CN117250697B - 高效光栅耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高效光栅耦合器，涉及集成光电子和光通讯技术领域，该高效光栅耦合器从下至上依次包括：衬底层、埋藏氧化物层、硅波导层、多晶硅层及顶部氧化物层；其中，硅波导层包括单模输出波导、过渡波导以及硅光栅，单模输出波导、过渡波导及硅光栅依次相连；多晶硅层包括多晶硅光栅，多晶硅光栅与硅波导层中的硅光栅在上下叠置，共同组成目标光栅；顶部氧化物层中包括有反射层，反射层至少能够覆盖目标光栅，通过对反射层的层数、位置和厚度的设计使入射光的反射光产生相消干涉，并将目标光栅反射向芯片外的光重新反射回目标光栅，以提高光栅耦合器的方向性，从而提高耦合效率。

Description

高效光栅耦合器

技术领域

本发明涉及集成光电子和光通讯技术领域，尤其涉及一种高效光栅耦合器。

背景技术

在过去的几十年中，集成电路技术取得了广泛的应用，在器件设计、加工制作和封装测试方面的应用相当成熟，并形成了完整的产业链。但是随着信息技术的进一步发展，大数据、物联网及云计算等技术先后诞生，产生了海量数据。人们迫切需要实现具有超高传输速率、超快处理能力、超大信息容量、高可靠性、低损耗、低延迟及低成本的信息网络，来满足迅速增长的信息容量和处理能力的需求。然而基于电互联的集成电路技术逐渐逼近物理极限，速率、带宽、能耗、串扰、延迟及电磁干扰等问题愈发突出。在此背景下，集成光电子技术将微电子技术与光子学结合，以光子作为信息载体，具有传输速率快、易于调制、多种复用维度、频率带宽大、抗电磁干扰、能耗低及损耗小等优点，成为突破当前信息网络发展瓶颈的最佳方案。

但要实现成熟的商业化光电子芯片还有许多问题亟需解决，其中突出的一个问题是芯片与光纤之间的高效光耦合问题。目前最为主流的一种耦合方案为光栅耦合，光栅耦合器作为芯片与光纤之间的桥梁，可以将从光纤发射的入射光耦合到芯片中，也可以将芯片中的光耦合输出到光纤中。光栅耦合器具有易于制造、CMOS兼容、位置灵活、对准容差大及易于测试等优点，但是其也具有耦合效率低、耦合带宽窄、片上尺寸过大及偏振敏感等缺点。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种高效光栅耦合器，以解决现有光栅耦合器耦合效率低的问题。

本发明提供了一种高效光栅耦合器，从下至上依次包括：衬底层、埋藏氧化物层、硅波导层、多晶硅层及顶部氧化物层；其中，所述硅波导层包括单模输出波导、过渡波导以及硅光栅，所述单模输出波导、过渡波导及硅光栅依次相连；所述多晶硅层包括多晶硅光栅，所述多晶硅光栅与硅波导层中的硅光栅在上下叠置，共同组成目标光栅；所述顶部氧化物层中包括有反射层，所述反射层至少能够覆盖所述目标光栅，通过对所述反射层层数、位置和厚度的设计使入射光的反射光产生相消干涉，并将目标光栅反射向芯片外的光重新反射回目标光栅。

在一种可能的实施例中，还包括：反射镜，设于所述衬底层和所述埋藏氧化物层之间，所述反射镜为金属反射镜或分布式布拉格反射镜。

在一种可能的实施例中，所述目标光栅的一个光栅单元的长度大于等于50纳米且小于等于1.5微米，所述高效光栅耦合器的特征尺寸大于等于80纳米。

在一种可能的实施例中，所述多晶硅光栅与所述硅光栅的刻蚀部分的位置和宽度均一致。

可选地，所述反射层的层数大于等于1。

可选地，所述反射层的材料为氮化硅。

在一种可能的实施例中，所述过渡波导的第一端面与单模输出波导相连，且所述过渡波导的第一端面的宽度和高度与所述单模输出波导一致；所述过渡波导的第二端面与所述目标光栅相连，且所述过渡波导的第二端面与所述目标光栅的连接处的横截面的宽度和高度一致，且所述第二端面的形状与所述目标光栅端面的形状相匹配。

在本发明至少能够达到以下有益效果：

（1）本发明与标准的SOI平台相匹配，制造流程与标准的COMS工艺相兼容，无需引入额外的复杂工艺流程即可通过提高耦合的方向性实现较高的耦合效率。便于实现低成本的大规模生产。

（2）本发明可用于设计制造具有高耦合效率的紧凑光栅耦合器，解决芯片与光纤之间的高效光耦合问题以及传统光栅耦合器片上尺寸过大的问题。

（3）本发明中所包含的层数、位置、厚度可变的用于提高耦合效率的反射层为光电子集成平台的探索提供了借鉴，有助于标准SOI平台的进一步优化，并为其他器件的高性能设计方案提供思路。

附图说明

为了更完整地理解本发明及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：

图1示意性示出了本发明一种可能的实施例得到的高效光栅耦合器的纵向截面示意图；

图2示意性示出了本发明一种可能的实施例得到的高效光栅耦合器的俯视图；

图3示意性示出了本发明一种可能的实施例得到高效光栅耦合器的光栅单元的纵向截面示意图；

图4示意性示出了本发明的一种可能的实施例用于实现芯片与外部光源高效光耦合的一种具体的应用场景；

图5示意性示出了本发明另一种可能的实施例得到的高效光栅耦合器的纵向截面示意图；

图6示意性示出了本发明的实施例所允许的一种可能的光栅单元的纵向截面示意图；

图7示意性示出了本发明的实施例所允许的另一种可能的光栅单元的纵向截面示意图；

图8示意性示出了本发明的实施例所允许的另一种可能的光栅单元的纵向截面示意图；

图9示意性示出了本发明的实施例所允许的一种可能的过渡波导结构的俯视图；

图10示意性示出了本发明的实施例所允许的另一种可能的过渡波导结构的俯视图。

【附图标记说明】

101-衬底；102-埋藏氧化物层；103-硅波导层；1031-单模输出波导；1032-过渡波导；1033-硅光栅；1033a-未刻蚀的硅光栅部分；1033 b-以第一种刻蚀深度刻蚀后的硅光栅部分；1033c-以第二种刻蚀深度刻蚀后的硅光栅部分；104-多晶硅层；1041-多晶硅光栅；1041a-多晶硅光栅未刻蚀部分；105-反射层；105a-第一反射层；105b-第二反射层；106-顶部氧化物层；107-磨平光纤；108-反射镜。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图，对本发明的几种可能的实施例进行描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分可能的实施例，而不是全部的实施例，本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用。本领域普通技术人员可知，随着新应用场景的出现，本发明实施例提供的技术方案对于类似的技术问题，同样适用本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。此外，在以下说明中，省略了对通识性结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件的数目、形状、比例及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及高度的三维空间尺寸。

本发明的说明书及附图中的术语“第一”、 “第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序，也不代表在实际实施时只允许有相应数量的结构。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或模块的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或模块，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。

具体如图1所示，依照本发明所述的高效光栅耦合器的一种实施例所提供的一种高效聚焦光栅耦合器。该高效聚焦光栅耦合器从下至上依次包括：衬底101、埋藏氧化物层102、硅波导层103、多晶硅层104、反射层105及顶部氧化物层106。其中，该硅波导层103包括单模输出波导1031、过渡波导1032及硅光栅1033，单模输出波导1031、过渡波导1032及硅光栅1033，各结构如图1所示从左至右依次连接；多晶硅层104中包括多晶硅光栅1041，多晶硅光栅1041与硅光栅1033上下叠置，两个光栅的刻蚀位置和刻蚀宽度均一致，二者共同组成目标光栅；反射层105位于顶部氧化物层106的中，应至少能够覆盖目标光栅区域。

可选地，反射层105的层数大于等于1，其层数、位置和厚度根据入射条件进行相应的调整，以满足提高方向性的作用。

具体如图1所示，在该实施例中，反射层105包括第一反射层105a和第二反射层105b，两层反射层能够覆盖目标光栅所占区域。通过调整两层反射层的位置和厚度，可以使入射光在被两层反射层多次反射之后的反射光之间发生相干相减，提高耦合的方向性，进而提高了耦合效率。此外，目标光栅反射向芯片上方的光，经过反射层105的反射，重新入射目标光栅，同样提高了耦合的方向性，进而提高耦合效率。

需要说明的是，为了给出具体的案例，本发明提供的实施例均采用氮化硅作为反射层105的材料，本领域的其他研究人员在对本发明进行使用时，可优选氮化硅作为反射层105的材料。

具体如图2所示，在本实施例中，所述目标光栅为周期数为24的浅刻蚀聚焦光栅，光栅单元的最小刻蚀宽度大于100纳米。过渡波导1032的第一端面与单模输出波导1031相连，且过渡波导1032的第一端面的宽度和高度与单模输出波导1031一致；目标光栅的俯视图为拱形，过渡波导1032的第二端面与目标光栅的相连，且过渡波导1032的第二端面与目标光栅1033的连接处处的横截面的宽度、高度和端面形状相一致。本实施例具体提供了一种用于C波段TE模入射的高耦合效率聚焦光栅耦合器，耦合效率最高可达1.5dB。本实施例所提供的高耦合效率聚焦光栅耦合器，其从单模输出波导1031与过渡波导1032界面处至硅光栅1033末端的纵向长度小于35微米。本实施例所提供的高耦合效率聚焦光栅耦合器的横向尺寸取决于所选择的过渡波导锥角的大小。

图3示意性指出了本实施例中目标光栅的光栅结构单元，该光栅结构单元由多晶硅光栅1041的未刻蚀部分1041a和硅光栅1033的结构单元1033a及1033b共同组成，该光栅单元呈现为L形。其中，1033a为硅光栅1033未刻蚀的部分，1033b为硅光栅1033以第一种刻蚀深度刻蚀后的部分。该光栅单元呈现为L形。该光栅单元对应的多晶硅光栅1041部分为全刻蚀，硅光栅1033部分为浅刻蚀，多晶硅光栅1041与硅光栅1033的刻蚀部分的位置和宽度均一致。可选地，所述目标光栅包含的光栅结构单元的数量可以按照技术人员对于目标器件尺寸及目标性能的要求综合考量。

本实施例与磨角为8度的单模磨平光纤107共同构成了一种本发明的实际应用场景，具体请参阅图4所示。该实施例与所述磨平光纤107的组合可用于实现芯片与外部光源之间的高效光耦合，同时大大减小了耦合器的片上尺寸。

在一种可能的实施例中，为了进一步提高耦合效率，在使用本发明的技术人员所具有的加工工艺允许的情况下，可以在衬底101和埋藏氧化物层102之间添加反射镜108来提高耦合的方向性，反射镜108的位置具体如图5所示。该反射镜108可以为金属反射镜或分布式布拉格反射镜，或是其他能够起到反射效果的结构。该反射镜108可以将从目标光栅向下衍射的光进行反射，重新输入到目标光栅中，减小了向衬底层101中泄露的能量，进而提高耦合效率。

需要说明的是，以上所述的提高耦合效率方法，并不意味着对在本发明所述的高效光栅耦合器的基础上进一步提高耦合性能的方法进行限制。本领域技术人员可以根据实际需求选择合适的方法，在本发明提供的高效光栅耦合器，或是基于本发明提供的高效光栅耦合器的设计方法所设计得到的高效光栅耦合器的基础上，进一步提高耦合性能。

可以理解，在本发明提供的几种实施例中，器件可以通过多种结构实现，并不是限制性的。如所述过渡波导1032可以是俯视图为梯形的过渡波导，俯视图为拱形的过渡波导，或是俯视图对应的左右两侧为任意的连续曲线或折线的过渡波导；所述目标光栅可以是聚焦光栅、非聚焦光栅、变迹光栅、均匀光栅、单刻蚀光栅、多刻蚀光栅、单层光栅及双层光栅中的任意一种或多种的组合；所述目标光栅的光栅结构单元的输出波导方向的纵向截面可以是矩形、侧边与芯片层法向成一定夹角的平行四边形、阶梯形，或是其他任意多边形中的一种或多种的组合。本领域的研究人员可知，在本发明的启示下，可以以上述任意结构的组合或是变换来适应不同的问题，而不偏离本发明的精神和原则。

本发明对目标光栅的光栅结构单元的形状不做限制，具体如图6所示，光栅单元可以是阶梯形的，对阶梯的数目、高度和宽度不进行限制。具体如图7所示，光栅单元可以是阶梯构成的山丘型的，对阶梯的数目、高度和宽度不进行限制。具体如图8所示，光栅单元可以是倾斜的，对倾斜的角度不进行限制。其中，1041a为多晶硅光栅1041未刻蚀的部分，1033a为硅光栅1033未刻蚀的部分，1033b为硅光栅1033以第一种刻蚀深度刻蚀后的部分；1033c为硅光栅1033以第二种刻蚀深度刻蚀后的部分，这里的刻蚀深度可以按照所需任意选择，附图仅是示意性的，在实际应用中可选择大于两种的刻蚀深度，刻蚀深度的大小也并没有做顺序规定，即第一种刻蚀深度也可以大于第二种刻蚀深度。

在一种可能的实施例中，目标光栅的光栅结构单元可以是上述结构单元中的任意一种或几种，或是其他变形。

此外，本发明对过渡波导1032的形状并不进行限制，本领域的技术人员可以对过渡波导1032进行相应的调整，以获得所需的器件尺寸。在一种可能的实施例中，具体如图9所示，过渡波导1032的边缘可以为曲线；在一种可能的实施例中，具体如图10所示，可以将过渡波导1032分为若干条形，使用逆向优化算法进行相应的优化。

所述的高效光栅耦合器既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。即，本发明既可以用于真实的光电子芯片中，也可以作为仿真软件器件库中的一种功能单元用于光电子芯片的仿真设计。

本领域技术人员可以理解，对于任意工作波段，以及TE模或TM模的工作模式，可以使用本发明所提供的一种高效光栅耦合器的设计方法，得到本发明所述实施例中的高效光栅耦合器的变形，来满足应用需求。

本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。

尽管已经参照本发明的特定示例性实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附实施例及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行形式和细节上的多种改变。因此，本发明的保护范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附实施例来进行确定，还由所附实施例的等同物来进行限定。

Claims (3)

1.一种高效光栅耦合器，其特征在于，从下至上依次包括：

衬底层（101）、埋藏氧化物层（102）、硅波导层（103）、多晶硅层（104）及顶部氧化物层（106）；

其中，所述硅波导层（103）包括单模输出波导（1031）、过渡波导（1032）以及硅光栅（1033），所述单模输出波导（1031）、过渡波导（1032）及硅光栅（1033）依次相连；

所述多晶硅层（104）包括多晶硅光栅（1041），所述多晶硅光栅（1041）与硅波导层（103）中的硅光栅（1033）在上下叠置，共同组成目标光栅，所述多晶硅光栅（1041）与所述硅光栅（1033）的刻蚀部分的位置和宽度均一致；

所述顶部氧化物层（106）中包括有反射层（105），所述反射层（105）的材料为氮化硅，所述反射层（105）的层数大于等于1，所述反射层（105）至少能够覆盖所述目标光栅，通过对所述反射层（105）层数、位置和厚度的设计使入射光的反射光产生相消干涉，并将目标光栅反射向芯片外的光重新反射回目标光栅，所述高效光栅耦合器可将从光纤发射的入射光耦合到芯片，所述光纤设于所述反射层（105）上方，所述光纤发射的入射光经所述反射层（105）耦合到所述目标光栅；

反射镜（108），设于所述衬底层（101）和所述埋藏氧化物层（102）之间，所述反射镜（108）为金属反射镜或分布式布拉格反射镜。

2.根据权利要求1所述的高效光栅耦合器，其特征在于，所述目标光栅的一个光栅单元的长度大于等于50纳米且小于等于1.5微米，所述高效光栅耦合器的特征尺寸大于等于80纳米。

3.根据权利要求1所述的高效光栅耦合器，其特征在于，所述过渡波导（1032）的第一端面与单模输出波导（1031）相连，且所述过渡波导（1032）的第一端面的宽度和高度与所述单模输出波导（1031）一致；所述过渡波导（1032）的第二端面与所述目标光栅相连，且所述过渡波导（1032）的第二端面与所述目标光栅的连接处的横截面的宽度和高度一致，且所述第二端面的形状与所述目标光栅端面的形状相匹配。