CN115802260A - 一种干涉型光芯片 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种干涉型光芯片，用以解决现有微型光学麦克风尺寸有限，不能实现声光信号的灵敏传输的技术问题。本发明包括输入波导和输出波导，所述输入波导和输出波导之间设有耦合区，输入波导含有3个输入端口，输出波导有2个或者3个输出端口，耦合区采用DC结构或MMI结构。本发明采用超高折射率差的半导体芯片工艺，可缩小芯片的尺寸，并有很好的声光灵敏度。

Description

一种干涉型光芯片

技术领域

本发明涉及半导体的技术领域，尤其涉及一种干涉型光芯片。

背景技术

在传统的麦克风技术中，传统的声光换能结构大都采用圆形薄膜式反射膜片，反射膜由复合材料或者金属材料组成，通过紧固装置装配于光纤套管端部，由于市场对光学麦克风的体积要求越来越小，频率响应范围及声压灵敏度等要求越来越高，传统的光纤端面薄膜式声敏结构很难满足要求。

申请号为201410034800.5的发明专利公开了一种输入位置控制的多模干涉型光开关，包括平面光波光路芯片、光源、输入光纤阵列和电动自动调芯装置，平面光波光路芯片包括硅衬底、二氧化硅缓冲层、波导，以及覆盖层，波导包括输入级单模波导、中间级多模波导和n个输出级单模波导；光源与输入光纤阵列的输入端连接，输入光纤阵列的输出端与输入级单模波导的输入端连接，输入级单模波导的输出端通过中间级多模波导与n个输出级单模波导的输入端连接；输入光纤阵列固定连接在电动自动调芯装置上。该光开关的开关状态可调，且工艺、结构简单，成本低。但是，上述干涉型光开关输入端没有更多的端口来实现信号监测，且不能用于光学麦克风产品中。

发明内容

针对现有微型光学麦克风尺寸有限，不能实现声光信号的灵敏传输的技术问题，本发明提出一种干涉型光芯片，采用超高折射率差的半导体芯片工艺，因此可缩小芯片的尺寸，并有很好的声光灵敏度。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种干涉型光芯片，包括输入波导和输出波导，所述输入波导和输出波导之间设有耦合区，输入波导含有3个输入端口，输出波导有2个或者3个输出端口，耦合区采用DC结构或MMI结构。

优选地，所述输入波导的输入端口之间的间距为127μm的整数倍、250μm的整数倍或者其他定制间距；所述输入波导的输出端口之间的间距为127μm的整数倍、为250μm的整数倍或者其他定制间距。

优选地，所述输入波导、耦合区和输出波导均设置在芯层，芯层的上部设有上包层，芯层的下部设有下包层，芯层的折射率大于上包层和下包层的折射率，下包层的下部设有基底。

优选地，所述输入波导的3个输出端口的分光比为1:1:1；所述输入波导外侧的两个输出端口的相位差为2π/3。

优选地，所述输出波导外侧的一输出端口的耦合断面上镀有反射膜，输出波导外侧的另一输出端口的耦合断面上镀有增透膜。

优选地，所述输入波导和输入波导的耦合断面均为斜8度的光滑的耦合端面。

优选地，所述输入波导的耦合断面为斜8度的光滑的耦合端面，输出波导侧的耦合断面为倾斜45度的光滑的耦合端面。

优选地，所述输入波导的一个输入端口与单频激光器相连接，输入波导的另外两个输入端口分别与光探测器相连接，光探测器与数据收集系统相连接，输出波导外侧的一输出端口为参考臂、另一输出端口为传感臂。

优选地，通过光路的全反射，输出波导将光信号传递到悬臂梁的振膜结构。

优选地，所述基底为单晶硅片或石英片，悬臂梁为硅微悬臂梁，硅微悬臂梁通过玻璃盖板设置在上包层的上部；所述玻璃盖板包括从上到下依次设置的硼磷玻璃盖板和硼硅玻璃盖板。

与现有技术相比，本发明的有益效果：采用了超高折射率差工艺设计了尺寸更小的干涉型光芯片，采用此光学芯片的微型光学麦克风能够实现频率响应范围大、声压灵敏度大的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1的结构示意图。

图2为本发明实施例2的结构示意图。

图3为本发明波导宽度对输出光功率的模拟结果图。

图4为本发明耦合区长度对输出光功率的模拟结果图。

图5为本发明耦合区波导缝隙对输出光功率的模拟结果图。

图6为本发明干涉型芯片的原理图。

图7为本发明干涉型光芯片的光学模拟图。

图8为本发明输出角度为8度的芯片示意图。

图9为本发明输出角度为45度的芯片示意图。

图10为本发明干涉型光芯片的大角度磨抛bar条示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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付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。

实施例1，如图1所示，一种干涉型光芯片，包括输入波导1和输出波导3，所述输入波导1和输出波导3之间设有耦合区2，输入波导1含有3个输入端口，输出波导3有3个输出端口，耦合区2采用DC（定向耦合器，Directional Coupler）结构或MMI（多模干涉耦合器，multi-mode inferometer）结构，耦合区2的作用是输入光在耦合区耦合后可以改变输出端的分光比和相位，采用DC结构芯片的损耗会比MMI结构要小，MMI结构的优点是偏振相关损耗较小。

所述输入波导1的输入端口之间的间距为127μm的整数倍、250μm的整数倍或者其他定制间距，如50μm或者100μm等。所述输入波导3的输出端口之间的间距为127μm的整数倍、为250μm的整数倍或者其他定制间距，，如50μm或者100μm等。因为商用的FA间距是127μm和250μm或者他们的整数倍，其他定制间距可以满足一些特殊间距需求的应用。

输入波导3外侧的两个输出端口的相位差为2π/3，两路输出光的相位差为2π/3可以使监测哪一路的信号干扰达到最小。

当3*2干涉型光芯片的输入波导的间距为127μm，输出波导的间距为500μm时，光芯片的尺寸可以小至600μm*3950μm，并且保证两个输出端口直接的相位差为2π/3，能够满足微型光学麦克风的要求。

所述输入波导1、耦合区2和输出波导3均设置在芯层，芯层的上部设有上包层，芯层的下部设有下包层，芯层的折射率大于上包层和下包层的折射率，下包层的下部设有基底。采用超高折射率差来实现光敏干涉芯片的小尺寸。超高折射率差是芯层和包层的折射利率差，折射率差越高，可以采用更小的弯曲半径，就可以缩小芯片的尺寸。所设计的输入波导、输出波导和耦合区都是基于相应的折射率差下模拟设计的。折射率差和弯曲半径是需要匹配的，否则芯片的插损等性能会比较差。

对于输入波导1和输出波导3的波导宽度和耦合区2的长度及缝隙需要通过仿真得到合适的仿真参数：

通过模拟两个耦合长度下（耦合长度分别为300μm和500μm）波导宽度的扫描结果说明，波导宽度对三个输出波导的输出光功率影响很大，模拟结果如图3所示，图3（a）为300μm耦合长度下的波导宽度扫描结果，图3（b）为550μm耦合长度下的波导宽度扫描结果。图3中Mon1、Mon2、Mon3分别表示输出波导3的三个输出端口，通过图3可以看出当波导宽度变化时，输出端口的光功率变化较大，即波导宽度也是影响芯片性能的重要因素。

固定波导宽度和耦合区2的缝隙后，扫描耦合区长度，输出波导三个输出端口的光功率也有较大变化，模拟结果如图4所示，由图4可以看出随着耦合区长度的变化，三个端口的功率呈现周期性变化，耦合区长度也是影响芯片性能的重要因素。

固定波导宽度和耦合区长度，扫描耦合区2的缝隙，输出波导三个输出端口的光功率也有较大变化，模拟结果如图5所示。由图5看出耦合区的缝隙也影响芯片性能。

由此可知，超高折射率差下的干涉型光敏芯片受波导宽度、耦合区长度、缝隙三个影响因素较大。说明在设计的时候需要注意着三个参数的设置，并且在工艺中需要严格控制。

实施例2，如图2所示，一种干涉型光芯片，输出波导3有2个输出端口，与实施例1不同的是中间输出端口可以省去。根据自己的设计或者需要，中间一路波导可以选择引出，或者给终止掉。用在光学麦克风中，中间一路可以将光路绕到一侧。

其他结构和实施例1相同。

实施例3，一种干涉型光芯片，采用折射率差为2.0%的光波导。在流片中通过PECVD来沉积波导芯层时，调节GeH4的气体流量，就可以实现2.0%折射率差的光波导，石英或者硅基作为衬底，掺Ge的二氧化硅为芯层，包层为掺硼和磷的二氧化硅。包层的折射率约为1.4447，芯层的折射率约为1.4742。芯层为界面4μm×4μm的方形波导。对本实施例的结构利用3维BPM进行模拟，其模拟结果如图7所示，由模拟结果可以看出，三个输出通道的分光比为1:1:1，并且通道1和通道3的相位差为2π/3，可以满足干涉型光学麦克风使用。

根据上面的模拟结果确定所需的芯片具体结构，实现方法为：根据模拟结果，确定波导宽度、弯曲半径、耦合区长度等参数，就可以确定设计参数，导出所需结构，绘制设计图形，画出所需要的版图，并制作光刻掩膜版；使用所制作的光刻掩膜版，采用光刻、刻蚀、等离子体气相沉积等技术相结合的平面光波导制作工艺，制作了分光比为1:1:1的3*2/3*3型光干涉芯片，最后通过切割、磨抛和抛光得到两端面均为斜8度的光滑的耦合端面。耦合端面的输出波导1侧需要镀上反射膜，输出波导3需要镀增透膜。芯片示意图如图8所示。即输入波导1和输入波导3的耦合断面均为斜8度的光滑的耦合端面，8度可以防止光路反射。输出波导3外侧的一输出端口的耦合断面上镀有反射膜，将所要反射的光路信号通过光路反射到输入端口的另外两个端口。输出波导3外侧的另一输出端口的耦合断面上镀有增透膜，增透膜将需要的传感信号传输出去。

如图6所示，输入波导1的一个输入端口与单频激光器相连接，单频激光器的作用是提供输入光信号，输入波导1的另外两个输入端口分别与光探测器相连接，光探测器与数据收集系统相连接，光探测器是探测反射信号的强度、相位等信号信息。输出波导3外侧的一输出端口为参考臂、另一输出端口为传感臂。传感臂将信号往后传输，进行后续处理，参考臂将信号反射通过耦合区传输到光探测器，进行数据收集和处理。

其他结构和实施例1相同。

实施例4，一种干涉型光芯片，所述输入波导1的耦合断面为斜8度的光滑的耦合端面，输出波导3侧的耦合断面为倾斜45度的光滑的耦合端面。

芯片制作过程与实施例3一致，芯片制作完成后，端面的磨抛角度与之不同，如图9所示，输入波导的耦合断面依然是斜8度磨抛，以减少反射，输出端即输出波导的耦合断面需要磨抛成45度大角度，通过光路的全反射，输出波导3将光信号传递到悬臂梁的振膜结构，从而实现更高的灵敏度和宽广的频响范围。通过45度反射后的光强可以使悬臂梁产生振动，悬臂梁的振动可以产生声音信号，即光信号到声音信号的转换。加工过程的bar条示意图如图10所示，基底为单晶硅片或石英片，悬臂梁为硅微悬臂梁，硅微悬臂梁通过玻璃盖板设置在上包层的上部；所述玻璃盖板包括从上到下依次设置的硼磷玻璃盖板和硼硅玻璃盖板。硼硅玻璃盖板的热膨胀系数较硼磷玻璃的要低，可以减少温度梯度造成的影响，即稳定性更好。微悬臂梁下方选用硼硅玻璃盖板可以有更好的温度稳定性。

其他结构和实施例3相同。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种干涉型光芯片，包括输入波导（1）和输出波导（3），其特征在于，所述输入波导（1）和输出波导（3）之间设有耦合区（2），输入波导（1）含有3个输入端口，输出波导（3）有2个或者3个输出端口，耦合区（2）采用DC结构或MMI结构。

2.根据权利要求1所述的干涉型光芯片，其特征在于，所述输入波导（1）的输入端口之间的间距为127μm的整数倍、250μm的整数倍或者其他定制间距；所述输入波导（3）的输出端口之间的间距为127μm的整数倍、为250μm的整数倍或者其他定制间距。

3.根据权利要求1或2所述的干涉型光芯片，其特征在于，所述输入波导（1）、耦合区（2）和输出波导（3）均设置在芯层，芯层的上部设有上包层，芯层的下部设有下包层，芯层的折射率大于上包层和下包层的折射率，下包层的下部设有基底。

4.根据权利要求3所述的干涉型光芯片，其特征在于，所述输入波导（3）的3个输出端口的分光比为1:1:1；所述输入波导（3）外侧的两个输出端口的相位差为2π/3。

5.根据权利要求4所述的干涉型光芯片，其特征在于，所述输出波导（3）外侧的一输出端口的耦合断面上镀有反射膜，输出波导（3）外侧的另一输出端口的耦合断面上镀有增透膜。

6.根据权利要求4或5所述的干涉型光芯片，其特征在于，所述输入波导（1）和输入波导（3）的耦合断面均为斜8度的光滑的耦合端面。

7.根据权利要求4或5所述的干涉型光芯片，其特征在于，所述输入波导（1）的耦合断面为斜8度的光滑的耦合端面，输出波导（3）侧的耦合断面为倾斜45度的光滑的耦合端面。

8.根据权利要求7所述的干涉型光芯片，其特征在于，所述输入波导（1）的一个输入端口与单频激光器相连接，输入波导（1）的另外两个输入端口分别与光探测器相连接，光探测器与数据收集系统相连接，输出波导（3）外侧的一输出端口为参考臂、另一输出端口为传感臂。

9.根据权利要求8所述的干涉型光芯片，其特征在于，通过光路的全反射，输出波导（3）将光信号传递到悬臂梁的振膜结构。

10.根据权利要求9所述的干涉型光芯片，其特征在于，所述基底为单晶硅片或石英片，悬臂梁为硅微悬臂梁，硅微悬臂梁通过玻璃盖板设置在上包层的上部；所述玻璃盖板包括从上到下依次设置的硼磷玻璃盖板和硼硅玻璃盖板。

Images