CN112965165A - 多层三维光连接结构 - Google Patents

Abstract

本公开提出一种多层三维光连接结构，包括：层间耦合结构和交叉波导结构。其中，层间耦合结构采用倏逝波耦合的方案，利用两段曲率不同的渐变型波导，在缩短耦合尺寸的同时依然能够保证较高的耦合效率，大大缩短了芯片的面积，节省了成本；交叉波导结构采用展宽的多模波导来增加对光的限制，提高了隔离度，保证了各层间的信号传输不受干扰。本公开中的多层三维光连接结构能够对工艺误差具有一定的容忍度，在实际的生产加工中更具优势。

Description

多层三维光连接结构

技术领域

本公开涉及三维光子集成领域，尤其涉及一种多层三维光连接结构。

背景技术

传统的采用CMOS平面加工工艺制作的光子集成芯片多为平面单层结构，随着市场需求的不断增长以及技术的不断革新，三维多层的光子集成芯片具有更高的集成度，能够实现更多的功能，已成为未来的发展趋势。光信号可以在多层三维光子集成芯片的各个层内不受干扰的独立传输，利用复杂的多层网络结构大大减小了芯片面积，节约成本的同时也能够实现更加复杂的功能。

各层间的耦合及交叉波导等光连接结构的设计是整个三维光子集成芯片的关键所在，较小的层间距有利于光在相邻波导层间的耦合，缩短耦合结构的长度，但同样会导致层间交叉波导的串扰增加。在传统的倏逝波耦合方案中，利用两个反向的锥形波导作为层间耦合结构，需要足够长的耦合长度，不容易达到小型化的要求，同样的受耦合效率的限制，层间交叉波导的串扰要求也不能仅仅通过不断增加层间距来实现。因此需要选择合适的层间距，然后分别对耦合结构和交叉波导结构进行优化来减小这一相互制约关系带来的影响。

发明内容

有鉴于此，本公开提供了一种多层三维光连接结构，包括：层间耦合结构，包括设置在第一波导层中的第一波导、第一渐变型波导和第二渐变型波导，以及设置在第二波导层中的第二波导、第三渐变型波导和第四渐变型波导；其中，第一波导、第一渐变型波导和第二渐变型波导依次连接，第二波导、第三渐变型波导和第四渐变型波导依次连接；第一渐变型波导与第四渐变型波导、第二渐变型波导与第三渐变型波导分别呈中心对称分布；沿第一波导指向第二渐变型波导的方向，第一渐变型波导的宽度逐渐变窄，第二渐变型波导的宽度逐渐变宽；沿第二波导指向第四渐变型波导的方向，第三渐变型波导的宽度逐渐变窄，第四渐变型波导的宽度逐渐变宽；第一渐变型波导和第二渐变型波导与第三渐变型波导和第四渐变型波导的空间交叠部分形成层间耦合区；交叉波导结构，包括设置在第一波导层的第三波导、第一锥形波导、第四波导、第二锥形波导和第五波导，以及设置在第二波导层的第六波导、第三锥形波导、第七波导、第四锥形波导和第八波导；其中，第三波导、第一锥形波导、第四波导、第二锥形波导和第五波导依次连接，第六波导、第三锥形波导、第七波导、第四锥形波导和第八波导依次连接，第六波导与第二波导相连接，第四波导和第七波导呈90度交叉，均展宽成多模波导。

可选地，渐变型波导的宽度变化包括线性变化或非线性变化。

可选地，渐变型波导的宽度随波导长度变化满足如下关系：

w＝w₁+f(z)·(w₂-w₁)；

其中，w为渐变型波导的宽度，w₁和w₂分别为渐变型波导首末两端的宽度，z为渐变型波导长度归一化后的值，f(z)为渐变型波导的形状函数。

可选地，非线性变化包括幂函数型变化或指数型变化。

可选地，渐变型波导的宽度为幂函数型变化，则渐变型波导的宽度随波导长度变化满足如下关系：

w＝w₁+f(z)·(w₂-w₁)；

其中，

f(z)＝z^k，

其中，w为渐变型波导的宽度，w₁和w₂分别为渐变型波导首末两端的宽度，z为渐变型波导长度归一化后的值，f(z)为渐变型波导的形状函数，k＞0。

可选地，渐变型波导的宽度为指数型变化，则渐变型波导的宽度随波导长度变化满足如下关系：

w＝w₁+f(z)·(w₂-w₁)；

其中，

f(z)＝(e^(k·z)-1)/(e^k-1)，

其中，w为渐变型波导的宽度，w₁和w₂分别为渐变型波导首末两端的宽度，z为渐变型波导长度归一化后的值，f(z)为渐变型波导的形状函数，k≠0。

可选地，渐变型波导的宽度变化为线性变化，则渐变型波导的宽度随波导长度变化满足如下关系：

w＝w₁+f((z)·(w₂-w₁)；

其中，

f(z)＝z，

其中，w为渐变型波导的宽度，w₁和w₂分别为渐变型波导首末两端的宽度，z为渐变型波导长度归一化后的值，f(z)为渐变型波导的形状函数。

可选地，第一波导层和第二波导层采用脊型波导结构或矩形波导结构。

可选地，第一波导层和第二波导层采用的材料包括二氧化硅、硅、氮化硅、铌酸锂或III-V族半导体化合物或聚合物。

本公开提供一种多层三维光连接结构，至少包括以下有益效果：

(1)本公开中的多层三维光连接结构采用两段非线性的渐变型波导，能够在较短的耦合长度下获得较高的耦合效率，大大缩短了芯片的面积，节约了成本。

(2)本公开中的多层三维光连接结构采用展宽的多模波导增强对光信号的限制作用，从而提高了隔离度。另外，本公开中的多层三维光连接结构具有一定的工艺容差，在实际的生产加工中更具优势。

附图说明

图1示意性示出了本公开实施例的多层三维光连接结构的结构示意图。

图2示意性示出了本公开实施例的多层三维光连接结构中层间耦合结构的俯视图。

图3示意性示出了光信号在多层三维光连接结构中的传输路径。

图4示意性示出了本公开实施例中不同f(z)下的渐变型波导的形状；其中，a表示渐变型波导的宽度呈线性变化，b表示渐变型波导的宽度呈幂函数型变化，c表示渐变型波导的宽度呈指数型(k＞0)变化，d表示渐变型波导的宽度呈指数型(k＜0)变化。

图5示意性示出了本公开实施例一中使用FDTD法模拟光信号在两层波导间传输时的电场分布图。

附图标记说明：

1-第一波导层 2-第二波导层 3-第一波导

4-第一渐变型波导 5-第二渐变型波导 6-第二波导

7-第三渐变型波导 8-第四渐变型波导 9-第三波导

10-第一锥形波导 11-第四波导 12-第二锥形波导

13-第五波导 14-第六波导 15-第三锥形波导

16-第七波导 17-第四锥形波导 18-第八波导

L_T-耦合区长度 L₁-第三渐变型波导的长度

L₂-第四渐变型波导的长度 W₁-渐变型波导首端的宽度

W₂-渐变型波导末端的宽度

具体实施方式

为使本公开的目的、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，对本公开作进一步的详细说明。

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。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”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公开。

图1示意性示出了本公开实施例的多层三维光连接结构的结构示意图。

如图1所示，本实施例中提供了一种多层三维光连接结构，包括：层间耦合结构和交叉波导结构。其中：

层间耦合结构包括设置在第一波导层1中的第一波导3、第一渐变型波导4和第二渐变型波导5，以及设置在第二波导层2中的第二波导6、第三渐变型波导7和第四渐变型波导8。

其中，第一波导3、第一渐变型波导4和第二渐变型波导5依次连接，第二波导6、第三渐变型波导7和第四渐变型波导8依次连接。第一渐变型波导4与第四渐变型波导8、第二渐变型波导5与第三渐变型波导7分别呈中心对称分布。第一渐变型波导4和第二渐变型波导5与第三渐变型波导7和第四渐变型波导8的空间交叠部分形成层间耦合区。

交叉波导结构包括设置在第一波导层1的第三波导9、第一锥形波导10、第四波导11、第二锥形波导12和第五波导13，以及设置在第二波导层2的第六波导14、第三锥形波导15、第七波导16、第四锥形波导17和第八波导18。

如图1所示，其中，第三波导9、第一锥形波导10、第四波导11、第二锥形波导12和第五波导13依次连接，第六波导14、第三锥形波导15、第七波导16、第四锥形波导17和第八波导18依次连接，第六波导14与第二波导6相连接，第四波导11和第七波导16呈90度交叉，均展宽成多模波导。

图2示意性示出了本公开实施例的多层三维光连接结构中层间耦合结构的俯视图。请一并参考图1和图2所示，例如，沿第一波导3指向第二渐变型波导5的方向，第一渐变型波导4的宽度逐渐变窄，第二渐变型波导5的宽度逐渐变宽。例如，沿第二波导6指向第四渐变型波导8的方向，第三渐变型波导7的宽度逐渐变窄，第四渐变型波导8的宽度逐渐变宽。如图2所示，例如，第四渐变型波导8首端宽度为W₁，末端宽度为W₂(W₂＞W₁)，第四渐变型波导8的宽度从首端至末端，由W₁逐渐增大到W₂。相应地，如图2所示，第一渐变型波导4、第二渐变型波导5(图2中未示出)和第三渐变型波导7也具有对应的宽度变化趋势，在此不再赘述。

在图2所示的层间耦合结构中，沿第二波导6指向第四渐变型波导8的方向，第三渐变型波导7和第四渐变型波导8的波导长度分别为L₁和L₂。上述由第一渐变型波导4和第二渐变型波导5与第三渐变型波导7和第四渐变型波导8的空间交叠部分形成层间耦合区，耦合区长度L_T＝L₁+L₂。相较于传统的锥形层间耦合结构，本公开利用两段曲率不同的渐变型波导能够在保证较高耦合效率的同时缩短耦合尺寸，结构尺寸小，节约了芯片的面积，节省了成本。此外，本公开中的结构还具有一定的加工容差，在实际的三维集成芯片的加工生产中，可降低加工难度，更具加工优势。

另外，在上述实施例中，交叉波导结构采用展宽的多模波导来增加对光的限制，提高了隔离度，保证了各层间的信号的传输不受干扰。

具体地，图3示意性示出了光信号在多层三维光连接结构中的传输路径。如图3所示，在上述多层三维光连接结构中，光信号的传输路径如下：第一路光信号可以经第一波导层1的第一波导3输入，进入层间耦合结构，通过倏逝波耦合的方式传输至第二波导层2继续传输，最终从第八波导18输出。第二路光信号可以经第一波导层1的第三波导9输入，并沿第一锥形波导10→第四波导11→第二锥形波导12→第五波导13的方向在第一波导层1上继续传输，最终从第五波导13输出。由此可见，光信号可以在多层三维光连接结构的各个层内不受干扰的独立传输，进而避免了因缩短耦合结构的长度，导致层间交叉波导的串扰。

需要注意的是，本实施例及图3所示的光信号的传输路径仅是示例性的，以帮助本领域的技术人员理解本公开的技术方案，并非用以限制本公开的保护范围。在本公开实施例中，光信号的传输方向也可以沿上述方向的逆方向进行，在此不做限定。例如，第二路光信号可以经第五波导13输入，并沿第二锥形波导12→第四波导11→第一锥形波导10→第三波导9的方向传输，最终从第三波导9输出。同样地，第一路光信号也可以从第八波导18输入，最终沿图3中示出的逆方向从第一波导3输出。

在本公开实施例中，上述多层三维光连接结构形成的芯片结构的工作带宽可以覆盖整个C波段，具有广阔的应用前景。

在本公开实施例中，第一波导层1和第二波导层2采用的材料例如可以是硅、二氧化硅、氮化硅、铌酸锂或III-V族半导体化合物或聚合物等等。另外，第一波导层1和第二波导层2可以采用例如脊型波导结构或矩形波导结构。

需要说明的是，上述实施例中对于多层三维光连接结构各层结构的材料和形状等的说明仅是示例性的，以帮助本领域的技术人员理解本公开的技术方案，并非用以限制本公开的保护范围。在本公开一些实施例中，可以根据实际需要选择任何合适的材料、尺寸、折射率等等来制备上述结构，在此不做限定。

根据本公开实施例，上述第一波导层1和第二波导层2中的渐变型波导，例如图1中示出的第一波导层1中的第一渐变型波导4，其宽度变化可以包括线性变化和非线性变化。其中，渐变型波导的宽度变化满足如下关系：

w＝w₁+f(z)·(w₂-w₁) (1)

其中，w为渐变型波导的宽度，w₁和w₂分别为渐变型波导首末两端的宽度，z为渐变型波导长度归一化后的值，f(z)为渐变型波导的形状函数。

可以理解，根据上述公式(1)可知，渐变型波导的宽度变化由渐变型波导的形状函数f(z)决定，即渐变型波导的形状函数f(z)决定了渐变型波导的宽度是呈现线性变化还是非线性变化，进而决定了渐变型波导的最终形状。

根据本公开实施例，当渐变型波导的宽度变化呈线性变化时，则渐变型波导的宽度随波导长度变化满足如下关系：

w＝w₁+f(z)·(w₂-w₁)；

其中，

f(z)＝z (2)

其中，w为渐变型波导的宽度，w₁和w₂分别为渐变型波导首末两端的宽度，z为渐变型波导长度归一化后的值，f(z)为渐变型波导的形状函数。

根据本公开实施例，上述非线性变化可以包括幂函数型变化或指数型变化。其中，当渐变型波导的宽度呈幂函数型变化时，则渐变型波导的宽度随波导长度变化满足如下关系：

w＝w₁+f(z)·(w₂-w₁)；

其中，

f(z)＝z^k (3)

其中，w为渐变型波导的宽度，w₁和w₂分别为渐变型波导首末两端的宽度，z为渐变型波导长度归一化后的值，f(z)为渐变型波导的形状函数，k＞0，k的取值决定渐变型波导的曲率。

其中，当渐变型波导的宽度呈指数型变化时，则渐变型波导的宽度随波导长度变化满足如下关系：

w＝w₁+f(z)·(w₂-w₁)；

其中，

f(z)＝(e^(k·z)-1)/(e^k-1) (4)

其中，w为渐变型波导的宽度，w₁和w₂分别为渐变型波导首末两端的宽度，z为渐变型波导长度归一化后的值，f(z)为渐变型波导的形状函数，k≠0，k的取值决定渐变型波导的曲率。

图4示意性示出了本公开实施例中不同f(z)下的渐变型波导的形状。

如图4所示，本实施例列举了四种不同类型的渐变型波导的形状，每种类型的渐变型波导形状具有对应的f(z)。其中，图4a表示渐变型波导的宽度呈线性变化，其对应的渐变型波导的形状函数例如为f(z)＝z。图4b表示渐变型波导的宽度呈幂函数型变化，其对应的渐变型波导的形状函数例如为f(z)＝z^2，其中k＝2。图4c表示渐变型波导的宽度呈指数型(k＞0)变化，其对应的渐变型波导的形状函数例如为f(z)＝(e^(3·z)-1)/(e^3-1)，其中k＝3。图4d表示渐变型波导的宽度呈指数型(k＜0)变化，其对应的渐变型波导的形状函数例如为f(z)＝(e^((-3)·z)-1)/(e^(-3)-1)，其中k＝-3。

在本公开实施例中，上述第一波导层1中的第一渐变型波导4和第二渐变型波导5或者第二波导层2中的第三渐变型波导7和第四渐变型波导8等可以采用例如图4所示的渐变型波导结构，这样可以在缩短耦合区长度，获得较高的耦合效率的同时，扩大倏逝波耦合的范围。

应当理解，上述实施例以及图4中对于多层三维光连接结构中渐变型波导的形状的说明仅是示例性的，以帮助本领域的技术人员理解本公开的技术方案，并非用以限制本公开的保护范围。在本公开实施例中，可以根据实际需要来设计和选择任何合适的渐变型波导的形状和尺寸等，在此不做限定。

为了使本领域技术人员能够更加清楚地了解本公开的技术方案，以下将结合本公开优选的实施例来说明本公开中的技术方案的优势。

实施例一

在本实施例中，采用如图1所示的多层三维光连接结构。其中，第一波导层1和第二波导层2的材料为硅，采用矩形波导结构，波导的宽度为0.4μm，厚度为220nm。中间包层(图1中未示出)的材料为二氧化硅，厚度为300nm。其中，交叉波导结构中的四段锥形波导的长度均为5μm，第四波导11和第七波导16的宽度为1μm。

在本实施例中，各渐变型波导的尺寸如下：第一渐变型波导4中，w₁＝0.24μm，w₂＝0.4μm，f(z)＝z^2。第二渐变型波导5中，w₁＝0.24μm，w₂＝0.32μm，f(z)＝z^3。第三渐变型波导7中，w₁＝0.24μm，w₂＝0.4μm，f(z)＝z^2，第四渐变型波导8中，w₁＝0.24μm，w₂＝0.32μm，f(z)＝z^3。另外，层间耦合结构中的四段渐变型波导的长度均为5μm，所组成的耦合区长度为10μm。耦合结构的俯视图如图2所示。

为了验证上述多层三维光连接结构的耦合效率是否因缩短耦合长度而受到影响，在本实施例中，使用FDTD法模拟光信号在上述多层三维光连接结构中传输时的电场分布，结果如图5所示。其中，入射光的波长为1550nm，第一路入射光从第一波导层1的第一波导3入射，光信号经第一波导层1的第一波导3进入层间耦合区，通过倏逝波耦合的方式传输至第二波导层2，最终从第八波导18输出。第二路光信号经第一波导层1的第三波导9输入，并沿第一锥形波导10至第五波导13的方向在第一波导层1上继续传输，最终从第五波导13输出。

光信号可以在多层三维光连接结构的各个层内不受干扰的独立传输，而且从图5可以看到，光信号能够在第一波导层和第二波导层间实现完全耦合传输。经检测，上述结构的耦合效率可以达到97％以上，而且使用FDTD法模拟结果显示，在1550nm波长处的串扰小于-60dB。

综上所述，本公开提供了一种多层三维光连接结构，基于渐变型波导的设计，能够在较短的耦合长度下获得较高的耦合效率，大大缩短了芯片的面积，且具有一定的工艺容差，降低了加工要求，节约了成本，使得整个芯片满足小型化、高性能的要求。此外，上述结构采用展宽的多模波导增强对光信号的限制作用，从而提高了隔离度，保证了各层间的信号传输不受干扰。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、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，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多层三维光连接结构，其特征在于，包括：

层间耦合结构，包括设置在第一波导层(1)中的第一波导(3)、第一渐变型波导(4)和第二渐变型波导(5)，以及设置在第二波导层(2)中的第二波导(6)、第三渐变型波导(7)和第四渐变型波导(8)；

其中，所述第一波导(3)、所述第一渐变型波导(4)和所述第二渐变型波导(5)依次连接，所述第二波导(6)、所述第三渐变型波导(7)和所述第四渐变型波导(8)依次连接；

所述第一渐变型波导(4)与所述第四渐变型波导(8)、所述第二渐变型波导(5)与所述第三渐变型波导(7)分别呈中心对称分布；

沿所述第一波导(3)指向所述第二渐变型波导(5)的方向，所述第一渐变型波导(4)的宽度逐渐变窄，所述第二渐变型波导(5)的宽度逐渐变宽；沿所述第二波导(6)指向所述第四渐变型波导(8)的方向，所述第三渐变型波导(7)的宽度逐渐变窄，所述第四渐变型波导(8)的宽度逐渐变宽；

所述第一渐变型波导(4)和所述第二渐变型波导(5)与所述第三渐变型波导(7)和所述第四渐变型波导(8)的空间交叠部分形成层间耦合区；

交叉波导结构，包括设置在所述第一波导层(1)的第三波导(9)、第一锥形波导(10)、第四波导(11)、第二锥形波导(12)和第五波导(13)，以及设置在所述第二波导层(2)的第六波导(14)、第三锥形波导(15)、第七波导(16)、第四锥形波导(17)和第八波导(18)；

其中，所述第三波导(9)、所述第一锥形波导(10)、所述第四波导(11)、所述第二锥形波导(12)和所述第五波导(13)依次连接，所述第六波导(14)、所述第三锥形波导(15)、所述第七波导(16)、所述第四锥形波导(17)和所述第八(18)波导依次连接，所述第六波导(14)与所述第二波导(6)相连接，所述第四波导(11)和所述第七波导(16)呈90度交叉，均展宽成多模波导。

2.根据权利要求1所述的多层三维光连接结构，其特征在于，渐变型波导的宽度变化包括线性变化或非线性变化。

3.根据权利要求1所述的多层三维光连接结构，其特征在于，渐变型波导的宽度随波导长度变化满足如下关系：

w＝w₁+f(z)·(w₂-w₁)；

其中，w为所述渐变型波导的宽度，w₁和w₂分别为所述渐变型波导首末两端的宽度，z为所述渐变型波导长度归一化后的值，f(z)为所述渐变型波导的形状函数。

4.根据权利要求2所述的多层三维光连接结构，其特征在于，所述非线性变化包括幂函数型变化或指数型变化。

5.根据权利要求4所述的多层三维光连接结构，其特征在于，所述渐变型波导的宽度为幂函数型变化，则所述渐变型波导的宽度随波导长度变化满足如下关系：

w＝w₁+f(z)·(w₂-w₁)；

其中，

f(z)＝z^k，

其中，w为所述渐变型波导的宽度，w₁和w₂分别为所述渐变型波导首末两端的宽度，z为所述渐变型波导长度归一化后的值，f(z)为所述渐变型波导的形状函数，k＞0。

6.根据权利要求4所述的多层三维光连接结构，其特征在于，所述渐变型波导的宽度为指数型变化，则所述渐变型波导的宽度随波导长度变化满足如下关系：

w＝w₁+f(z)·(w₂-w₁)；

其中，

f(z)＝(e^(k·z)-1)/(e^k-1)，

其中，w为所述渐变型波导的宽度，w₁和w₂分别为所述渐变型波导首末两端的宽度，z为所述渐变型波导长度归一化后的值，f(z)为所述渐变型波导的形状函数，k≠0。

7.根据权利要求2所述的多层三维光连接结构，其特征在于，所述渐变型波导的宽度变化为线性变化，则所述渐变型波导的宽度随波导长度变化满足如下关系：

w＝w₁+f(z)·(w₂-w₁)；

其中，

f(z)＝z，

其中，w为所述渐变型波导的宽度，w₁和w₂分别为所述渐变型波导首末两端的宽度，z为所述渐变型波导长度归一化后的值，f(z)为所述渐变型波导的形状函数。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的多层三维光连接结构，其特征在于，所述第一波导层(1)和所述第二波导层(2)采用脊型波导结构或矩形波导结构。

9.根据权利要求8所述的多层三维光连接结构，其特征在于，所述第一波导层(1)和所述第二波导层(2)采用的材料包括二氧化硅、硅、氮化硅、铌酸锂或III-V族半导体化合物或聚合物。

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