CN112180507B - 多波导交叉器件、波导芯片及其形成方法 - Google Patents

多波导交叉器件、波导芯片及其形成方法 Download PDF

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Abstract

一种多波导交叉器件、波导芯片及其形成方法，所述多波导交叉器件包括：多组反射结构对，所述多组反射结构对与多根波导一一对应，每根波导被对应的反射结构对间隔为两部分且所述两部分之间具有间隔区域，任意两根波导传输的光波相交于所述两根波导共同的间隔区域内；其中，每组反射结构对包含第一反射结构以及第二反射结构，每组反射结构对中的第一反射结构用于从对应波导的第一部分接收光波，并将所述光波的至少一部分反射至第二反射结构，所述第二反射结构将接收到的光波全部或部分反射至所述对应波导的第二部分。本发明可以实现波导交叉功能，且有机会得到极低的波导交叉串扰，降低工艺复杂度。

Description

多波导交叉器件、波导芯片及其形成方法
技术领域
本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种多波导交叉器件、波导芯片及其形成方法。
背景技术
波导交叉结构是构建大规模硅基光电子集成芯片的核心部件，目前常用的波导交叉结构多由双层刻蚀和MMI类型构成，通过减小波导中心交叉处的模场宽度，减少由于此处边界条件缺失造成的串扰和反射，达到减小器件的串扰和插入损耗的目的。
然而，在现有的双层刻蚀技术或MMI结构技术中，虽然解决了波导交叉基本需求，却面临着复杂的工艺难度或者波段需求受限严重等问题。
亟需一种多波导交叉器件，可以满足对多通道场景下的多波导交叉需求的同时，降低工艺复杂度。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种多波导交叉器件、波导芯片及其形成方法，可以实现波导交叉功能，且有机会得到极低的波导交叉串扰，降低工艺复杂度。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种多波导交叉器件，包括：多组反射结构对，所述多组反射结构对与多根波导一一对应，每根波导被对应的反射结构对间隔为两部分且所述两部分之间具有间隔区域，任意两根波导传输的光波相交于所述两根波导共同的间隔区域内；其中，每组反射结构对包含第一反射结构以及第二反射结构，每组反射结构对中的第一反射结构用于从对应波导的第一部分接收光波，并将所述光波的至少一部分反射至第二反射结构，所述第二反射结构将接收到的光波全部或部分反射至所述对应波导的第二部分。
可选的，所述第一反射结构以及所述第二反射结构的反射面与截面的相交线选自以下一种或多种图形的一部分：圆形、椭圆形、抛物线形，所述截面平行于所述光波的传输方向。
可选的，每组反射结构对的第一反射结构与所述第二反射结构的反射面的焦点重合。
可选的，所述多组反射结构对之间的第一反射结构的反射面的焦点重合。
可选的，每组反射结构对中的第一反射结构以及第二反射结构呈中心对称。
可选的，各组反射结构对中的第一反射结构以及第二反射结构的对称点重合。
可选的，所述第一反射结构以及所述第二反射结构的反射面内侧填充有氧化硅或气体，以及在所述第一反射结构的反射面形成全反射界面，以及在所述第二反射结构的反射面形成全反射界面。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种波导芯片，包括：半导体衬底；波导层，位于所述半导体衬底的表面；多个波导沟槽，位于所述波导层内；多根波导，分别位于所述波导沟槽内，每根波导被间隔为两部分且所述两部分之间具有间隔区域；多个沟槽对，每个沟槽对包括两个沟槽，所述多个沟槽对与所述多根波导具有一一对应关系，所述沟槽对位于所述波导层内，且每个沟槽对位于对应的波导的两部分之间的间隔区域内；上述波导交叉器件，所述波导交叉器件的各组反射结构对分别填充于所述沟槽对内。
可选的，所述沟槽对中的沟槽为狭缝状，且垂直于所述半导体衬底的表面。
可选的，所述波导交叉器件穿通所述波导层，且底部表面与所述波导层的底部表面齐平，顶部表面与所述波导层的顶部表面齐平。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种波导芯片的形成方法，包括：提供半导体衬底；在所述半导体衬底的表面形成波导层；刻蚀所述波导层，以得到多个波导沟槽以及多个沟槽对，每个沟槽对包括两个沟槽，所述多个沟槽对与多根波导具有一一对应关系，所述沟槽对位于所述波导层内，且每个沟槽对位于对应的波导的两部分之间的间隔区域内；在所述多个波导沟槽内填充多根波导，每根波导被间隔为两部分且所述两部分之间具有所述间隔区域；在所述多个沟槽对内填充上述的波导交叉器件的各组反射结构对。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
在本发明实施例中，通过设置多组反射结构对间隔开多根波导，任意两根波导传输的光波相交于所述两根波导共同的间隔区域内，每组反射结构对将对应的波导的第一部分的光波反射至第二部分，可以实现波导交叉功能，且由于在两根波导光波的交叉位置，并没有实体波导，且理论上波导交叉串扰为零，从而有机会得到极低的波导交叉串扰，降低工艺复杂度。
进一步，每组反射结构对的第一反射结构以及第二反射结构的反射面与截面的相交线为弧线，有助于对传输过程中扩散的光波进行约束，提高光波在多波导交叉器件内的传输有效性。
进一步，每组反射结构对的第一反射结构与所述第二反射结构的反射面的焦点重合，可以有效地控制光波的扩散程度，有利于使得输入多波导交叉器件的光波的束腰半径与输出多波导交叉器件的光波的束腰半径相近，提高波导传输的有效性。
进一步，每组反射结构对中的第一反射结构以及第二反射结构呈中心对称，有助于使得两根波导传输的光波相交于多波导交叉器件的中心区域，更好地避免实体波导的影响。
进一步，所述多波导交叉器件可以集成于波导芯片中，且通过刻蚀沟槽对、填充反射结构对的步骤即可形成所述多波导交叉器件，无需额外的器件，工艺复杂度较低，且能够有效降低生产成本。
进一步，在形成波导芯片的过程中，可以在刻蚀波导层的步骤中，同时对填充波导的波导沟槽以及填充波导交叉器件的沟槽对进行刻蚀，降低生产成本。
附图说明
图1是本发明实施例中一种多波导交叉器件的结构示意图；
图2是本发明实施例中另一种多波导交叉器件的结构示意图；
图3是本发明实施例中一种波导芯片的剖面结构示意图；
图4是本发明实施例中一种波导芯片的形成方法的流程图。
具体实施方式
如前所述，在现有的双层刻蚀技术或MMI结构技术中，虽然解决了波导交叉基本需求，却面临着复杂的工艺难度或者波段需求受限严重等问题。
本发明的发明人经过研究发现，在现有技术中，双层刻蚀技术面临着复杂的工艺难度，需要精确控制两层光刻误差；MMI结构由于多模干涉效应，器件工作带宽受限，无法同时满足O、C波段需求。经过进一步研究还发现，双层刻蚀技术以及MMI结构技术均只能满足双通道波导交叉结构，而在面对大规模光子集成中对多通道场景下的多波导交叉问题时，工艺复杂度和生产成本较高。
在本发明实施例中，提供一种多波导交叉器件，包括：多组反射结构对，所述多组反射结构对与多根波导一一对应，每根波导被对应的反射结构对间隔为两部分且所述两部分之间具有间隔区域，任意两根波导传输的光波相交于所述两根波导共同的间隔区域内；其中，每组反射结构对包含第一反射结构以及第二反射结构，每组反射结构对中的第一反射结构用于从对应波导的第一部分接收光波，并将所述光波的至少一部分反射至第二反射结构，所述第二反射结构将接收到的光波全部或部分反射至所述对应波导的第二部分。采用上述方案，通过设置多组反射结构对间隔开多根波导，任意两根波导传输的光波相交于所述两根波导共同的间隔区域内，每组反射结构对将对应的波导的第一部分的光波反射至第二部分，可以实现波导交叉功能，且由于在两根波导光波的交叉位置，并没有实体波导，且理论上波导交叉串扰为零，从而有机会得到极低的波导交叉串扰，降低工艺复杂度。
为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
参照图1，图1是本发明实施例中一种多波导交叉器件的结构示意图。所述多波导交叉器件可以包括多组反射结构对。
具体地，所述多组反射结构对可以与多根波导一一对应，每根波导被对应的反射结构对间隔为两部分且所述两部分之间具有间隔区域，任意两根波导传输的光波相交于所述两根波导共同的间隔区域内。
以图1示出的反射结构对11以及波导12为例，波导12被对应的反射结构对11间隔为两部分121以及122，且所述两部分之间具有间隔区域。
需要指出的是，如果还存在另一组具有对应关系的反射结构对以及波导，则另一组波导与波导12传输的光波相交于所述两根波导共同的间隔区域内。具体地，每组反射结构对可以包含第一反射结构111以及第二反射结构112，每组反射结构对中的第一反射结构111用于从对应波导的第一部分121接收光波，并将所述光波的至少一部分反射至第二反射结构112，所述第二反射结构112将接收到的光波全部或部分反射至所述对应波导的第二部分122。
在光波的传输过程中，如虚线所示，从波导的第一部分121接收的光波由于没有实体波导约束，开始扩散，经过第一反射结构111反射后，聚焦到焦点O，通过焦点O之后，开始扩散，在第二反射结构112反射后再次聚焦，进入波导的第二部分122。
在本发明实施例中，通过设置多组反射结构对间隔开多根波导，任意两根波导传输的光波相交于所述两根波导共同的间隔区域内，每组反射结构对将对应的波导的第一部分121的光波反射至第二部分122，可以实现波导交叉功能，且由于在两根波导光波的交叉位置，并没有实体波导，且理论上波导交叉串扰为零，从而有机会得到极低的波导交叉串扰，降低工艺复杂度。
进一步地，所述第一反射结构111以及所述第二反射结构112的反射面与截面的相交线可以选自以下一种或多种图形的一部分：圆形、椭圆形、抛物线形，所述截面平行于所述光波的传输方向。
具体而言，所述第一反射结构111以及所述第二反射结构112可视为弧形反射板，所述弧形反射板的厚度可以是一致的，例如是通过填充材料至弧形反射狭缝中形成；所述弧形反射板具有反射面。
在平行于所述光波传输方向对所述第一反射结构111以及所述第二反射结构112进行截取，得到截面，反射面与截面相交形成相交线。
需要指出的是，所述光波传输方向为排除所述光波的折射、衍射效果之后，所得到的光波传输的主方向。在本发明实施例的一种具体实施方式中，所述波导交叉器件集成于波导芯片中，所述波导芯片包括半导体衬底和波导层，所述光波传输方向为平行于半导体衬底表面的方向。
其中，所述相交线可以为弧线，所述弧线具有焦点，以对扩散的光波进行聚焦，例如可以选自具有焦点的图形的一部分。
更进一步地，所述第一反射结构以及所述第二反射结构的反射面与截面的相交线选自以下一种或多种图形的一部分：圆形、椭圆形、抛物线形，所述截面平行于所述光波的传输方向。
在本发明实施例中，每组反射结构对的第一反射结构111以及第二反射结构112的反射面与截面的相交线为弧线，有助于对传输过程中扩散的光波进行约束，提高光波在多波导交叉器件内的传输有效性。
更进一步地，每组反射结构对的第一反射结构111与所述第二反射结构112的反射面的焦点可以重合。
在本发明实施例中，每组反射结构对的第一反射结构111与所述第二反射结构112的反射面的焦点重合，可以有效地控制光波的扩散程度，有利于使得输入多波导交叉器件的光波的束腰半径(Waist Radius，又称为腰束半径)与输出多波导交叉器件的光波的束腰半径相近，提高波导传输的有效性。
进一步地，每组反射结构对中的第一反射结构111以及第二反射结构112可以呈中心对称。
具体地，如图1示出的第一反射结构111以及第二反射结构112呈中心对称，且中心点为重合的焦点O。
在本发明实施例中，每组反射结构对中的第一反射结构111以及第二反射结构112呈中心对称，有助于使得两根波导传输的光波相交于多波导交叉器件的中心区域，更好地避免实体波导的影响。
进一步地，所述第一反射结构111以及所述第二反射结构112的反射面内侧可以填充有氧化硅或气体，以及在所述第一反射结构111的反射面形成全反射界面，以及在所述第二反射结构112的反射面形成全反射界面。
需要指出的是，在本发明实施例的一种具体实施方式中，可以通过填充材料至弧形反射狭缝中形成所述反射结构对11，例如可以填充氧化硅材料，还可以直接在所述弧形反射狭缝上方进行后续工艺，对所述弧形反射狭缝进行封口，以封存环境气体进入所述弧形反射狭缝，从而使得所述第一反射结构111以及所述第二反射结构112的反射面内侧为所述环境气体(例如为空气)。
可以理解的是，在满足一定条件的情况下，可以实现在所述第一反射结构111的反射面形成全反射界面，以及在所述第二反射结构112的反射面形成全反射界面。
具体地，全反射界面构成的方法可以包括两种：光由光密介质向光疏介质传输或者利用周期性光栅结构形成。例如可以根据光栅布拉格方程推导，满足全反射条件的光栅周期和入射角度的关系。
在一种非限制性的具体实施例中，可以通过设置周期性结构反射对，以实现全反射。具体的，周期性结构光栅周期应满足避免产生任意高阶的传输方向或反射方向的衍射光，以提高反射光的效率。同时，应满足1>sin(θ)>navg/nin，其中θ是入射光场的角度，navg是周期光栅结构材料的等效折射率，nin是光输入平面的材料的折射率。
参照图2，图2是本发明实施例中另一种多波导交叉器件的结构示意图。所述另一种多波导交叉器件包括第一组反射结构对11以及第二组反射结构对21。
其中，反射结构对11与波导12一一对应，反射结构对21与波导22一一对应，波导12被反射结构对11间隔为两部分且所述两部分之间具有间隔区域，波导22被反射结构对21间隔为两部分且所述两部分之间具有间隔区域，波导12以及波导22传输的光波相交于所述两根波导共同的间隔区域内。
每组反射结构对包含第一反射结构以及第二反射结构，每组反射结构对中的第一反射结构用于从对应波导的第一部分接收光波，并将所述光波的至少一部分反射至第二反射结构，所述第二反射结构将接收到的光波全部或部分反射至所述对应波导的第二部分。
进一步地，所述多组反射结构对之间的第一反射结构的反射面的焦点重合。
具体地，反射结构对11的第一反射结构的反射面的焦点为O，以及反射结构对21的第一反射结构的反射面的焦点为O。
更进一步地，每组反射结构对的第一反射结构与所述第二反射结构的反射面的焦点重合。
具体地，反射结构对11的第一反射结构的反射面的焦点以及第二反射结构的反射面的焦点均为O，以及反射结构对21的第一反射结构的反射面的焦点以及第二反射结构的反射面的焦点均为O。
在本发明实施例中，通过设置多组反射结构对之间的第一反射结构的反射面的焦点重合，有助于使得两根波导传输的光波相交于多波导交叉器件的中心区域，更好地避免实体波导的影响。
更进一步地，每组反射结构对中的第一反射结构以及第二反射结构呈中心对称。
更进一步地，各组反射结构对中的第一反射结构以及第二反射结构的对称点重合。
如图2所示的反射结构对11中的第一反射结构以及第二反射结构的对称点为O，反射结构对21中的第一反射结构以及第二反射结构的对称点也为O，各组反射结构对中的第一反射结构以及第二反射结构的对称点重合。
在本发明实施例中，通过设置各组反射结构对中的第一反射结构以及第二反射结构的对称点重合，有助于使得两根波导传输的光波相交于多波导交叉器件的中心区域，更好地避免实体波导的影响。
可以理解的是，在本发明实施例的具体实施中，还可以设置多波导交叉器件包括两组以上的反射结构对，例如三组、四组……，本发明实施例中对于具体的反射结构对的数量不做限制。
结合参照图3和图4，图3是本发明实施例中一种波导芯片的剖面结构示意图，图4是本发明实施例中一种波导芯片的形成方法的流程图。
具体地，所述波导芯片的形成方法可以包括步骤S41至步骤S45：
步骤S41：提供半导体衬底；
步骤S42：在所述半导体衬底的表面形成波导层；
步骤S43：刻蚀所述波导层，以得到多个波导沟槽以及多个沟槽对，每个沟槽对包括两个沟槽，所述多个沟槽对与所述多根波导具有一一对应关系，所述沟槽对位于所述波导层内，且每个沟槽对位于对应的波导的两部分之间的间隔区域内；
步骤S44：在所述多个波导沟槽内填充多根波导，每根波导被间隔为两部分且所述两部分之间具有所述间隔区域；
步骤S45：在所述多个沟槽对内填充上述的波导交叉器件的各组反射结构对。
具体地，参照图3，提供半导体衬底300，在所述半导体衬底300的表面形成波导层310。
具体地，所述半导体衬底300可以为半导体原始衬底以及氧化硅层的堆叠层，所述半导体原始衬底可以为硅衬底，或者锗、锗化硅、碳化硅、砷化镓或镓化铟等适当的材料，所述半导体原始衬底还可以为绝缘体表面的硅衬底或者绝缘体表面的锗衬底，或者是生长有外延层(Epitaxy layer，Epi layer)的衬底。
所述波导层可以为硅(Si)材料层，还可以为其他适当的波导材料层，例如氮化硅(SiN)材料。
进一步地，刻蚀所述波导层310，以得到多个波导沟槽(图未示)以及多个沟槽对312，每个沟槽对312包括两个沟槽，所述多个沟槽对312与多根波导(图未示)具有一一对应关系，所述沟槽对312可以位于所述波导层内，且每个沟槽对312位于对应的波导的两部分之间的间隔区域内。
在本发明实施例中，在形成波导芯片的过程中，可以在刻蚀波导层的步骤中，同时对填充波导的波导沟槽以及填充波导交叉器件的沟槽对312进行刻蚀，降低生产成本。
进一步地，在所述多个波导沟槽内填充多根波导，每根波导被间隔为两部分且所述两部分之间具有所述间隔区域；在所述多个沟槽对312内填充上述波导交叉器件的各组反射结构对311。
进一步的，在所述间隔区域内不填充冗余图案。
具体地，在芯片版图上的空白的区域中，常常会大规模填充规则形状图案占据空间，称之为冗余图案(dummy pattern)。在本申请实施例中，由于需要利用空白区域完成电磁场自由传输，所以在间隔区域内禁止填充冗余图案。
在本发明实施例中，还公开了一种波导芯片，参照图3，包括：半导体衬底300；波导层310，位于所述半导体衬底300的表面；多个波导沟槽，位于所述波导层310内；多根波导，分别位于所述波导沟槽内，每根波导被间隔为两部分且所述两部分之间具有间隔区域；多个沟槽对312，每个沟槽对312包括两个沟槽，所述多个沟槽对312与所述多根波导具有一一对应关系，所述沟槽对312位于所述波导层310内，且每个沟槽对312位于对应的波导的两部分之间的间隔区域内；波导交叉器件，所述波导交叉器件的各组反射结构对311分别填充于所述沟槽对312内。
进一步地，所述沟槽为狭缝状，且垂直于所述半导体衬底300的表面。
其中，所述沟槽对312中的沟槽的形状可以参照图1示出的反射结构对311。
进一步地，所述波导交叉器件穿通所述波导层310，且底部表面与所述波导层310的底部表面齐平，顶部表面与所述波导层310的顶部表面齐平。
进一步地，所述波导交叉器件的反射面内侧可以填充有氧化硅或气体，以及在所述反射面形成全反射界面。
在本发明实施例中，所述多波导交叉器件可以集成于波导芯片中，且通过刻蚀沟槽对、填充反射结构对的步骤即可形成所述多波导交叉器件，无需额外的器件，工艺复杂度较低，且能够有效降低生产成本。
关于该波导芯片的原理、具体实现和有益效果请参照前文描述的关于波导芯片的形成方法的相关描述，此处不再赘述。
需要指出的是，在本发明实施例中，还可以包括形成所述波导芯片的后续器件层的工艺步骤，本发明实施例对于后续工艺不做限制。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (7)

1.一种多波导交叉器件，其特征在于，包括：
多组反射结构对，所述多组反射结构对与多根波导一一对应，每根波导被对应的反射结构对间隔为两部分且所述两部分之间具有间隔区域，任意两根波导传输的光波相交于所述两根波导共同的间隔区域内；
其中，每组反射结构对包含第一反射结构以及第二反射结构，每组反射结构对中的第一反射结构用于从对应波导的第一部分接收光波，并将所述光波的至少一部分反射至第二反射结构，所述第二反射结构将接收到的光波全部或部分反射至所述对应波导的第二部分；
其中，每组反射结构对中的第一反射结构以及第二反射结构呈中心对称；
各组反射结构对中的第一反射结构以及第二反射结构的对称点重合；
其中，所述第一反射结构以及所述第二反射结构的反射面与截面的相交线为弧线，所述弧线具有焦点，所述截面平行于所述光波的传输方向；
每组反射结构对的第一反射结构与所述第二反射结构的反射面的焦点重合；
所述多组反射结构对之间的第一反射结构的反射面的焦点重合。
2.根据权利要求1所述的多波导交叉器件，其特征在于，所述第一反射结构以及所述第二反射结构的反射面与截面的相交线选自以下一种或多种图形的一部分：圆形、椭圆形、抛物线形。
3.根据权利要求1所述的多波导交叉器件，其特征在于，所述第一反射结构以及所述第二反射结构的反射面内侧填充有氧化硅或气体，以及在所述第一反射结构的反射面形成全反射界面，以及在所述第二反射结构的反射面形成全反射界面。
4.一种波导芯片，其特征在于，包括：
半导体衬底；
波导层，位于所述半导体衬底的表面；
多个波导沟槽，位于所述波导层内；
多根波导，分别位于所述波导沟槽内，每根波导被间隔为两部分且所述两部分之间具有间隔区域；
多个沟槽对，每个沟槽对包括两个沟槽，所述多个沟槽对与所述多根波导具有一一对应关系，所述沟槽对位于所述波导层内，且每个沟槽对位于对应的波导的两部分之间的间隔区域内；
如权利要求1至3任一项所述的多波导交叉器件，所述多波导交叉器件的各组反射结构对分别填充于所述沟槽对内。
5.根据权利要求4所述的波导芯片，其特征在于，所述沟槽对中的沟槽为狭缝状，且垂直于所述半导体衬底的表面。
6.根据权利要求4所述的波导芯片，其特征在于，所述多波导交叉器件穿通所述波导层，且底部表面与所述波导层的底部表面齐平，顶部表面与所述波导层的顶部表面齐平。
7.一种波导芯片的形成方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底；
在所述半导体衬底的表面形成波导层；
刻蚀所述波导层，以得到多个波导沟槽以及多个沟槽对，每个沟槽对包括两个沟槽，所述多个沟槽对与多根波导具有一一对应关系，所述沟槽对位于所述波导层内，且每个沟槽对位于对应的波导的两部分之间的间隔区域内；
在所述多个波导沟槽内填充多根波导，每根波导被间隔为两部分且所述两部分之间具有所述间隔区域；
在所述多个沟槽对内填充如权利要求1至3任一项所述的多波导交叉器件的各组反射结构对。
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