CN114280724A - 一种硅光三维集成光谱仪及其光学芯片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种硅光三维集成光谱仪及其光学芯片的制备方法，涉及光谱仪技术领域，能够通过将三维光学耦合器阵列置于硅光芯片之上，节省大量的芯片面积，提高集成度，且使直接照射采光成为可能，提高耦合效率；该光谱仪包括由若干三维光学耦合器组成的耦合器阵列以及由若干光电探测器组成的光电探测器阵列；所述三维光学耦合器包括依次耦合连接的底层硅光芯片和竖直微环(VμRC)，用于将波长与其共振耦合波长匹配的入射光耦合进耦合器中并通过底层硅光芯片的硅光波导传输给对应的光电探测器；所述光电探测器用于实现对入射光光谱的探测；所述耦合器阵列中不同三维光学耦合器的共振耦合波长呈渐变设计。
Description
技术领域
本发明涉及光谱仪技术领域，尤其涉及一种硅光三维集成光谱仪及其光学芯片的制备方法。
背景技术
传统光谱仪为了提高检测精度，通常需要增加自由空间光程长度，使得整个光谱仪的体积和重量都很大，基本上不可能便携。同时由于传统光谱仪中包含许多活动的机械部件和众多自由空间光学组件，其调试和维护成本均居高不下。集成光学尤其是硅基集成光学可以很好的克服传统光谱仪的许多不足。
目前学术界公开报道过的硅光集成光学光谱仪方案主要有以下三种：一是利用硅光阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating)，二是利用平面谐振腔滤波器阵列，三是利用傅里叶变换法来实现微型光谱仪。这些方案均使用传统的二维平面硅光结构，在实际的制造和使用中各有其优缺点。
基于色散效应的光谱仪，例如硅光AWG光谱仪，为了使得不同波长的信号光在空间上分离开，分光组件需要保持较长的光学路径，所以其物理尺寸较大，系统集成度不可能太高。
基于平面谐振腔滤波器阵列的光谱仪，通常需要先将待测光信号导入光纤，再通过端面耦合的方式导入到硅光波导中，其后通过波导与谐振腔滤波器进行耦合滤波。入射光到光纤耦合需要额外的设备，光纤到硅光波导的端面耦合也需要非常复杂和繁琐的对准过程。因此系统的复杂性和可靠性都会降低。这种信号光端面耦合的方式极大地限制了该系统的便携性。如果采用直接照射法，平面的硅光芯片会将绝大部分光反射，耦合效率会非常低。同时，由于谐振腔滤波器和硅光波导处于同一器件平面，会占据很大的硅光芯片面积，也会相应的降低系统的集成度。
傅里叶变换光谱仪需要使用一系列干涉元件(例如马赫-曾德尔干涉仪，MZI)或者位相调制元件，系统的复杂性较高，同样要占用的较大的芯片面积，而且系统的稳定性、可靠性等都不如全被动式的光谱仪。
因此，有必要研究一种新型硅光三维集成光谱仪及光学芯片的制备方案来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种硅光三维集成光谱仪及其光学芯片的制备方法，能够通过将三维光学耦合器阵列置于硅光芯片之上，节省大量的芯片面积，提高集成度，且使直接照射采光成为可能，提高耦合效率。
一方面，本发明提供一种硅光三维集成光谱仪，所述光谱仪包括由若干三维光学耦合器组成的耦合器阵列以及由若干光电探测器组成的光电探测器阵列；
所述三维光学耦合器包括依次耦合连接的底层硅光芯片和竖直微环，用于将波长与其共振耦合波长匹配的入射光耦合进耦合器中并通过底层硅光芯片的硅光波导传输给对应的光电探测器；
所述光电探测器用于实现对入射光光谱的探测。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述耦合器阵列中不同三维光学耦合器的共振耦合波长呈渐变设计。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述三维光学耦合器的共振耦合波长由所述竖直微环的物理参数和/或结构参数决定。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述物理参数包括竖直微环的有效折射率；所述结构参数包括微管半径或直径，以及竖直微环的厚度和宽度。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，同一所述三维光学耦合器下的不同传输方向的硅光波导通过Y形合波器与对应的光电探测器连接。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述三维光学耦合器的具体结构从下到上依次包括：
底层硅光芯片衬底，包括硅衬底和二氧化硅绝缘层；
底层平整化层以及嵌设于所述底层平整化层内的硅光波导；
与所述硅光波导正交设置的氮化硅竖直微管和其两端的支撑结构；
所述氮化硅竖直微管内设有所述竖直微环，所述竖直微环与所述硅光波导耦合连接。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述竖直微环与所述硅光波导之间具有间隙。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述氮化硅竖直微管的两端分别设有支撑结构，所述支撑结构的上下两端分别与所述底层平整化层直接接触连接。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述硅光波导的宽度与所述竖直微环的轴向长度一致。
另一方面，本发明提供一种硅光三维集成光谱仪光学芯片的制备方法，所述制备方法用于制备如上任一所述光谱仪中的三维光学耦合器；
所述方法的步骤包括：
S1、制备底层硅光集成芯片；所述底层硅光集成芯片包括底层硅光芯片衬底以及硅光波导；
S2、在所述底层硅光集成芯片上旋涂底层平整化层；
S3、在所述底层平整化层上依次制备锗薄膜牺牲层、双层氮化硅薄膜层以及用于提供轴向光学限制的硅薄膜层；所述锗薄膜牺牲层、所述双层氮化硅薄膜层以及所述硅薄膜层均依次处于所述底层硅光集成芯片的硅光波导正上方；
S4、用化学刻蚀的方式刻蚀掉所述锗薄膜牺牲层，同时所述双层氮化硅薄膜层在所述硅薄膜的限制下通过自组织形成氮化硅竖直微管以及其内的竖直微环；
所述硅光波导和所述竖直微环正交。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，通过基于经验的公式和数值仿真相结合的方式，从理论上预测每个竖直微环的耦合波长，并在光刻制版时，选择将耦合器阵列中相邻的竖直微环的耦合波长尽量拉大。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，在所述耦合器阵列制备完成以后，使用可调谐激光光源对每一个竖直微环的耦合波长和响应函数进行校准，并将信息存储至光谱仪的微处理器(MCU)中；
当入射光照射到光谱仪的竖直微环阵列上时，通过对应的光电探测器读出数据，结合存储的相应耦合器的耦合波长和响应函数，计算出入射光的光谱信息。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述双层氮化硅薄膜层为U形。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述硅光波导的宽度与硅薄膜层的宽度相同。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，步骤S1中制备底层硅光集成芯片时采用标准硅光工艺来实现。
与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明使用二维平面制造工艺，最终实现三维光学集成的方式，将谐振腔滤波器阵列置于硅光芯片之上，节省了大量的芯片面积，便于提高系统的集成度；
上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明竖直微环的三维立体结构使得直接照射法的采光方案成为可能；入射光和从硅光芯片表面的反射光都能够充分地与竖直微环相互作用，作用距离增加，从而大大提高光的耦合效率；
上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：底层的硅光芯片上可以通过光路设计，使得每个竖直微环收集到的信号光在耦合进入硅光波导以后，无论是朝着波导的哪个方向传输都能抵达同样的光电探测器单元，从而提高系统的整体灵敏度。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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它的附图。
图1是本发明一个实施例提供的基于竖直硅光微环的三维集成光学光谱仪内部结构示意图；
图2是本发明一个实施例提供的氮化硅竖直微管制备图；其中，(a)为竖直硅光微环自组织前的平面结构俯视图；(b)为竖直硅光微环自组织前的侧视图(沿着氮化硅薄膜自组织的卷起方向)；(c)为竖直硅光微环自组织后与平面硅光波导耦合的侧视图；(d)为使用光刻掩膜制备的自组织前，竖直硅光微环的平面薄膜阵列掩膜图，每个相应的薄膜模块(深色薄膜条)的长度略有差异，从而使得最终制备的竖直微环共振耦合波长也相应的发生变化。
其中，图中：
1、双层氮化硅薄膜；2、用于定义竖直微环的硅薄膜；3、氮化硅竖直微管：4、支撑结构；5、硅光波导；6、二氧化硅绝缘层；7、硅衬底；8、Y形合波器。
具体实施方式
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅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做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的基本物理思想和使用平面谐振腔滤波器阵列类似，但是本发明的方案使用了三维集成的方法，有利于提高系统的集成度，并且避免了使用需要精确对准的片外光源到硅光波导的端面耦合方案，从而大大降低了系统的复杂性，提高了系统使用的便利性。
硅光竖直微环耦合器(Vertical Micro Ring Coupler，VμRC)，使用与CMOS制备工艺完全匹配的制造方案，在硅基波导上方，通过光刻定位，等离子体增强的化学气相外延法(PECVD)生长内应力相反的双层氮化硅(SiNx)薄膜，该双层膜被化学释放后在反向内应力驱动下形成环形氮化硅结构，其环形轴心方向与下方的硅光波导正交。这是一种通过二维标准制备工艺生成三维立体结构的方案。
该竖直微环与其下的硅光波导形成三维光学耦合器件。当入射光照射到VμRC上时，只有当入射光的波长与VμRC的共振耦合波长匹配时，信号光才会被耦合进入VμRC，并进一步地耦合到其下方的硅光波导中，最后通过硅光波导传输到相应的光电探测器。VμRC的共振耦合波长可非常容易地通过改变其结构参数(微环的半径)来精确控制。当使用VμRC阵列，并系统性的微调每一个VμRC的结构参数时，可以实现对于一系列特定波长的同时探测，并将探测结果融合后即可获得入射光的光谱信息。
由于竖直微环是通过光刻的方式定义，因此可以使用定制的模板一次性制备很多个竖直微环。每个竖直微环卷起后的直径可以通过控制其原始的双层薄膜条的长度来调节。由于竖直微环的共振耦合波长与其结构参数密切相关，不同直径的VμRC对应的耦合波长也不一样。同时，由于VμRC是一个谐振腔，其耦合带宽很窄，每个VμRC可以被视为一个陷波器(nortch filter)。竖直微环耦合器是通过共振耦合原理与其上方和下方的波导进行耦合的。耦合波长由竖直微环的物理参数(如有效折射率)和结构参数(如微环的半径)决定的。对于入射光谱而言，与每个VμRC的耦合就相当于对于某一个特定波长信号进行采样。使用耦合波长渐变的二维VμRC阵列，就可以在不同的波长点对于入射光谱进行采样，然后通过将所有波长采样值进行数据融合就可以获得精确的入射光谱。比如使VμRC共振耦合波长的自由光谱区间接近100纳米，而且还可以通过改进工艺细节和材料特性进一步优化。
为了最大限度的将竖直微环内收集到的入射光信号传输到相应的光电探测器，在每个竖直微环下方的硅光波导向不同方向传输通道会通过一个Y形合波器8(Y-branchcombiner)合并后传向同一个光电探测器。其最终效果如图1所示。此处的Y形合波器是指两路合一路的合波效果，而并非严格意义的Y形的形状。为了最大限度地避免相邻的竖直微环耦合器之间的相互串扰，可以通过基于经验的公式和数值仿真相结合的方式，从理论上预测每个竖直微环耦合器的耦合波长，并在光刻制版时，选择将二维阵列中相邻的竖直微环耦合器的耦合波长尽量拉大。
在二维竖直微环耦合器阵列制备完成以后，可以使用可调谐激光光源对于每一个竖直微环耦合器的耦合波长，λi，和响应函数，f(λi)，进行校准。并将信息存储至光谱仪的微处理器(MCU)中。此后，当入射光照射到光谱仪的竖直微环耦合器阵列上时，便可以通过每个光电探测器的读出数据，结合每个竖直微环耦合器的耦合波长和响应函数，精确地计算出入射光的光谱信息。
在优势方面，本发明使用与CMOS工艺完全匹配的二维平面制造工艺，最终实现三维光学集成的方式，将谐振腔滤波器阵列置于硅光芯片之上，节省了大量的芯片面积，便于提高系统的集成度。相较于基于AWG、平面MZI阵列或平面微环阵列的微型光谱仪，本发明最终的系统形态可以更加小型化，更加便于作为子系统与现有的智能设备集成在一起。同时，VμRC的三维立体结构使得直接照射法的采光方案成为可能。入射光和从硅光芯片表面的反射光都能够充分地与VμRC相互作用，作用距离增加，从而大大提高光的耦合效率。由于避免了前面提到的各种基于二维结构的微型光谱仪复杂的入射光端面耦合方式，整个系统可适用的工作条件更加广泛，系统的复杂性大大降低，更利于便携式应用场景。底层的硅光芯片上可以通过光路设计，使得每个VμRC收集到的信号光在耦合进入硅光波导以后，无论是朝着波导的哪个方向传输都能抵达同样的光电探测器单元，从而提高系统的整体灵敏度。由于整个光谱探测系统均采用被动式的集成光学原件(除末端的光电探测器外)，整体能耗更低。由于系统内没有任何活动的机械部件，整体的稳定性、可靠性和可维护性比基于MEMS的微型光谱仪更高。
上述的硅光竖直微环的制备方法利用的是标准的CMOS二维平面生产工艺和具有反向内应力的双层氮化硅薄膜的自组织效应。竖直微环耦合器的制备方案以及其与底层硅基波导的单片集成方法通常包含以下几个主要步骤：
1)以标准硅光工艺制备底层硅光集成芯片；
2)在硅光集成芯片上完全覆盖旋涂玻璃(SOG)层并通过离子束刻蚀(RIE)均匀减薄至合适的厚度(通常保证硅光波导正上方的SOG层厚度约为100nm，可根据实际情况调整)，在硅光集成芯片上方构建平整化层以便于后续的双频PECVD氮化硅薄膜沉积和竖直微环的自组织制备；
3)通过光刻的方式，在硅光波导正上方定义锗薄膜牺牲层和U形的双层氮化硅薄膜1和提供轴向光学限制的硅薄膜2；
4)化学刻蚀掉锗薄膜牺牲层，其上的双层氮化硅薄膜就会通过自组织形成竖直微管以及两侧的支撑结构4。精确的光刻定位确保了双层氮化硅薄膜形成竖直微环处于硅光波导的正上方，同时竖直微环自动卷起的轴向与硅光波导保持正交。
制备的三维光学耦合器的具体结构如图2所示，从下到上依次包括：
底层硅光芯片衬底，包括硅衬底7和二氧化硅绝缘层6；
底层平整化层以及嵌设于所述底层平整化层内的硅光波导5；
与所述硅光波导正交设置的氮化硅竖直微管3以及两端的支撑结构4；
所述氮化硅竖直微管内设有竖直微环耦合器，所述竖直微环耦合器与所述硅光波导耦合连接。
竖直微环耦合器是通过共振耦合原理与其下方的硅光波导进行耦合的。耦合波长由竖直微环的物理参数(如有效折射率)和结构参数(如微环的半径)决定的。为了支持常用光学通信系统的多波长，多信道的信息传输能力，竖直微环耦合器的耦合波长可调将会大大提升集成光学芯片的性能(如通过波分复用系统提高总通讯数据带宽)和整个系统设计的灵活性，还能够满足不同波长入射光耦合的要求。
以上对本申请实施例所提供的一种新型硅光三维集成光谱仪光学芯片的制备方案，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。
Claims (9)
1.一种硅光三维集成光谱仪，其特征在于，所述光谱仪包括由若干三维光学耦合器组成的耦合器阵列以及由若干光电探测器组成的光电探测器阵列；
所述三维光学耦合器包括依次耦合连接的底层硅光芯片和竖直微环，用于将波长与其共振耦合波长匹配的入射光耦合进耦合器中并通过底层硅光芯片的硅光波导传输给对应的光电探测器；
所述光电探测器用于实现对入射光光谱的探测。
2.根据权利要求1所述的硅光三维集成光谱仪，其特征在于，所述耦合器阵列中不同三维光学耦合器的共振耦合波长呈渐变设计。
3.根据权利要求2所述的硅光三维集成光谱仪，其特征在于，所述三维光学耦合器的共振耦合波长由所述竖直微环的物理参数和/或结构参数决定。
4.根据权利要求3所述的硅光三维集成光谱仪，其特征在于，所述物理参数包括竖直微环的有效折射率。
5.根据权利要求3所述的硅光三维集成光谱仪，其特征在于，所述结构参数包括竖直微环的半径或直径，以及竖直微环的厚度和宽度。
6.根据权利要求1所述的硅光三维集成光谱仪，其特征在于，同一所述三维光学耦合器下的不同传输方向的硅光波导通过Y形合波器与对应的光电探测器连接。
7.根据权利要求1所述的硅光三维集成光谱仪，其特征在于，所述三维光学耦合器的具体结构从下到上依次包括：
底层硅光芯片衬底；
底层平整化层以及嵌设于所述底层平整化层内的硅光波导；
与所述硅光波导正交设置的氮化硅竖直微管和其两端的支撑结构；
所述氮化硅竖直微管内设有所述竖直微环，所述竖直微环与所述硅光波导耦合连接。
8.根据权利要求7所述的硅光三维集成光谱仪光学芯片的制备方法，其特征在于，所述竖直微环与所述硅光波导之间具有间隙。
9.一种硅光三维集成光谱仪光学芯片的制备方法，其特征在于，所述制备方法用于制备如权利要求1-8任一所述光谱仪中的三维光学耦合器；
所述方法的步骤包括：
S1、制备底层硅光集成芯片；所述底层硅光集成芯片包括底层硅光芯片衬底以及硅光波导；
S2、在所述底层硅光集成芯片上旋涂底层平整化层；
S3、在所述底层平整化层上依次制备锗薄膜牺牲层、双层氮化硅薄膜层以及用于提供轴向光学限制的硅薄膜层；所述锗薄膜牺牲层、所述双层氮化硅薄膜层以及所述硅薄膜层均依次处于所述底层硅光集成芯片的硅光波导正上方；
S4、用化学刻蚀的方式刻蚀掉所述锗薄膜牺牲层，同时所述双层氮化硅薄膜层在所述硅薄膜的限制下通过自组织形成氮化硅竖直微管以及其内的竖直微环；
所述硅光波导和所述竖直微环正交。
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