CN114994833A - 波导及包含其的激光器 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例涉及波导及包含其的激光器。根据本申请的一些实施例，一种波导，其包括：芯层；以及位于芯层上方的上包层；其中所述上包层的上表面包括台阶式表面，所述台阶式表面沿着光传输的方向包括：第一表面；斜表面；以及第二表面，其中所述斜表面自所述第一表面斜向下延伸到所述第二表面，其中所述台阶式表面用于由所述波导出射的光能够通过倏逝波耦合经由所述第三波导传输到所述第二波导。本申请实施例提供的波导及包含其的激光器可有效解决传统技术中遇到的问题。
Description
技术领域
本申请实施例大体上涉及半导体技术领域，更具体地，涉及波导及包含其的激光器。
背景技术
光芯片的小型化低成本等要求光源、光路和探测器等组件的集成，通过减小耦合损耗以减小芯片能耗、提高芯片性能等也要求有源器件和无源器件的低损耗集成。对于激光器与(基于硅或铌酸锂等)无源波导芯片的耦合，目前采用较多的是如下一些方式：独立的激光器芯片为端面出射，使用某种模斑转换结构将其出射端面与光纤端面进行耦合，激光沿着光纤传输到光纤另一端端面出射，再通过芯片上的垂直光纤耦合器进入芯片上的无源波导中；激光器直接端面出射，光束通过透镜聚焦成较小的模斑后直接端面耦合入射进芯片的无源波导，波导端面可以设置端面耦合器以减小对准要求和耦合损耗，在激光器和芯片之间通常还要设置光隔离器以防止光反射进入激光器，或者在波导端面设置有一定的倾角以避免光线的原路返回。这两种方式中，最终的耦合损耗还是很大(一般大于5dB)，而且集成度不高。目前还有一种处于研究阶段的方案是激光器的异质生长，所谓的heterogeneous integration，通过在硅或二氧化硅等材料上异质生长III-V族等材料制备激光器，但是由于晶格失配以及热应力不匹配等问题，目前技术不甚成熟，一般所得激光器功率较低(mW水平)，明显低于晶格匹配的III-V激光器(百mW水平)，对功率要求较高的情况还不适用。
因此，本申请提出一种波导及包含其的激光器。
发明内容
本申请实施例的目的之一在于提供一种波导及包含其的激光器，与传统的方法与结构相比，其可显著提升工艺效率与产品良率，同时减少光损耗。
本申请的一实施例提供一种波导，其包括：芯层；以及位于芯层上方的上包层；其中上包层的上表面包括台阶式表面，该台阶式表面沿着光传输的方向包括：第一表面；斜表面；以及第二表面，其中斜表面自第一表面斜向下延伸到第二表面；台阶式表面用于由波导出射的光能够通过倏逝波耦合经由第三波导传输到第二波导。
本申请的另一实施例提供一种光学组件，例如激光器，其包括上述波导。
本申请的再一实施例还提供一种光学组件，其包括：上述波导；位于波导上方的第二波导；以及位于波导和第二波导中间的第三波导；其中第三波导位于波导的第二表面的上方，使得由波导出射的光能够通过倏逝波耦合经由第三波导传输到第二波导。
根据本申请的一些实施例，其中第三波导包括：左端，其下表面用于耦接波导；以及右端，其与左端相对，且左端的上表面的至少一部分耦接第二波导。
根据本申请的一些实施例，其中第三波导的左端的第一部分的厚度沿着第一波导的长度方向渐增。
根据本申请的一些实施例，邻近左端的第一部分的第二部分具有相同的厚度。
根据本申请的一些实施例，其中右端的厚度沿着第一波导的长度方向递减。
根据本申请的一些实施例，左端和所述右端之间的距离接近为零。
根据本申请的一些实施例，第三波导是非晶硅波导。
与现有技术相比，本申请实施例提供的波导及包含其的激光器有望替代传统的结构，通过宽波导与宽波导的对准键合、使用高折射率的波导实现高折射率激光器中激光以很小的损耗倏逝波耦合到低折射率材料的波导中，不仅提高了产品良率，还有效减少了光耦合损耗。
附图说明
在下文中将简要地说明为了描述本申请实施例或现有技术所必要的附图以便于描述本申请的实施例。显而易见地，下文描述中的附图仅只是本申请中的部分实施例。对本领域技术人员而言，在不需要创造性劳动的前提下，依然可以根据这些附图中所例示的结构来获得其他实施例的附图。
图1为根据本申请一些实施例的波导20的侧面示意图。
图2为根据本申请另一些实施例的波导20的侧面示意图。
图3为根据本申请一些实施例的光学组件10的示意图。
图4和5为根据本申请另一些实施例的第四波导500的侧面示意图。
图6和7为根据本申请另一些实施例的光学组件10的示意图。
具体实施方式
为更好的理解本申请实施例的精神，以下结合本申请的部分优选实施例对其作进一步说明。
本申请的实施例将会被详细的描示在下文中。在本申请说明书全文中，将相同或相似的组件以及具有相同或相似的功能的组件通过类似附图标记来表示。在此所描述的有关附图的实施例为说明性质的、图解性质的且用于提供对本申请的基本理解。本申请的实施例不应该被解释为对本申请的限制。
如本文中所使用，术语“大致”、“大体上”、“实质”及“约”用以描述及说明小的变化。当与事件或情形结合使用时，所述术语可指代其中事件或情形精确发生的例子以及其中事件或情形极近似地发生的例子。举例来说，当结合数值使用时，术语可指代小于或等于所述数值的±10％的变化范围，例如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％、或小于或等于±0.05％。举例来说，如果两个数值之间的差值小于或等于所述值的平均值的±10％(例如小于或等于±5％、小于或等于±4％、小于或等于±3％、小于或等于±2％、小于或等于±1％、小于或等于±0.5％、小于或等于±0.1％、或小于或等于±0.05％)，那么可认为所述两个数值“大体上”相同。
在本说明书中，除非经特别指定或限定之外，相对性的用词例如：“垂直”、“侧面”、“上部”、“下部”以及其衍生性的用词(例如“上表面”等等)应该解释成引用在讨论中所描述或在附图中所描示的方向。这些相对性的用词仅用于描述上的方便，且并不要求将本申请以特定的方向建构或操作。
另外，有时在本文中以范围格式呈现量、比率和其它数值。应理解，此类范围格式是用于便利及简洁起见，且应灵活地理解，不仅包含明确地指定为范围限制的数值，而且包含涵盖于所述范围内的所有个别数值或子范围，如同明确地指定每一数值及子范围一般。
再者，为便于描述，“第一”、“第二”等等可在本文中用于区分一个部件或一系列部件的不同操作。“第一”、“第二”等等不意欲描述对应部件。
图1为根据本申请一些实施例的波导20的侧面示意图。
本申请提出一种波导20，其用于耦接位于其上方的第一波导100和位于其下方的第二波导200，使得光能够通过第一波导100经由倏逝波耦合传输到第二波导200。如图1所示，光可以在第一波导100中沿着长度方向a传播，经由倏逝波耦合进入波导20，再从波导20经由倏逝波耦合转移到第二波导200，使得光在第二波导200中沿长度方向a传播。
图2为根据本申请另一些实施例的波导20的侧面示意图。
在该实施例中，波导20可包括：左端25，其上表面用于耦接第一波导100；以及右端23，其与左端25相对，且右端23的下表面的至少一部分耦接第二波导200。其中波导的左端25的第一部分21的厚度沿着第一波导的长度方向渐增。使得光从第一波导100的表面进入波导20时发生倏逝波耦合传输到第二波导200。
根据本申请的一些实施例，邻近左端25的第一部分21的第二部分22可具有相同的厚度，右端23的厚度沿着第一波导的长度方向递减。
根据本申请另一些实施例，左端25和右端23之间的距离可接近为零，可进一步减少光损耗。
根据本申请另一些实施例，波导20具有高折射率，例如波导20是非晶硅波导。在该实施例中，Vertical taper结构的制备不需要电子束光刻或高端紫外光刻机，相比在横向上宽度减小的taper要求的细尖端的制备，可以大大减小对设备的要求并降低制备费用。
图3为根据本申请一些实施例的光学组件10的示意图。
本申请提出的光学组件10可包括第一波导100，第一波导的第一表面沿着第一波导的长度方向a包括：具有第一宽度的第一区域101；具有第二宽度的第二区域102，其中第二宽度大于第一宽度；第二波导200，其中第一波导100的第二区域102的至少一部分108与第二波导耦接，使得光能够从第一波导经由倏逝波耦合传输到第二波导200；以及第三波导20，其位于第一波导100和第二波导200之间，使得光能够从第一波导100经由倏逝波耦合传输到第二波导200。
第一波导100、第二波导200以及第三波导20可通过各自的宽区域，例如附图3中的区域108，对准安置，以在实际工艺中得到较大对准容差，有利于提升对准集成工艺中的产品良率。
图3上方所展示的是第一波导的第一表面的示意图，第一波导100的第一表面还可包括宽度渐变区，例如位于第一区域101右边的第二区域102还可包括宽度渐变区103和方形区108。通过对第一波导100的第一表面进行设计，使得通过该表面的光进入下面的波导时减少光耦合损耗。另一方面，通过设计较宽的区域，例如第一波导100的方形区108与第三波导20和第二波导200的宽区域，可在实际工艺中得到较大对准容差，有利于提升对准集成工艺中的产品良率。
而传统的端面耦合方法，需使用某种模斑转换结构将波导出射端面与第二波导，如光纤端面进行耦合，激光沿着光纤传输到光纤另一端端面出射，最终的耦合损耗还是很大(一般大于5dB)，而且集成度不高，且同时端面也需要处理到适合耦合的程度。相比而言，本申请提出的波导通过对表面进行设计，实现波导与位于其下方的波导之间的倏逝波耦合，通过波导表面的宽区域的设计减小了耦合对准的难度，提高了产品良率。
第一波导100的第一表面还可包括一或多个子区域110，其中子区域104的宽度沿着波导的长度方向a渐增，以产生绝热渐变的结构，可以将分支波导的宽度从微米级别绝热减小到很小的值，例如子区域可沿着波导的长度方向随其长度的增加线性递减，本文中将波导宽度随其长度递增而线性递减或递增的结构称为taper结构，例如图3中的A到B之间的子区域即为taper结构，区域104也可称为taper波导段。
图4和5为根据本申请另一些实施例的第四波导500的侧面示意图。
第四波导500包括：芯层520；以及位于芯层520上方的上包层530，其中上包层530的上表面包括台阶式表面540，台阶式表面540沿着光传输的方向包括：第一表面541；斜表面542；以及第二表面543，其中斜表面542自第一表面541斜向下延伸到第二表面543；
如图5所示，台阶式表面540用于由第四波导500出射的光能够通过倏逝波耦合经由第三波导20传输到第二波导200。
图6和7为根据本申请另一些实施例的光学组件10的示意图。
如图6所示，第一器件，例如激光器11，可包括第四波导500，第二器件，例如无源波导芯片12可包括第二波导200，第一器件和第二器件可通过第三波导20的波导间倏逝波耦合，从而实现激光器和无源光波导器件的大容差、低损耗光耦合。具体地，可对一般端出射的激光器进行改进，在芯片制备时在激光器激光出射端留下一段无源波导结构，该波导宽度从激光谐振腔处的微米级，通过taper结构逐渐增大到一定水平(比如数十甚至上百微米)，taper长度需要几个毫米以上(只要材料本身损耗很小，则绝热taper引入的损耗几乎可忽略)。该taper之后的、宽度数十微米的波导，其宽度可以保持不变，长度根据倏逝波耦合情况决定选取足够的长度，比如几十或几百微米。
图6所示是以第一器件11与第二器件12进行键合集成所得的光学组件10的结构示意图，例如第一器件包括制备在InP基底上的InGaAsP激光器，该激光器可包括第四波导500，第二器件可包括铌酸锂波导芯片，由于铌酸锂折射率小于III-V材料，激光难以从III-V材料波导中倏逝波耦合进入铌酸锂，故使用了折射率比InP等III-V材料略高的第三波导20，如非晶硅vertical taper作为连接波导，可将非晶硅vertical taper波导的侧面为厚度绝热缓变的taper结构，可以实现极小的耦合损耗。第四波导500，即激光器上的波导，其InP包层与第三波导20的键合可通过对两种介质直接键合，也可以通过BCB等薄层材料进行键合。由于键合区InP包层需要很薄，与谐振腔中为保证较高功率所需包层厚度可能不同，如图6所示，可通过对InP上包层的侧面设计vertical taper结构，即通过第四波导500的使用避免了包层厚度突然改变引入的激光损耗。
图7为根据本申请另一些实施例的光学组件10，比如DFB激光器的taper波导段可以设置成半导体光放大器(SOA)以进一步增大光功率，形成类似传统的MOPA(masteroscillator power amplifier)的结构，比如激光谐振腔和SOA段的金属电极，为了减小激光损耗，可将铌酸锂芯片上SiO2上包层激光入射处侧面也设置vertical taper结构。激光器靠近硅基底的金属电极通过加金属颗粒融化的方式与硅片上的电路连接起来，InP基底处的金属电极通过打线(wire bond)的方式与硅片上的金属电路连接。
以上各实施例中，波导可以是条波导，也可以是脊波导；激光器还可以用其它结构实现，且包括制备在非III-V基底上的半导体激光器甚至其它材料激光器。
本申请的另一些实施例还提供一种芯片，例如一种光量子集成芯片，其包括上述波导20，或上述的光学组件。键合激光器可以减小泵浦光损耗，以更小的总功率实现足够亮度的量子光源。
本申请实施例还提供一种器件集成的方法，例如一种光电异质集成的方法，其包括：分别制备第一器件11和第二器件12，其中第一器件11包括第一波导100，第二器件12包括第二波导200；对第一器件11与第二器件12进行键合耦接，使得光能够从第一波导100经由倏逝波耦合传输到第二波导200；以及在第二波导200上方制造第三波导20。
本申请提出的器件集成方法，可用于将单独制备好的传统成熟激光器与无源波导器件芯片进行集成，有源器件和无源芯片的工艺一般大相径庭、互不兼容，单独制备可以保证各自有较高的良率；本技术中可设计得到较大对准容差，有利于提升对准集成工艺中的产品良率；设计的连接结构可以实现很小的耦合损耗。从这几方面来讲，预期可明显减小激光器与无源芯片集成的产品成本，可替代激光器与芯片的如下耦合方式：垂直光栅耦合器、端面耦合、异质材料基片上直接生长制备激光器。
本申请提出的上述集成方法可用于将分别制备的激光器和无源波导芯片(铌酸锂、氮化硅等芯片)进行键合集成，可以有较小的耦合损耗，较大的对准容差，可明显提升产品良率。
本申请的技术内容及技术特点已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本申请的教示及揭示而作种种不背离本申请精神的替换及修饰。因此，本申请的保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本申请的替换及修饰，并为本专利申请权利要求书所涵盖。
Claims (10)
1.一种波导，其包括：
芯层；以及
位于所述芯层上方的上包层；
其中所述上包层的上表面包括台阶式表面，所述台阶式表面沿着光传输的方向包括：
第一表面；
斜表面；以及
第二表面，其中所述斜表面自所述第一表面斜向下延伸到所述第二表面；
其中所述台阶式表面用于由所述波导出射的光能够通过倏逝波耦合经由所述第三波导传输到所述第二波导。
2.一种激光器，其包括如权利要求1所述的波导。
3.一种光学组件，其包括如权利要求2所述的激光器。
4.一种光学组件，其包括：
根据权利要求1所述的波导；
位于所述波导上方的第二波导；以及
位于所述波导和所述第二波导中间的第三波导；
其中所述第三波导位于所述波导的所述第二表面的上方，使得由所述波导出射的光能够通过倏逝波耦合经由所述第三波导传输到所述第二波导。
5.根据权利要求4所述的光学组件，其中所述第三波导包括：
左端，其下表面用于耦接所述波导；以及
右端，其与所述左端相对，且所述右端的上表面的至少一部分耦接所述第二波导。
6.根据权利要求5所述的光学组件，其中所述第三波导的所述左端的第一部分的厚度沿着所述第一波导的长度方向渐增。
7.根据权利要求6所述的光学组件，其中邻近所述左端的所述第一部分的第二部分具有相同的厚度。
8.根据权利要求5所述的光学组件，其中所述右端的厚度沿着所述第一波导的长度方向递减。
9.根据权利要求5所述的光学组件，其中所述左端和所述右端之间的距离接近为零。
10.根据权利要求5所述的光学组件，其中所述第三波导是非晶硅波导。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115951454A (zh) * | 2023-03-13 | 2023-04-11 | 中科鑫通微电子技术(北京)有限公司 | 铌酸锂-氮化硅波导与激光器异质集成结构及其制备方法 |
| WO2023217051A1 (zh) * | 2022-05-07 | 2023-11-16 | 上海图灵智算量子科技有限公司 | 波导及包含其的光学组件 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JPH07225185A (ja) * | 1993-12-16 | 1995-08-22 | Toto Ltd | バイオセンサ |
| CN106785907A (zh) * | 2016-11-29 | 2017-05-31 | 青岛海信宽带多媒体技术有限公司 | 光模块 |
| CN107003478A (zh) * | 2015-05-05 | 2017-08-01 | 华为技术有限公司 | 光耦合装置 |
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| CN110954998A (zh) * | 2018-09-27 | 2020-04-03 | 上海新微技术研发中心有限公司 | 激光器与硅光芯片集成结构及其制备方法 |
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2022
- 2022-05-07 CN CN202210493737.6A patent/CN114994833A/zh active Pending
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