CN115267967B - 一种强限制的三维光子引线波导实现片上光源互连的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种强限制的三维光子引线波导实现片上光源互连的方法。本发明利用激光直写透明介质材料的技术，通过利用聚焦的、一定强度的激光，在介质中的某些位置改变介质本身的抗蚀性，其中焦点处的光强为I，介质所能承受的阈值光强Ith，当I>Ith的时候，介质的抗蚀性被改变；继而根据介质属性的差异，利用选择性刻蚀的方法加工高折射率对比度的三维光子引线波导，从而利用光学波导实现空间中任意两点之间的光学互联，因此能够解决硅基光源集成中任意激光器出光位置和任意硅波导位置之间的互联问题。
Description
技术领域
本发明涉及光电子领域的有源无源集成技术，具体涉及一种利用激光直写与选择性刻蚀加工出强限制的三维光子引线波导的方法，并通过一定结构实现片上光源三维有效互连的方法。
背景技术
近年来，随着全球数据中心业务的迅猛增长，基于光电传输模块的光互连系统成为了数据中心内部信息互联的主流解决方案。相比于传统的铜绞线互联方式，短距离光互连可以提供大容量、低损耗的数据传输。而海量的数据连接意味着数据中心内部的主机之间需要配置大量低成本的光电传输模块。硅光集成芯片由于其高集成密度、低光学损耗和潜在的成本优势，成为了高带宽、短距离光互连的优质解决方案。
无源的硅基集成光路已经能够实现各种各样的功能，并且具有优异的性能表现。由于硅是间接带隙半导体材料，不能够有效发光，目前半导体激光器光源主要是由Ⅲ-Ⅴ族材料实现。如何将半导体激光器有效地集成在硅基芯片上，是目前信息领域中硅基光子集成技术在器件层面上亟待解决的重要问题。
到目前为止，激光器的硅基光学集成存在三种主流的方案。其一是利用封装技术将激光器固定在无源硅基光芯片上，但这种方案受限于有限的封装精度，无法实现高效的光源集成。其二是在硅基晶圆上外延生长Ⅲ-Ⅴ族材料，然后在晶圆材料上加工半导体激光器的整体集成方案，但是由于硅和Ⅲ-Ⅴ族材料具有严重的晶格失配问题，导致外延生长的Ⅲ-Ⅴ族材料具有较高的缺陷密度，严重影响了外延激光器的发光性能，因此一般需要比较厚的缓冲层过滤生长缺陷。其三，晶圆键合技术是指将Ⅲ-Ⅴ族晶圆或芯片压合或粘结在硅晶圆表面的技术，相较于Ⅲ-Ⅴ族外延生长的方法，键合技术具有较高的可行性，但同样也存在一些缺点，比如键合对准精度和键合成本问题。
由于大部分片上集成激光器的出光位置和硅波导之间具有较大的高度差，所以如何实现激光器出光位置和硅波导之间有效的光学耦合互连是一个重要的问题。目前该领域发展出了多种耦合连接方式，如：在较大尺度上，利用透镜聚焦、反射镜反射，在几何光学领域中将光直接入射进无源硅光器件，如波导；在较大尺度上，利用聚合物光子波导引线的方案，将光沿着聚合物波导引导至无源硅光器件，如波导；在小尺度上，直接将激光器的出光位置对准无源硅波导，直接实现光在波导间的耦合与传输；在小尺度上，将激光器紧贴如硅波导等无源器件，利用倏逝场耦合的方式实现光的耦合与传输。各种耦合方式当中存在着如模斑转换器(SSC)、垂直光栅耦合器等微纳光学器件设计，进一步提高激光器与硅波导之间的耦合效率。但是上述耦合方式中也存在着诸多问题和限制，如空间光耦合的对准精度严重影响了激光器与硅波导之间的耦合效率、波导间的直接耦合以及倏逝场耦合严格受限于激光器波导和硅波导之间的高度位置。
综上所述，在硅基集成光路中实现光源的有效集成，主要取决于半导体激光器的集成方式以及激光器与无源硅波导之间的耦合互连方式，而所应用的耦合方式也要兼顾集成方式的选择，一种兼容性更好的耦合方式能够更大程度上实现光源的有效耦合，但是现有技术中并没有这样一种实现高效耦合的耦合方案。
发明内容
无论是封装技术、直接外延技术、还是硅基晶圆键合技术，其激光器的出光位置相对于无源硅波导存在较大的高度差，因此如何提高激光器和硅波导之间的耦合效率成为了一个技术问题。为了克服光源集成方案中半导体激光器与无源硅光器件之间的耦合困难，本发明提出一种基于激光直写透明介质材料实现片上光源三维互连的方法，即利用激光直写和选择性刻蚀透明介质材料，加工连接任意位置的三维光子引线。该方案能够加工任意形状的光学波导，实现任意位置的片上和光波导之间的光学互连，在保证光子引线端点加工精度的同时，能够实现有源器件和波导器件的低损耗互连，而且相比于传统的聚合物光子引线波导来说具有更高的热稳定性。此外，根据出光方式和入射方式的不同，我们针对激光直写波导两端设计了多种端面耦合结构，从而实现光子引线波导端面的高效耦合，进而提升片上光源与波导器件之间的光传输效率。
本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种强限制的三维光子引线波导实现片上光源互连的方法，其包括如下步骤：
1)激光器和光波导之间生长透明介质材料薄膜；
2)用激光直写技术对透明介质材料内部分区域进行激光改性，激光焦点处的光强I>Ith，Ith为改变透明介质材料的抗蚀性所需要的激光强度，因此被激光直写过的区域的抗蚀性远小于未被激光直写过的区域；
3)用刻蚀方法，选择性刻蚀掉激光直写区域的透明介质材料部分，保留未被激光直写过的区域形成裸露在空气中的强限制的子引线玻璃波导结构，实现片上三维光互连。
本发明所称的强限制是指光子引线波导内外具有较大的折射率差别。在透明介质中利用激光直写改变介质折射率形成的光波导，其内外折射率差一般只有千分之几，本发明中的强限制(如透明介质石英玻璃在通讯波段的折射率为1.4左右，而空气的折射率为1)光子引线波导有效解决了这个问题，因此能够实现激光器光源和光子引线波导的高效耦合与传输。
根据本发明的优选实施例，当所述的激光器为边发射激光器时，在步骤1)生长明介质材料薄膜之前，先在边发射激光器有源区的前端经过刻蚀形成模斑转换器和台阶结构，所述模斑转换器用于实现激光器和三维光子引线波导之间的高效耦合，所述台阶结构实现三维光子引线波导一端的高度定位与固着支撑。
根据本发明的优选实施例，当所述的激光器为垂直腔面发射激光器时，强限制光子引线波导与激光器耦合的一端设置在激光器顶部。
优选的，所述透明介质材料包括但不限定于二氧化硅、氮化硅、铌酸锂材料。
优选的，透明介质材料生长方法包括但不限于化学气相沉积、原子层沉积、磁控溅射工艺方法。
优选的，透明介质材料的刻蚀方法包括但不限于化学湿法刻蚀。
优选的，所述的激光器为p-i-n夹层结构的边发射激光器，有源层处于中间夹层部分，所形成的台阶位于有源层以下，所形成的模斑转换器是位于台阶平面以上，包含有源层并且具有一定厚度的锥形结构。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果有：
本发明提出了用于片上光子引线和激光器互连的边耦合结构，包括激光器前端的模斑转换器以及光子引线前端包裹模斑转换器的渐变结构，能够解决激光直写透明介质波导的端面反射问题，实现片上光源和光子引线的高效耦合。
本发明提出用于片上光子引线和激光器边耦合的台阶面结构，克服了激光直写透明介质中的波导高度定位问题，能够实现互连器件在耦合端面的准确连接，同时也实现了光子引线波导一端的固着支撑设计。
本发明提供了裸露在空气中的高折射率对比度的三维光子引线波导加工方法，因此克服了激光直写透明介质波导中的弱光学限制问题，从而减小了光子引线波导的端面耦合损耗和传输损耗。
本发明利用三维光子引线互连波导，克服了片上光源和无源光波导光互连中的高度差问题，实现了片上光源的有效集成。
本发明提供了多种片上光子引线波导和光子器件之间的耦合方式，并根据不同的耦合方式设计了多种端面耦合结构，因此减少了激光直写透明介质波导的端面耦合损耗，从而提高了激光器与无源波导器件之间的光学传输效率。
附图说明
图1是在SOI晶圆上外延生长Ⅲ-Ⅴ族材料后的堆层结构。
图2是Ⅲ-Ⅴ族材料加工成激光器之后的堆层结构。
图3是实现出光口锥形模斑转换器和台阶结构的激光器堆层结构。
图4是连接边发射激光器与硅波导，所加工的裸露在空气中的三维光子引线玻璃波导。
图5是连接面发射激光器与硅波导，所加工的裸露在空气中的三维光子引线玻璃波导。
图6是本发明中激光器有源器件的加工流程。
图7是本发明中是三维光子引线玻璃波导的加工流程。
图8是连接边发射激光器出光端和玻璃波导的锥形包覆耦合结构。
图9是连接边发射激光器出光端面和玻璃波导的锥形渐变耦合结构。
图10是一种利用反射镜实现垂直发射的条形激光器以及连接其出光端面的渐变圆柱形弯曲玻璃波导耦合结构。
图11是连接玻璃波导和片上无源硅波导耦合端的锥形包覆玻璃波导耦合结构。
图12是连接玻璃波导和片上无源硅波导锥形耦合端的耦合结构。
图13是连接玻璃波导和片上无源光栅器件的垂直耦合结构。
图中1.p型接触层；2.p型限制层；3.有源层；4.n型限制层；5.n型接触层；6.缓冲层；7.连接固定层；8.三五族激光器区域；9.激光器出光口模斑转换器区域；10.顶部布拉格光栅；11.底部反射镜；12.激光直写氧化硅波导；13.激光传播方向；14.激光器出光端面的渐变模式转换器；15.玻璃波导耦合端面的渐变结构；16.弯曲玻璃波导；17.片上激光器；18.片上无源硅波导耦合端模式转换器；19.片上无源光栅器件。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。所述实施例仅是本公开内容的示范且不圈定限制范围。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
本发明的技术原理如下：光波导是一种类似管道一样的光传输线，波导内外存在折射率差，满足特定角度的光线会在波导侧壁处发生全反射，因此光会被波导所限制，而不会发散出去。激光直写是一种利用聚焦的、一定强度的激光，在某些介质中的某些位置改变介质的本身属性(如折射率或者抗蚀性)的技术，其中焦点处的光强为I，介质所能承受的阈值光强Ith，当I>Ith的时候，介质的某些属性(如折射率或者抗蚀性)被改变。基于激光直写二氧化硅介质的技术手段，我们可以加工三维光子引线波导，从而利用光学波导实现空间中任意两点之间的光学互联，因此也就能够解决光源集成中激光器任意出光位置和任意位置硅波导之间的互联问题。
实施例中提供了基于激光直写氧化硅与湿法刻蚀相结合的工艺手段，实现片上光源三维互连的方式，需要说明的是，实施例中的激光器为采用一定方法外延生长与加工得到，其仅是一种示例，本发明的方法不局限本实施例所得到的激光器。事实上，本发明的方法同样适用于其它不同结构或不同方法加工得到的激光器。
如图1-5所示，本实施例方法包括如下步骤：
1)在SOI晶圆上选区外延生长Ⅲ-Ⅴ族激光器堆层结构；
2)利用光刻、生长和刻蚀等微纳加工工艺，完成激光器的外延生长与加工；
3)利用化学气相沉积法在激光器和硅波导之间生长二氧化硅薄膜；
4)利用激光直写技术对二氧化硅内部分区域进行激光改性，激光焦点处的光强I>Ith，Ith为改变二氧化硅的抗蚀性所需要的激光强度，因此被激光直写过的区域的抗蚀性远小于未被激光直写过的区域；
5)采用湿法刻蚀，选择性刻蚀掉激光直写区域的二氧化硅部分，保留未被激光直写过的区域形成裸露在空气中的三维光子引线玻璃波导结构。这种光波导的折射率N1远大于空气介质的折射率，因此能够实现更好的光学限制，减少光学传输损耗。
本发明方法同时适用于边发射激光器和垂直面发射激光器。
如图4所示，当所述的激光器为边发射激光器时，所述步骤2)与步骤3)之间还包括如下步骤：选择性刻蚀激光器前端有源区形成台阶结构；所述台阶结构实现三维光子引线玻璃波导结构一端的高度定位和固着受力。所述的Ⅲ-Ⅴ族激光器材料由上至下依次包括p型接触层1、p型限制层2、有源层3、n型限制层4、n型接触层5、缓冲层6、连接固定层7。所形成的台阶是在有源层以下的一个平面，所形成的模斑转换器是位于台阶平面以上，包含有源层并且具有一定厚度的锥形结构。
如图5所示，当所述的激光器为垂直腔面发射激光器时，所述步骤4)进行激光直写时，二氧化硅光子引线波导与激光器耦合的一端通过激光直写设计为圆形。所述的Ⅲ-Ⅴ族激光器材料由上至下依次包括顶部布拉格光栅8、p型限制层2、有源层3、n型限制层4、底部反射镜11；氧化硅光子引线波导与激光器耦合的一端设置在顶部布拉格光栅上。
进一步的优化在于：通过进一步优化激光直写参数窗口，实现高选择性刻蚀比；通过优化选择性湿法刻蚀时间，改善光子引线玻璃波导的形状和表面粗糙度，降低传播损耗。
进一步的优化在于：当片上激光器为边发射激光器时，为了进一步提高激光器端面耦合效率，设计光子引线耦合端为渐变的波导结构，如图8、9所示；当片上激光器的出光方向垂直时，在出光表面设计光子引线为渐变的弯曲波导结构，如图10所示。
进一步优化在于：为了进一步提高片上无源光波导耦合端的耦合效率，当玻璃波导和片上无源光波导水平耦合时，设计直接和波导端面耦合的渐变玻璃波导结构，或者包覆光波导模斑转换器的渐变玻璃波导结构，如图11、12所示；当玻璃波导和片上无源光栅器件垂直耦合时，在光栅上方设计光子引线为渐变的弯曲波导结构，如图13所示。
以下以边发射激光器为例，对本发明的方法进行详细说明。
实施例1，参照如图6和7所示的流程图，硅基激光器的有源无源集成加工方案，裸露在空气介质中的光子引线设计加工方法，所述方法步骤如下：
步骤一：在SOI晶圆上选区外延生长Ⅲ-Ⅴ族激光器堆层结构，如图1所示。
步骤二：利用光刻、生长和刻蚀等微纳加工工艺，完成激光器的外延生长与加工，如图2所示。
步骤三：利用光刻技术选择性刻蚀Ⅲ-Ⅴ族材料，实现激光器出光端有源层以下的台阶以及台阶面以上的锥形模斑转换器，如图3所示。
步骤四：利用化学气相沉积法在激光器和硅波导之间生长二氧化硅包层，二氧化硅包层覆盖激光器和硅波导耦合端的部分区域。
步骤五：利用激光直写技术对二氧化硅内部分区域进行激光改性，激光焦点处的光强I>Ith(改变二氧化硅的抗蚀性所需要的激光强度)，因此被激光直写过的区域的抗蚀性远小于未被激光直写过的区域。
步骤六：采用湿法刻蚀，选择性刻蚀掉激光直写区域的二氧化硅部分，保留未被激光直写过的区域形成裸露在空气中的三维光子引线玻璃波导结构，如图4所示。
以下以面发射激光器为例，对本发明的方法进行详细说明。
实施例2，硅基激光器的有源无源集成加工方案，裸露在空气介质中的光子引线设计加工方法，所述方法步骤如下：
步骤一：在SOI晶圆上选区外延生长Ⅲ-Ⅴ族激光器堆层结构，如图1所示。
步骤二：利用光刻、生长和刻蚀等微纳加工工艺，完成激光器的外延生长和加工，如图2所示。
步骤三：利用化学气相沉积法在激光器和硅波导以上沉积二氧化硅包层，二氧化硅包层覆盖整个面发射激光器和硅波导耦合端的部分区域。
步骤四：利用激光直写技术对二氧化硅内部分区域进行激光改性，激光焦点处的光强I>Ith(改变二氧化硅的抗蚀性所需要的激光强度)，因此被激光直写过的区域的抗蚀性远小于未被激光直写过的区域。
步骤五：采用湿法刻蚀，选择性刻蚀掉激光直写区域的二氧化硅部分，保留未被激光直写过的区域形成裸露在空气中的三维光子引线玻璃波导结构，如图5所示。
本发明通过激光直写和湿法刻蚀相结合的技术手段制备裸露在空气中的强限制三维光子引线玻璃波导，包括连接空间中任意两点、各种形状的三维光子引线玻璃波导。
本发明通过强限制三维光子引线玻璃波导来实现任意器件之间的光子引线互连方案，包括且不限于激光器与硅波导之间的光学互连。
本发明为了解决激光直写光子引线波导耦合端在竖直方向上的加工准确性问题，通过设计激光器前端台阶结构，将竖直端面间的互连转移到水平面内。
本发明为了解决光子引线玻璃波导的传输损耗问题，而在光子引线两端、激光器的出射端口、硅波导的入射端口加工任意合适形状的耦合结构，包括但不限于如图8、9所示的锥形渐变结构以及如图10所示的圆柱形渐变结构。
本发明为了解决光子引线玻璃波导和硅波导之间的有效光耦合问题，设计包括但不限于如图11所示的包裹硅波导的锥形玻璃波导耦合结构、如图12所示直接连接玻璃波导和硅波导的锥形渐变结构以及如图13所示连接玻璃波导和片上光栅器件的垂直耦合结构。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种强限制的三维光子引线波导实现片上光源三维互连的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1) 在边发射激光器有源区的前端经过刻蚀形成模斑转换器和台阶结构，所述模斑转换器用于实现激光器和三维光子引线波导之间的高效耦合，所述台阶结构用于实现三维光子引线波导一端的高度定位与固着支撑；在激光器和光波导之间生长透明介质材料薄膜，所述透明介质材料为二氧化硅；所述的激光器为p-i-n夹层结构的边发射激光器，有源层处于中间夹层部分，所形成的台阶位于有源层以下，所形成的模斑转换器是位于台阶平面以上，包含有源层并且具有一定厚度的锥形结构；
2)用激光直写技术对透明介质材料内部分区域进行激光改性，激光焦点处的光强I>Ith ，Ith为改变透明介质材料的抗蚀性所需要的激光强度，因此被激光直写过的区域的抗蚀性远小于未被激光直写过的区域；
3)用刻蚀方法，选择性刻蚀掉激光直写区域的透明介质材料部分，保留未被激光直写过的区域形成裸露在空气中的强限制的光子引线玻璃波导结构，实现片上三维光互连。
2.根据权利要求1所述的强限制的三维光子引线波导实现片上光源三维互连的方法，其特征在于，透明介质材料生长方法包括化学气相沉积、原子层沉积、磁控溅射工艺方法。
3.根据权利要求1所述的强限制的三维光子引线波导实现片上光源三维互连的方法，其特征在于，透明介质材料的刻蚀方法包括化学湿法刻蚀。
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