CN115047563A - 集成波导的光学组件 - Google Patents

Abstract

本申请实施例涉及集成波导的光学组件。根据本申请的一些实施例，一种集成波导的光学组件，其包括：波导，其至少一部分具有厚度不同的连续的区域，所述区域的至少一部分沿着光传输的方向包括：第一区域，其具有第一厚度；第二区域，其具有第二厚度，且所述第二厚度小于所述第一厚度；以及倾斜区域，其由所述第一区域向所述第二区域倾斜延伸而形成，以及光器件，其通过所述区域的所述至少一部分与所述波导耦接。本申请另一实施例提供了一种光芯片，其包括一或多个所述的光学组件。本申请实施例提供的集成波导的光学组件可有效解决传统技术中遇到的问题。

Description

集成波导的光学组件

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，涉及集成波导的光学组件。

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各种器件的低损耗集成，而各种器件对相应的波导的具体特性要求不同，比如各自得到最优性能所需的波导厚度可能不同。

因此，本申请提出一种集成波导的光学组件。

发明内容

本申请实施例的目的之一在于提供一种集成波导的光学组件，与传统的方法相比，其通过在同一芯片上实现不同厚度光波导的低损耗连接，提高系统器件的整体性能。

本申请的实施例提供一种集成波导的光学组件，其包括：波导，其至少一部分具有厚度不同的连续的区域，区域的至少一部分沿着光传输的方向包括：第一区域，其具有第一厚度；第二区域，其具有第二厚度，且第二厚度小于第一厚度；以及倾斜区域，其由第一区域向第二区域倾斜延伸而形成，以及光器件，其通过区域的至少一部分与波导耦接。

根据本申请的一些实施例，其中波导的至少一部分通过对波导进行刻蚀而形成。

根据本申请的一些实施例，其中倾斜区域的厚度沿着光传输的方向由第一厚度缓减至第二厚度。

根据本申请的一些实施例，其中第一区域或第二区域的宽度沿着光传输方向缓减。

根据本申请的一些实施例，其中光器件为光探测器PD、光栅耦合器GC、量子光源、光分束偏振旋转器PSR、边耦合器EC、端面耦合器、热光调制器和电光调制器中的至少一者。

根据本申请的一些实施例，其中光器件为超导纳米线单光子探测器SNSPD。

根据本申请的一些实施例，其中波导为铌酸锂波导、氮化硅波导和硅波导中的至少一者。

根据本申请的一些实施例，其中光器件通过第一区域或第二区域与波导耦接。

根据本申请的一些实施例，其中光器件邻近第二区域安置。

根据本申请的一些实施例，其中光器件包覆区域的至少一部分。

本申请的另一实施例还提供一种光芯片，其包括一或多个前述的光学组件。

与现有技术相比，本申请实施例提供的集成波导的光学组件，可以保证在波导厚度要求不同的各区域器件实现最优性能的同时保证各区域间低损耗的光传输，从而明显提高系统器件的整体性能。

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及其形成过程的示意图；

图2为根据本申请一些实施例的波导10集成光器件后的横截面与平面示意图；

图3和图4为根据本申请另一些实施例的另一些波导10集成光器件后的横截面示意图；

图5为根据本申请再一实施例的集成波导的光学组件20的示意图；

图6和图7为根据本申请实施例的光器件耦接波导的示意图。

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。

此外，为便于描述，“第一”、“第二”等等可在本文中用于区分一个组件或一系列组件的不同操作。“第一”、“第二”等等不意欲描述对应组件或操作。

针对同一芯片上不同区域的器件达到性能最优化所要求的波导膜层厚度可能不同，本申请提出可在同一基片(比如SOI、LNOI wafer)制备不同厚度膜层区域及相应不同厚度的波导，以及通过各区间膜厚的缓慢过渡的相关设计，实现不同厚度波导间几乎没有损耗的光传输。

图1为根据本申请一些实施例的波导及其形成过程的示意图。

图1的上方为基片(如晶圆)上的波导材料的表面的示意图，波导材料可为，但不限于铌酸锂、氮化硅或硅等，例如基片上方为铌酸锂薄膜层，通过对该薄膜层的不同区域进行刻蚀，得到所需的凹陷区域，包括具有不同厚度的薄膜层，例如通过使用shadow mask光刻或灰阶光刻结合刻蚀等工艺实现芯片上指定区域波导厚度的连续变化，保证后期制备的不同厚度波导模式之间接近无损的传输转换。例如图1中的经刻蚀形成的第一凹陷区域150和第二凹陷区域160，之后将波导10以外的部分部分或全部刻蚀去除，即可得到具有凹陷表面的波导10。图1下方为沿截面AB(图1上方所示)进行切割后形成的波导10的横截面示意图。

如图1所示，本申请提出的波导10的表面包括：上表面100；以及凹陷表面102，其相对于上表面100向下凹陷，形成凹陷表面102，凹陷表面102包括：倾斜表面103；以及底面104，其中倾斜表面103由上表面100向底面104缓慢倾斜延伸而形成，且底面104用于耦接光器件，比如不同于波导10的额外的光器件。

本申请中的“耦接”可理解为光学耦接或机械耦接，例如附接或固定底面104和光器件，或仅仅接触而无任何固定,并且应理解,可以提供直接耦接或间接耦接(换言之,并未直接接触的耦接)。

本申请中的“光器件”包括有源器件和无源器件，都需要有光通过，可以对光进行控制，比如路由、调制、产生或吸收光等等。

倾斜表面103的长度可以调节，本申请中“倾斜表面的长度”指的是上表面100与底面104的两个相邻端之间的水平距离，如图1中的水平方向的长度a。通常在波导材料吸收损耗很小时(比如铌酸锂或氮化硅等材料损耗就很小)，可以使用较大的长度值以尽量减小光的辐射损耗。比如，当将波导厚度从600nm(例如波导10的上表面100到下表面108之间的距离)减小到100nm时(例如凹陷表面102的底面104到下表面108之间的距离)，倾斜表面的长度可以取不小于50微米(例如上百微米)以达到绝热变化的要求。另外，为了进一步保证低损耗，在制备出厚度缓变的结构以后，还可以使用CMP等工艺对刻蚀表面进行抛光。

如图1所示，倾斜表面103与上表面100之间的夹角θ为其倾斜角度，根据需求，如缓慢倾斜时，θ取值可为β-10°，其中β为接近0的数值，如约为0.01°，此时光沿着波导轴向传播时(光在波导10中的传播方向与倾斜表面的水平方向平行)，如图1所示，光在波导10中从左向右传播时，倾斜表面103的倾斜角度θ足够小时，绝热变化的情况可以保证光从左边传到右边厚度更小的底面处的过程中，其辐射损耗几乎为零，避免光器件接收的光有太大损耗。

此外，倾斜表面并不局限于图1中所示的平面，也可以是曲面或具有不同倾斜角度的平面的连接，例如图1中倾斜表面103的直线还可以是S型曲线(而且是实际中更可能见到的线型)。另外，斜面在宽度方向上的厚度变化也不一定是同步的，即斜面本身不一定是平整的，比如图1中的凹陷区域160，其形成的凹陷表面105的倾斜表面106为曲面。

图2为根据本申请一些实施例的波导10集成光器件后的横截面与平面示意图。

复杂网络芯片上光波导网络部分要求的波导厚度可能较大，而某些光器件所要求的波导厚度较小，如图2所示，底面104上方安置有光器件110，光器件110可为例如光探测器(PD)、超导纳米线单光子探测器(SNSPD)、光栅耦合器(GC)(grating coupler)、量子光源、光分束偏振旋转器PSR(polarization splitting and rotation)或边耦合器EC(edgecoupler)(端面耦合器)，如模斑转换边耦合器。因此，光器件可为PD、SNSPD、GC、量子光源、PSR、EC中的至少一者以及其他可能的光器件。波导10的上表面100的至少一部分也可用于耦接热光调制器和电光调制器中的至少一者(例如通过在底面上制备)。

使用本申请提出的波导可以保证在波导厚度要求不同的各区域器件实现最优性能的同时保证各区域间低损耗的光传输，从而明显提高系统器件的整体性能。

根据本申请一些实施例，光器件110可以是需要吸收光的器件，如用于单光子探测的SNSPD所需要的波导厚度需要偏小，以使更多光漏在底面104之外，增强SNSPD处的光强，进而增强光吸收。例如图2右方所示的平面，光器件为SNSPD，其平面图形以通常波导耦合超导纳米线单光子探测器waveguide-integrated SNSPD(WI-SNSPD)的U形举例说明，其两端连接外电路的正负极。位于光器件110下方的厚度很小的波导是所谓的弱束缚波导，其倏逝波强度较高，有利于WI-SNSPD纳米线光吸收。

光量子计算等应用使用的集成量子光芯片需要使用单光子探测器以分析光量子态。相比起传统的垂直入射的SNSPD，与波导集成在一起的所谓WI-SNSPD因其高效率、低时间抖动等优点在近些年得到较多的研究。在WI-SNSPD结构中，超导纳米线在波导顶部沿着波导方向延伸，通过吸收波导模场的倏逝波实现对入射光子的探测。纳米线越长，吸收光比例越高，从而片上探测效率也越高。但是纳米线长度增大时，其电感也相应增大，使得探测到单个光子形成的电脉冲的衰减时间变长。在一次探测(吸收一个光子产生电脉冲)后的脉冲衰减时间内，探测器无法对吸收的下一个光子产生响应，从而最大探测速率受限于纳米线的长度。纳米线长度越短，系统响应越快，最高可工作频率越大。要实现较高探测效率，纳米线的长度通常为数十上百微米，脉冲衰减时间为数个纳秒，无法实现GHz水平的高速探测。通过使用很小的波导厚度(如图1中底面104到下表面108之间的距离)，实现光场的弱束缚增大倏逝波的场强，可以增大纳米线的吸收效率，从而有望在使用更短的纳米线情况下实现较高效率的光吸收，并同时保证GHz的高速探测。但是光路中一般波导的厚度，通常来讲会明显大于用以实现高效率光吸收的波导厚度，也就是说，能够同时实现WI-SNSPD高速和高效率所要求的波导最佳厚度，不同于整个wafer上其他区域的波导厚度，为此在这两种区域间需要一种低损耗的转换。例如本申请提出的波导10的凹陷表面102，可在晶圆上的表面的局部区域处制备出的厚度缓变的波导10。

本申请提出的凹陷表面及其制备方法可用来实现不同区域波导厚度间的连续缓慢变化，通过合理的设计和制备，能保证所引入的额外损耗几乎可以忽略，从而有望让同一芯片上不同部分的器件能够使用不同的波导厚度以同时实现各自最佳的性能。

根据本申请另一些实施例，波导10的表面还可包括多个凹陷表面，如图1中的凹陷表面102和第二凹陷表面105，且凹陷表面102的底面104与波导10的下表面108之间的距离与第二凹陷表面105的第二底面107与波导10的下表面108之间的距离可以相同或不同，具体视位于其上的器件的需求而进行设置。例如，底面104和第二底面107上可安置PD、SNSPD、GC、量子光源、PSR或EC。因此，光器件可为PD、SNSPD、GC、量子光源、PSR、EC中的至少一者，如果波导10上包括更多凹陷表面，则可同时集成多个光器件，例如PD、SNSPD、GC、量子光源、PSR、EC中的多者，甚至全部。

图3和图4为根据本申请另一些实施例的另一些波导10集成光器件后的横截面示意图。

如图3所示，该实施例中的波导10还包括位于表面上方的包层120，包层120可以是空气，也可以是其它材料。波导10还包括位于与其表面相对的面的下方的下包层(图中未示出)。

当包层120为空气，下包层为二氧化硅时，由于空气折射率小于下包层，该波导为非对称波导，空气中SNSPD附近的倏逝波强度小于二氧化硅下包层中的倏逝波强度。为进一步增大纳米线的吸收，可以如图3所示，设置成对称的波导，即包层120可为二氧化硅，甚至可以使用折射率比下包层(例如二氧化硅)的折射率更大的高折射率包层，从而可以有更大的光场强度与纳米线接触。值得指出的是，使用高折射率包层时，包层上也可设置相应的倾斜表面，以减小波导转换损耗，如图4所示，包层120位于光器件110的上方，也可包覆光器件110，包层120的一端的厚度缓减以形成倾斜表面122。波导材料也不限于铌酸锂，如还可以是氮化硅以及硅等其他材料。

本申请的再一实施例还提供一种光芯片，其包括本申请提出的上述波导。通过在同一片晶圆wafer上制备不同厚度区域，并将这些区域的波导低损耗连接起来，保证各区域相应器件实现最优性能，以实现特定光芯片系统性能的优化。

图5为根据本申请再一实施例的集成波导的光学组件20的示意图。

如图5所示，本申请的再一实施例提供的集成波导的光学组件20包括波导201，其至少一部分具有厚度不同的连续的区域，该区域的至少一部分205沿着光传输的方向(如图5中所示的箭头a)包括：第一区域206，其具有第一厚度t1；第二区域208，其具有第二厚度t2，且第二厚度小于第一厚度；以及倾斜区域207，其由第一区域206向第二区域208倾斜延伸而形成，以及光器件(例如第一光器件202和/或第二光器件203)，其通过该区域的至少一部分205与波导201耦接。

其中波导201可为铌酸锂波导、氮化硅波导和硅波导中的至少一者。波导201的至少一部分通过对波导201进行刻蚀而形成。例如通过使用shadow mask光刻或灰阶光刻结合刻蚀等工艺实现芯片上指定区域波导厚度的连续变化，如图5所示的具有厚度不同的连续的区域，保证后期制备的不同厚度波导模式或光器件之间接近无损的传输转换。倾斜区域207的厚度沿着光传输的方向由第一厚度t1缓减至第二厚度t2，这种绝热变化的情况可以保证光从左边传到右边厚度更小的底面处的过程中，其辐射损耗几乎为零，避免光器件接收的光有太大损耗。

针对同一芯片上不同区域的器件达到性能最优化所要求的波导膜层厚度可能不同，本申请提出的集成波导的光学组件可在同一基片(比如SOI、LNOI wafer)上得到不同厚度膜层区域以及各区间膜厚的缓慢过渡，实现不同厚度波导间几乎没有损耗的光传输。例如，复杂网络芯片上光波导网络部分要求的波导厚度可能较大，而用于单光子探测的SNSPD所需要的波导厚度则偏小，使用该技术可以保证在波导厚度要求不同的各区域器件实现最优性能的同时保证各区域间低损耗的光场连接，从而明显提高系统器件的整体性能。

根据本申请一些实施例，第一光器件202可安置于第一区域206上方，例如第二光器件203可为热光调制器或电光调制器，例如马赫曾特干涉仪(MZI)。第二光器件203通过第一区域206与波导201耦接。

光器件可为PD、SNSPD、GC、量子光源、PSR、EC、端面耦合器、热光调制器和电光调制器中的至少一者。

如果波导201包括多个具有厚度不同的连续的区域，则相应的可集成多个光器件，例如光器件为PD、SNSPD、GC、量子光源、PSR、EC、热光调制器和电光调制器中的多者，甚至全部。

图6和图7为根据本申请实施例的光器件耦接波导的示意图。

如图5和6所示，第一光器件202通过第二区域208与波导201耦接。第一光器件202可为GC，既可以邻近第二区域208安置，也可以位于第二区域208之上安置(如图6所示)，图6为第一光器件202的三种不同的安置方式，根据具体需求，实现与波导的耦接。

图7所示为第三光器件210与波导201耦接的情形，例如，第三光器件210是EC，包覆波导201的至少一部分的具有厚度不同的连续的区域的至少一部分205，EC的一部分可为氮氧化硅波导。

根据本申请一些实施例，第一区域206或第二区域208的宽度可沿着光传输方向缓减，进一步以低的辐射损耗减小波导201对模场的束缚，让光场进入EC的氮氧化硅波导中实现EC模斑的有效增大。如图7所示，第二区域208的宽度w沿着光传输方向缓减。

应理解，虽然上述实施例描述了一些光器件的具体情况，但是这仅只是用于说明本申请提供的一种集成波导的光学组件的示范性实施例，而不应理解为对本申请所保护范围的限制。根据本申请的另一些实施例，其它类似光器件基于上述的光学组件也可以实现通过波导的至少一部分的具有厚度不同的连续的区域的的至少一部分与该波导耦接。

本申请的再一实施例还提供一种光芯片，其包括一或多个前述的光学组件20。

本申请提出的集成波导的光学组件及包含其的光芯片可实现不同区域波导厚度间的连续缓慢变化，通过合理的设计和制备，能保证所引入的额外损耗几乎可以忽略，从而可保证在同一芯片上不同部分的器件能够使用不同的波导厚度以同时实现各自最佳的性能。

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 (11)

1.一种集成波导的光学组件，其包括：

波导，其至少一部分具有厚度不同的连续的区域，所述区域的至少一部分沿着光传输的方向包括：

第一区域，其具有第一厚度；

第二区域，其具有第二厚度，且所述第二厚度小于所述第一厚度；以及

倾斜区域，其由所述第一区域向所述第二区域倾斜延伸而形成，以及

光器件，其通过所述区域的所述至少一部分与所述波导耦接。

2.根据权利要求1所述的光学组件，其中所述波导的所述至少一部分通过对所述波导进行刻蚀而形成。

3.根据权利要求1所述的光学组件，其中所述倾斜区域的厚度沿着光传输的方向由所述第一厚度缓减至所述第二厚度。

4.根据权利要求1所述的光学组件，其中所述第一区域或所述第二区域的宽度沿着光传输方向缓减。

5.根据权利要求1所述的光学组件，其中所述光器件为光探测器PD、光栅耦合器GC、量子光源、光分束偏振旋转器PSR、边耦合器EC、热光调制器和电光调制器中的至少一者。

6.根据权利要求1所述的光学组件，其中所述光器件为超导纳米线单光子探测器SNSPD。

7.根据权利要求1所述的光学组件，其中所述波导为铌酸锂波导、氮化硅波导和硅波导中的至少一者。

8.根据权利要求1所述的光学组件，其中所述光器件通过所述第一区域或所述第二区域与所述波导耦接。

9.根据权利要求1所述的光学组件，其中所述光器件邻近所述第二区域安置。

10.根据权利要求1所述的光学组件，其中所述光器件包覆所述区域的所述至少一部分。

11.一种光芯片，其包括一或多个根据权利要求1-10中的任一权利要求所述的光学组件。

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