的能量与向下衍射的能量的分配比率，具体为：
Figure BDA0002476010150000093
而光栅与光纤的模场重叠积分部分是由本征模式展开法得到的：
Figure BDA0002476010150000094
最终可以得到光栅的耦合效率：
η＝η1·η2·η3
通过优化这三个与耦合系数密切相关的参数，就可以得到最大耦合效率。
一些实施例中，根据设定的微环传输损耗和谐振腔长，确定氮化硅波导和氮化硅微环谐振腔间的耦合间距。
结合上述实施方式，如图2所示，直波导103与微环谐振腔104通过宽度渐进的方式(直波导103和微环谐振腔104之间距离逐渐缩小)进行光的耦合，本实施例中，耦合连接处的直波导103结构可以根据环形谐振腔的曲度调整为直波导或者弯曲波导结构，以减小耦合失配因子，降低倏逝波耦合器的***损耗。在一实例中，微环谐振腔104的半径为0.3cm。直波导103与微环谐振腔104存在一最佳耦合系数。当设定微环传输损耗和谐振腔长后，借助软件可计算出最佳耦合系数，然后通过仿真软件得到对应耦合系数的耦合间距。
当然，上述实施例中的氮化硅微环谐振和陀螺仪光波导芯片中各部件的尺寸设置也可以根据实际需要进行适应性调整，不局限于上述实施例所示。
需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
并且，为实现图面整洁的目的，一些习知惯用的结构与组件在附图可能会以简单示意的方式绘示之。另外，本案的附图中部分的特征可能会略为放大或改变其比例或尺寸，以达到便于理解与观看本发明的技术特征的目的，但这并非用于限定本发明。依照本发明所发明的内容所制造的产品的实际尺寸与规格应是可依据生产时的需求、产品本身的特性、及搭配本发明如下所公开的内容据以调整，于此进行声明。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种混合集成的氮化硅微环谐振腔，其特征在于，包括：
氮化硅波导；
氮化硅微环谐振腔，设置与所述氮化硅波导形成耦合连接；
楔形垂直耦合器，包括：
氮化硅布拉格光栅耦合器，通过一楔形耦合器与所述氮化硅波导相连接；
多晶硅楔形耦合结构，设置于所述氮化硅布拉格光栅耦合器和所述楔形耦合器上；以及
III-V族楔形耦合结构，设置于所述多晶硅楔形耦合结构上；
III-V族波导，设置与所述III-V族楔形耦合结构相连接；
其中，氮化硅布拉格光栅耦合器与氮化硅波导通过楔形耦合器相连，实现光场的耦合，III-V族波导与氮化硅波导之间通过三层楔形垂直耦合器相连，实现有源与无源器件的集成。
2.根据权利要求1所述的氮化硅微环谐振腔，其特征在于，还包括：
衬底硅片，其上淀积有二氧化硅层；
所述氮化硅波导、所述氮化硅布拉格光栅耦合器、所述楔形耦合器和所述氮化硅微环谐振腔形成氮化硅芯层，设置于所述二氧化硅层上。
3.根据权利要求2所述的氮化硅微环谐振腔，其特征在于，所述二氧化硅层的厚度大于或等于2μm。
4.根据权利要求1所述的氮化硅微环谐振腔，其特征在于，所述楔形耦合器为一楔形结构的波导，所述波导的窄波导端与氮化硅波导相连，宽波导端与氮化硅布拉格光栅耦合器的结构尺寸相匹配。
5.根据权利要求1所述的氮化硅微环谐振腔，其特征在于，所述多晶硅楔形耦合结构的厚度为400-600nm。
6.根据权利要求1所述的氮化硅微环谐振腔，其特征在于，所述氮化硅波导结构为矩形波导结构。
7.根据权利要求1所述的氮化硅微环谐振腔，其特征在于，所述氮化硅波导与所述微环谐振腔进行耦合连接处的波导结构为直波导或者弯曲波导结构。
8.一种混合集成的氮化硅微环谐振腔的制备方法，实现权利要求1至7中任一所述的氮化硅微环谐振腔的制备，其特征在于，包括：
在衬底硅片的二氧化硅层上淀积氮化硅层；
在氮化硅层制备出氮化硅波导、氮化硅布拉格光栅耦合器、楔形耦合器和氮化硅微环谐振腔，得到氮化硅芯层；
在氮化硅芯层上淀积多晶硅层，在多晶硅层制备出多晶硅楔形耦合结构；
在多晶硅层上键合III-V族导出层，在III-V族导出层制备出III-V族楔形耦合结构和III-V族波导。
9.根据权利要求8所述的混合集成的氮化硅微环谐振腔的制备方法，其特征在于，根据设定的微环传输损耗和谐振腔长，确定所述氮化硅波导和所述氮化硅微环谐振腔间的耦合间距。
10.根据权利要求8所述的混合集成的氮化硅微环谐振腔的制备方法，其特征在于，根据光栅衍射能力，光栅的方向性和光栅与光场的重叠积分对光栅耦合效率的影响，确定所述氮化硅布拉格光栅耦合器的周期、占空比、刻蚀深度和光栅周期数目。
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