CN109270628A

CN109270628A - 一种可见光波段氮化硅光束偏转芯片

Info

Publication number: CN109270628A
Application number: CN201811143021.3A
Authority: CN
Inventors: 冯吉军; 仲路铭; 张福领; 曾和平
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2018-09-28
Filing date: 2018-09-28
Publication date: 2019-01-25
Anticipated expiration: 2038-09-28
Also published as: CN109270628B

Abstract

本发明提出了可见光波段氮化硅光束偏转芯片，包括硅基衬底、二氧化硅缓冲层、二氧化硅包层和基于氮化硅波导的芯层；二氧化硅缓冲层设置在所述硅基衬底上；二氧化硅包层附在二氧化硅缓冲层上；芯层包括光分束单元、第一弯曲波导、第二弯曲波导、热光移相器和出射波导阵列；光分束单元、第一弯曲波导、第二弯曲波导和出射波导阵列位于所述述二氧化硅包层内且位于所述述二氧化硅缓冲层上；所述热光移相器置于所述二氧化硅包层上；光分束单元包括多个基于氮化硅波导的分束器；所述分束器的工作带宽480nm～645nm。本发明基于氮化硅制作，尺寸小，结构紧凑且加工简单，制作容差大，产品良率高，可实现可见光均匀分束、相位调制及光束偏转。

Description

一种可见光波段氮化硅光束偏转芯片

技术领域

本发明属于集成光子芯片技术领域，尤其涉及一种可见光波段氮化硅光束偏转芯片。

背景技术

近年来，硅基光子学吸引了学术界和工业界的极大关注，在集成光通信器件、片上光互联、生物光子学以及非线性光学等领域存在巨大的应用前景，发展迅速。大量以硅材料为衬底制作的红外光光束偏转芯片，广泛运用于激光雷达系统以及光通信系统中，并且展现了低损耗，高精度，快速扫描等特性。硅基光电子技术是利用互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺实现光子器件的集成制备，该技术结合了CMOS技术超大规模逻辑、超高精度制造的特性和超高速率、超低功耗的优势，成本相对低廉、集成度高，在制作光束偏转芯片领域有着重要应用。

可见光相对于其他波段的光有独特的优势，例如：可见光对于人眼安全而且不易受到电磁干扰，适用于对电磁干扰敏感的场所，如医院、加油站、空间站和飞机等；可见光的光谱范围广(0.38微米至0.76微米)的特性提供更大的工作带宽。如今可见光光束偏转技术应用广泛，如激光电视，激光扫描共聚焦显微镜以及机器视觉等。激光电视是将产生红、绿、蓝三种波长的光作为彩色激光电视的光源,通过信号控制三基色的光束扫描形成图像，具有色彩鲜明、亮度高、屏幕尺寸灵活等特点,并且鲜艳的图像可以投射到各种材料表面。激光扫描共聚焦显微镜，通过光束偏转可以对观察样品进行断层扫描和成像，因此，可以无损伤的观察和分析细胞的三维空间结构。目前可见光光束偏转技术是机器人视觉中较为核心的技术，控制光束偏转对周围的物体进行扫描，将被摄取目标转换成图像信号,传送给图像处理系统，完成对物体的探测、识别、定位，为后续的机器活动提供条件。

然而传统的硅基光波导主要是适用于红外波段，对于可见光吸收小，并不适用于可见光光子芯片的制作，而III-V族的氮化物作为第三代半导体材料，特别是氮化硅的透射谱较宽，在可见光到红外波波长范围内都具有优良的光电特性。氮化硅这一种新型的光子平台，具有优良的光电特性，绝缘耐压性能以及机械性能，广泛运用于光电子和微电子集成中。氮化硅光波导具有芯包层折射率差大、器件尺寸小、集成度高、性能稳定性高等优点，较之于目前的绝缘衬底上硅(SOI)技术，其制作成本低且制备工艺简单。由于氮化硅材料的优良特性，国内外对于氮化硅波导的光器件研究广泛，例如微环谐振腔，光栅耦合器等。虽然可见光波段氮化硅光束偏转芯片的传输损耗低，结构简单，光学性能良好，易于集成在光子集成电路中，但还未见可见光波段氮化硅光束偏转芯片相关报道。因此如何利用氮化硅光束偏转芯片实现对可见光的偏转，成为现有技术中需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可见光波段氮化硅光束偏转芯片，可实现可见光的均匀分束、相位调制及光束偏转。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种可见光波段氮化硅光束偏转芯片，包括硅基衬底、二氧化硅缓冲层、二氧化硅包层和基于氮化硅波导的芯层；所述二氧化硅缓冲层设置在所述硅基衬底上；所述二氧化硅包层附在所述二氧化硅缓冲层上；

所述芯层包括光分束单元、第一弯曲波导、第二弯曲波导、热光移相器和出射波导阵列；可见光光束依次经过光分束单元、第一弯曲波导、热光移相器、第二弯曲波导和出射波导阵列，实现均匀分束、相位调制以及光束偏转；

所述光分束单元、第一弯曲波导、第二弯曲波导和出射波导阵列位于所述述二氧化硅包层内且位于所述述二氧化硅缓冲层上；所述热光移相器置于所述二氧化硅包层上；

所述光分束单元包括多个基于氮化硅波导的分束器；所述分束器的工作带宽480nm～645nm。

优选地，所述分束器包括一个输入分束器和四个并联的输出分束器；所述输入分束器与输出分束器串联；所述输入分束器和输出分束器均设有1个输入端口和4个输出端口。

优选地，在所述工作带宽内，所述输出端口之间的不均匀性小于0.5db。

优选地，所述分束器包括依次连接的输入段、多模干涉耦合段和输出段；

所述输入段包括输入直波导段和与所述输入直波导段连接的输入锥形波导段；所述输入锥形波导段的大端连接所述多模干涉耦合段；

所述输出段包括4个输出锥形波导段和与所述输出锥形波导段分别连接的输出直波导段；所述输出锥形波导段的大端与所述多模干涉耦合段连接。

优选地，所述多模干涉耦合段的宽度6μm；所述多模干涉耦合段的长度为33.2μm；所述多模干涉耦合段的长度制作容差范围-4％～+4％。

优选地，当所述分束器的工作波长为中心波长550纳米时，在所述制作容差范围内，所述分束器的输出总功率大于90％。

优选地，输入锥形波导段的长度为13μm，输入锥形波导段的大端的宽度为0.83μm；输入锥形波导段的小端的宽度为0.5μm；所述输入直波导段和输出直波导段的宽度为均为0.5μm，长度均为10μm；输出直波导段之间的间隔为1.54μm。

优选地，所述输出锥形波导段的大端宽度为0.83μm；输出锥形波导段的小端宽度为0.5μm；所述输出锥形波导段的长度为9μm。

优选地，所述热光移相器为金属加热器；所述热光移相器置于所述分束单元的输出通道上。

优选地，所述二氧化硅包层的厚度为1μm。

与现有技术相比，本发明的优点为：1)本发明基于新型半导体材料氮化硅制作，尺寸小，结构紧凑且加工简单，制作容差大，产品良率高。2)器件工作波段是在可见光波段，相比于其他波段具有更宽的带宽，不受电磁波干扰且对人眼无害，在光通信、激光雷达等方面前景优良。3)本发明可实现可见光的均匀分束、相位调制及光束偏转。

附图说明

图1为本发明实施例的可见光波段氮化硅光束偏转芯片的结构图；

图2为图1中分束器的结构图；

图3为图2中分束器处的可见光波段氮化硅光束偏转芯片的截面图；

图4为本发明基于时域有限差分法模拟在中心波长为550nm绿光入射时，分束器中光传输的场分布图；

图5为本发明截取480纳米到645纳米波长入射的各输出端口归一化后输出能量图；

图6为本发明一实施例的可见光波段氮化硅光束偏转芯片的制作流程图。

其中，1-输入分束器，2-输出分束器，3-热光移相器，4-出射波导阵列，5-第一弯曲波导，6-硅基衬底，7-二氧化硅缓冲层，8-芯层，9-二氧化硅包层。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的可见光波段氮化硅光束偏转芯片进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

如图1所示，一种可见光波段氮化硅光束偏转芯片，包括硅基衬底6、二氧化硅缓冲层7、二氧化硅包层9和基于氮化硅波导的芯层8；二氧化硅缓冲层7设置在硅基衬底6上；二氧化硅包层9附在二氧化硅缓冲层7上；芯层8包括光分束单元、第一弯曲波导5、第二弯曲波导、热光移相器3和出射波导阵列4；可见光光束依次经过光分束单元、第一弯曲波导5、热光移相器3、第二弯曲波导和出射波导阵列4，实现均匀分束、相位调制以及光束偏转；光分束单元、第一弯曲波导5、第二弯曲波导和出射波导阵列4位于述二氧化硅包层9内且位于述二氧化硅缓冲层7上；热光移相器3置于二氧化硅包层9上；光分束单元包括多个基于氮化硅波导的分束器；分束器的工作带宽480nm～645nm。

在本实施例中，分束器包括一个输入分束器1和四个并联的输出分束器2；输入分束器1与输出分束器2串联；输入分束器1和输出分束器2均设有1个输入端口和4个输出端口。第一弯曲波导5、第二弯曲波导保证每路光束在到达出射波导阵列4时通过相同的传播路径一致即保证相位相同。

如图2所示，分束器包括依次连接的输入段、多模干涉耦合段和输出段；输入段包括输入直波导段和与输入直波导段连接的输入锥形波导段；输入锥形波导段的大端连接多模干涉耦合段；输出段包括4个输出锥形波导段和与输出锥形波导段分别连接的输出直波导段；输出锥形波导段的大端与多模干涉耦合段连接。具体的，多模干涉耦合段的宽度e为6μm；多模干涉耦合段的长度d为33.2μm；多模干涉耦合段的长度d制作容差范围-4％～+4％；输入锥形波导段的长度b为13μm，输入锥形波导段的大端的宽度c为0.83μm；输入锥形波导段的小端的宽度为0.5μm；输入直波导段的宽度a和输出直波导段的宽度为均为0.5μm，长度均为10μm；输出直波导段之间的间隔为1.54μm；输出锥形波导段的大端宽度f为0.83μm；输出锥形波导段的小端宽度为0.5μm；输出锥形波导段的长度g为9μm。

当分束器的工作波长设置为中心波长550纳米时，在多模干涉耦合段最佳长度为33.2微米的基础上，在长度制作容差范围内，即改变多模干涉耦合段的长度d，得到不同长度情况下分束器的输出总功率均大于90％。其中，分束器的输出总功率为4个输出端口的总输出能量与一个输入端口的输入能量比。

分束器的工作带宽480nm～645nm。将分束器的规格参数设置为中心波长即工作带宽550nm、耦合段的最佳耦合宽度为33.2微米时，在不改变分束器此规格的情况下，通过设置分束器的工作带宽即输入不同波长的可见光，得到的不同工作波长情况下的输出端口之间的不均匀性均小于0.5db。

在本实施例中，输入分束器1和输出分束器2的结构相同。设计时，计算在550纳米波长入射下不同宽度的波导对应最佳耦合长度以及输出波导的最优化结构。具体的，输入分束器1和输出分束器2的参数设计过程如下：为了优化输入光束和输出光束的光耦合，提高分束器的效率，提升多级分束单元，即1个输入分束器1和4个输出分束器2在可见光波段的工作性能，在多级分束单元设计时，引入了一种基于锥形结构的光波导模型，克服了常用方法中遇到的低损耗设计问题。。具体步骤为：

第一步，首先由选定的入射波长λ以及耦合区域的波导宽度，根据公式计算TE模式光入射时有效耦合宽度；式中w_e为多模波导宽度，λ为自由空间波长，σ为模式极，对于TE模σ＝0，对于TM模σ＝1，n_c为包层的折射率，n_r为波导层的折射率，在高折射率差波导中，w_e≈w；

第二步，再由有效宽度计算出耦合区域的长度，公式为由上述第一步和第二步，初步得到理论上可见光波段均匀分束的器件参数；

第三步，并通过目前计算电磁学界最受关注，最前沿的算法时域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain)对可见光波段氮化硅光分束器设计参数进行优化，使其满足中心波长550纳米的TE偏振光均匀分束成相位、光强一致的4路输出。

经过上述第一步、第二步和第三步设计优化后的输入分束器1和输出分束器2，在工作中心波长550纳米的传输损耗将小于0.1分贝，各个输出端口之间的不均匀性小于0.1分贝，可实现对TE偏振光为0.1分贝均匀输出比。优化后的分束器模拟的光场分布图如图4所示。这里的传输损耗定义为10×lg(η_输出/η_输入)，η_输入为输入端口输出的透射率，η_输出为输出端口总的透射率。光输出的不均匀比定义为10×lg(ηport1/ηport2)，ηport1为其中四个输出端口输出能量最低端口的透射率，ηport2为输出端口的输出能量最高端口的透射率。优化后的分束器的多模干涉耦合段的最佳长度为33.2微米。优化后的单个分束器均可以很好地实现以550纳米为中心波长的可见光的1分4束均匀分束功能，且在工作波长480纳米到645纳米内四个输出端口之间的不均匀性小于0.5dB，如图5所示。此外，分束器的工作带宽设置为中心波长550纳米时，在最佳长度为33.2微米的基础上，设置多模干涉耦合段的长度d的制作容差范围-4％～+4％，及改变多模干涉耦合段的长度d，得到不同长度情况下分束器的输出总功率均大于90％。

在本实施例中，热光移相器3为加热器；热光移相器3附在二氧化硅包层9上并置于分束单元的输出端。采用热光调制器结构的移相器，实现高效低损耗的相位控制。热光移相器3通电加热芯层8，而基于氮化硅波导的芯层8的折射率与温度有关，由此控制通过波导的光相位。若热光移相器3离输出分束器2较近，则调制效率较高，但热光移相器3对波导中传输的光有吸收作用，导致光的传输损耗较大；但若热光移相器3离输出分束器2较远，则光的传输损耗较小，调制效率也不高。最终权衡不同电极位置与形貌对调制效率与光传输损耗的影响选定二氧化硅包层9厚度为1微米。为完成高效低损耗的相位控制，加热器部分采用高电阻的Ti/Pt金属材料，加热器的厚度为100纳米，加热器的面积为250×5平方微米；加热器与外部电流源连接的电极部分选用电阻率低Ti/Au金属材料，使加热器的效率更高，损耗更小。

本发明还提出了该可见光波段氮化硅光束偏转芯片的制作方法:如图6所示，在350摄氏度下，首先使用等离子体增强化学气相沉积在硅基衬底6上形成3微米的二氧化硅缓冲层7，然后通过电子回旋共振等离子体增强溅射沉积200纳米厚的氮化硅芯层。在二氧化硅缓冲层7上涂覆抗蚀剂作为氮化硅光子电路的蚀刻掩模，使用电子束光刻和等离子蚀刻，实时监控刻蚀深度，完成分束器、第一弯曲波导5、第二弯曲波导及出射波导阵列4的制作。样品经过氧化电浆和湿化学工艺清洗后通过等离子体增强化学气相沉积1微米厚的二氧化硅上包层，之后应用相应的光刻胶烘干工艺和剥离技术将Ti/Pt加热器附着到输出分束器2的输出通道上，最后在加热器背面上抛光并切割以进行性能表征。经过一系列工艺制作完成后的该偏转芯片的截面图如图6所示。

本发明还提出了一种该芯片的封装方法：芯片在测试以及今后的使用过程中，外界的振动是无法避免的。由于芯片制作精密，光纤耦合的效率直接关系到芯片的性能，这些振动有时甚至会损毁芯片。为提高系统的机械稳定性，降低光纤-波导芯片的耦合损害，需对芯片进行集成封装。首先清洁光纤和该偏转芯片的端面，将光纤和该偏转芯片的的端面使用异丙醇擦拭后吹干。然后将该偏转芯片的放置于封装系统中的平台上，使用专用夹具固定。之后将与该偏转芯片的对接的光纤分别安装在波导台两侧的三维调整台上固定。接下来将光源与输入光纤连接，光功率计与输出光纤连接，此过程中需要用洁净的、带有半球状前端的玻璃细棒沾些许折射率匹配液点涂到输入光纤端面上，在光纤端面上自然形成液珠状；之后输入端一侧的端面间平行度调整。对于端面良好的偏转芯片的和光纤，其端面间平行度调整在显微操作下容易实现，两端面间置有折射率匹配液珠，由于表面张力作用，匹配液珠的位置与两端面间的夹角有关，也可在显微系统监测下的调角操作可以获得很好的端面间平行。输出端一侧的端面间平行度调整。与上述对输入端的调整方式相同，在显微镜系统监测下可顺利完成。完成以上步骤，测试波长由光源端输入，通过调节位移平台调整输入及输出两端面光纤位置直至输出光功率最大，此时到达最佳耦合位置，即确保封装芯片达到最优性能。之后在波导两端面点涂PB300紫外固化胶粘结剂。再经紫外光照射固化，照射时间是180秒，50摄氏度烘烤8小时使粘结剂固化。最后将器件装入盒内，加盖封胶，理顺尾纤后，两端使用橡胶塞封口；将输入输出端口尾纤与光纤跳线熔融连接，装入塑料盒，盘线后引出光纤跳线头。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种可见光波段氮化硅光束偏转芯片，其特征在于，包括硅基衬底、二氧化硅缓冲层、二氧化硅包层和基于氮化硅波导的芯层；所述二氧化硅缓冲层设置在所述硅基衬底上；所述二氧化硅包层附在所述二氧化硅缓冲层上；

2.根据权利按要求1所述的可见光波段氮化硅光束偏转芯片，其特征在于，所述分束器包括一个输入分束器和四个并联的输出分束器；所述输入分束器与输出分束器串联；所述输入分束器和输出分束器均设有1个输入端口和4个输出端口。

3.根据权利按要求1所述的可见光波段氮化硅光束偏转芯片，其特征在于，在所述工作带宽内，所述输出端口之间的不均匀性小于0.5db。

4.根据权利按要求2所述的可见光波段氮化硅光束偏转芯片，其特征在于，所述分束器包括依次连接的输入段、多模干涉耦合段和输出段；

5.根据权利按要求4所述的可见光波段氮化硅光束偏转芯片，其特征在于，所述多模干涉耦合段的宽度6μm；所述多模干涉耦合段的长度为33.2μm；所述多模干涉耦合段的长度制作容差范围-4％～+4％。

6.根据权利按要求5所述的可见光波段氮化硅光束偏转芯片，其特征在于，当所述分束器的工作波长为中心波长550纳米时，在所述制作容差范围内，所述分束器的输出总功率大于90％。

7.根据权利按要求4所述的可见光波段氮化硅光束偏转芯片，其特征在于，输入锥形波导段的长度为13μm，输入锥形波导段的大端的宽度为0.83μm；输入锥形波导段的小端的宽度为0.5μm；所述输入直波导段和输出直波导段的宽度为均为0.5μm，长度均为10μm；输出直波导段之间的间隔为1.54μm。

8.根据权利按要求4所述的可见光波段氮化硅光束偏转芯片，其特征在于，所述输出锥形波导段的大端宽度为0.83μm；输出锥形波导段的小端宽度为0.5μm；所述输出锥形波导段的长度为9μm。

9.根据权利按要求1所述的可见光波段氮化硅光束偏转芯片，其特征在于，所述热光移相器为金属加热器；所述热光移相器置于所述分束单元的输出通道上。

10.根据权利按要求9所述的可见光波段氮化硅光束偏转芯片，其特征在于，所述二氧化硅包层的厚度为1μm。