CN115755279A - 片上光放大耦合器及其形成方法 - Google Patents

Abstract

本公开实施例提供一种片上光放大耦合器及其形成方法，所述方法包括：刻蚀初始衬底，形成多模耦合器；在多模耦合器上，沉积预设厚度的具有稀土离子掺杂的介质材料，形成所述多模耦合器的增益包层；在所述增益包层上沉积键合介质层；在所述键合介质层上倒装键合泵浦激光器，形成所述片上光放大耦合器。

Description

片上光放大耦合器及其形成方法

技术领域

本公开涉及半导体技术领域，本公开涉及但不限于一种片上光放大耦合器及其形成方法。

背景技术

已有多种结构方案可用于实现光耦合器，包括方向耦合器、Y分支波导和多模干涉(Multi-Mode Interference，MMI)耦合器。其中基于MMI结构的光耦合器由于其结构尺寸小，光场分布受结构参数影响很小，工艺容差大，并且是偏振不敏感的器件等优点，在集成光电子学的发展中起着重要的作用。

然而，由于MMI的自成像长度和各阶模式的有效折射率相关，需要通过调控器件折射率来控制MMI器件的输出性能，当在高指数高折射率对比度平台(如绝缘体上硅(SiliconOn Insulator，SOI))中实现MMI时，其有效折射率的调控将会变得困难，使其性能会显著下降。同时，传统的MMI光分束器也较难实现任意分光波。另一方面，随着集成光电子回路中光学器件的规模不断增加，光在传输时产生大量的衰减，整个片上损耗严重影响整个***的传输性能，因此有必要在光传输过程中进行对信号光衰减的补偿，以满足光通信和光网络中高信息传输率和大信息传输能力的需求。

发明内容

有鉴于此，本公开实施例提供一种片上光放大耦合器及其形成方法。

本公开的技术方案是这样实现的：

第一方面，本公开实施例提供一种片上光放大耦合器，所述片上光放大耦合器依次包括：衬底层、耦合器层、增益包层和集成泵浦层，其中：所述耦合器层包括多模耦合器；所述增益包层为具有稀土离子掺杂的介质层，与所述耦合器层中的多模耦合器形成混合波导结构；光在传输与耦合过程中以倏逝波的形式部分耦合至所述介质层中，为光传输提供光学增益；所述集成泵浦层包括泵浦激光器，为所述增益包层提供泵浦光。

第二方面，本公开实施例提供一种片上光放大耦合器的形成方法，所述方法包括：刻蚀初始衬底，形成多模耦合器；在多模耦合器上，沉积预设厚度的具有稀土离子掺杂的介质材料，形成所述多模耦合器的增益包层；在所述增益包层上沉积键合介质层；在所述键合介质层上倒装键合泵浦激光器，形成所述片上光放大耦合器。

本公开实施例中，一种片上光放大耦合器从下至上依次包括：衬底层、耦合器层、增益包层和集成泵浦层；首先，刻蚀初始衬底，形成多模耦合器；其次，在多模耦合器上，沉积预设厚度的具有稀土离子掺杂的介质材料，形成多模耦合器的增益包层；然后，在增益包层上沉积键合介质层；最后，在键合介质层上倒装键合泵浦激光器，形成片上光放大耦合器。从上面可以看出，一种基于增益包层、多模耦合器复合结构的片上光放大耦合器，利用具有稀土离子掺杂的介质材料作为多模耦合器的增益包层，可以实现片上的功率耦合与光放大，对传统器件进行功能扩展。

在其他的实施例中，通过非对称的光栅型多模耦合区侧壁的布拉格光栅结构，一方面，可以有效调控器件的有效折射率，以及产生非对称的多模干涉，提升功率分配性能；另一方面，还可以为光传输提供反馈作用，提升器件的光放大效率。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，而非限制本公开的技术方案。

附图说明

在附图(其不一定是按比例绘制的)中，相似的附图标记可在不同的视图中描述相似的部件。具有不同字母后缀的相似附图标记可表示相似部件的不同示例。附图以示例而非限制的方式大体示出了本文中所讨论的各个实施例。

图1为本公开实施例提供的一种片上光放大耦合器的结构示意图；

图2为本公开实施例提供的一种应用于片上光放大耦合器的多模耦合器的结构示意图；

图3为本公开实施例提供的一种片上光放大耦合器的三维结构示意图；

图4为本公开实施例提供的一种片上光放大耦合器的增益效果仿真图；

图5为本公开实施例提供的一种片上光放大耦合器的形成方法的实现流程示意图；

图6本公开实施例提供的一种片上光放大耦合器的形成过程的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开，而不应被这里阐述的具体实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本公开更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本公开可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本公开发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述；即，这里不描述实际实施例的全部特征，不详细描述公知的功能和结构。

在附图中，为了清楚，层、区、元件的尺寸以及其相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在……上”、“与……相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在……上”、“与……直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本公开教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。而当讨论的第二元件、部件、区、层或部分时，并不表明本公开必然存在第一元件、部件、区、层或部分。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本公开的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

近年来，绝缘体上硅(Silicon On Insulator，SOI)已日益被用作集成光电子芯片制造的重要平台。SOI与互补金属氧化物半导体(Complementary Metal OxideSemiconductor，CMOS)制造工艺兼容，由于其高折射率对比度，具有高的光场束缚能力，泄漏损耗很小，在光子学电路的小型化方面具有极好的潜力。基于该平台制备的片上波导器件具有高速，抗辐射能力强的特点，有广阔的应用前景。

其中，片上光耦合器是集成光电子回路中重要的组成部分，它是实现多个光路间，或者有源光器件与光路之间实现光功率传输分布的无源光器件，在片上光信号的传输过程中具有重要的应用。在通信领域中，光耦合器广泛应用于片上实验和性能检测中；在信号传输方面，光信号要经光耦合器分配传输；在波分复用传输***和光放大器中，各波长光的分与合也必须使用光耦合器。

多模干涉型光功率耦合器的基本原理是利用光的自映像原理。在多模波导中，所有激发的导模相互干涉，再沿着波导的传输方向，会周期性地出现输入场的1个或者多个复制的映像。选择合适的多模耦合区长度，可以将光功率分配到两个或者多个输出波导中，形成光功率分配。

下面将介绍一些与本公开相关的概念：

SOI是指以“工程化的”基板代替传统的体型衬底硅的基板技术，这种基板由以下三层构成：

1)非常厚的体型衬底硅衬底层，其主要作用是为上面的两层提供机械支撑；

2)相当薄的绝缘二氧化硅中间层；

3)薄薄的单晶硅顶层，在其上形成蚀刻(光)波导。

倏逝波又称：迅逝波，隐失波，从光密介质向光疏介质入射、发生全反射时，存在的沿介质分界面方向传播、幅值沿着垂直于其分界面深度方向呈指数形式衰减的近场光波。

(光)波导，由不同折射率的介质构成，可以对光波产生横向束缚使其沿纵向传输的导行(通道)结构。它最基本的结构为平面/薄膜波导，依据结构分类还有脊型波导、条形波导和混合型波导等。

平面波导(planar waveguide)又称：薄膜波导(thin film waveguide)，波导的折射率分布沿着光波传输方向(纵向)为平行平面的一种光波导。最常见的平面波导由覆盖层、芯层和衬底三种材料构成，芯层的折射率高于覆盖层(或称包层)和衬底，光波受到一维束缚，使其能量约束于芯层及其附近，并沿波导纵向传输。

Y分支波导(Y-branch waveguide)，用于将一条光路分束为两条光路或者将两条光路合束为一条光路的一种平面光波导，因波导呈Y形而得名，通常由铌酸锂制成。

光耦合器(optical coupler或photo-coupler)，利用光耦合原理实现不同光路中光互相交换的光学器件(包括光纤或光波导等器件)。它用于激光器、光放大器、光分束器、光调制器、光开关等有源、无源的光器件中。

光耦合，用于对同一波长的光功率进行分路或合路，引导光信号从一种介质传导到另一种介质的过程。

有效折射率(effective refractive index)，用于描述光波模式在特定结构的介质中相位传播速度的量。其值为波导模式的传播常数与光的真空波数之比。

布拉格光栅(Bragg grating)，用于对波长满足布拉格条件的光波进行选择性反射或衍射的一种光栅。

端面耦合(end-face coupling)又称：对接耦合(butt-coupling)，常用于滤波、光束偏转、光束整形等领域。传输光波的电磁场在光纤或波导的端面出射并耦合到下一级光纤或波导的入射端时，其电磁场由出射面到入射面的能量转移情况。其耦合特性受到光纤或波导的各种端面效应影响，可由麦克斯韦方程和波导或光纤畸变求解出射和入射的这两个光波电磁场沿波导或光纤纵向传输过程中幅度变化规律的一组方程来得到端面耦合的情况，求解结果可定量描述模式光波电磁场耦合过程，可分析影响耦合的各种因素，还可求解不同条件下耦合模的光波电磁场幅度、模式间功率交换程度等问题。

下面将结合附图对本公开各实施例进行详细说明。

本公开实施例提供的一种片上光放大耦合器，参见图1，片上光放大耦合器由下至上依次包括：衬底层11、耦合器层12、增益包层13和集成泵浦层14，其中：

耦合器层12包括多模耦合器；

增益包层13为具有稀土离子掺杂的介质层，与耦合器层12中的多模耦合器形成混合波导结构；光在传输与耦合过程中以倏逝波的形式部分耦合至介质层中，为光传输提供光学增益；

集成泵浦层14包括泵浦激光器，为增益包层13提供泵浦光。

本公开实施例中，衬底层的选择通常基于标准的SOI平台，是集成光子器件制备的重要平台。SOI与互补金属氧化物半导体制造工艺兼容，由于其高折射率对比度，具有高的光场束缚能力，泄漏损耗很小，在光子学电路的小型化方面具有极好的潜力。基于该平台制备的片上波导器件具有高速，抗辐射能力强的特点，有广阔的应用前景。

这里，在单晶硅顶层上利用刻蚀技术刻蚀光栅型多模耦合器结构，以形成耦合器层；其中，顶硅材料厚度基于220nm，可以直接作为耦合器层的波导厚度。

这里，增益包层材料的选择，采用稀土离子掺杂的介质材料作为增益包层，稀土元素具有丰富的能级结构，其离子可以作为高效的发光中心，是片上有效的发光候选方案；同时，要想在小尺寸波导结构上实现较大净增益光学放大需要增益包层增益介质层具有较高的离子掺杂浓度与较小的传输损耗；其中，采用原子层沉积的掺铒氧化铝材料体系作为增益包层增益介质层，可提供较大的光活性铒浓度以及较好的薄膜质量，能在标准通信波长范围内产生较强的增益。

基于上述实施例，本公开实施例再提供的一种应用于片上光放大耦合器的多模耦合器，参见图2，该多模耦合器包括：输入端口21、光栅型多模耦合区22和输出端口23；从输入端口21注入的单模或多模光束，经过光栅型多模耦合区22将激发出多阶导模，在光的传播方向上产生相干叠加，从而在输出端口23输出与输入端口21一致的光场。

这里，从输入端口注入的单模或多模光束，经过光栅型多模耦合区将激发出多阶导模，各阶导模之间具有不同的传播常数，在光的传播方向上产生相干叠加，从而在输出端口输出与输入端口一致的光场，即产生自成像，最终完成片上光功率的有效分配。

在一些实施例中，参见图2，输入端口21和输出端口23均为渐变锥型波导结构。

这里，输入端口和输出端口为片上波导为标准SOI波导结构，用于实现高效的片上信号传输，其尺寸参数参考标准工艺器件尺寸确立，同时设计成渐变锥形结构，有利于实现高效的端面耦合。

在一些实施例中，参见图2，光栅型多模耦合区22的两侧壁采用布拉格光栅结构221和222；布拉格光栅结构为光传输提供反馈作用，使光栅型多模耦合区22产生部分谐振。

这里，在光栅型多模耦合区中，将布拉格光栅分布于光栅型多模耦合区的两侧壁，其相位变化以及耦合系数均相对较小；同时，两侧壁的布拉格光栅采用不同的光栅参数，通过两侧不同的光栅齿深调控，形成非对称的布拉格光栅结构，有助于从而突破传统MMI自镜像原理对输出光功率分束比的限制，实现任意比例的光功率分束器，同时保持了MMI光功率分束器的工艺容差大、工作带宽宽、***损耗低等所有优点。

在一些实施例中，布拉格光栅结构的两侧壁采用不同的光栅参数，其中光栅参数包括光栅周期、光栅齿深和占空比。例如参见图2，布拉格光栅的两侧壁221和222采用不同的光栅齿深。光栅周期根据谐振腔振荡的中心波长进行调整，以保持与增益包层材料最强的光谱峰一致；布拉格光栅结构的光栅齿深、占空比根据光栅中光场模式折射率分布进行调整，以控制布拉格光栅结构的耦合系数。

这里，布拉格光栅的具体参数设计包括：光栅周期、光栅齿深和占空比。其中，光栅周期控制整个区域谐振振荡的中心波长，需保持与增益包层材料最强的光谱峰一致，通常取1535nm，并根据布拉格条件，确立光栅周期。光栅占空比控制光栅中光场模式折射率分布，进而影响光栅的耦合系数，通常取占空比为1:1。光栅齿深主要改变了光栅中的最高有效折射率和低有效折射率，与光栅占空比、齿深以及长度的设计共同决定了光栅的耦合强度，进而影响了光场的耦合效率。

这里，基于掺铒介质的布拉格光栅通常具有4～7的光栅强度，以保证单纵模工作；同时，通过调节两侧的光栅齿深，可以控制输出光功率分束比例。

需要说明的是，光栅型多模耦合区的总长度根据MMI的自成像长度和增益的最佳腔长两方面进行确定，通常设置为自成像长度的整数倍，以产生良好的干涉耦合；同时，根据具有稀土离子掺杂的增益包层作用下的最佳腔长，在不同的泵浦功率下，光栅型多模耦合区的总长度应设置在合理范围内：较短的长度下具有微弱的光反馈和较低的增益。随着器件长度的增加，增益包层中的稀土离子粒子数反转效应将会减弱，增益效果将会下降。

在一些实施例中，参见图1，增益包层13为利用原子层沉积或磁控溅射或激光沉积方法制备的掺铒材料；耦合器层12采用硅或氮化硅的波导材料。

这里，增益包层与下方耦合器组成混合波导结构，光在传输与耦合过程中，会以倏逝波的形式部分耦合至增益包层材料中，为光传输提供光学增益。相较于传统方案中所采用的氧化硅包层，具有稀土离子掺杂的介质材料作为增益包层具有更高的折射率，能更有效的实现有效折射率以及光场分布的调控的控制。通过对增益包层的厚度调节，来改变混合波导的有效折射率、光场模场的纵向分布，进而优化光传输过程中与增益包层间的倏逝波耦合效率，对光传输过程中的增益效果进行调整。

在一些实施例中，参见图1，集成泵浦层14将泵浦激光器通过键合的方式设置在增益包层13上方，泵浦激光器发出的泵浦光通过垂直耦合的方式进入增益材料中激活稀土离子，产生光增益。

在一些实施例中，垂直腔面发射泵浦激光器采用应变型半导体多量子阱或半导体量子点结构作为泵浦有源区。

本公开实施例提供的一种片上光放大耦合器的形成方法，参见图5，该方法可以包括步骤S501至步骤S504，其中：

步骤S501，刻蚀初始衬底，形成多模耦合器；

在实施时，可以采用干法或湿法刻蚀工艺刻蚀初始衬底，形成多模耦合器。

干法刻蚀工艺中采用的刻蚀气体可以包括：三氟甲烷(CHF3)、四氟化碳(CF4)、溴化氢(HBr)和氯气(Cl2)。在其他实施例中，刻蚀气体还可以包括其他碳氟系气体，例如二氟甲烷(CH2F2)、八氟丙烷(C3F8)、全氟丁二烯(C4F6)、八氟环丁烷(C4F8)和八氟环戊烯(C5F8)中的一种或几种。湿法刻蚀工艺中采用的刻蚀溶液可以包括稀释氢氟酸溶液。

步骤S502，在多模耦合器上，沉积预设厚度的具有稀土离子掺杂的介质材料，形成多模耦合器的增益包层；

步骤S503，在增益包层上沉积键合介质层；

这里，在沉积后的增益包层上用等离子体增强化学气相沉积(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition，PECVD)沉积二氧化硅和氮化硅薄膜作为键合介质层。

步骤S504，在键合介质层上倒装键合泵浦激光器，形成片上光放大耦合器。

在一些实施例中，为了提高键合质量，通过热退火工艺降低键合介质中氢和水的含量；接着采用反应离子刻蚀和键合的方法激活表面，完成增益包层与泵浦源的异质进行倒装集成。

在一些实施例中，在增益包层上沉积键合介质层之后，方法还包括：利用反应离子刻蚀对键合介质层进行表面激活后，对键合介质层进行抛光，在抛光后的键合介质层上倒装键合泵浦激光器。

为了有效的解决现有片上耦合器结构中折射率调控和传输中光衰减补偿的技术问题，本公开提供了一种基于增益包层、多模干涉耦合器和布拉格光栅的复合结构的片上光放大耦合器，同时实现片上光功率耦合和光放大。

本公开实施例提供的一种片上光放大耦合器的三维结构30，参见图3，片上光放大耦合器的三维结构30包括：输入波导区31、光栅型多模耦合区22以及输出波导区32，其中，输入波导区31包括一个输入端口21，输出波导区32包括两个输出端口23。片上***传输的光信号从输入波导区31的输入端口21注入的单模或多模光束，经过光栅型多模耦合区22将激发出多阶导模，各阶导模之间具有不同的传播常数，在光的传播方向上产生相干叠加从而在特定位置输出与输入场一致的光场，即产生自成像，进而从输出波导区32的输出端口23输出，最终完成片上光功率的有效分配。同步地，光信号在传输的过程中通过倏逝波耦合的方式部分进入到增益包层中，与增益材料相互作用，完成片上光放大。

参见图1，一种片上光放大耦合器，该结构从下至上依次为衬底层、耦合器层、增益包层、集成泵浦层。

这里，增益包层为具有稀土离子掺杂的介质层，与下方耦合器组成混合波导结构，光在传输与耦合过程中，会以倏逝波的形式部分耦合至增益包层材料中，为光传输提供光学增益。以更高折射率的稀土增益包层代替传统的氧化层作为波导耦合器的包层，能在提供增益的同时更有效的实现有效折射率的调控，增益包层的厚度能够根据波导的有效折射率、模场分布和增益效果进行调整；且采用稀土离子掺杂的介质材料，具有偏振不敏感、噪声低、温度性能优异、高速带宽大的优势，与CMOS工艺兼容性更好，成本低，更适用于片上集成。

这里，耦合器层基于MMI结构，由输入端口、光栅型多模耦合区、输出端口三个部分组成。从输入端口注入的单模或多模光束，经过光栅型多模耦合区将激发出多阶导模，各阶导模之间具有不同的传播常数，在光的传播方向上产生相干叠加从而在特定位置输出与输入场一致的光场，即产生自成像。输入端口和输出端口为渐变锥型波导结构，用于信号的高效端面耦合。

参见图2，在光栅型多模耦合区的两侧壁设计布拉格光栅结构，一方面可以有效调控MMI耦合器的有效折射率，其有效折射率取决于布拉格光栅几何结构、组成材料的折射率以及光的偏振状态，另一方面，布拉格光栅结构为光传输提供反馈作用，使光场光栅多模耦合区(又称为干涉区)产生部分谐振，提升增益包层的放大效率。光栅周期根据谐振腔振荡的中心波长进行调整，需保持与增益包层材料最强的光谱峰一致；光栅齿深、占空比根据光栅中光场模式折射率分布进行调整，来控制光栅的耦合系数，原则上可以将耦合器的有效折射率设计为其组成的两种材料的折射率之间的任何值；同时，光栅型多模耦合区引入的光栅结构可以设计成上下非对称的模式，即两侧壁采用不同的光栅参数，这种非对称结构将导致非对称的多模干涉，从而突破传统MMI自镜像原理对输出光功率分束比的限制，实现任意比例的光功率分配。光栅型多模耦合区的总长度根据MMI的自成像长度和增益的最佳腔长进行调整，在保证功率分配的同时提供较好的增益效果。

这里，增益包层为利用原子层沉积或磁控溅射或激光沉积方法制备的掺铒材料；耦合器层为硅或氮化硅的标准波导材料；

其中，集成泵浦层为一个垂直腔面发射泵浦激光器，为下方增益包层提供高电光转换效率的泵浦光。将泵浦激光器通过键合的方式“贴”在增益包层上方，发出的泵浦光通过垂直耦合的方式进入增益包层材料中激活稀土离子，产生光增益。集成泵浦层的厚度设计根据垂直方向上的光场耦合进行调整，并优化泵浦源与增益包层间的相互作用。

这里，垂直腔面发射泵浦激光器可采用应变型半导体多量子阱(MultipleQuantum Well，MQW)或半导体量子点结构作为泵浦有源区。

本公开实施例提供的一种片上光放大耦合器的增益效果仿真，参见图4，在耦合器总长度相同的情况下，片上光放大耦合器的增益效果随着泵浦功率的增加而增大，并逐渐饱和；当泵浦功率为25mW时，片上光放大耦合器的增益先随着耦合器总长度增加而增大，当达到最佳长度后开始迅速下降；当泵浦功率为50mW时，片上光放大耦合器的增益先随着耦合器总长度增加而增大，并逐渐饱和；当泵浦功率为75mW或100mW时，片上光放大耦合器的增益随着耦合器总长度增加而增大。

从上面可以看出，由于较长的谐振腔长度会导致泵浦距离的不足，从而导致粒子数反转难以形成，增益包层的材料将直接吸收信号光而不是产生增益作用，因此增益效果将大幅下降。为使器件在保证功率分配的同时提供较好的增益效果，耦合器总长度范围可控制在百微米量级。

参见图6，本公开实施例还提供了一种片上光放大耦合器的形成过程的结构示意图，该片上光放大耦合器的制备方法可以通过步骤S601至步骤S601实现，其中：

步骤S601，基于SOI平台，在顶硅上利用刻蚀技术刻蚀形成光栅型多模干涉耦合器结构；

步骤S602，利用原子层沉积、磁控溅射或激光沉积等工艺在槽中选择性沉积预设厚度的稀土离子掺杂的增益包层；

步骤S603，对增益包层的表面进行平坦化处理；

这里，在沉积后的增益包层上用PECVD沉积二氧化硅和氮化硅薄膜作为键合介质层，并用反应离子刻蚀进行表面激活，随后进行化学机械抛光，以平滑粘合介质的表面粗糙度，以满足粘合要求。

步骤S604，在泵浦材料生长衬底上沉积泵浦源材料，以制备泵浦激光器；

步骤S605，采用反应离子刻蚀和键合的方法激活增益包层和泵浦激光器的表面，以实现在增益包层与泵浦激光器进行倒装集成，并通过机械稀释和化学蚀刻去除泵浦材料生长衬底；以形成片上光放大耦合器。

这里，为了提高键合质量，通过热退火工艺降低键合介质中氢和水的含量。

步骤S606，在片上光放大耦合器上进行涂胶、显影、刻蚀的传统光刻工艺，并沉积电极。

这里，电极材料可以包括金属、金属氮化物或金属硅化物，例如，氮化钛(TiN)。在一些实施例中，电极可以通过任意一种合适的沉积工艺形成，例如，化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)工艺、物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)工艺、原子层沉积(Atomic Layer Deposition，ALD)工艺、等离子体化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)工艺、旋涂工艺、涂敷工艺或薄膜工艺等，本公开实施例对电极的形成方法并不限定。

上述制备方法可以将泵浦较好的集成到芯片之上，间接实现电泵浦放大，提高了芯片的集成度。其中，光栅结构的刻蚀宽度与深度由刻蚀掩膜图形线宽以及最大刻蚀深度定义。

本公开的光栅型多模耦合区具有两大优势：一方面可以有效调控MMI耦合器的有效折射率，其有效折射率取决于布拉格光栅几何结构、组成材料的折射率以及光的偏振状态；另一方面，布拉格光栅结构为光传输提供反馈作用，使光场光栅型多模耦合区产生部分谐振，提升增益包层的增益效果。

本公开实施例提供一种基于增益包层材料、多模干涉耦合器和布拉格光栅的复合结构的片上光放大耦合器，利用稀土材料作为多模干涉耦合器结构的包层，同时实现片上的功率耦合与光放大，对传统器件进行功能扩展。通过非对称的侧壁布拉格光栅结构，有效调控器件的有效折射率，以及形产生非对称的多模干涉，提升功率分配性能；同时为光传输提供反馈作用，提升器件的光放大效率。该方案可满足小尺寸、低成本、高增益集成光放大器件的需求，为片上放大与耦合研究开辟了新的思路。

逻辑“高”电平和逻辑“低”电平可以用于描述电信号的逻辑电平。具有逻辑“高”电平的信号可以与具有逻辑“低”电平的信号区分开。例如，当具有第一电压的信号对应于具有逻辑“高”电平的信号时，具有第二电压的信号对应于具有逻辑“低”电平的信号。在一个实施例中，逻辑“高”电平可以被设定为比逻辑“低”电平的电压电平高的电压电平。此外，根据实施例，信号的逻辑电平可以被设定为不同或相反。例如，在一个实施例中具有逻辑“高”电平的某个信号可以被设定为在另一实施例中具有逻辑“低”电平。

在本公开所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过非目标的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合。

上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。

本公开所提供的几个方法或设备实施例中所揭露的特征，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的方法实施例或设备实施例。

以上所述，仅为本公开实施例的一些实施方式，但本公开实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开实施例揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开实施例的保护范围之内。因此，本公开实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种片上光放大耦合器，其特征在于，依次包括：衬底层、耦合器层、增益包层和集成泵浦层，其中：

所述耦合器层包括多模耦合器；

所述增益包层为具有稀土离子掺杂的介质层，与所述耦合器层中的多模耦合器形成混合波导结构；光在传输与耦合过程中以倏逝波的形式部分耦合至所述介质层中，为光传输提供光学增益；

所述集成泵浦层包括泵浦激光器，为所述增益包层提供泵浦光。

2.根据权利要求1所述的片上光放大耦合器，其特征在于，所述多模耦合器包括：输入端口、光栅型多模耦合区和输出端口；

从所述输入端口注入的单模或多模光束，经过所述光栅型多模耦合区将激发出多阶导模，在光的传播方向上产生相干叠加，从而在所述输出端口输出与所述输入端口一致的光场。

3.根据权利要求2所述的片上光放大耦合器，其特征在于，所述输入端口和所述输出端口均为渐变锥型波导结构。

4.根据权利要求2所述的片上光放大耦合器，其特征在于，所述光栅型多模耦合区的两侧壁采用布拉格光栅结构；

所述布拉格光栅结构为光传输提供反馈作用，使所述光栅型多模耦合区产生部分谐振。

5.根据权利要求2所述的片上光放大耦合器，其特征在于，布拉格光栅结构的两侧壁采用不同的光栅参数，其中所述光栅参数包括光栅周期、光栅齿深和占空比；

所述光栅周期根据谐振腔振荡的中心波长进行调整，以保持与增益包层材料最强的光谱峰一致；

所述布拉格光栅结构的光栅齿深、占空比根据光栅中光场模式折射率分布进行调整，以控制布拉格光栅结构的耦合系数。

6.根据权利要求1至5任一项所述的片上光放大耦合器，其特征在于，所述增益包层为利用原子层沉积或磁控溅射或激光沉积方法制备的掺铒材料；

所述耦合器层采用硅或氮化硅的波导材料。

7.根据权利要求1至5任一项所述的片上光放大耦合器，其特征在于，所述集成泵浦层将泵浦激光器通过键合的方式设置在所述增益包层上方，所述泵浦激光器发出的泵浦光通过垂直耦合的方式进入增益材料中激活稀土离子，产生光增益。

8.根据权利要求1至5任一项所述的片上光放大耦合器，其特征在于，垂直腔面发射泵浦激光器采用应变型半导体多量子阱或半导体量子点结构作为泵浦有源区。

9.一种片上光放大耦合器的形成方法，其特征在于，所述方法包括：

刻蚀初始衬底，形成多模耦合器；

在多模耦合器上，沉积预设厚度的具有稀土离子掺杂的介质材料，形成所述多模耦合器的增益包层；

在所述增益包层上沉积键合介质层；

在所述键合介质层上倒装键合泵浦激光器，形成所述片上光放大耦合器。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述增益包层上沉积键合介质层之后，所述方法还包括：

利用反应离子刻蚀对所述键合介质层进行表面激活后，对所述键合介质层进行抛光，在抛光后的所述键合介质层上倒装键合泵浦激光器。

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