CN117908189A - 一种应用于2.5维异质集成光波导的高效非对称定向耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于2.5维异质集成光波导的高效非对称定向耦合器，即氮化硅与硅异质集成的非对称定向耦合器，其结构由二氧化硅衬底、氮化硅波导、硅波导构成，其中硅波导中一部分采用亚波长光栅槽波导，以实现光在两组异质波导之间的绝热耦合。这种新型的“2.5维”异质集成的方法是指光波导器件处于同一平面，在平面上进行异质结构的功能拓展。本发明不仅性能优异，在设计上更简单且耦合条件更自由，易于制造，可以为硅基异质集成技术提供一些新型的2.5维集成的光学耦合的方案及基础技术支持。
Description
技术领域
本发明属于硅基光电子和异质集成领域的一种光学耦合器，具体涉及一种应用于2.5维异质集成光波导的高效非对称定向耦合器。
背景技术
硅材料由于其限制能力强被广泛设计应用于SOI(绝缘体上硅，Silicon OnInsulator)，然而，由于其高折射率对比，基于SOI的光学器件对波导不均匀性和侧壁粗糙度非常敏感，同时硅材料热稳定性差。然而，氮化硅是一种比硅折射率低的材料，因此，其对于侧壁粗糙度容忍能力更强，对制造变化有更高的容差，热光系数小，并且是更好的COMS(互补金属氧化物半导体，Complementary Metal Oxide Semiconductor)兼容的光学材料，被广泛应用于无源器件，但其限制能力弱，导致尺寸大集成度低、辐射损耗较大、效率有限。III-V族材料由于其直接带隙、CMOS兼容，被广泛应用于激光器、探测器、放大器、调制器，但这类材料容易晶格失配，小折射率导致器件尺寸大，相反地，其晶圆尺寸小，最终导致生产成本高。此外，聚合物材料具有负热光系数，金属材料具有表面等离子体极化效应等等。
各种材料都有不同的优点缺点，他们相互弥补又独具特性。传统的单片集成，只利用单一材料设计平面波导器件，其性能局限，就可以通过异质集成实现各种材料的优势互补，这种多材料体系集成方案可以极大地增加光芯片系统的功能种类和能力上限。
目前，硅基异质光器件研究主要包括，SiN-on-Si、III-V-on-Si、LN-on-Si、Graphene-on-Si、EPIC-on-Si(电子光子集成电路Electronic-Photonic IntegratedCircuit,EPIC)、SPP-on-Si(表面等离体激元Surface Plasmon Polariton,SPP)、EOpolymer-on-Si(电光聚合物Electro-Optic polymer,EO polymer)等。实验证明异质光芯片在性能、损耗、带宽、功耗等各项核心指标上展现出显著的优势，特别地，异质集成还可以解决硅基光芯片透明窗口小、损耗大、无法实现有源功能等问题。
异质集成的关键指标正在接近或超过单一集成或混合集成，具有优化的有源和无源的异质集成为具有优于分立光学元件的性能的全新类型的器件开辟了新的机会，但集成工艺兼容性受限，包括结构尺寸与应力限制、材料晶格失配、工艺温度与条件、耦合方案等挑战，其中耦合方案包括不同材料之间的光学耦合、电学耦合和热学耦合等。本发明为硅基异质集成技术提供一种新型的“2.5维”集成的光学耦合方案。
传统3维集成是指通过垂直堆叠多个功能性芯片的方式将它们集成在一起形成一个立体结构，利用直接键合技术以实现最短的互连和最小的封装尺寸。不同于3维集成，2.5维集成是指通过将其他功能性材料、光电器件或者芯片集成到同一层基底上，通过特殊的半导体工艺制作芯片，通过硅通孔技术(Through-Silicon-Via，TSV)转换板连接芯片进行2.5维封装，利用极高的互联密度实现功能的增强或拓展。
发明内容
本发明基于2.5维集成提出了一种应用于2.5维异质集成光波导的高效非对称定向耦合器，是一种具有异质集成光波导的高效的低损耗的光跃迁的倏逝耦合结构，即氮化硅与硅异质集成的非对称定向耦合器，其中硅波导部分采用亚波长光栅槽(SubwavelengthGrating Slot，SWGS)波导。这种新型的“2.5维”异质集成的方法是指光波导器件处于同一平面，在平面上进行异质结构的功能拓展。本发明不仅性能优异，在设计上更简单、耦合条件更自由且易于制造，可以为硅基异质集成技术提供一些新型的2.5维集成的光学耦合的方案及基础技术支持，为具有优于分立光学元件的性能的2.5维全新类型的器件开辟了新的机会。
本发明所采用的技术方案如下：
本发明公开了一种应用于2.5维异质集成光波导的高效非对称定向耦合器，包括二氧化硅衬底、位于二氧化硅衬底上的氮化硅波导和硅波导，其中，所述的氮化硅波导和硅波导采用非对称定向耦合器耦合，所述的耦合间隙宽度是0.2μm，耦合长度为8μm。
作为进一步地改进，本发明所述的二氧化硅衬底和硅波导所形成的上表面上还包括一层沉积的氧化铝薄膜，用于作为氮化硅波导刻蚀时的保护层。
作为进一步地改进，本发明所述的硅波导包括依次相连且成一体的硅直波导、绝热锥阵列、耦合区的SWGS波导、绝热锥阵列和硅直波导，SWGS波导为周期性平行排列的圆柱体，其半径为0.15μm，高度为0.22μm，在纵向(y方向)上固定排列5行圆柱体，在横向上(x方向)周期性排圆柱体，圆柱体之间，横向与纵向方向的槽宽度均为0.1μm，即横向、纵向周期长度都为0.4μm，占空比为0.75。
作为进一步地改进，本发明所述的绝热锥阵列包括5行单独的绝热锥将SWGS波导的5行圆柱体引导到硅直波导上以减少连接损耗。
作为进一步地改进，本发明所述的氮化硅波导包括依次相连且成一体的氮化硅直波导、S弯曲波导以及耦合区氮化硅直波导，耦合区氮化硅直波导的耦合长度为8μm，所述的SWGS波导与耦合区氮化硅直波导之间的耦合间隙宽度为0.2μm。
作为进一步地改进，本发明所述的整个高效非对称定向耦合器的表面，包覆又一层沉积的二氧化硅包层用以保护。
本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种具有异质集成光波导的高效的低损耗的光跃迁的倏逝耦合结构，即基于亚波长光栅槽(Subwavelength Grating Slot，SWGS)波导设计的非对称定向耦合器。亚波长光栅波导是指光栅周期远小于入射光波长的光栅，当光栅周期远小于入射光波长时，光波入射到光栅上仅仅产生零级衍射波。亚波长光栅(Subwavelength Grating，SWG)波导是按光传播方向进行光栅周期性排列，再将其从垂直于光传播方向进行排列形成槽，就是亚波长光栅槽(SWGS)波导。SWGS波导的灵活性高，通过改变其周期、占空比和槽宽度，就可以设计其指数分布和色散特性，制造具有特定光学特性的器件，此外，利用SWGS波导可以有效地改善结构大小，提高集成度。因此，通过这种方式可以实现灵活的高效的绝热耦合器。以往的光栅槽波导结构是平行排列的矩形，然而考虑到制作工艺一般实现不了尖锐的矩形，因此我们进一步优化结构为圆柱形。此外，还进一步优化了所述的SWGS波导与所述的硅直波导的连接部分，采用两组绝热锥阵列，每组包括5行单独的绝热锥连接所述的SWGS波导与所述的硅直波导，所述的SWGS波导中的的混合模式随着绝热锥阵列前进到所述的硅直波导会更和缓，即突变更小，对应的连接损耗就会更小。
本发明利用氮化硅波导与硅波导在绝缘体上硅(SOI)晶圆上实现新型2.5维异质集成。氮化硅的低折射率对于侧壁粗糙度容忍能力更强，对制造变化有更高的容差，热光系数小，并且是更好的互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容的光学材料，被广泛应用于无源器件。因此，利用这种技术可以实现氮化硅波导与硅波导中光信号的低损耗传输，实现异质材料的光器件耦合，从而解决硅基光芯片损耗大、透明窗口小、性能局限等问题，极大的增强光芯片系统的功能种类和能力上限。
本发明公开了一种应用于2.5维异质集成光波导的高效非对称定向耦合器的制备方法，不同于传统垂直堆叠的3维集成，2.5维是指光波导器件处于同一平面，其自身高度可以不一致，在平面上进行异质结构的功能拓展。一般的3维异质集成工艺需要经历沉积、光刻、磨抛、刻蚀、粘合等多道严格的工艺。此外，3维封装需要进行直接键合技术的高难度的制造工艺。苛刻的抛光、粘合和直接键合等工艺，对耦合器结构尺寸的精度提出巨大的挑战，也大大影响成品率。值得注意的是，在结构设计上3维异质集成光学设计需要短的互连耦合长度以减少损耗提高紧凑性，而耦合长度越短，化学机械抛光工艺的不均匀性造成的影响就更强。若采用长距离光栅耦合的方式，其设计复杂且耦合条件局限。因此，相比于3维集成，本发明所提出的2.5维集成方法，其异质结构位于同一平面上，在集成工艺上避免了3维中繁琐的严格的抛光、粘合和直接键合工艺，可以很好地控制异质波导之间的耦合间隙，并且在设计上也避免了3维集成耦合条件的局限。此外，本发明提出的应用于2.5维异质集成光波导的高效非对称定向耦合器的制备方法中巧妙地采用了氧化铝薄膜作为保护层，避免了部分光刻，刻蚀和抛光等工艺，大大简化了工艺步骤。因此，本发明在其设计上更简便、耦合条件更自由且工艺步骤更简单。
附图说明
图1是本发明所涉及的应用于2.5维异质集成光波导的高效非对称定向耦合器结构的三维示意图。图中，1是二氧化硅衬底，2是氮化硅波导，3是硅波导，4是硅直波导，5是绝热锥阵列，6是SWGS波导，7是氮化硅直波导，8是S弯曲波导，9是耦合区氮化硅直波导；
图2是本发明所涉及的应用于2.5维异质集成光波导的高效非对称定向耦合器结构在1550nm波长下，(a)不同圆柱体半径(虚线)和圆柱体间的槽间隙宽度(实线)对应的周期结构布洛赫模式的有效折射率(neff)，(b)不同宽度氮化硅波导对应的有效折射率(neff)；
图3是本发明所涉及的应用于2.5维异质集成光波导的高效非对称定向耦合器结构在1450nm-1650nm波长范围内的透射光谱图；
图4是本发明所涉及的应用于2.5维异质集成光波导的高效非对称定向耦合器结构在1550nm波长处的电场图(x-y平面)；
具体实施方式
下面结合说明书附图、通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，本发明涉及的一种应用于2.5维异质集成光波导的高效非对称定向耦合器的结构，包括二氧化硅衬底1、位于二氧化硅衬底1上的氮化硅波导2、位于二氧化硅衬底1上的硅波导3。氮化硅波导2和硅波导3采用非对称定向耦合器耦合，耦合间隙宽度是0.2μm，耦合长度为8μm。特别地，采用氮化硅波导2与硅波导3进行2.5维度上的异质集成，即处于同一平面，且自身高度可以不一致。
其中，所述的硅波导3包括依次相连且成一体的两个硅直波导4、两组绝热锥阵列5以及耦合区的亚波长光栅槽(Subwavelength Grating Slot，SWGS)波导6。所述的SWGS波导6结构被设计为周期性平行排列的圆柱体，其半径r为0.15μm，高度d为0.22μm，在纵向(y方向)上固定排列5行圆柱体，在横向上(x方向)周期性排列圆柱体，所述的圆柱之间，横向与纵向的槽宽度s都为0.1μm，即横向、纵向周期长度Lp都为0.4μm(2*r+s)，占空比为0.75。所述的硅直波导4的宽度c与所述的SWGS波导的总宽度c都设计为1.9μm(4*Lp+2*r)，所述的硅波导3高度d设计为0.22μm。作为进一步地改进，所述的两组绝热锥阵列5包括5行单独的绝热锥将SWGS波导6的5行圆柱体引导到硅直波导4上以减少连接损耗，并且其长度L都为10μm。
其中，所述的氮化硅波导2宽度a设计为1μm，高度b设计为0.4μm。氮化硅波导2包括依次相连且成一体的氮化硅直波导7、S弯曲波导8以及耦合区氮化硅直波导9。所述的耦合区氮化硅直波导9的耦合长度Lc为8μm，SWGS波导6与耦合区氮化硅直波导9之间的耦合间隙宽度gap为0.2μm。
作为进一步地改进，在工艺制备中，二氧化硅衬底1和硅波导3所形成的上表面上还包括一层沉积的氧化铝薄膜，用于作为氮化硅波导2刻蚀时的保护层。此外，本发明所述的整个高效非对称定向耦合器的表面，包覆又一层沉积的二氧化硅包层用以保护。上述的氧化铝薄膜与二氧化硅包层仅为工艺中的优化步骤，对整个非对称定向耦合器的功能没有影响，因此图1中没有加以示意。
本发明采用非对称定向耦合器实现异质波导的耦合，其中，耦合问题的核心就是实现硅亚波长光栅槽(Subwavelength Grating Slot，SWGS)波导9与氮化硅波导2折射率匹配，再通过耦合区的氮化硅直波导9的长度Lc或者耦合间隙宽度gap来调整分光比，以达到100％的功率转移。
本发明通过时域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain，FDTD)进行仿真，以此实现折射率匹配并确定最佳的结构尺寸，并获得结构最终的传输谱图和电场图。输入光源为一个以1550nm波长为中心的TE基模，在输出的监视器上加模式分解监视器(Modeexpansion)来滤除不需要的模式的影响,该监视器是将指定监视器记录的模式总场分解为它所在波导的指定模式，这个只看TE基模。
如图1所示，虚线包围的小图中一列为SWGS的一个周期，将其作为仿真结构区域，并在FDTD仿真中设置传输方向为x方向，设置为布洛赫边界条件，即周期性边界条件，以模拟无限周期的波导结构，而与传输方向垂直的y和z方向，应设置为完美匹配层(PerfectMatching Layer,PML)边界条件。由此，可以计算出SWGS的波导结构对于TE基模的能带关系ω＝ω(K)，再由K＝2π/λ*neff获得1550nm时SWGS布洛赫模式的有效折射率neff。在仿真中设置氮化硅波导2折射率为2，硅波导3折射率为3.478。二氧化硅衬底1和硅波导3所形成的上表面上还包括一层沉积的氧化铝薄膜，用于作为氮化硅波导刻蚀时的保护层。
如图2(a)所示，为了实现SWGS与氮化硅波导2折射率匹配，固定槽宽度s＝0.1μm，扫描了所述的SWGS波导6的圆柱半径r(0.12μm-0.17μm)，接着，固定半径r＝0.15μm，扫描了槽宽度s(0.04μm-0.16μm)，算出不同结构尺寸对应的周期结构的布洛赫模式的neff。如图2(b)所示，与此同时，固定氮化硅波导2高度b为0.4μm，扫描了氮化硅波导2的不同宽度a(0.5μm-1.5μm)，算出对应的有效折射率(neff)。如图2所示，当a＝1μm，r＝0.15μm，s＝0.1μm时，此时折射率匹配(neff＝1.62)，因此取定这个数值。最后，固定耦合间隙gap为0.2μm，扫描非对称定向耦合器的耦合长度Lc，在Lc为8μm，输出端口的功率达到最大，此时Lc为定向耦合器完全耦合的长度。此外，SWGS波导6连接硅直波导4的5个绝热锥长度L经过优化取10μm。
如图3所示，为耦合器在1450nm-1650nm波长下完全耦合状态的传输谱图，在1550nm处的透射率达到了98％，此时的传输损耗几乎为0dB，耦合效率为99.89％。
如图4所示，为结构整体的电场图，看出电场逐渐从所述的氮化硅波导2耦合到所述的SWGS波导6中，再经过一组的绝热锥阵列5继续前进到硅直波导4中，此时氮化硅波导3中功率几乎为0，这意味着耦合效果很好。
本发明具体实施的制备工艺，巧妙地采用了氧化铝保护层，避免了多道繁琐的光刻，刻蚀和抛光等工艺，包括如下步骤：
1)使用标准的220nm的绝缘体上硅(Silicon On Insulator，SOI)晶圆，在样品上旋涂光刻胶并通过电子束曝光(Electron Beam Lithography，EBL)和感应耦合等离子体刻蚀(Inductively coupled plasma，ICP)对二氧化硅衬底1上的硅波导3进行图案设计和刻蚀，最后剥离光刻胶；
2)使用原子层沉积(Atomic Layer Deposition，ALD)沉积20nm的氧化铝薄膜，作为氮化硅波导2刻蚀时的一个保护层，并且很薄的氧化铝薄膜层对波导耦合结构没有影响；
3)继续使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)沉积0.4μm氮化硅异质材料层，并在上面第二次旋涂光刻胶，并通过过电子束曝光(EBL)和感应耦合等离子体刻蚀(ICP)对氮化硅波导2进行图案设计和刻蚀，当刻蚀到氧化铝薄膜层时，就会刻蚀不动，直至把不需要的氮化硅材料完全去除；
4)剥离光刻胶后，形成硅、氮化硅异质波导的高效非对称定向耦合器结构，最后，沉积一层二氧化硅包层作为波导保护。
综上，本发明所提出的基于新型2.5维硅基异质集成的高效非对称定向耦合器，耦合效率实现了99.89％，耦合长度为8μm。结果表明，经过结构优化，不仅2.5维集成的性能比3维性能更好，而且在设计上更简便、耦合条件更自由且工艺步骤更简单。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种应用于2.5维异质集成光波导的高效非对称定向耦合器，其特征在于：包括二氧化硅衬底、位于二氧化硅衬底上的氮化硅波导和硅波导，其中，所述的氮化硅波导和硅波导采用非对称定向耦合器耦合，所述的耦合间隙宽度是0.2μm，耦合长度为8μm。
2.根据权利要求1所述的应用于2.5维异质集成光波导的高效非对称定向耦合器，其特征在于：所述的二氧化硅衬底和硅波导所形成的上表面上还包括一层沉积的氧化铝薄膜，用于作为氮化硅波导刻蚀时的保护层。
3.根据权利要求1所述的应用于2.5维异质集成光波导的高效非对称定向耦合器，其特征在于：所述的硅波导包括依次相连且成一体的硅直波导、绝热锥阵列、耦合区的SWGS波导、绝热锥阵列和硅直波导，所述的SWGS波导为周期性平行排列的圆柱体，其半径为0.15μm，高度为0.22μm，在纵向(y方向)上固定排列5行圆柱体，在横向上(x方向)周期性排圆柱体，所述的圆柱体之间，横向与纵向方向的槽宽度均为0.1μm，即横向、纵向周期长度都为0.4μm，占空比为0.75。
4.根据权利要求2所述的应用于2.5维异质集成光波导的高效非对称定向耦合器，其特征在于：所述的绝热锥阵列包括5行单独的绝热锥将SWGS波导的5行圆柱体引导到硅直波导上以减少连接损耗。
5.根据权利要求1或2或3所述的应用于2.5维异质集成光波导的高效非对称定向耦合器，其特征在于：所述的氮化硅波导包括依次相连且成一体的氮化硅直波导、S弯曲波导以及耦合区氮化硅直波导，所述的耦合区氮化硅直波导的耦合长度为8μm，所述的SWGS波导与耦合区氮化硅直波导之间的耦合间隙宽度为0.2μm。
6.根据权利要求1所述的应用于2.5维异质集成光波导的高效非对称定向耦合器，其特征在于：所述的整个高效非对称定向耦合器的表面，包覆又一层沉积的二氧化硅包层用以保护。
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