CN214845911U - 用于激光器与单模硅波导间的耦合结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于激光器与单模硅波导间的耦合结构，耦合结构包括：直波导；锥形波导，锥形波导的输入端连接于直波导；单模硅波导，连接于锥形波导的输出端；直波导与锥形波导包括交替层叠的二氧化硅层及氮化硅层，交替层叠的次数为2次以上，单模硅波导包括插入至锥形波导中的第一硅波导段以及凸出于锥形波导的第二硅波导段，第一硅波导段被锥形波导最下层的二氧化硅层包裹。本实用新型可以用于实现大尺寸差下激光器/波导与波导间的光耦合，具有耦合效率高，传输损耗小，结构简单，便于加工等优点，在硅光集成领域存在诸多潜在的应用。

Description

用于激光器与单模硅波导间的耦合结构

技术领域

本实用新型属于集成光电子器件领域，特别是涉及一种用于大尺寸发光端面激光器与单模硅波导间的耦合结构的制作方法。

背景技术

随着通信技术的快速发展，在大数据时代的背景下，数据流量急剧增长，对带宽的要求越来越大，而传统的电互连在带宽、距离、能耗等方面的局限性也越来越突出，已经难以满足高速通信以及高性能微电子芯片的发展需求。硅基光电互连作为现在最有前途的解决方案之一，已经逐渐成为当前的一个研究热点。

硅基光子器件具有与互补金属氧化物半导体CMOS工艺兼容、大带宽、低延迟、低能耗、低串扰等显著的优点，可以实现高性能、低成本、小尺寸、高集成的片上光互联。对于硅基光子芯片而言，一个亟待解决的问题是实现芯片片内的光信号与片外的光信号的高效耦合连接。

目前可用于片上发光的端面发光激光器端面尺寸与常用的片上单模硅波导的截面尺寸相差较大，这导致了两者之间的能量耦合较为困难。为了实现较好的能量耦合需要在两个维度进行模场变化。由于氮化硅材料具有较低的非线性、损耗低、允许大能量输入，折射率低于硅材料等优点，所以在需要将较大能量耦合进硅波导的应用中具有天然的优势，可以作为激光器与硅波导耦合的中间介质。但是氮化硅波导在实际制作过程中由于应力的存在，对其厚度有所约束。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种用于大尺寸发光端面激光器与单模硅波导间的耦合结构及其制作方法，用于解决现有技术中大尺寸端面发光波导型激光器和单模硅波导之间的耦合损耗大问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种用于激光器与单模硅波导间的耦合结构，所述耦合结构包括：直波导；锥形波导，所述锥形波导的输入端连接于所述直波导；单模硅波导，连接于所述锥形波导的输出端；所述直波导与所述锥形波导包括交替层叠的二氧化硅层及氮化硅层，所述交替层叠的次数为2次以上，所述单模硅波导包括插入至所述锥形波导中的第一硅波导段以及凸出于所述锥形波导的第二硅波导段，所述第一硅波导段被所述锥形波导最下层的所述二氧化硅层包裹。

可选地，所述交替层叠的二氧化硅层及氮化硅层中，所述二氧化硅层的厚度介于0.1μm 至0.5μm之间，氮化硅层的厚度介于0.3μm至0.9μm之间。

可选地，所述锥形波导的长度介于40μm至45μm之间，输入端的宽度介于4μm至6μm之间，输出端的宽度介于0.5μm至1μm之间。

可选地，所述单模硅波导的高度介于0.15μm至0.3μm之间，宽度介于0.4μm至0.6μm之间。

可选地，所述第一硅波导段的长度与所述锥形波导的长度相等。

可选地，所述直波导与所述锥形波导上还包括二氧化硅上包层。

本实用新型还提供一种用于大尺寸发光端面激光器与单模硅波导间的耦合结构的制作方法，包括步骤：1)提供一衬底，于所述衬底上形成单模硅波导；2)于所述衬底及所述单模硅波导上形成二氧化硅层，所述二氧化硅层包裹所述单模硅波导；3)于所述二氧化硅层上形成氮化硅层；4)重复进行步骤2)及步骤3)形成交替层叠的二氧化硅层及氮化硅层；5)通过光刻工艺及刻蚀工艺，在所述交替层叠的二氧化硅层及氮化硅层中形成直波导及锥形波导，并使所述单模硅波导包括插入至所述锥形波导中的第一硅波导段以及凸出于所述锥形波导的第二硅波导段，所述第一硅波导段被所述锥形波导最下层的所述二氧化硅层包裹。

可选地，步骤2)采用等离子体增强化学气相沉积工艺形成所述二氧化硅层，步骤3)采用低压化学气相沉积工艺形成所述氮化硅层。

可选地，所述交替层叠的二氧化硅层及氮化硅层中，所述二氧化硅层的厚度介于0.1μm 至0.5μm之间，氮化硅层的厚度介于0.3μm至0.9μm之间。

可选地，所述锥形波导的长度介于40μm至45μm之间，输入端的宽度介于4μm至6μm之间，输出端的宽度介于0.5μm至1μm之间。

可选地，所述第一硅波导段的长度与所述锥形波导的长度相等。

可选地，还包括步骤6)，采用等离子体增强化学气相沉积工艺于所述直波导与所述锥形波导上形成二氧化硅上包层。

如上所述，本实用新型的用于大尺寸发光端面激光器与单模硅波导间的耦合结构及其制作方法，具有以下有益效果：

本实用新型提供了一种可以用于大尺寸截面激光器与单模硅波导间的耦合结构，该耦合结构包括单模硅波导、氮化硅与二氧化硅多层夹心型直波导和氮化硅与二氧化硅多层夹心型锥形波导。夹心型直波导与锥形波导处于同一平面，具有的相同的整体厚度，从上而下氮化硅与二氧化硅层不断交替，最下面的二氧化硅层将单模硅波导包裹。大尺寸端面发光激光器的发光端面与夹心型直波导直接端面耦合，泵浦光能量从夹心型直波导的输入端经过夹心型锥形波导与单模硅波导耦合区将光能量耦合进单模硅波导中。本实用新型可以用于实现大尺寸差下激光器/波导与波导间的光耦合，具有耦合效率高，传输损耗小，结构简单，便于加工等优点，在硅光集成领域存在诸多潜在的应用。

本实用新型利用光学倏逝波原理以及锥形波导等方法来实现两个不同尺寸波导之间的耦合，倏逝波耦合可以波导不处于同一层中的光波，实现波导高度方向尺寸变化以及光场耦合；而利用锥形波导可以实现波导水平方向尺寸变化以及光场耦合。本实用新型将两者方法进行结合实现了两个维度尺寸差异变化的光场耦合，同时利用氮化硅与二氧化硅交替长的方法制作出了夹心型波导，消除了应力的约束，实现大尺寸差下端面激光器与单模硅波导之间较高的耦合效率，并且此方法与CMOS工艺很好的兼容。

附图说明

图1～图7显示为本实用新型实施例的用于大尺寸发光端面激光器与单模硅波导间的耦合结构的制作方法各步骤所呈现的结构示意图，其中，图6及图7显示为本实用新型实施例的用于大尺寸发光端面激光器与单模硅波导间的耦合结构的结构示意图，图7显示为图6的耦合结构的俯视结构示意图。

元件标号说明

101 衬底

102 单模硅波导

1021 第一硅波导段

1022 第二硅波导段

103 二氧化硅层

104 氮化硅层

20 锥形波导

30 直波导

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。

如在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

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实用新型的基本构想，遂图示中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，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。

如图1～图7所示，本实施例提供一种用于大尺寸发光端面激光器与单模硅波导间的耦合结构的制作方法，所述制作方法包括以下步骤：

如图1～图2所示，首先进行步骤1)，提供一衬底101，于所述衬底101上形成单模硅波导。

所述衬底101可以为体硅衬底101或SOI衬底101，在本实施例中，所述衬底101为SOI 衬底101，所述SOI衬底101包括底层硅、绝缘层以及顶硅层，通过光刻工艺及干法刻蚀工艺，在所述顶层硅中刻蚀出单模硅波导102，上述干法刻蚀停止于所述绝缘层上。

所述单模硅波导102的高度介于0.15μm至0.3μm之间，宽度介于0.4μm至0.6μm之间。在本实施例中，所述单模硅波导102的高度为0.22μm，宽度为0.5μm。

如图3所示，然后进行步骤2)，于所述衬底101及所述单模硅波导102上形成二氧化硅层103，所述二氧化硅层103包裹所述单模硅波导102。

在本实施例中，步骤2)采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺形成所述二氧化硅层103，所述二氧化硅层103的厚度大于所述单模硅波导102，以将所述单模硅波导102 包裹，所述二氧化硅层103的厚度介于0.1μm至0.5μm间。

如图4所示，接着进行步骤3)，于所述二氧化硅层103上形成氮化硅层104。

在本实施例中，采用低压化学气相沉积(LPCVD)工艺形成所述氮化硅层104。所述氮化硅层104的厚度介于0.3μm至0.9μm间。

如图5所示，接着进行步骤4)，重复进行步骤2)及步骤3)形成交替层叠的二氧化硅层103及氮化硅层104。

例如，步骤2)及步骤3)重复进行的次数可以为2～10次，在本实施例中，步骤2)及步骤3)重复进行的次数为3次，形成3次交替的二氧化硅层103及氮化硅层104，获得共6 层的堆叠结构。本实用新型通过将二氧化硅层103与氮化硅层104交替沉积，形成夹心型的波导结构，由多层相隔的氮化硅共同组成波导，相比于传统较大厚度的氮化硅波导来说，可以有效消除由于氮化硅厚度增加而导致氮化硅内部应力大大增加的缺陷，从而消除氮化硅应力的约束。本实用新型通过交替的二氧化硅层103及氮化硅层104，可以获得等效厚度较大的氮化硅波导，提高传导能力。

需要说明的是，对于多个交替的二氧化硅层103及氮化硅层104，各二氧化硅层103的厚度可以相等或不相等，各氮化硅层104的厚度也可以相等或不相等。

如图6及图7所示，其中，图7显示为图6结构的俯视结构示意图，接着进行步骤5)，通过光刻工艺及刻蚀工艺，在所述交替层叠的二氧化硅层103及氮化硅层104中形成直波导30及锥形波导20，并使所述单模硅波导102包括插入至所述锥形波导20中的第一硅波导段1021以及凸出于所述锥形波导20的第二硅波导段1022，所述第一硅波导段1021被所述锥形波导20最下层的所述二氧化硅层103包裹。

由于所述直波导30及锥形波导20从同一交替层叠结构中刻蚀而成，所述直波导30及锥形波导20的各层结构及厚度相等并处于同一平面，具有的相同的整体厚度，各层之间为直接连通，可以大大降低传输损耗。

所述锥形波导20的长度介于40μm至45μm之间，输入端的宽度介于4μm至6μm之间，输出端的宽度介于0.5μm至1μm之间。在本实施例中，所述锥形波导20的输入端的宽度为 5μm，输出端的宽度为0.5μm。

在本作为示例，所述第一硅波导段1021的长度与所述锥形波导20的长度相等，在本实施例中，所述单模硅波导102插入至所述锥形波导20中，可以使得所述锥形波导20与所述单模硅波导102能够更好的耦合，提高耦合效率，大大降低耦合损耗。

最后，在本实施例中，还包括步骤6)，采用等离子体增强化学气相沉积工艺于所述直波导30与所述锥形波导20上形成二氧化硅上包层。

如图6及图7所示，本实施例还提供一种用于大尺寸发光端面激光器与单模硅波导102 间的耦合结构，所述耦合结构包括：直波导30；锥形波导20，所述锥形波导20的输入端连接于所述直波导30；单模硅波导102，连接于所述锥形波导20的输出端；所述直波导30与所述锥形波导20包括交替层叠的二氧化硅层103及氮化硅层104，所述交替层叠的次数为2次以上，所述单模硅波导102包括插入至所述锥形波导20中的第一硅波导段1021以及凸出于所述锥形波导20的第二硅波导段1022，所述第一硅波导段1021被所述锥形波导20最下层的所述二氧化硅层103包裹。

所述交替层叠的二氧化硅层103及氮化硅层104中，所述二氧化硅层103的厚度介于 0.1μm至0.5μm间，所述氮化硅层104的厚度介于0.3μm至0.9μm间。

所述锥形波导20的长度介于40μm至45μm之间，输入端的宽度介于4μm至6μm之间，输出端的宽度介于0.5μm至1μm之间。在本实施例中，所述锥形波导20的输入端的宽度为 5μm，输出端的宽度为0.5μm。

所述单模硅波导102的高度介于0.15μm至0.3μm之间，宽度介于0.4μm至0.6μm之间. 在本实施例中，所述单模硅波导102的高度为0.22μm，宽度为0.5μm。

在本实施例中，所述第一硅波导段1021的长度与所述锥形波导20的长度相等在本实施例中，所述单模硅波导102插入至所述锥形波导20中，可以使得所述锥形波导20与所述单模硅波导102能够更好的耦合，提高耦合效率，大大降低耦合损耗。

在本实施例中，所述直波导30与所述锥形波导20上还包括二氧化硅上包层。

本实施例提供了一种可以用于大尺寸截面激光器与单模硅波导间的耦合结构，该耦合结构包括单模硅波导、氮化硅与二氧化硅多层夹心型直波导30和氮化硅与二氧化硅多层夹心型锥形波导20。夹心型直波导30与锥形波导20处于同一平面，具有的相同的整体厚度，从上而下氮化硅与二氧化硅层103不断交替，最下面的二氧化硅层103将单模硅波导包裹。大尺寸端面发光激光器的发光端面与夹心型直波导30直接端面耦合，泵浦光能量从夹心型直波导 30的输入端经过夹心型锥形波导20与单模硅波导耦合区将光能量耦合进单模硅波导中。本实用新型可以用于实现大尺寸差下激光器/波导与波导间的光耦合，具有耦合效率高，传输损耗小，结构简单，便于加工等优点，在硅光集成领域存在诸多潜在的应用。

本实施例利用光学倏逝波原理以及锥形波导20等方法来实现两个不同尺寸波导之间的耦合，倏逝波耦合可以波导不处于同一层中的光波，实现波导高度方向尺寸变化以及光场耦合；而利用锥形波导20可以实现波导水平方向尺寸变化以及光场耦合。本实用新型将两者方法进行结合实现了两个维度尺寸差异变化的光场耦合，同时利用氮化硅与二氧化硅交替长的方法制作出了夹心型波导，消除了应力的约束，实现大尺寸差下端面激光器与单模硅波导之间较高的耦合效率，并且此方法与CMOS工艺很好的兼容。

如上所述，本实用新型的用于大尺寸发光端面激光器与单模硅波导间的耦合结构及其制作方法，具有以下有益效果：

本实用新型提供了一种可以用于大尺寸截面激光器与单模硅波导间的耦合结构，该耦合结构包括单模硅波导、氮化硅与二氧化硅多层夹心型直波导30和氮化硅与二氧化硅多层夹心型锥形波导20。夹心型直波导30与锥形波导20处于同一平面，具有的相同的整体厚度，从上而下氮化硅与二氧化硅层103不断交替，最下面的二氧化硅层103将单模硅波导包裹。大尺寸端面发光激光器的发光端面与夹心型直波导30直接端面耦合，泵浦光能量从夹心型直波导30的输入端经过夹心型锥形波导20与单模硅波导耦合区将光能量耦合进单模硅波导中。本实用新型可以用于实现大尺寸差下激光器/波导与波导间的光耦合，具有耦合效率高，传输损耗小，结构简单，便于加工等优点，在硅光集成领域存在诸多潜在的应用。

本实用新型利用光学倏逝波原理以及锥形波导20等方法来实现两个不同尺寸波导之间的耦合，倏逝波耦合可以波导不处于同一层中的光波，实现波导高度方向尺寸变化以及光场耦合；而利用锥形波导20可以实现波导水平方向尺寸变化以及光场耦合。本实用新型将两者方法进行结合实现了两个维度尺寸差异变化的光场耦合，同时利用氮化硅与二氧化硅交替长的方法制作出了夹心型波导，消除了应力的约束，实现大尺寸差下端面激光器与单模硅波导之间较高的耦合效率，并且此方法与CMOS工艺很好的兼容。

所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种用于激光器与单模硅波导间的耦合结构，其特征在于，所述耦合结构包括：

直波导；

锥形波导，所述锥形波导的输入端连接于所述直波导；

单模硅波导，连接于所述锥形波导的输出端；

所述直波导与所述锥形波导包括交替层叠的二氧化硅层及氮化硅层，所述交替层叠的次数为2次以上，所述单模硅波导包括插入至所述锥形波导中的第一硅波导段以及凸出于所述锥形波导的第二硅波导段，所述第一硅波导段被所述锥形波导最下层的所述二氧化硅层包裹。

2.根据权利要求1所述的用于激光器与单模硅波导间的耦合结构，其特征在于：所述交替层叠的二氧化硅层及氮化硅层中，所述二氧化硅层的厚度介于0.1μm至0.5μm之间，氮化硅层的厚度介于0.3μm至0.9μm之间。

3.根据权利要求1所述的用于激光器与单模硅波导间的耦合结构，其特征在于：所述锥形波导的长度介于40μm至45μm之间，输入端的宽度介于4μm至6μm之间，输出端的宽度介于0.5μm至1μm之间。

4.根据权利要求1所述的用于激光器与单模硅波导间的耦合结构，其特征在于：所述单模硅波导的高度介于0.15μm至0.3μm之间，宽度介于0.4μm至0.6μm之间。

5.根据权利要求1所述的用于激光器与单模硅波导间的耦合结构，其特征在于：所述第一硅波导段的长度与所述锥形波导的长度相等。

6.根据权利要求1所述的用于激光器与单模硅波导间的耦合结构，其特征在于：所述直波导与所述锥形波导上还包括二氧化硅上包层。

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