CN109696725B - 一种模斑变换器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本文公布了一种模斑变换器及其制造方法，所述模斑变换器包括：第一楔形波导和第二楔形波导，所述第一楔形波导与所述第二楔形波导反向对接；所述第一楔形波导为楔形结构，作为输入波导用于与半导体激光器或半导体增益芯片进行端面耦合；所述第二楔形波导为楔形结构，所述第二楔形波导的输出端用于与硅波导进行耦合。本申请可用于半导体激光器或半导体增益芯片与绝缘衬底上的硅波导的耦合，结构简单、工艺要求低，完全兼容CMOS工艺。

Description

一种模斑变换器及其制造方法

技术领域

本发明涉及集成光子学领域，具体涉及一种模斑变换器及其制造方法。

背景技术

近年来，兼容互补金属氧化物半导体(CMOS，Complementary Metal OxideSemiconductor)工艺的硅基光子集成技术受到学术界和工业界的广泛关注和研究。由于该技术具有高集成度、低加工成本的优势，被认为最有希望实现大规模光子集成。与此同时，硅光子平台上的调制器、探测器、衰减器、分束器、滤波器等核心器件日趋成熟，因而有望突破现有的通信带宽瓶颈，推动通信技术继续向更大带宽、更高速率、更低成本迈进。但是，由于硅为间接带隙半导体，发光效率极低，因此硅波导平台上的光源研究是近年来的研究重点和难点。

针对这一问题，目前一个典型的解决方案是将半导体激光器与硅波导器件直接端面耦合，从而实现混合集成的光子芯片系统。或者，利用III-V族增益芯片结合硅波导平台上的反射镜构建片上光源。这两种方案由于同时结合了硅波导平台和III-V族波导平台的优势，因而在线宽、功率输出、工作阈值方面都均有优异的表现。但是，由于半导体激光器或半导体增益芯片的模场尺寸通常为4μm x1μm，而硅波导模场尺寸处在亚微米量级(如450nmx 220nm)，因而二者的模场存在很大失配，无法直接端面耦合。

目前，针对这一模场匹配问题，主要基于两种方法。一种方法是在半导体激光器或半导体增益芯片和硅波导芯片之间加入体光学元件如准直透镜、GRIN棒等等。这一方法最大的问题是，分离器件的引入降低了整个系统的稳定性。另一种方法是，采用垂直方向渐变的楔形波导结构或增加额外的中间折射率材料层，用于实现半导体激光器或半导体增益芯片模场与硅波导模场的过渡。但是，这种方法需要在原有的硅波导工艺中引入额外的工艺步骤，因而增加了工艺的复杂度，提高了加工成本。

鉴于此，如何以一种稳定性好且成本低的方式来解决半导体激光器或半导体增益芯片和硅波导芯片之间模场失配，是亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种模斑变换器及其制造方法，可用于半导体激光器或半导体增益芯片与绝缘衬底上的硅(SOI，Silicon-On-Insulator)波导的耦合，结构简单、工艺要求低，完全兼容CMOS工艺。

本申请提供了如下技术方案：

一种模斑变换器，包括：

第一楔形波导和第二楔形波导，所述第一楔形波导与所述第二楔形波导反向对接；

所述第一楔形波导为楔形结构，作为输入波导用于与半导体激光器或半导体增益芯片进行端面耦合；

所述第二楔形波导为楔形结构，所述第二楔形波导的输出端用于与硅波导进行耦合。

其中，所述第一楔形波导的输入端宽度和厚度分别满足所述第一楔形波导与半导体激光器或半导体增益芯片模场相匹配的要求；所述第一楔形波导的长度满足输入端模式绝热变换的要求。

其中，所述第一楔形波导的厚度为70nm，输入端的宽度为4.0μm、长度为20μm；或者，所述第一楔形波导的厚度为65nm，输入端的宽度为4.0μm、长度为20μm。

其中，所述第二楔形波导的输出端宽度和厚度分别与所述硅波导宽度和厚度一致；所述第二楔形波导的长度满足输入端模式绝热变换的要求。

其中，所述第二楔形波导的厚度为220nm，输出端的宽度为0.45μm、长度为9μm；或者，所述第二楔形波导的厚度为300nm，输出端的宽度为0.45μm、长度为10μm。

其中，所述第一楔形波导与所述第二楔形波导进行反向对接时的相对位置满足如下要求：使得所述第一楔形波导输入端模式能够绝热变换为所述第二楔形波导输出端的TE₀模式，并耦合进硅波导中。

其中，所述第一楔形波导与所述第二楔形波导进行反向对接时的相对位置为10.7μm或10μm。

一种模斑转换器的制造方法，包括：

在硅衬底上生长二氧化硅层，在所述二氧化硅层上生长硅层；

形成全刻蚀区的光刻掩膜版并完成所述硅层的全刻蚀；

形成部分刻蚀区的光刻掩膜版并完成所述硅层的部分刻蚀；

在所述刻蚀完成之后的芯片上生长二氧化硅层作为覆盖层；

其中，所述全刻蚀区的掩膜版图形包含第一楔形波导和第二楔形波导，所述部分刻蚀区包含所述第一楔形波导。

一种利用模斑转换器进行能量耦合的方法，包括：

从半导体激光器或半导体增益芯片发出的光束，通过模斑转换器的第一楔形波导输入端耦合进入硅基光子芯片，进入硅基光子芯片中的光斑通过所述第一楔形波导进行绝热变换，并无损的进入所述模斑转换器的第二楔形波导；

进入所述第二楔形波导的光斑绝热变换为与硅波导匹配的TE₀模式并耦合进入所述硅波导中。

一方面，本发明实施例中的模斑变换器，用于半导体激光器或半导体增益芯片与SOI波导的耦合，采用双楔形波导反向对接的结构，从而实现高效的能量耦合。

另一方面，与相关技术相比，在实现高性能的前提下，本申请的模斑变换器至多需要两次刻蚀，可完全兼容到现有主流的硅基光子晶圆厂(如IMEC、IME、IMECAS)的标准工艺中，而不需要增加额外的工艺步骤，节省了制造成本。

再一方面，本申请模斑变换器的工作波段覆盖了C波段和L波段，插入损耗低、兼容CMOS工艺、结构简单、加工制造成本低且工作带宽大。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1a为本申请模斑变换器的透视图；

图1b为本申请模斑变换器的俯视图；

图2a为本申请模斑变换器的输入端波导截面图；

图2b为本申请模斑变换器的输出端波导截面图；

图3为本申请模斑变换器的制造方法流程示意图；

图4为本申请实施例一中模斑变换器的加工版图；

图5为本申请实施例一中半导体激光器或半导体增益芯片工作波长为1550nm、光束模场为4um x 1um时输入光场的传输图；

图6为本申请实施例一中半导体激光器或半导体增益芯片光束模场为4um x 1um时，工作波长与插入损耗的关系图；

图7为本申请实施例一中半导体激光器或半导体增益芯片光束模场为3um x1.5um时工作波长与插入损耗的关系图；

图8为本申请实施例二中半导体激光器或半导体增益芯片光束模场为4um x 1um时工作波长与插入损耗的关系图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

为解决相关技术中半导体激光器或半导体增益芯片和硅波导芯片之间模场失配，本申请提供一种用于半导体激光器或半导体增益芯片与SOI波导耦合的模斑变换器，结构简单、工艺要求低，且能够完全兼容CMOS工艺。

如图1a、图1b所示，本申请提供一种模斑变换器，可用于半导体激光器或半导体增益芯片与SOI波导的耦合，该模斑变换器可以包括第一楔形波导、第二楔形波导，所述第一楔形波导与第二楔形波导反向对接，即二者为依次级联的关系。

如图1b所示，所述第一楔形波导为楔形结构，作为输入波导用于与半导体激光器或半导体增益芯片进行端面耦合。其中，如图2a所示，所述第一楔形波导有三个参数，分别为输入端宽度W1、厚度H1和长度L1。所述第一楔形波导的输入端宽度W1和厚度H1分别满足所述第一楔形波导与半导体激光器或半导体增益芯片模场相匹配的要求，也就是说，所述第一楔形波导的输入端宽度W1与厚度H1需要根据半导体激光器或半导体增益芯片的模场进行优化设计，从而使得二者的模场能够实现良好的匹配。所述第一楔形波导的长度L1满足输入端模式绝热变换的要求，一般可以在10μm量级。

如图1b所示，第二楔形波导为楔形结构，其输出端用于与硅波导进行耦合。其中，如图2b所示，所述第二楔形波导有三个参数，分别为输出端宽度W2、厚度H2和长度L2。所述第二楔形波导的输出端宽度W2和厚度H2分别与所耦合的硅波导宽度和厚度一致。所述第二楔形波导的长度L2满足输入端模式绝热变换的要求，一般可以在10μm量级。

如图1b所示，所述第一楔形波导与所述第二楔形波导进行反向对接时的相对位置D满足如下要求：使得所述第一楔形波导输入端模式能够绝热变换为所述第二楔形波导输出端的横电0模式(TE0模式，Transverse Electric Mode)，并耦合进硅波导中。也就是说，述第一楔形波导与所述第二楔形波导进行反向对接时的相对位置需要进行优化设计，使得所述第一楔形波导输入端模式能够绝热变换为所述第二楔形波导输出端的TE₀模式，并耦合进硅波导中。其中，所述相对位置是指第二楔形波导的顶点与第一楔形波导的尾端之间的距离。

本申请还提供一种利用模斑转换器进行能量耦合的方法，可以包括：如图2a所示，从半导体激光器或半导体增益芯片发出的光束，通过所述第一楔形波导输入端耦合进入硅基光子芯片，进入硅基光子芯片中的光斑通过所述第一楔形波导进行绝热变换，并无损的进入所述第二楔形波导。如图2b所示，进入所述第二楔形波导的光斑绝热变换为与硅波导匹配的TE₀模式并耦合进入所述硅波导中，从而实现输入端的光能量几乎无损地变换为输出端的TE₀模式并耦合进入硅条形波导中。这里，进入所述第二楔形波导的光斑通过楔形结构绝热变换为与硅波导匹配的TE₀模式并耦合进入所述硅波导中。

上文描述了光束从半导体激光器或半导体增益芯片耦合进入硅波导的过程。类似地，本申请也可以实现硅波导中的TE₀模式耦合进入半导体激光器或半导体增益芯片，其详细过程为上述过程的逆过程。即，本申请还提供另一种利用模斑转换器进行能量耦合的方法，可以包括：从硅波导发出的TE₀模式光束通过所述第二楔形波导进行绝热变换，从而无损地进入所述第一楔形波导，再通过所述第一楔形波导绝热转换后进入硅基光子芯片，最后通过第一楔形波导的输入端耦合进入半导体激光器或半导体增益芯片。

从硅波导发出的TE₀模式光束进入所述第二楔形波导并通过第二楔形波导绝热变换为光斑，所述光斑无损的进入所述第一楔形波导，通过所述第一楔形波导绝热转换后进入硅基光子芯片，再通过第一楔形波导的输入端耦合进入半导体激光器或半导体增益芯片。

本申请还提供一种所述模斑变换器的制造方法，如图3所示，所述方法可以包括：在硅衬底上生长二氧化硅层，在所述二氧化硅层上生长硅层，制作全刻蚀区的光刻掩膜版并完成所述硅层的全刻蚀，制作部分刻蚀区的光刻掩膜版并完成所述硅层的部分刻蚀，在所述刻蚀流程完成之后的芯片上生长二氧化硅层作为覆盖层。其中，全刻蚀区的掩膜版图形由所述第一楔形波导和所述第二楔形波导共同组成，部分刻蚀区仅包含所述第一楔形波导所在的区域。

本实施例中的模斑变换器，可用于半导体激光器或半导体增益芯片与SOI波导耦合，采用双楔形波导反向对接的结构，从而实现高效的能量耦合。与相关技术相比，在实现高性能的前提下，该模斑变换器至多需要两次刻蚀，完全兼容到现有主流的硅基光子晶圆厂(比如，IMEC、IME、IMECAS)的标准工艺中，而不需要增加额外的工艺步骤，节省了制造成本。本申请中模斑变换器的工作波段覆盖C波段和L波段，插入损耗低、兼容CMOS工艺、结构简单、加工制造成本低并且工作带宽大。

下面对本申请的示例性实现方式进行详细说明。需要说明的是，实际应用中本申请还可以有其他的实现方式，下文实施例中的具体实现方式可以根据实际应用场景的需要进行调整。

实施例一

本发明实施例中模斑变换器所应用的SOI工艺平台的220nm晶元(wafer)，其波导层的厚度为220nm。下包层材料为二氧化硅，其厚度为2μm，上包层材料为二氧化硅，其厚度为2～3μm。

对于图1所示的模斑变换器，此实施例中的相应参数为：第一楔形波导的厚度为70nm，可利用150nm深脊刻蚀技术对220nm厚度的硅波导层进行加工而成。所述第一楔形波导输入端的宽度为4.0μm。所述第一楔形波导的整体长度为20μm。所述第二楔形波导的厚度为220nm，这与该波导平台上的硅条形波导的厚度一致。所述第二楔形波导输出端的宽度为0.45μm。所述第二楔形波导的整体长度为9μm。所述第一楔形波导和所述第二楔形波导反向对接时的相对位置D可以为10.7μm。

如图4所示，如果利用IMECAS的标准工艺来加工本发明实施例，仅需220nm全刻蚀工艺以及150nm深脊刻蚀工艺就可以完成刻蚀。

如图5所示，光束从半导体激光器或半导体增益芯片耦合进入硅波导TE₀模式的过程可以为：从半导体激光器或半导体增益芯片发出的光束，通过本实施例的输入端波导耦合进入硅波导芯片。通过两个反向对接的楔形结构的波导，输入端的光能量将几乎无损地变换为输出端的TE₀模式并耦合进入硅条形波导中。类似地，本实施例也可以实现硅波导中的TE₀模式耦合进入半导体激光器或半导体增益芯片，其详细过程为上述过程的逆过程，不再赘述。其中，图5示出了当半导体激光器或半导体增益芯片工作波长为1550nm，光束模场为4um x 1um时，输入光场的传输图，直观地说明了半导体激光器或半导体增益芯片发出的光束如何逐步演化硅波导所支持的TE₀模式。

图6示出了当半导体激光器或半导体增益芯片的光束模场为4um x 1um时，该实施例在C波段和L波段的插损和波长的关系图。从图6可以看出，该实施例的插入损耗在1550nm处仅为-1.4dB，在1500nm到1650nm波段的插损波动不超过0.1dB.这充分证明了本发明实施例具有宽带、低损的特性。

图7示出了当半导体激光器或半导体增益芯片的光束模场为3um x 1.5um时，该实施例在C波段和L波段的插损和波长的关系图。从图7中可以看出，该实施例的插入损耗在1550nm处为-3dB，在1500nm到1650nm波段的插损波动不超过0.1dB，这说明本实施例对于其他模场大小的光束也仍然适用。

实施例二

本发明实施例采用SOI工艺平台上的310nm晶元(wafer)，其波导层的厚度为300nm。下包层材料为二氧化硅，其厚度为0.8μm。上包层材料为二氧化硅，其厚度为2～3μm。对于图1所示的模斑变换器，此实施例中的相应参数为：所述第一楔形波导的厚度为65nm，可利用235nm深脊刻蚀技术对300nm厚度的硅波导层进行加工而成。所述第一楔形波导输入端的宽度为4.0μm。所述第一楔形波导的整体长度为20μm。所述第二楔形波导的厚度为300nm，这与该波导平台上的硅条形波导的厚度一致。所述第二楔形波导输出端的宽度为0.45μm。所述第二楔形波导的整体长度可以为10μm。所述第一楔形波导和所述第二楔形波导反向对接时的相对位置D可以为10μm。

光束从半导体激光器或半导体增益芯片耦合进入硅波导TE0模式的过程可以包括：从半导体激光器或半导体增益芯片发出的光束，通过本实施例模斑变换器的输入端波导耦合进入硅波导芯片。通过模斑变换器中两个反向对接的楔形结构的波导，输入端的光能量将几乎无损地变换为输出端的TE0模式并耦合进入硅条形波导中。类似地，本实施例也可以实现硅波导中的TE0模式耦合进入半导体激光器或半导体增益芯片，其详细过程为上述过程的逆过程。

实际应用中，如果利用LETI的标准工艺来加工本发明实施例的模斑变换器，仅需300nm全刻蚀工艺以及235nm深脊刻蚀工艺就可以完成刻蚀。

图8示出了当半导体激光器或半导体增益芯片的光束模场为4um x 1um时，该实施例在C波段和L波段的插损和波长的关系图。从图8中可以看出，该实施例的插入损耗在1550nm处仅为-1.55dB，在1500nm到1650nm波段的插损波动不超过0.1dB，这充分证明了本发明具有宽带、低损的特性。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件(例如处理器)完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，例如通过集成电路来实现其相应功能，也可以采用软件功能模块的形式实现，例如通过处理器执行存储于存储器中的程序/指令来实现其相应功能。本申请不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

以上显示和描述了本申请的基本原理和主要特征和本申请的优点。本申请不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本申请的原理，在不脱离本申请精神和范围的前提下，本申请还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本申请范围内。

Claims (9)

1.一种模斑变换器，其特征在于，包括：

第一楔形波导和第二楔形波导，所述第一楔形波导与所述第二楔形波导反向对接；

所述第一楔形波导为楔形结构，作为输入波导用于与半导体激光器或半导体增益芯片进行端面耦合；

所述第二楔形波导为楔形结构，所述第二楔形波导的输出端用于与硅波导进行耦合。

2.根据权利要求1所述的模斑变换器，其特征在于，所述第一楔形波导的输入端宽度和厚度分别满足所述第一楔形波导与半导体微光器或半导体增益芯片模场相匹配的要求；

所述第一楔形波导的长度满足输入端模式绝热变换的要求。

3.根据权利要求1或2所述的模斑变换器，其特征在于，所述第一楔形波导的厚度为70nm，输入端的宽度为4.0μm、长度为20μm：

或者，所述第一楔形波导的厚度为65nm，输入端的宽度为4.0μm、长度为20μm。

4.根据权利要求1所述的模斑变换器，其特征在于，所述第二楔形波导的输出端宽度和厚度分别与所述硅波导宽度和厚度一致；所述第二楔形波导的长度满足输入端模式绝热变换的要求。

5.根据权利要求1或4所述的模斑变换器，其特征在于，所述第二楔形波导的厚度为220nm，输出端的宽度为0.45μm、长度为9μm；

或者，所述第二楔形波导的厚度为300nm，输出端的宽度为0.45μm、长度为10μm。

6.根据权利要求1所述的模斑变换器，其特征在于，所述第一楔形波导与所述第二楔形波导进行反向对接时的相对位置满足如下要求：使得所述第一楔形波导输入模式能够绝热变换为所述第二楔形波导输出端的TE₀模式，并耦合进硅波导中。

7.根据权利要求1或6所述的模斑变换器，其特征在于，所述第一楔形波导与所述第二楔形波导进行反向对接时的相对位置为10.7μm或10μm。

8.一种模斑变换器的制造方法，其特征在于，包括：

在硅衬底上生长二氧化硅层，在所述二氧化硅层上生长硅层；

形成全刻蚀区的光刻掩膜版并完成所述硅层的全刻蚀；

形成部分刻蚀区的光刻掩膜版并完成所述硅层的部分刻蚀；在所述刻蚀完成之后的芯片上生长二氧化硅层作为覆盖层；

其中，所述全刻蚀区的掩膜版图形包含第一楔形波导和第二楔形波导，所述部分刻蚀区包含所述第一楔形波导，其中，所述第一楔形波导与所述第二楔形波导反向对接。

9.一种利用模斑变换器进行能量耦合的方法，其特征在于，包括：

从半导体激光器或半导体增益芯片发出的光束，通过模斑变换器的第一楔形波导输入端耦合进入硅基光子芯片，进入硅基光子芯片中的光斑通过所述第一楔形波导进行绝热变换，并无损的进入所述模斑变换器的第二楔形波导，其中，所述第一楔形波导与所述第二楔形波导反向对接；

进入所述第二楔形波导的光斑绝热变换为与硅波导匹配的TE₀模式并耦合进入所述硅波导中。

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