CN104184046A - 用于半导体激光器与TriPleX波导耦合的耦合结构及制备方法 - Google Patents
用于半导体激光器与TriPleX波导耦合的耦合结构及制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种用于半导体激光器与TriPleX波导耦合的耦合结构及制备方法，所述结构包括Si基底，所述Si基底上依次设有SiO2层、耦合层和SiO2覆层；其中，所述耦合层由反向对接的第一直角楔形结构和第二直角楔形结构组成；所述第一直角楔形结构，由Si3N4层组成；所述第二直角楔形结构，由Si3N4上层、SiO2中间层和Si3N4下层组成；所述第一直角楔形结构作为半导体激光器的入射端；所述第二直角楔形结构连接TriPleX双条形波导。本发明解决了半导体激光器与TriPleX双条形波导直接耦合存在较大损耗的问题。
Description
技术领域
本发明涉及光电子技术和光纤通信技术领域，具体涉及一种用于半导体激光器与TriPleX波导耦合的耦合结构及制备方法。
背景技术
TriPleX技术是当今世界上三大主要的波导工艺平台之一，兼容CMOS工艺。TriPleX波导在近紫外到红外波段均是透明的，因此具有特殊的应用价值。此外，该工艺平台可在相同的制备工艺下，制作多种不同几何形状的波导结构，从而在特定波长处对多种波导特性进行定制，如有效折射率、双折射特性等。
不仅如此，TriPleX波导的另一个显著优势是具有低损耗特性。已经报道的最小波导损耗仅为0.001dB/cm，而对于弯曲半径为50μm的波导，其损耗为0.2dB/cm.正是由于这些优良特性，基于此波导工艺的许多应用已经出现，典型的有工作在可见光波段的光束合成、具有优良特性的微波光子处理系统等等。
图1示出了TriPleX波导三种典型波导结构之一的双条形结构。该结构由厚度均为170nm的上下Si3N4条形层和厚度为500nm的SiO2中间层构成，其他区域的材料为SiO2。图2示出了双条形TriPleX波导结构的基模模场，由于典型的半导体激光器输出光场的半径一般为1μm×4μm，从图2中可以看出，半导体激光器与该双条形TriPleX模场存在很大失配。因此，如果将该波导用于需要半导体激光器直接耦合的系统中如片上系统等，将会带来很大的损耗。
针对上述半导体激光器与双条形TriPleX波导直接耦合存在较大损耗的问题，需要一种用于半导体激光器与TriPleX双条形波导耦合的高效集成耦合结构。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种用于半导体激光器与TriPleX波导耦合的耦合结构，解决了半导体激光器与TriPleX双条形波导直接耦合存在较大损耗的问题。
第一方面，本发明提供一种用于半导体激光器与TriPleX波导耦合的耦合结构，所述结构包括Si基底，所述Si基底上依次设有SiO2层、耦合层和SiO2覆层；
其中，所述耦合层由反向对接的第一直角楔形结构和第二直角楔形结构组成；
所述第一直角楔形结构作为半导体激光器的入射端；所述第二直角楔形结构连接TriPleX双条形波导；
所述第一直角楔形结构，由Si3N4层组成；
所述第一直角楔形结构的厚度为170nm，长度为L1μm，宽度在长度为0到L1μm的范围内，由4.8μm均匀渐变到0，其中，30μm≤L1≤150μm；
所述第二直角楔形结构，由Si3N4上层、SiO2中间层和Si3N4下层组成；
所述Si3N4上层和所述Si3N4下层的厚度均为170nm，所述SiO2中间层的厚度为500nm；
所述第二直角楔形结构的长度为L2μm，宽度在长度为0到L2μm的范围内，由0均匀渐变到与所述第二直角楔形结构连接的TriPleX双条形波导相同的宽度，其中，10μm≤L2≤100μm；
所述第一直角楔形结构的长直角边和所述第二直角楔形结构的长直角边相邻接，所述第二直角楔形结构宽度为0的一端与所述第一直角楔形结构宽度为4.8μm的一端相距L3，其中，3μm≤L3≤43μm。
优选地，所述第一直角楔形结构的长度L1为80μm。
优选地，所述第二直角楔形结构的长度L2为55μm。
优选地，所述第二直角楔形结构宽度为0的一端与所述第一直角楔形结构宽度为4.8μm的一端相距L3为13μm。
优选地，所述SiO2层的厚度为8μm。
第二方面，本发明提供一种用于半导体激光器与TriPleX波导耦合的耦合结构的制作方法，所述方法包括：
S1.在Si基底上生长SiO2层；
S2.在所述SiO2层上生长耦合层；
S3.在所述耦合层上生长SiO2覆层；
其中，所述耦合层由反向对接的第一直角楔形结构和第二直角楔形结构组成；
所述第一直角楔形结构作为半导体激光器的入射端；所述第二直角楔形结构连接TriPleX双条形波导；
所述第一直角楔形结构，由Si3N4层组成；
所述第一直角楔形结构的厚度为170nm，长度为L1μm，宽度在长度为0到L1μm的范围内，由4.8μm均匀渐变到0，其中，30μm≤L1≤200μm；
所述第二直角楔形结构，由Si3N4上层、SiO2中间层和Si3N4下层组成；
所述Si3N4上层和所述Si3N4下层的厚度均为170nm，所述SiO2中间层的厚度为500nm；
所述第二直角楔形结构的长度为L2μm，宽度在长度为0到L2μm的范围内，由0均匀渐变到与所述第二直角楔形结构连接的TriPleX双条形波导相同的宽度，其中，30μm≤L2≤100μm；
所述第一直角楔形结构的长直角边和所述第二直角楔形结构的长直角边相邻接，所述第二直角楔形结构宽度为0的一端与所述第一直角楔形结构宽度为4.8μm的一端相距L3，其中，3μm≤L3≤43μm。
优选地，所述第一直角楔形结构的长度L1为80μm。
优选地，所述第二直角楔形结构的长度L2为55μm。
优选地，所述第二直角楔形结构宽度为0的一端与所述第一直角楔形结构宽度为4.8μm的一端相距L3为13μm。
优选地，所述SiO2层的厚度为8μm。
由上述技术方案可知，本发明的用于半导体激光器与TriPleX波导耦合的耦合结构，通过在耦合层中设置两个反向对接的第一直角楔形结构和第二直角楔形结构，作为半导体激光器入射端的第一直角楔形结构的厚度为170nm，宽度为4.8μm，因而对应的模场尺寸约为1μm×4μm，这一尺寸与半导体激光器的模场具有较好的匹配，从而可以实现半导体激光器到第一直角楔形结构的高效能量耦合；另外，厚度为170nm的Si3N4单层第一直角楔形结构与由厚度为170nm的Si3N4上层、500nm的SiO2中间层和170nm的Si3N4下层组成的第二直角楔形结构反向对接，将入射端的模式绝热地转换成第二直角楔形结构支持的模式，而第二直角楔形结构连接TriPleX双条形波导，从而实现半导体激光器和TriPleX双条形波导的高效耦合。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是双条形TriPleX波导结构的示意图；
图2是双条形TriPleX波导结构的基模模场；
图3是本发明一个实施例提供的所述用于半导体激光器与TriPleX波导耦合的耦合结构的立体示意图；
图4是图3所示耦合结构去掉SiO2覆层后的俯视图；
图5是图3所示耦合结构去掉SiO2覆层后的入射端正视图；
图6是图3所示耦合结构去掉SiO2覆层后的侧视图；
图7是本发明一个实施例提供的用于半导体激光器与TriPleX波导耦合的耦合结构在1μm至2μm波段内耦合效率分布图；
图8是本发明另一个实施例提供的用于半导体激光器与TriPleX波导耦合的耦合结构的制备方法的流程图；
图1中，a1为Si3N4上条形层，a2为SiO2中间层，a3为Si3N4下条形层，a4为SiO2层；
图3中，1为Si基底，2为SiO2层，3为耦合层，4为SiO2覆层，5为第二直角楔形的Si3N4上层，6为第二直角楔形的SiO2中间层，7为第二直角楔形的Si3N4下层，8为第一直角楔形的Si3N4层；
图5中，r1为第二直角楔形的Si3N4上层，r2为第二直角楔形的SiO2中间层，r3为第一直角楔形的Si3N4层和第二直角楔形的Si3N4下层，r4是SiO2层，r5是Si基底；
图6中，c1为第二直角楔形的Si3N4上层，c2为第二直角楔形的SiO2中间层，c3为第一直角楔形的Si3N4层和第二直角楔形的Si3N4下层，c4为SiO2层，c5是Si基底。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据耦合模理论，耦合过程中产生的损耗主要来自两个方面。第一，半导体激光器输出模场与耦合结构入射端面模场的失配会产生损耗；第二，耦合结构入射模场向TriPleX双条形波导基模模场转换过程中产生的损耗。
本发明从上述两个方面入手，提出了一种用于半导体激光器与TriPleX波导耦合的高效耦合结构。所述结构包括Si基底，所述Si基底上依次设有SiO2层、耦合层和SiO2覆层；
其中，所述耦合层由反向对接的第一直角楔形结构和第二直角楔形结构组成；
所述第一直角楔形结构作为半导体激光器的入射端；所述第二直角楔形结构连接TriPleX双条形波导；
所述第一直角楔形结构，由Si3N4层组成；
所述第一直角楔形结构的厚度为170nm，长度为L1μm，宽度在长度为0到L1μm的范围内，由4.8μm均匀渐变到0，其中，30μm≤L1≤150μm；
所述第二直角楔形结构，由Si3N4上层、SiO2中间层和Si3N4下层组成；
所述Si3N4上层和所述Si3N4下层的厚度均为170nm，所述SiO2中间层的厚度为500nm；
所述第二直角楔形结构的长度为L2μm，宽度在长度为0到L2μm的范围内，由0均匀渐变到与所述第二直角楔形结构连接的TriPleX双条形波导相同的宽度，其中，10μm≤L2≤100μm；
所述第一直角楔形结构的长直角边和所述第二直角楔形结构的长直角边相邻接，所述第二直角楔形结构宽度为0的一端与所述第一直角楔形结构宽度为4.8μm的一端相距L3，其中，3μm≤L3≤43μm。
例如，在所述第一直角楔形结构的长度L1为30μm、所述第二直角楔形结构的长度L2为12μm，且所述第二直角楔形结构宽度为0的一端与所述第一直角楔形结构宽度为4.8μm的一端相距L3为18μm时，耦合效率为90.2％。
在所述第一直角楔形结构的长度L1为150μm、所述第二直角楔形结构的长度L2为80μm，且所述第二直角楔形结构宽度为0的一端与所述第一直角楔形结构宽度为4.8μm的一端相距L3为3μm时，耦合效率为97.2％。
优选地，在所述第一直角楔形结构的长度L1为80μm、所述第二直角楔形结构的长度L2为55μm，且所述第二直角楔形结构宽度为0的一端与所述第一直角楔形结构宽度为4.8μm的一端相距L3为13μm时，耦合效率最高，为97.9％，性能表现最好。
其中，所述SiO2层的厚度为8μm。
图3示出了用于半导体激光器与TriPleX波导耦合的耦合结构的立体示意图。图中1为Si基底，2为SiO2层，3为耦合层，4为SiO2覆层，5为第二直角楔形的Si3N4上层，6为第二直角楔形的SiO2中间层，7为第二直角楔形的Si3N4下层，8为第一直角楔形的Si3N4层；
其中，SiO2覆层4生长在所述耦合层3的上面，起到一个保护的作用。为了方便更清楚的观察耦合层3的结构，图4-6分别示出了图3所示耦合结构去掉SiO2覆层4后的俯视图、入射端正视图和侧视图。如图3-6所示，该结构的耦合层由两个反向对接的直角楔形结构构成。作为半导体激光器入射端的第一直角楔形结构由Si3N4材料形成，其厚度为170nm(与TriPleX双条形波导下层条形结构一致)。在图3所示的结构中，第一直角楔形结构的长度为L1为80μm，在长度为0到80μm的范围内，第一直角楔形结构的宽度由4.8μm渐变到0。第二直角楔形结构与TriPleX双条形波导具有相同的层结构，以长度L2为55μm为例，在长度为0到55μm的范围内，其宽度由0渐变到与TriPleX双条形波导相同的宽度。另外，第二直角楔形结构的尖端(宽度为0处)相距第一直角楔形结构的入射端面(宽度为4.8μm处)13μm。
在性能表现方面，本发明实施例所述的用于半导体激光器与TriPleX双条形波导耦合的高效耦合结构，在1550nm处，对于准TE模可以实现耦合效率达到97.9％(对应的插入损耗为0.092dB)。
图7示出了本发明实施例提供的用于半导体激光器与TriPleX波导耦合的耦合结构在1μm至2μm波段内耦合效率分布图。可见，本发明实施例所述的用于半导体激光器与TriPleX双条形波导耦合的高效耦合结构，在1μm至2μm波段内，均能实现较高的耦合效率。
由此，本实施例的用于半导体激光器与TriPleX波导耦合的耦合结构，通过在耦合层中设置两个反向对接的第一直角楔形结构和第二直角楔形结构，作为半导体激光器入射端的第一直角楔形结构的厚度为170nm，宽度为4.8μm，因而对应的模场尺寸约为1μm*4μm，这一尺寸与半导体激光器的模场具有较好的匹配，从而可以实现半导体激光器到第一直角楔形结构的高效能量耦合；另外，厚度为170nm的Si3N4单层第一直角楔形结构与由厚度为170nm的Si3N4上层、500nm的SiO2中间层和170nm的Si3N4下层组成的第二直角楔形结构反向对接，将入射端的模式绝热地转换成第二直角楔形结构支持的模式，而第二直角楔形结构连接TriPleX双条形波导，从而实现半导体激光器和TriPleX双条形波导的高效耦合。
图8示出了本发明另一个实施例提供的用于半导体激光器与TriPleX双条形波导耦合的高效耦合结构的制备方法的流程图，如图8所示，本实施例制备用于半导体激光器与TriPleX双条形波导耦合的高效耦合结构的方法如下所述。
步骤101：在Si基底上生长SiO2层。
步骤102：在所述SiO2层上生长耦合层。
步骤103：在所述耦合层上生长SiO2覆层。
其中，所述耦合层由反向对接的第一直角楔形结构和第二直角楔形结构组成；
所述第一直角楔形结构作为半导体激光器的入射端；所述第二直角楔形结构连接TriPleX双条形波导；
所述第一直角楔形结构，由Si3N4层组成；
所述第一直角楔形结构的厚度为170nm，长度为L1μm，宽度在长度为0到L1μm的范围内，由4.8μm均匀渐变到0，其中，30μm≤L1≤150μm；
所述第二直角楔形结构，由Si3N4上层、SiO2中间层和Si3N4下层组成；
所述Si3N4上层和所述Si3N4下层的厚度均为170nm，所述SiO2中间层的厚度为500nm；
所述第二直角楔形结构的长度为L2μm，宽度在长度为0到L2μm的范围内，由0均匀渐变到与所述第二直角楔形结构连接的TriPleX双条形波导相同的宽度，其中，10μm≤L2≤100μm；
所述第一直角楔形结构的长直角边和所述第二直角楔形结构的长直角边相邻接，所述第二直角楔形结构宽度为0的一端与所述第一直角楔形结构宽度为4.8μm的一端相距L3，其中，3μm≤L3≤43μm。
优选地，在所述第一直角楔形结构的长度L1为80μm、所述第二直角楔形结构的长度L2为55μm，且所述第二直角楔形结构宽度为0的一端与所述第一直角楔形结构宽度为4.8μm的一端相距L3为13μm时，耦合效率最高，性能表现最好。
其中，所述SiO2层的厚度为8μm。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种用于半导体激光器与TriPleX波导耦合的耦合结构，其特征在于，所述结构包括Si基底，所述Si基底上依次设有SiO2层、耦合层和SiO2覆层；
其中，所述耦合层由反向对接的第一直角楔形结构和第二直角楔形结构组成；
所述第一直角楔形结构作为半导体激光器的入射端；所述第二直角楔形结构连接TriPleX双条形波导；
所述第一直角楔形结构，由Si3N4层组成；
所述第一直角楔形结构的厚度为170nm，长度为L1μm，宽度在长度为0到L1μm的范围内，由4.8μm均匀渐变到0，其中，30μm≤L1≤150μm；
所述第二直角楔形结构，由Si3N4上层、SiO2中间层和Si3N4下层组成；
所述Si3N4上层和所述Si3N4下层的厚度均为170nm，所述SiO2中间层的厚度为500nm；
所述第二直角楔形结构的长度为L2μm，宽度在长度为0到L2μm的范围内，由0均匀渐变到与所述第二直角楔形结构连接的TriPleX双条形波导相同的宽度，其中，10μm≤L2≤100μm；
所述第一直角楔形结构的长直角边和所述第二直角楔形结构的长直角边相邻接，所述第二直角楔形结构宽度为0的一端与所述第一直角楔形结构宽度为4.8μm的一端相距L3，其中，3μm≤L3≤43μm。
2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述第一直角楔形结构的长度L1为80μm。
3.根据权利要求2所述的结构，其特征在于，所述第二直角楔形结构的长度L2为55μm。
4.根据权利要求3所述的结构，其特征在于，所述第二直角楔形结构宽度为0的一端与所述第一直角楔形结构宽度为4.8μm的一端相距L3为13μm。
5.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述SiO2层的厚度为8μm。
6.一种如权利要求1～5任一所述结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.在Si基底上生长SiO2层；
S2.在所述SiO2层上生长耦合层；
S3.在所述耦合层上生长SiO2覆层；
其中，所述耦合层由反向对接的第一直角楔形结构和第二直角楔形结构组成；
所述第一直角楔形结构作为半导体激光器的入射端；所述第二直角楔形结构连接TriPleX双条形波导；
所述第一直角楔形结构，由Si3N4层组成；
所述第一直角楔形结构的厚度为170nm，长度为L1μm，宽度在长度为0到L1μm的范围内，由4.8μm均匀渐变到0，其中，30μm≤L1≤150μm；
所述第二直角楔形结构，由Si3N4上层、SiO2中间层和Si3N4下层组成；
所述Si3N4上层和所述Si3N4下层的厚度均为170nm，所述SiO2中间层的厚度为500nm；
所述第二直角楔形结构的长度为L2μm，宽度在长度为0到L2μm的范围内，由0均匀渐变到与所述第二直角楔形结构连接的TriPleX双条形波导相同的宽度，其中，10μm≤L2≤100μm；
所述第一直角楔形结构的长直角边和所述第二直角楔形结构的长直角边相邻接，所述第二直角楔形结构宽度为0的一端与所述第一直角楔形结构宽度为4.8μm的一端相距L3，其中，3μm≤L3≤43μm。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一直角楔形结构的长度L1为80μm。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第二直角楔形结构的长度L2为55μm。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第二直角楔形结构宽度为0的一端与所述第一直角楔形结构宽度为4.8μm的一端相距L3为13μm。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述SiO2层的厚度为8μm。
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