CN105353461B - 大容差耦合波导 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种大容差耦合波导装置，包括依次叠置的衬底层、下包层、波导层及上包层，所述下包层、波导层及上包层在结构上均包括输入端和输出端，激光光束从波导输入端照射，从输出端出射，其中，所述波导层包括具有预定图形分布的二氧化硅和硅。该大容差耦合波导可与硅基面上光源一起使用，作为硅基光子集成芯片的光源发射部分。本发明通过特殊的波导结构设计，实现大容差高效耦合，能够形成高效的面上集成光源，其可通过事先对激光器进行选择，然后再集成到硅基上来实现，可实现更高的功率，工艺难度小。
Description
技术领域
本发明涉及光子光电子器件设计技术领域，具体涉及一种大容差耦合波导，尤其涉及一种用于硅基面上光源的大容差耦合波导。
背景技术
硅基半导体是现代微电子产业的基石，但其发展已接近物理极限，尤其在互连方面。而光电子技术则正处在高速发展阶段，现在的半导体发光器件多利用化合物材料制备，与硅微电子工艺不兼容，因此，将光子技术和微电子技术集合起来，发展硅基光电子科学和技术意义重大。
磷化铟和硅的混合集成激光是一种目前被认为最有应用前景的适于高密度集成的技术。通常采取带有波导结构的SOI(Silicononinsulator)材料与III-V外延材料通过有机材料粘合，去掉InP衬底，然后再进行激光器的加工，光波是通过倏逝场耦合进入下层的SOI结构的，采用电注入在III-V材料层完成泵浦和光增益。近几年有人提出基于此混合结构的布拉格分布反馈(DFB)，分布反射(DBR)，分段光栅等激光器，实现了单波长激射，使之适于密集波分复用系统的传输应用。根特大学的研究人员实现了4波长微碟紧凑型激光器。这些激光器还没有商用，主要是因为工艺上还是比较复杂，成本也很高。要实现高速光互连，单纵模激光器是核心器件之一。
对于通过晶片键合形成的面上光源有几个问题。一是大多数CMOS工厂不允许加工III-V族材料，怕引入污染。二是把材料键合上去再做激光器，成品率是比较低的。三是III-V族晶片直径比较小而硅基材料直径比较大，进行晶片键合再做工艺，浪费严重。
比较可行的方法是先将III-V族激光器管芯或阵列通过常规半导体工艺做出来，筛选好，然后通过各种耦合方法集成上去。但要获得高耦合效率非常困难。难度体现在有源与无源波导器件的耦合上。通常的耦合波导为楔形和反楔形波导结构，要求激光器单元与波导中心横向对准精度在亚微米乃至深亚微米精度，目前的倒装焊设备很难做到。
发明内容
本发明提供了一种大容差耦合波导装置，包括依次叠置的衬底层、下包层、波导层及上包层，所述下包层、波导层及上包层在结构上均包括输入端和输出端，激光光束从波导输入端照射，从输出端出射，其中，所述波导层包括具有预定图形分布的二氧化硅和硅。所述衬底层包括硅，所述下包层和上包层包括二氧化硅。在平行于激光光束入射方向的平面内，所述下包层、波导层及上包层的输入端均为矩形，输出端均为三角形。所述波导层从输入端到输出端依次包括输入段、一级合束段、二级合束段及输出段。
本发明还提供了一种大容差耦合波导装置的制作方法，包括：步骤A、准备绝缘体上硅SOI衬底材料，该SOI衬底材料包括衬底层、中间埋氧BOX层、顶层硅；步骤B、在所述SOI衬底材料上光刻，作出所述预定图形，该预定图形贯穿顶层硅；步骤C、在上述加工过的SOI衬底材料上沉积二氧化硅；步骤D、利用干法及湿法相结合制作上下包层图形；以及步骤E、通过晶片减薄或划片形成独立单元。
本发明采用一种特殊的波导结构，将多个模场匹配输入端并行排列，且相互耦合，经过一级及二级合束，最后形成高效输出。特点在于此结构允许横向对准容差达到正负10微米，比常规耦合容差大1到2个数量级，耦合效率达到50％。大幅度降低了工艺难度，提高了集成光源成品率。
附图说明
图1是本发明中大容差耦合波导整体结构图；
图2是本发明中大容差耦合波导装置波导层详细结构图；
图3是本发明中大容差耦合波导装置的制作方法流程图；
图4是本发明中大容差耦合波导耦合效率与对准误差的关系图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供了一种大容差耦合波导。根据本发明的实施例，该大容差耦合波导可与硅基面上光源一起使用，作为硅基光子集成芯片的光源发射部分。该波导装置包括衬底层、下包层、波导层及上包层。其中衬底层为硅材料，上下包层为二氧化硅，波导层包括具有特定分布的硅和二氧化硅。整个结构保证在耦合误差达到正负10微米的情况下，面发射激光器与该波导的耦合效率达到50％。本发明通过特殊的波导结构设计，实现大容差高效耦合，能够形成高效的面上集成光源，其可通过事先对激光器进行选择，然后再集成到硅基上来实现，可实现更高的功率，工艺难度小。
如图1所示，本发明提供了一种大容差耦合波导装置，由下及上包括衬底层10、下包层11、波导层12及上包层13等部分。根据本发明的实施例，该大容差耦合波导装置可用于硅基面上光源。
所述的大容差耦合波导装置，其中衬底层10包括硅材料，该衬底10起到承载有源及无源器件的作用。其他有源及无源结构均以该衬底层上平面为参考面。该衬底层的厚度一般为100微米到800微米，导热良好，可以作为有源器件的过渡热沉使用。在硅基集成光源的应用中，该衬底上一方面承载本发明所述的大容差耦合波导结构，另一方面有源激光器单元也通过金属键合，坐落其上。具体应用中涉及其上生长金属镀层及加工定位柱，实现激光器的固定及电学导通。
所述下包层11、上包层13包括二氧化硅材料，厚度分别为2微米左右。
所述的大容差耦合波导装置的下包层11包括输入端和输出端。输入端为矩形，宽为20微米左右，长为几十微米到上百微米；输出端为等腰三角形，底边长度与矩形宽度相等。
所述的大容差耦合波导装置的上包层13包括输入端和输出端。输入端为矩形，宽为20微米左右，长为几十微米到上百微米；输出端为等腰三角形，底边长度与矩形宽度相等。
所述波导层12的顶视图如图2所示，包括按照一定的图形规则分布的二氧化硅和硅，其中宽黑线部分为硅材料，其余部分为二氧化硅材料，形成高低折射率对比度，起到光场限制作用。
如图2所示所述的大容差耦合波导装置中，所述波导层12包括输入段121、一级合束段122、二级合束段123及输出段124。
所述的波导层12中，输入段121由四个渐变结构并行排列组成，该渐变结构外缘满足二次函数分布，材料为硅，该部分其它区域由二氧化硅填充。该渐变结构沿从波导层12的输入端到其输出端的方向从粗到细变化。该段长度大约100微米，渐变结构最细端尺寸为0.45到1微米之间。
所述的波导层12中一级合束段122连接在输入段121之后，由四条弯曲硅材料细条构成，末端汇聚成两点，并耦合输入到下一段，该部分其它区域由二氧化硅填充。该段长度大约150微米，细条波导尺寸为0.45到1微米之间。
所述的波导层12中二级合束段123连接在一级合束段122之后，由两条弯曲硅细条构成，末端汇聚成一点，并耦合输入到输出段124，该部分其它区域由二氧化硅填充。该段长度大约250微米，细条波导尺寸为0.45到1微米之间。
所述的波导层12中输出段124位于波导后端，为一条由宽及窄变化的硅材料细条，该部分其它区域由二氧化硅填充。该段长度大约300微米，细条波导尺寸为0.45到1微米之间。
上文中列举的宽度为图1、图2中X方向的尺寸，长度为图1、图2中Y方向的尺寸。XY平面平行于激光入射方向。应当注意，以上列举的具体尺寸仅是示意性的，在实际使用中可以根据不同需要设计不同的尺寸。
所述的大容差耦合波导装置的制作方法具体如图3所示。
步骤A、准备SOI材料。所述SOI材料为定制硅基晶片，其各层组分从下到上分别为：衬底层、中间埋氧(BOX)层(例如二氧化硅层)、顶层硅。典型厚度衬底硅为730微米，中间BOX层为2-3微米，顶层硅220nm-340nm。
步骤B、在SOI顶层硅中进行波导制作。首先利用匀胶机进行匀胶，每分钟5000转。正胶AZ 703在95度烘干后厚度为0.8微米。然后盖上波导层光刻版，曝光16秒，显影16秒，再打胶3分钟。形成胶质如图2波导图形。然后通过SF6加CF4 2:1气流ICP干法刻蚀，刻透顶层硅，完成硅波导图形转移。之后去掉光刻胶，清洗。
步骤C、在上述清洗后晶片上生长2-3微米厚二氧化硅。
步骤D、干湿相结合制作上下包层；首先利用匀胶机进行匀胶，每分钟5000转。正胶AXP-50在95度烘干后厚度为5微米。然后盖上包层光刻版，曝光30秒，显影30秒，再打胶1分钟。形成胶质如图1包层图形。然后通过Ar2加CF4 2:1气流ICP干法刻蚀，刻过二氧化硅达到3微米，然后用HF酸湿法腐蚀到硅衬底层停止。完成上下包层图形转移。之后去掉光刻胶，清洗。
步骤E、晶片减薄解理。将晶片用高温蜡粘到减薄托上，通过化学方法和机械方法进行减薄。接着进行抛光，继续进行化蜡，然用三氯乙烯、丙酮及无水乙醇清洗。
步骤F、发光单元与波导端对端耦合。最后将把该具有大容差耦合特征的光波导用于集成光源。即将单独有源发光部分放置在SOI部分上，通过调整水平面内位置和方向，使得发射的激光光束对准耦合至所述大容差波导中心；然后通过金属键合将有源发光部分与SOI部分粘到一起，形成集成光源。
本发明采用一种特殊的波导结构，将多个模场匹配输入端并行排列，且相互耦合，经过一级及二级合束，最后形成高效输出。特点在于此结构允许横向对准容差达到正负10微米，比常规耦合容差大1到2个数量级，耦合效率达到50％。大幅度降低了工艺难度，提高了集成光源成品率。
对于激光器与该所述大容差波导的耦合效率分析如图4所示，在方向正负10微米误差内可形成达到50％的耦合效率，这对提高生产效率，提高硅基光源的成品率具有重要意义。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种大容差耦合波导装置，包括依次叠置的衬底层(10)、下包层(11)、波导层(12)及上包层(13)，所述下包层(11)、波导层(12)及上包层(13)在结构上均包括输入端和输出端，激光光束从波导输入端照射，从输出端出射，其中，所述波导层(12)包括具有预定图形分布的二氧化硅和硅；
所述波导层(12)从输入端到输出端依次包括输入段(121)、一级合束段(122)、二级合束段(123)及输出段(124)。
2.如权利要求1所述的大容差耦合波导装置，其特征在于，所述衬底层(10)包括硅，所述下包层(11)和上包层(13)包括二氧化硅。
3.如权利要求1所述的大容差耦合波导装置，其特征在于，在平行于激光光束入射方向的平面内，所述下包层(11)、波导层(12)及上包层(13)的输入端均为矩形，输出端均为三角形。
4.如权利要求1所述的大容差耦合波导装置，其特征在于，所述输入段(121)包括并行排列的四个渐变结构，每个渐变结构包括硅，沿从波导层(12)的输入端到其输出端的方向从粗到细变化，并且每个渐变结构的外缘满足二次函数分布，所述输入段(121)的其它区域由二氧化硅填充。
5.如权利要求4所述的大容差耦合波导装置，其特征在于，所述一级合束段(122)连接在输入段(121)之后，包括四条分别连接到相应渐变结构的最细端的弯曲硅材料细条，四条弯曲硅材料细条的末端汇聚成两个输出，并耦合输入到二级合束段(123)，一级合束段(122)的其它区域由二氧化硅填充。
6.如权利要求5所述的大容差耦合波导装置，其特征在于，所述二级合束段(123)连接在一级合束段(122)之后，包括两条分别连接到所述一级合束段(122)的输出的弯曲硅细条，末端汇聚成一个输出，并耦合输入到输出段(124)，二级合束段(123)的其它区域由二氧化硅填充。
7.如权利要求6所述的大容差耦合波导装置，其特征在于，所述输出段(124)为一条由宽及窄变化的硅材料细条，所述输出段(124)的其它区域由二氧化硅填充。
8.根据权利要求1所述的大容差耦合波导装置，用于硅基面上光源。
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