CN115373071A - 片上光束调控结构及光耦合系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的片上光束调控结构，包括导光层，所述导光层包括第一区和第二区；所述第一区的折射率大于所述第二区的折射率；所述第二区与所述第一区的交界面包括第一反射面，所述第一反射面为光学自由曲面。能够将具有一定发散角度的光束进行调控，将所述光束会聚到特定位置，光束能量损耗小；同时利于实现光路结构尺寸的微型化，能够设置于集成光学芯片上，进一步提高了片上光学系统设计的自由度。本发明还提供的光耦合系统因具有本发明的片上光束调控结构而具有相应优势，实现晶圆级的片上端面耦合，对准容差高且耦合损耗低。
Description
技术领域
本发明属于半导体器件技术领域，尤其涉及一种在芯片上集成用于光束调控的结构及相应的光耦合系统。
背景技术
集成光学芯片是在光通信、光计算机及光信息处理等新兴技术需求的基础上应运而生的，是具有一定独立功能的微型光学体系。集成光学芯片上的器件实现功能一般需要光束在片上传播。以硅基光学集成芯片(硅光芯片)为例，SOI硅光工艺本身具备一套相对完整的光学元器件系统，包括各类无源器件、电光调制器和光电探测器等。然而，由于硅材料属于间接半导体材料，材料本身难以制作成激光器元件，因此，一般采用外置的Ⅲ-Ⅳ族激光器来做光源，通过外延生长或耦合对准的方式实现光源的输入。在硅基材料上外延生长Ⅲ-Ⅳ族激光器的方式对工艺要求很高，实现难度很大。因此绝大部分厂家都采用的是完整的激光器芯片与硅光芯片耦合对准的方式实现激光器光源的耦合。其中，以硅光器件与光源耦合对准的结构为例，主要有两种，一种是端面耦合结构，一种是光栅耦合器结构。光栅耦合的优点是集成度高，但其带宽太窄，且往往对偏振敏感，无法满足所有的应用需求。端面耦合则能克服这些缺点，但其对准容差较低，一般需要高精度的对准设备。
可知光束的输入和在片上的传播对于集成光学芯片的功能实现至关重要，光束整形、准直、定向或调制等光束调控结构设计是集成光学芯片进一步发展中的关键技术。
以端面耦合为例来说，由于端面耦合器件与激光器模式尺寸的不匹配，端面耦合对于对准容差的要求极高，很难兼顾小的耦合损耗和大的耦合容差。现有技术激光器芯片与硅光芯片的端面耦合通过添加透镜来进行光束整形与准直，以此提高对准容差，而这种方法将增加整体封装的尺寸和成本，光束调控通过透镜，光路设计尺寸就难以微小化，当然也难以实现晶圆级的片上端面耦合。
因此目前十分需要研究一种片上光束调控结构，能够在芯片上进行制作，适用于片上集成，实现对片上光束输入和传播的整形、准直和定向的调控功能，以此进一步推动集成光学芯片技术的深入发展及广泛应用。
发明内容
本发明是为解决上述现有技术的全部或部分问题，本发明一方面提供了一种片上光束调控结构，适用于调控光束在集成光学芯片上的传播。本发明的另外一个方面提供了一种光耦合系统，具有本发明的片上光束调控结构，用于将光源与集成光学芯片光耦合。
本发明一方面提供的片上光束调控结构，包括导光层，用于传播光束；所述导光层包括第一区和第二区；所述第一区的折射率大于所述第二区的折射率；所述第二区与所述第一区的交界面包括第一反射面，所述第一反射面为光学自由曲面。光学自由曲面是一种无法用球面或非球面系数表示的曲面。例如不对称非球面，在两正交方向的非球面系数不同；还有参数向量表示的任意形状的自由曲面，包括贝塞尔曲面、非均匀有理B样条曲面等，并不限定。光学自由曲面能够有效提高光能利用率，更可以消除光学系统对照明方向的严格要求，光学设计自由度高。通过片上集成的所述第一区与第二区的交界面形成呈光学自由曲面的所述第一反射面，基于光学自由曲面能够将具有一定发散角度的所述光束进行整形、准直，光束传播的方向性更好；通过设置所述第一反射面与光束传播方向的相对位置，能够将偏移范围在一定区间的光束都会聚到预定目标，能够降低光束能量损耗；同时利于实现光路结构尺寸的微型化，突破了传统光学设计中依赖准直/聚焦透镜等光学零部件进行外部调控的限制。
一般情况中，所述第一区与所述第二区的交界面还包括第二反射面。通过所述第二反射面的设置可以更灵活的进行光路设计，更利于结构小型化和优化设计。
较好的，所述第二反射面呈光学自由曲面或平面。呈光学自由曲面的第二反射面与所述第一反射面配合更有利于根据实际情况优化光束与所述光束调控结构的相对位置，能更灵活的对光束进行调控。呈平面的第二反射面则更易于制备，能够起到将光路转折的作用，能够不用改变外部光源与芯片特定端面的相对位置而实现将外部光源导向目标光学器件，有利于芯片上光学器件布局的灵活性。
到达所述第一反射面的光束的入射角记为第一入射角；到达所述第二反射面的光束的入射角记为第二入射角；所述第一入射角和/或所述第二入射角大于临界角。所述临界角是指当光束从光密介质（高折射率介质）射向光疏介质（低折射率介质）时，折射角将大于入射角，当入射角为某一数值时，折射角等于90°，此入射角称为临界角，是使得全内反射发生的最小的入射角。当所述第一入射角大于临界角，则所述光束在所述第一反射面发生全内反射；当所述光束入射到所述第二反射面的入射角大于临界角时，则所述光束在第二反射面发生全内反射。全内反射光能损耗更小，利于提高光能利用率。
第一入射角和/或所述第二入射角在26°以上。
所述第一区由半导体材料构成；所述第二区包括所述导光层内的若干沟槽，所述沟槽内填充有半导体化合物；所述沟槽侧壁构成所述第二区与所述第一区的交界面。也可以在所述沟槽侧壁采用镀膜工艺设置低于所述半导体层折射率的介质分别形成所述第一反射面或第二反射面，而不是填充半导体化合物，并不限定。不同的所述沟槽也可以填充不同的介质材料，并不限定。
所述沟槽的宽度范围在100纳米到20微米。所述沟槽走向上任一处位置的宽度取值范围在100纳米到20微米，可以根据实际制作工艺相应预设。尺寸过小则对于光刻工艺要求较高，尺寸过大则整体系统尺寸过大，尺寸在所述范围内能够易于满足工艺能力、同时满足器件功能和尺寸微型化的需求。
所述沟槽的长度范围在30微米到100微米。所述沟槽具有一定长度能够配合所述光束的发散角度或者光束的偏移区间形成足够的侧壁区域进行所述光束的准直或定向。
所述导光层为SOI层。所述半导体化合物包括二氧化硅（SiO2）、氮氧化硅（SiON）或Si3N4(氮化硅)。所述半导体化合物优选标准CMOS工艺兼容的硅基半导体化合物。
所述导光层为SOI(绝缘材料层上的硅)层，与现有的CMOS工艺兼容性好，通过CMOS工艺兼容的方法制作光束调控结构更易于实现、有利于结合现有生产工艺，控制生产成本，简化工艺提高制造效率。所述半导体化合物包括氧化硅或氮化硅或氮氧化硅等标准CMOS工艺兼容的硅基半导体化合物。硅具有比二氧化硅、氮氧化硅或氮化硅的折射率更高的折射率；SiO2与掩埋层材料相同，SiO2、SiON或Si3N4易于结合现有CMOS工艺生成。
一个具体实施例中，所述片上光束调控结构采用如下工艺制备：在所述导光层上通过刻蚀形成所述沟槽，所述沟槽包括呈光学自由曲面的侧壁；而后回填SiO2，进行平坦化处理。
本发明另一方面提供的光耦合系统，包括相干光源和硅光芯片；所述硅光芯片接收所述相干光源输出光束的接收端设置有本发明一方面提供的片上光束调控结构；所述输出光束经所述片上光束调控结构后会聚到所述硅光芯片上预设端面耦合器件的耦入面。所述输出光束入射到所述接收端的位置在一定区间变动时，从所述片上调控结构出射的光束始终能够会聚到所述耦入面上特定的位置，实现所述相干光源的耦入。
所述相干光源的输出端与所述接收端通过折射率匹配液互连。通过在所述相干光源的输出端到所述硅光芯片的接收端之间的空间中设置折射率匹配液，能进一步减少了所述输出光束在经过不同介质的分界面时的反射损失，降低了光能损耗。
所述折射率匹配液的折射率范围为1.4至1.5。能够与CMOS工艺中SiO2的折射率更好的匹配。
与现有技术相比，本发明的主要有益效果：
1、本发明的片上光束调控结构，构造简单，兼容现有工艺易于实现，在所述导光层包括呈光学自由曲面的第一反射面，对外部光源的波长不敏感，能够用于对不同波长的光束调节和控制；通过第一反射面即可实现光束的传播方向控制、准直及会聚，结构尺寸微型化能够设置于集成光学芯片上，进一步提高了片上光学系统设计的自由度，极有利于集成光学芯片技术的推广和深入发展；所述第二反射面与所述第一反射面配合可以更灵活的进行光路设计，更利于结构小型化和优化设计。
2、本发明的光耦合系统，在所述硅光芯片上集成有本发明的片上光束调控结构，对波长变化不敏感，同时即使所述相干光源的输出光束入射到所述接收端的位置在一定区间之间偏移，通过所述片上光束调控结构仍能将光束会聚到所述端面耦合器件耦入面上的特定位置实现晶圆级的片上端面耦合，对准容差高且耦合损耗低。
附图说明
图1为本发明实施例一的光耦合系统的俯视示意图。
图2为本发明实施例一的第一区与第二区俯视示意图。
图3为本发明实施例一的片上光束调控结构制备方法示意图。
图4为本发明实施例二的光耦合系统的俯视示意图。
图5为本发明实施例二的光耦合系统的剖面示意图。
图6为本发明实施例二的片上光束调控结构的光束传播仿真示意图。
具体实施方式
下面将对本发明具体实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解。附图中，相同结构或功能的部分利用相同的附图标记来标记，出于显示清楚的原因必要时并不是所有示出的部分在全部附图中用所属的附图标记来标记。
实施例一
如图1和图2所示，本发明实施例一中的光耦合系统包括相干光源1和硅光芯片2，示例的相干光源1采用一台激光器。硅光芯片2的一侧边缘为接收所相干光源1输出光束L的接收端，在光束传播光路上有第一区A和第二区B；第一区A的折射率大于第二区B的折射率。第二区B与第一区A的交界面包括第一反射面C1，第一反射面C1为光学自由曲面。本实施例中第一区A的折射率就是Si(硅)材料的折射率，为3.45。第二区B具体是由在Si器件层开设的一个沟槽B1及在沟槽B1中填充的SiO2构成的。硅具有比硅的氧化物的折射率(1.45)更高的折射率。沟槽B1的数量可以有更多个，也可以采用氮氧化硅、氮化硅或其他折射率低于硅材料的硅基半导体化合物作为填充材料，并不限定。本实施例中，在相干光源1的输出端涂布有折射率匹配液F，折射率匹配液F与硅光芯片2上接收端所在的一侧边缘接触。本实施例中折射率匹配液F用于匹配CMOS工艺中二氧化硅SiO2的折射率，折射率匹配液F的折射率范围为1.40至1.50。相干光源1的输出光束L经折射率匹配液F从硅光芯片2的一侧边缘进入并经第一反射面C1将光路方向改变并会聚到端面耦合器件21。即使激光器的输出光束L在从硅光芯片的接收端表面X进入时偏移为光束L1，光束L1经第一反射面C1的光学自由曲面调控后，到达预设端面耦合器件21的耦入面Y的位置不变。
本实施例中，如图2所示，第二区B与第一区A的交界面包括沟槽B1一侧壁形成的第一反射面C1，第一反射面C1是一个光学自由曲面。第一反射面C1的中心到端面耦合器件22的距离的一个示例值是0.1mm。沟槽B1的宽度最大值可以根据光学自由曲面参数设定，本实施例中在宽度最大值取值范围在5-20微米，宽度最小值由光刻最小尺寸决定，一个示例值为100纳米，沟槽B1的长度范围一般为30微米-100微米，本实施例的一个示例值是93微米。
如图3所示，本实施例中的片上光束调控结构的制备方法，包括：刻蚀沟槽B1，其一侧壁形成第一反射面C1的面型；在所述导光层即Si器件层形成第一区；在沟槽B1中填充满SiO2，形成第二区；进行表面平坦化处理。
实施例二
如图4和图5所示，实施例二与实施例一的区别主要在于，片上光束调控结构22还包括一个第二反射面C2，本实施例较好的一个做法第二反射面C2也呈光学自由曲面。在其他一些具体实施情况中第二反射面C2也可以是平面或其他面型，并不限定。本实施例中硅光芯片2的一侧边缘沿光路方向依次向内集成有片上光束调控结构22和预设的端面耦合器件21，以此实现晶圆级的片上端面耦合。本实施例的片上光束调控结构22包括导光层221；导光层221在光束传播光路上包括第一区A和第二区B；第一区A的折射率大于第二区B的折射率；本实施例中预设的端面耦合器件21在硅光芯片2上的位置不变的情况下，光路经第二反射面C2转折，与第一反射面C1配合，缩短了相关光源1与预设的端面耦合器件21的相对间距。本实施例中第二反射面C2相似的也是一个沟槽B1一个侧壁形成的，该沟槽B1内也填充有SiO2，也可以填充氮化硅或氮氧化硅等标准CMOS工艺兼容的硅基半导体化合物，并不限定。不再展开赘述。
本实施例中，片上光束调控结构的光束传播仿真情况如图6所示，光束从硅光芯片的接收端表面X进入到达第二反射面C2的入射角在26°以上，在第二反射面C2形成全内反射，在第一区A继续传播到达第一反射面C1的入射角也在26°以上，在第一反射面C1仍形成全内反射，在第一区A继续传播会聚到端面耦合器件21的耦入面Y。本实施例中第二反射面C2中心到第一反射面C1的中心的距离的示例值为0.08mm，第一反射面C1的中心到端面耦合器件2的距离的示例值为0.1mm。本实施例中即使激光器的输出光束L到达硅光芯片2的接收端表面X的位置在区间P到Q之间偏移，经第一反射面C1形成全内反射的反射光束始终能会聚到端面耦合器件21上，如此提高了端面耦合的对准容差，同时耦合损耗低。本实施例中P到Q之间的偏移范围的示例值是60微米。在实际应用中本实施例的光耦合系统的对准容差通过本实施例的片上光束调控结构一般可以从1微米提升至60微米。
本发明为了便于叙述清楚而采用的一些常用的英文名词或字母只是用于示例性指代而非限定性解释或特定用法，不应以其可能的中文翻译或具体字母来限定本发明的保护范围。
还需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，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过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
以上对本发明进行了详细介绍，本文中应用了具体的个例对本发明的结构及工作原理进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求保护的范围内。
Claims (10)
1.片上光束调控结构，其特征在于：包括导光层，用于传播光束；所述导光层包括第一区和第二区；所述第一区的折射率大于所述第二区的折射率；所述第二区与所述第一区的交界面包括第一反射面，所述第一反射面为光学自由曲面。
2.根据权利要求1所述的片上光束调控结构，其特征在于：所述第一区与所述第二区的交界面还包括第二反射面。
3.根据权利要求2所述的片上光束调控结构，其特征在于：所述第二反射面呈光学自由曲面或平面。
4.根据权利要求2所述的片上光束调控结构，其特征在于：到达所述第一反射面的光束的入射角记为第一入射角；到达所述第二反射面的光束的入射角记为第二入射角；所述第一入射角和/或所述第二入射角大于临界角。
5.根据权利要求4所述的片上光束调控结构，其特征在于：第一入射角和/或所述第二入射角在26°以上。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的片上光束调控结构，其特征在于：所述第一区由半导体材料构成；所述第二区包括所述导光层内的若干沟槽，所述沟槽内填充有半导体化合物；所述沟槽侧壁构成所述第二区与所述第一区的交界面。
7.根据权利要求6所述的片上光束调控结构，其特征在于：所述沟槽的长度范围在30微米到100微米。
8.根据权利要求6所述的片上光束调控结构，其特征在于：所述导光层为SOI层；所述半导体化合物包括二氧化硅、氮氧化硅或氮化硅。
9.光耦合系统，其特征在于：包括相干光源和硅光芯片；所述硅光芯片接收所述相干光源输出光束的接收端设置有权利要求1-8任意一项所述的片上光束调控结构；所述输出光束经所述片上光束调控结构后会聚到所述硅光芯片上预设端面耦合器件的耦入面。
10.根据权利要求9所述的光耦合系统，其特征在于：所述相干光源的输出端与所述接收端通过折射率匹配液互连。
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