CN117930432A - 一种应用于2.5维异质集成光波导的绝热楔形耦合器 - Google Patents
一种应用于2.5维异质集成光波导的绝热楔形耦合器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种应用于2.5维异质集成光波导的绝热楔形耦合器，即异质集成的绝热楔形耦合器，其结构由二氧化硅衬底、硅波导、二氧化钛波导构成，所述的硅波导和二氧化钛波导采用特殊的楔形间接地拼接，以实现光在异质波导中的绝热耦合。这种新型的“2.5维”异质集成的方法是指光波导器件处于同一平面，在平面上进行异质结构的功能拓展。本发明不仅性能优异，在设计上更简单且耦合条件更自由，易于制造，可以为硅基异质集成技术提供一些新型的2.5维集成的光学耦合的方案及基础技术支持，为具有优于分立光学元件的性能的2.5维全新类型的器件开辟了新的机会。
Description
技术领域
本发明属于硅基光电子和异质集成领域的一种光学耦合器，具体涉及一种应用于2.5维异质集成光波导的绝热楔形耦合器。
背景技术
硅材料由于其限制能力强被广泛设计应用于SOI(绝缘体上硅，Silicon OnInsulator)，然而，由于其高折射率对比，基于SOI的光学器件对波导不均匀性和侧壁粗糙度非常敏感，同时硅材料热稳定性差。二氧化钛具有COMS(互补金属氧化物半导体，Complementary Metal Oxide Semiconductor)兼容性、非线性折射率指数、大带隙，所以被广泛应用于非线性光学器件，但其存在损耗大的问题。此外，铌酸锂由于其高电光系数、宽透明窗口、二阶非线性效应等特性，被广泛应用于高性能电光调制器、偏振控制器、非线性光学器件，但由于其折射率低，在刻蚀工艺上较为费劲。III-V族材料由于其直接带隙、CMOS兼容，被广泛应用于激光器、探测器、放大器、调制器，但这类材料容易晶格失配，小折射率导致器件尺寸大，相反地，其晶圆尺寸小，最终导致生产成本高。此外，聚合物材料具有负热光系数，金属材料具有表面等离子体极化效应等等。
各种材料都有不同的优点缺点，他们相互弥补又独具特性。那么是否可以通过异质集成实现各种材料的优势互补？答案是肯定的，并且已经出现很多异质集成、异构集成、混合集成。传统的单片集成，只利用单一材料设计平面波导器件，其性能局限。因此，这种多材料体系集成方案可以极大地增加光芯片***的功能种类和能力上限。在设计时，要考虑材料特性、器件设计、工艺兼容性，根据需求进行材料结合。
异质集成的关键指标正在接近或超过单一集成或混合集成，具有优化的有源和无源的异质集成为具有优于分立光学元件的性能的全新类型的器件开辟了新的机会，但集成工艺兼容性受限，包括结构尺寸与应力限制、材料晶格失配、工艺温度与条件、耦合方案等挑战，其中耦合方案包括不同材料之间的光学耦合、电学耦合和热学耦合等。本发明为硅基异质集成技术提供一种新型的“2.5维”集成的光学耦合方案。
传统3维集成是指通过垂直堆叠多个功能性芯片的方式将它们集成在一起形成一个立体结构，利用直接键合技术以实现最短的互连和最小的封装尺寸。不同于3维集成，2.5维集成是指通过将其他功能性材料、光电器件或者芯片集成到同一层基底上，通过特殊的半导体工艺制作芯片，通过硅通孔技术(Through-Silicon-Via，TSV)转换板连接芯片进行2.5维封装，利用极高的互联密度实现功能的增强或拓展。
发明内容
本发明基于2.5维集成提出了一种应用于2.5维异质集成光波导的绝热楔形耦合器，是一种具有异质波导的高效的低损耗的光跃迁的倏逝耦合结构，即二氧化钛波导与硅波导异质集成的绝热楔形耦合器，将两个楔形的异质波导无接触地间接地拼接，以实现光在异质光波导中的绝热耦合。这种新型的“2.5维”异质集成的方法是指光波导器件处于同一平面，在平面上进行异质结构的功能拓展。本发明不仅性能优异，在设计上更简单且耦合条件更自由，易于制造，可以为硅基异质集成技术提供一些新型的2.5维集成的光学耦合的方案及基础技术支持，为具有优于分立光学元件的性能的2.5维全新类型的器件开辟了新的机会。
本发明所采用的技术方案如下：
本发明公开了一种应用于2.5维异质集成光波导的绝热楔形耦合器，包括二氧化硅衬底、位于二氧化硅衬底上的硅波导与二氧化钛波导，所述的硅波导与二氧化钛波导均为长条方体结构，一端为平面端，另一端为含有楔面的楔形尖端，硅波导的楔面和二氧化钛波导的楔面相对且平行设置，硅波导的楔形尖端和二氧化钛波导的楔形尖端形成耦合区，耦合区的耦合间隙，即硅波导的楔面和二氧化钛波导的楔面的距离为0.15μm，耦合区的耦合长度为25μm，以实现光在异质波导中的绝热耦合。
作为进一步地改进，本发明所述的二氧化硅衬底和硅波导所形成的上表面上还包括一层沉积的氧化铝薄膜，用于作为二氧化钛波导刻蚀时的保护层。
作为进一步地改进，本发明所述的硅波导及二氧化钛波导的耦合端口采用楔形尖端，其耦合间隙为0.15μm，耦合长度为所述的硅波导的楔形尖端部分的长度，为25μm。
作为进一步地改进，本发明所述的整个绝热楔形耦合器的表面，包覆有一层沉积的二氧化硅包层用以保护。
本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种具有异质波导的高效的低损耗的光跃迁的倏逝耦合结构，通过间接拼接两个具有楔形尖端的波导结构实现绝热耦合器。波导中的光混合模式通过所述的硅波导传输到楔形尖端，并随着楔形尖端不断前进变化，混合模式通过楔形尖端耦合部分耦合进入所述的二氧化钛楔形尖端，最终通过二氧化钛波导输出。其中，楔形尖端耦合部分的耦合过程是一个缓变的过程，随着楔形尖端耦合部分长度越长，混合模式对应的所述的楔形尖端耦合部分折射率变化就更和缓，即突变更小，对应的损耗就会更小，因此，通过这种方式可以实现高效的绝热耦合。
本发明利用硅波导与二氧化钛波导在绝缘体上硅(SOI)晶圆上实现新型2.5维异质集成。二氧化钛由于其具有CMOS兼容性、非线性折射率指数以及大带隙，被广泛应用于激光器、探测器和调制器等，因此，利用这种技术可以实现硅波导中光信号低损耗传输到二氧化钛波导中，实现异质材料的光器件耦合，从而解决硅基光芯片透明窗口小、性能局限和有源功能等问题，极大的增强光芯片***的功能种类和能力上限。
本发明公开了一种应用于2.5维异质集成光波导的绝热楔形耦合器的制备工艺，与目前主流的堆叠的3维集成设计不同，其不需要经历一般的3维集成工艺，即沉积、光刻、磨抛、刻蚀、键合等多道严格的工艺。此外，3维封装需要进行直接键合技术的高难度的制造工艺。因此，苛刻的抛光和键合等工艺，对耦合器结构尺寸的精度提出巨大的挑战，也大大影响成品率。值得注意的是，3维异质集成光学设计需要短的互连耦合长度以减少损耗提高紧凑性，而耦合长度越短，化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)工艺的不均匀性造成的影响就更强。若采用长距离光栅耦合的方式，其设计复杂且耦合条件局限。因此，相比于3维集成，本发明所提出的2.5维集成方法，其异质结构位于同一平面上，在集成工艺上避免了3维中繁琐的严格的抛光、粘合和直接键合工艺，可以很好地控制异质波导之间的耦合间隙，并且在设计上也避免了3维集成耦合条件的局限。此外，本发明提出的应用于2.5维异质集成光波导的高效非对称定向耦合器的制备方法中巧妙地采用了氧化铝薄膜作为保护层，避免了部分光刻，刻蚀和抛光等工艺，大大简化了工艺步骤。因此，本发明在其设计上更简便、耦合条件更自由且工艺步骤更简单。
附图说明
图1是本发明所涉及的应用于2.5维异质集成光波导的绝热楔形耦合器的三维示意图。图中，1是二氧化硅衬底、2是硅波导、3是二氧化钛波导；矩形虚线内部是楔形尖端耦合部分；
图2是本发明所涉及的应用于2.5维异质集成光波导的绝热楔形耦合器结构在1550nm波长下，(a)不同二氧化钛波导高度、(b)不同二氧化钛波导宽度和(c)不同的硅波导斜切部分长度对应的耦合损耗；
图3是本发明所涉及的应用于2.5维异质集成光波导的绝热楔形耦合器的结构在1450nm-1650nm波长范围内的透射光谱图；
图4是本发明所涉及的应用于2.5维异质集成光波导的绝热楔形耦合器结构在1550nm波长处的电场图(x-y平面)和不同位置电场截面图(y-z平面)。
具体实施方式
下面结合说明书附图、通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，本发明公开了一种应用于2.5维异质集成光波导的绝热楔形耦合器，包括二氧化硅衬底1、位于二氧化硅衬底1上的硅波导2与二氧化钛波导3，硅波导2与二氧化钛波导3均为长条方体结构，一端为平面端，另一端为含有楔面的楔形尖端，硅波导2的楔面和二氧化钛波导3的楔面相对且平行设置，硅波导2的楔形尖端和二氧化钛波导3的楔形尖端形成耦合区，耦合区的耦合间隙，即硅波导2的楔面和二氧化钛波导3的楔面的距离为0.15μm，耦合区的耦合长度为25μm，以实现光在异质波导中的绝热耦合。硅波导2的宽度a为0.5μm，高度b为0.22μm；二氧化钛波导3的宽度c设计为1μm，高度d设计为0.3μm。其中，图中矩形虚线内部为楔形尖端耦合部分，定义其长度为所述的硅波导2的楔形尖端部分长度L为25μm，其内部耦合间隙gap为0.15μm。本发明采用不同材料的光波导器件进行“2.5维”上的异质集成，即光波导器件处于同一平面，在平面上进行异质结构的功能拓展。
作为进一步地改进，在工艺制备中，二氧化硅衬底1和硅波导2所形成的上表面上还包括一层沉积的氧化铝薄膜，用于作为二氧化钛波导3刻蚀时的保护层。此外，本发明所述的整个绝热楔形耦合器的表面，包覆有一层沉积的二氧化硅包层用以保护。上述的氧化铝薄膜与二氧化硅包层仅为工艺中的优化步骤，对整个非对称定向耦合器的功能没有影响，因此图1中没有加以示意。本发明通过时域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain，FDTD)进行仿真，以此确定最佳的结构尺寸，并获得结构最终的传输谱图和电场图。输入光源为一个以1550nm波长为中心的TE基模，在输出的监视器上加模式分解监视器(Mode expansion)来滤除不需要的模式的影响,该监视器是将指定监视器记录的模式总场分解为它所在波导的指定模式，这个只看TE基模。在仿真中设置硅波导2折射率设置为3.478，二氧化钛3波导折射率为2.3。
首先，如图2(a)所示，扫描二氧化钛波导3的高度d从0.1μm到0.6μm，在d为0.3μm的时候耦合损耗最小。接着，如图2(b)所示，保持d为0.3μm，扫描二氧化钛波导3的宽度c从0.5μm到1.5μm，c为1μm时耦合损最小。因此，选取d＝0.3μm,c＝1μm的结构尺寸。
本发明通过间接拼接两个具有楔形尖端的波导结构实现绝热耦合器。波导中的光混合模式通过所述的硅波导2传输到楔形尖端，并随着楔形尖端不断前进变化，混合模式通过楔形尖端耦合部分从硅波导2耦合进入所述的二氧化钛波导3的楔形尖端，最终通过二氧化钛波导3输出。其中，楔形尖端耦合部分的耦合过程是一个缓变的过程，随着楔形尖端耦合部分长度越长，混合模式对应的所述的楔形尖端耦合部分折射率变化就更和缓，即突变更小，对应的损耗就会更小，因此，通过这种方式可以实现高效的绝热耦合。因此，如图2(c)所示，扫描楔形尖端耦合部分的长度L从5μm到50μm，随着L越大对应的耦合损耗越小，但当L到达25μm时，损耗达到平衡几乎没有变化，因此，为了获得理想的耦合效率并考虑到工艺制备的精度问题，本发明选取gap为0.15μm，L为25μm。
如图3所示，为结构在1450-1650nm的传输谱图，在1550nm处的透射率约为-0.5dB(88.99％)，其性能指标与一般3维异质耦合器相当。
如图4所示，为结构整体的电场图及每个截面的电场图，可以看出电场逐渐从硅波导2耦合到二氧化钛3波导。
本发明具体实施的制备工艺，巧妙地采用了氧化铝保护层，避免了多道繁琐的光刻，刻蚀和抛光等工艺，包括如下步骤：
1)使用标准的高度为220nm的绝缘体上硅(Silicon On Insulator，SOI)晶圆，在样品上旋涂光刻胶并通过电子束曝光(Electron Beam Lithography，EBL)和感应耦合等离子体刻蚀(Inductively coupled plasma，ICP)对所述的硅波导2进行图案设计和刻蚀；
2)使用原子层沉积(Atomic Layer Deposition，ALD)沉积20nm的氧化铝薄膜，作为二氧化钛波导3刻蚀时的一个保护层，并且很薄的氧化铝薄膜层对波导耦合结构没有影响；
3)继续使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)沉积0.3μm二氧化钛异质材料层，并在上面第二次旋涂光刻胶，并通过电子束曝光(EBL)和感应耦合等离子体刻蚀(ICP)对所述的二氧化钛波导3进行图案设计和刻蚀，当刻蚀到氧化铝薄膜层时，就会刻蚀不动，直至把不需要的二氧化钛材料完全去除；
4)光刻胶剥离后，形成硅、二氧化钛的异质波导耦合器结构，最后，沉积一层二氧化硅包层作为整个耦合器结构的保护。
综上所述，本发明所提出的基于新型2.5维硅基异质集成的绝热锥耦合器，耦合效率实现了88.9％，耦合长度为25um。结果表明，不仅2.5维集成的性能与3维性能相当，而且在设计上更简单、耦合条件更自由且工艺更简单。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种应用于2.5维异质集成光波导的绝热楔形耦合器，其特征在于：包括二氧化硅衬底、位于二氧化硅衬底上的硅波导与二氧化钛波导，所述的硅波导与二氧化钛波导均为长条方体结构，一端为平面端，另一端为含有楔面的楔形尖端，所述的硅波导的楔面和二氧化钛波导的楔面相对且平行设置，所述的硅波导的楔形尖端和二氧化钛波导的楔形尖端形成耦合区，所述的耦合区的耦合间隙，即硅波导的楔面和二氧化钛波导的楔面的距离为0.15μm，耦合区的耦合长度为25μm，以实现光在异质波导中的绝热耦合。
2.根据权利要求1所述的应用于2.5维异质集成光波导的绝热楔形耦合器，其特征在于：所述的二氧化硅衬底和硅波导所形成的上表面上还包括一层沉积的氧化铝薄膜，用于作为二氧化钛波导刻蚀时的保护层。
3.根据权利要求1所述的应用于2.5维异质集成光波导的绝热楔形耦合器，其特征在于：所述的硅波导及二氧化钛波导的耦合端口采用楔形尖端，其耦合间隙为0.15μm，所述的耦合长度为所述的硅波导的楔形尖端部分的长度，为25μm。
4.根据权利要求1所述的应用于2.5维异质集成光波导的绝热楔形耦合器，其特征在于：所述的整个绝热楔形耦合器的表面，包覆有一层沉积的二氧化硅包层用以保护。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311859464.3A CN117930432A (zh) | 2023-12-30 | 2023-12-30 | 一种应用于2.5维异质集成光波导的绝热楔形耦合器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311859464.3A CN117930432A (zh) | 2023-12-30 | 2023-12-30 | 一种应用于2.5维异质集成光波导的绝热楔形耦合器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117930432A true CN117930432A (zh) | 2024-04-26 |
Family
ID=90755198
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311859464.3A Pending CN117930432A (zh) | 2023-12-30 | 2023-12-30 | 一种应用于2.5维异质集成光波导的绝热楔形耦合器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117930432A (zh) |
-
2023
- 2023-12-30 CN CN202311859464.3A patent/CN117930432A/zh active Pending
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