CN115047564A - 具有渐缩表面的波导 - Google Patents

Abstract

本申请实施例涉及具有渐缩表面的波导。根据本申请的一些实施例，一种波导，其至少一端具有渐缩表面，所述渐缩表面向所述至少一端的末端渐缩，以使光能够从位于所述波导的上方的上波导经由所述波导传输到位于所述波导的下方的下波导。本申请另一实施例提供了一种光芯片，其包括上述的波导。本申请另一实施例还提供了一种波导，其至少一端包括：具有渐扩表面的渐扩部分；以及由所述渐扩部分向外延伸的宽区域，其中，所述宽区域用于与位于其下方的下波导的宽区域进行对准以集成所述波导和所述下波导。本申请实施例提供的具有渐缩表面的波导可有效解决传统技术中遇到的问题。

Description

具有渐缩表面的波导

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，涉及具有渐缩表面的波导。

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栅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，本申请提出一种具有渐缩表面的波导。

发明内容

本申请实施例的目的之一在于提供一种具有渐缩表面的波导，与传统的方法与结构相比，其可有效进行波导间的光传输，同时减少光损耗。

本申请的实施例提供一种波导，其至少一端具有渐缩表面，渐缩表面向至少一端的末端渐缩，以使光能够从位于波导的上方的上波导经由波导传输到位于波导的下方的下波导。

根据本申请的一些实施例，其中至少一端包括多个子部分，多个子部分由至少一端向外分叉延伸而形成。

根据本申请的一些实施例，其中子部分的至少一个表面向子部分的末端渐缩。

根据本申请的一些实施例，其包括多个子波导，多个子波导间隔排列，子波导位于波导的至少一端，且子波导的至少一端具有渐缩表面。

根据本申请的一些实施例，其中子波导的两端分别具有渐缩表面。

根据本申请的一些实施例，其中上波导的末端具有渐缩表面。

根据本申请的一些实施例，其中上波导和波导分别具有宽区域，前述宽区域用于将上波导和波导进行对准以集成。

根据本申请的一些实施例，其具有比下波导高的折射率。

本申请的另一实施例还提供一种光芯片，其包括前述的波导。

本申请的另一实施例还提供一种波导，其至少一端包括：具有渐扩表面的渐扩部分；以及由渐扩部分向外延伸的宽区域，其中，宽区域用于与位于其下方的下波导的宽区域进行对准以集成波导和下波导。

根据本申请的一些实施例，其还包括具有渐缩表面的渐缩部分，其中宽区域位于渐扩部分和渐缩部分之间。

根据本申请的一些实施例，其中渐缩部分包括多个子部分，多个子部分由宽区域向外分叉延伸而形成。

根据本申请的一些实施例，其中子部分的至少一个表面向子部分的末端渐缩。，

与现有技术相比，本申请实施例提供的具有渐缩表面的波导有望替代传统的结构，通过对波导结构进行设计，使光能够在上下波导间低损耗传输，同时也提高了产品良率。

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的示意图；

图2为根据本申请一些实施例的波导20的具体应用示意图；

图3为根据本申请一些实施例的另一波导30的结构示意图；

图4-7为根据本申请一些实施例的波导30的具体应用示意图；

图8为根据本申请一些实施例的再一波导40的结构示意图；

图9为根据本申请一些实施例的第五波导50的结构示意图。

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地描示在下文中。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的示意图。

如图1所示，其中左边是波导20的侧面示意图，右边是波导20的平面示意图，波导20的至少一端22具有渐缩表面28，渐缩表面28向至少一端22的末端29渐缩，以使光能够从位于波导20的上方的上波导100经由波导20传输到位于波导20的下方的下波导200。

传统的波导之间的耦合方式大多是通过端面耦合，需要在三个互相垂直的方向上都有较高的对准要求(即对准容差小)，同时端面也需要处理到适合耦合的程度，预期典型的损耗会比较大，从而对准这一步工艺的良率会比较低。

本申请提出的波导，通过将端面设计为渐缩表面(从相反方向看则为渐扩阔表面)，从而实现与位于波导上下方的波导之间的光路传输。当波导尺寸通过渐缩表面绝热减小到无法有效束缚其模场的时候(通常小于300nm，但根据折射率差的实际情况，不限于此)，其大部分光场将以倏逝波的形式处于波导芯层之外，从而容易与该波导附近的其余波导进行高效的倏逝波耦合，将光从该波导转移到附近的波导。另一方面，当一波导(无论其是否具有渐缩表面)附近出现一更高折射率的波导时，如果新出现的波导具有渐扩表面，其尺寸从一个极小的值开始绝热地增大到一定尺寸，则也可以高效率地将光从原波导中倏逝波耦合到新出现波导中。因此，如果一个两端都具有渐缩表面(例如渐缩到很小尺寸)的波导，尤其是高折射率波导，可以高效地将光在位于其两端的波导(例如位于波导上下方的波导)间进行转移。

图2为根据本申请一些实施例的波导20的具体应用示意图。

根据本申请的一些实施例，波导20可包括多个子波导23，图2中的右上方示出的是该实施例中波导20的上表面图形，多个子波导23间隔排列，其中子波导23位于波导20的至少一端22上，且子波导23的至少一端具有渐缩表面，渐缩表面向子波导23的至少一端的末端渐缩。

图2中左边的图示出的是波导20用于耦接上波导和下波导的情形。本申请中的“耦接”可理解为光学耦接或机械耦接，例如附接或固定波导20与上波导和下波导，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)。

图2中，波导20为非晶硅，子波导23的两端可分别具有渐缩表面，图2左图侧面结构中位于非晶硅上面的部分为激光器芯片，下方为无源波导芯片。激光器芯片包括上波导100，例如具有包层的InGaAsP波导，由于传统成熟激光器的InP基底折射率仅略小于波导芯层，故一般都带有InP包层，这是为了使得激光模式在波导中的分布较为对称。同时，一般激光器中有源区需要制备电极用于提供电泵浦，使用足够厚度的包层可以避免金属等带来较大的光损耗，此外，包层可以是空气或氧化物，比如二氧化硅，作为制备在硅基上的激光器的包层，虽然二氧化硅不导电，但此时的载流子可从有源区的两侧注入，二氧化硅包层可以起到保护芯层有源区域的作用。

无源波导芯片包括下波导200，例如铌酸锂波导，如图2中右方所示，上波导的至少一端可包括具有渐扩表面的渐扩部分；以及由所述渐扩部分向外延伸的宽区域。下波导为铌酸锂波导，波导20可为非晶硅波导，其两边的二氧化硅也可用空气代替。图2中右上方为上波导100、波导20和下波导200的各自表面错开排列的示意图，以清楚各自的表面结构，而根据左边的侧面图，三者应该是在各自的宽区域处重叠安置，该宽区域用于将上波导、波导和下波导进行对准以集成，尤其可实现激光器芯片和无源波导芯片的波导间倏逝波耦合，从而进一步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，例如上波导100，该波导宽度从激光谐振腔处的微米级，通过渐扩部分逐渐增大到一定水平(比如数十甚至上百微米)，相应长度需要几个毫米以上(只要材料本身损耗很小，则绝热渐扩引入的损耗几乎可忽略)。该渐扩部分之后的、宽度数十微米的宽区域的宽度可以保持不变，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。通过shadow mask photolithography或灰阶光刻等方式制备出长度合适、厚度渐变的光刻胶等掩膜(vertical taper，vt)，再通过干法刻蚀等刻蚀工艺将该vt转移到激光器无源波导段的包层中，保证该段波导包层的厚度减小到等于或略小于光波长的水平，以实现激光从激光器到与其键合的某种波导的高效的倏逝波耦合；如果刻蚀后的波导表面较粗糙，可使用CMP等工艺进行抛光。

下波导200，例如无源波导芯片上的下波导宽度通常也是微米级别的，可通过类似的渐扩部分将其宽度增大与上波导的宽区域的宽度相似的水平，然后同样是一段宽度数十微米不变的波导。对于铌酸锂等材料来说，由于其折射率比制备激光器的III-V材料要小，光难以从上波导(激光器芯片的InGaAsP波导)耦合进入下波导(无源芯片的铌酸锂波导)中，为此在该无源波导段(下波导的波导段)上以折射率大于激光器波导材料折射率的材料制备波导20(如非晶硅波导)，可通过将激光器上包层减薄的尾端波导与非晶硅波导对准后进行界面键合，包括直接热键合和以聚合物薄膜介导实现的键合。如此一来，通过宽度数十或上百微米的两个波导在宽度方向上的对准，可以实现很大的1dB对准容差(比如不小于±10微米)；在波导厚度的方向上，由于是将两芯片的界面进行键合，故不需要精确对准的调节，仅仅需要确保两界面的完全贴合和键合即可；在光传播的光轴方向，由于光在不同波导间的转移是通过倏逝波耦合实现的，故通过合适的连接非晶硅波导长度选取，可以实现很大的对准容差；同时，设计参数优化后的非晶硅波导结构引入的损耗也是几乎可以忽略的，除了非晶硅等材料本身的吸收或散射等损耗，几乎没有辐射损耗。通过合适的非晶硅波导的结构参数选取，可以实现从激光器模式到铌酸锂或氮化硅等波导基模间低至1dB甚至以下的耦合损耗。

应理解，虽然该实施例中的波导使用了InGaAsP波导、非晶硅波导以及铌酸锂波导，但是这仅只是用于说明本申请提供的一种波导的示范性实施例，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，其它类似应用基于上述波导也可以实上下层波导之间的光传输。

图3为根据本申请一些实施例的另一波导30的结构示意图。

如图3所示，上图为另一波导30的上表面示意图，下图为侧面示意图，另一波导30的至少一端32可包括多个子部分，该多个子部分由至少一端32向外分叉延伸而形成，其中子部分31的至少一个表面38向子部分的末端39渐缩。

另一波导30的另一端33可具有渐缩表面38a，渐缩表面38a向另一端33的末端39a渐缩。

图4-7为根据本申请一些实施例的波导30的具体应用示意图。

其中，图4和图6为波导30的侧面示意图，两端都具有渐缩表面，图5和图7为相应的波导表面的示意图。

如图4所示，波导30的左端具有向末端渐缩的渐缩表面，此处渐缩表面为波导30的一个斜面，如图5所示，波导30的右端包括分叉的多个子部分，其由右端向外分叉延伸形成，子部分的至少一个表面向子部分的末端渐缩。如图5所示，楔形子部分31的两个侧面向末端渐缩。而图6和图7为将图4中的波导30的左端和右端互换的情形。

如图5和图7所示，上波导100的末端的渐缩表面可有可无，如果上波导100包括通过分叉延伸的多个子部分，且该子部分具有渐缩表面，则一方面可减小可能的反射，另一方面也可利于使光传输到下波导。由图5和图7可知，上波导100和波导30可分别具有宽区域，该宽区域用于将上波导100和波导30进行有效对准以集成上波导100和波导30，当然该宽区域也需要与下波导200的宽区域对准集成以减小光耦合损耗。

图8为根据本申请一些实施例的再一波导40的结构示意图。

图8中上图为波导侧面示意图，下图为波导40的表面示意图，波导40的至少一端42具有渐缩表面48，渐缩表面48向至少一端42的末端49渐缩。

根据本申请的另一些实施例，其中至少一端42可包括多个子部分，该多个子部分由至少一端42向外分叉延伸而形成。其中子部分41的至少一个表面48向子部分的末端49渐缩。

根据本申请的另一些实施例，其中波导40的另一端43也可具有渐缩表面48a，渐缩表面48a向另一端43的末端49a渐缩。

如同前面对具有渐缩表面的波导的描述，无论波导是否包括分叉的子部分，只要其一端具有渐缩表面，例如波导的宽度或者厚度从接近0的尺寸渐增到一定尺寸，然后再渐减到接近0的尺寸，都可以高效率地实现光在其两端附近的波导间的传输。

图9为根据本申请一些实施例的第五波导50的结构示意图。

如图9所示，从上到下依次为：上波导100的表面示意图、第五波导50的表面示意图、波导集成的侧面示意图以及下波导200的表面示意图，若将上方的上波导100的表面由纸面向下旋转90度，同时第五波导50的表面和下方的下波导200的表面由纸面向上旋转90度，则可得到图9中中间的波导集成的侧面示意图。波导50的至少一端具有渐缩表面58，渐缩表面58向该至少一端的末端渐缩。

根据本申请的另一些实施例，如图9中的右方所示，第五波导50还可包括多个子波导53，该多个子波导间隔排列，子波导53位于第五波导50的至少一端，且子波导53的至少一端具有渐缩表面，即子波导53的侧面为斜面，或子波导53的两个相对的侧面都为斜面。

如图9所示，上波导100具有宽区域108、第五波导50具有宽区域55，下波导200具有宽区域208，宽区域108、55和208用于将上波导100、第五波导50和下波导200进行对准以进行集成。

如果第五波导50如右方所示，包括多个子波导53，则多个子波导53间隔排列后所占据的区域可与宽区域55相类似，以使得进行集成时通过各自的宽区域将上波导、波导和下波导进行对准。

以上各实施例中，上波导或下波导可以是条波导，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光芯片，例如一种光量子集成芯片，其包括上述波导。键合集成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：分别制备包括上波导的第一器件和包括下波导的第二器件，在第二器件上形成上述波导；以及对第一器件与形成于第二器件上的上述波导进行键合耦接，其中可通过上波导和波导各自的宽区域进行有效对准进行键合。

本申请提出的集成技术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；本申请提出的波导可经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，可明显减小激光器与无源芯片集成的产品成本，进而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(例如铌酸锂、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，同时可以用于实现大功率激光器的低损耗异质集成。

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 (13)

1.一种波导，其至少一端具有渐缩表面，所述渐缩表面向所述至少一端的末端渐缩，以使光能够从位于所述波导的上方的上波导经由所述波导传输到位于所述波导的下方的下波导。

2.根据权利要求1所述的波导，其中所述至少一端包括多个子部分，所述多个子部分由所述至少一端向外分叉延伸而形成。

3.根据权利要求2所述的波导，其中所述子部分的至少一个表面向所述子部分的末端渐缩。

4.根据权利要求1所述的波导，其包括多个子波导，所述多个子波导间隔排列，所述子波导位于所述波导的所述至少一端，且所述子波导的至少一端具有渐缩表面。

5.根据权利要求4所述的波导，其中所述子波导的两端分别具有渐缩表面。

6.根据权利要求1-5中任一权利要求所述的波导，其中所述上波导的末端具有渐缩表面。

7.根据权利要求1-5中任一权利要求所述的波导，其中所述上波导和所述波导分别具有宽区域，所述宽区域用于将所述上波导和所述波导进行对准以集成。

8.根据权利要求1所述的波导，其具有比所述下波导高的折射率。

9.一种光芯片，其包括如权利要求1-8中任一权利要求所述的波导。

10.一种波导，其至少一端包括：

具有渐扩表面的渐扩部分；以及

由所述渐扩部分向外延伸的宽区域，

其中，所述宽区域用于与位于其下方的下波导的宽区域进行对准以集成所述波导和所述下波导。

11.根据权利要求10所述的波导，其还包括具有渐缩表面的渐缩部分，其中所述宽区域位于所述渐扩部分和所述渐缩部分之间。

12.根据权利要求11所述的波导，其中所述渐缩部分包括多个子部分，所述多个子部分由所述宽区域向外分叉延伸而形成。

13.根据权利要求12所述的波导，其中所述子部分的至少一个表面向所述子部分的末端渐缩。

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