CN112068245A - 一种杂散光偏转器、光芯片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种杂散光偏转器、光芯片及其制作方法。本发明基于灰度刻蚀的方式在芯片开设凹槽，在凹槽的槽壁上镀设可将不同波长杂散光反射至外部空间的金属反射层构成杂散光偏转器，能够有效的去除光芯片的不同波长、不同模式、不同角度的杂散光，且工艺步骤简单，布局灵活且成本低。

Description

一种杂散光偏转器、光芯片及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种光波导器件，具体涉及一种杂散光偏转器、光芯片及其制作方法。

背景技术

光芯片、光子芯片或集成光波导芯片是5G光通信、光计算等领域的关键器件结构之一。激光器、光纤以及光学探测器均可以通过不同种的耦合方式直接与光芯片连接交互。常见的耦合方式如图1所示，分为两种：端面耦合和光栅耦合。信号光源从激光器01或者光纤02输出，并通过光芯片03中的一个输入波导04进入到光芯片回路05中进行光信号处理，光信号处理完后通过输出波导06的端口传输至光探测器07中。

在光芯片03与激光器01、光纤探测器07交互处理过程中，不可避免的存在两种耦合损耗：耦合损耗与片上损耗。耦合损耗是由激光器01或光纤02与光芯片03耦合时存在不可避免的光损失，使部分光进入光芯片波导以外的区域产生的。这些进入波导以外区域的部分光被称作散射光，如图2所示。同理，片上损耗是光芯片中进行信号处理的光，在芯片各波导内部交互不可避免存在的散射光。

在光芯片上无论哪种损耗的散射光，都不受光波导的限制，可以在芯片中以任意方向传播。一部分散射光可能进入光学探测器、光芯片监控器中，而这部分未经光学回路处理的散射光(即杂散光)同样会被光学探测器、光芯片监控器转化为电信号。那么意味着这些散射光将产生背景噪声和串扰，并干扰正常处理过的有用光信号的识别率。这些干扰将会降低光学系统的性能和光芯片的性能，导致光学组件和芯片性能和良率的降低。

为解决上述杂散光串扰的问题，目前该领域也提出了一些解决办法：

中国专利，公开号CN1290354A，名称为一种集成光学回路杂散光吸收的方法，该专利采用在芯片内设置掺杂区来对杂散光进行吸收，但是该方式在光芯片中设置掺杂区工艺流程复杂，成本较高。

中国专利，公开号CN108037564A，名称为散射光偏转器，该专利采用了设置由高折射率和低折射率呈周期性或准周期性结构交替布置在光芯片内的反射单元实现对杂散光进行处理，但是这种方式依然存在以下问题：

1、波长选择性、模式选择性以及传输方向选择性是反射单元的天然属性(具体分析见本段末尾)。而芯片波导回路中散射光的模式和方向是不确定的。因此具有较大带宽、较多模式和多方向散射的杂散光不可避免的需要多周期的光子晶体结构进行级联，才能完成散射光转向或屏蔽。根据文献[Fink Y.A Dielectric Omnidirectional Reflector[J].Science.1998,282(5394):1679-1682.]记载的计算方法。以一维光子晶体多层膜周期的光子帯隙为例，图3为一维光子晶体结构图以及参数，n0、n1、n2分别为介质1、介质2、介质3，3种不同的材料折射率；h1、h2为介质1和介质2的厚度，a＝h1+h2，a为光子晶体周期厚度；波矢为k,与晶体周期排列方向平行的方向为y,与晶体周期排列方向垂直的方向为x,。

图4中(A)为一维光子晶体结构分别为折射率n0＝1,n1＝2.2,n2＝1.7,厚度比例h2/h1＝2.2/1.7的带隙图，图4中(B)为折射率n0＝1,n1＝4.6,n2＝1.6,厚度比例h2/h1＝1.6/0.8的带隙图。图4中(A)和(B)中反射带为白色区域，横轴代表x方向的波矢；纵轴代表的是频率,单位为(2πc/a)。由于图4中(A)和(B)的填充材料与填充比例不同，所以带隙有很大区别，这说明光子晶体反射频带(或反射波段)与材料折射率和填充比例(即厚度比例)相关。从纵轴频率的单位2πc/a可以看出光子晶体反射频带(或反射波段)受光子晶体的周期宽度影响。进一步的，在横轴上不同的ky所对应的反射带隙也是不同的，表明光子晶体反射频带(或反射波段)是与光传播方向与模式是相关的。

由以上描述可知，波长选择性、模式选择性以及方向选择性分别会造成部分波长的杂散光、部分非设定的模式杂散光以及部分非设定角度的杂散光不会较好的偏转或滤除掉，因此，实现宽波段或多模式或多方向的偏转器结构需要多级级联进行覆盖，这样必然导致偏转器结构尺寸大，占用芯片功能区的空间，或者说在空间有限的芯片功能区无法放置高性能光子晶体转向器。

2、为了确保反射单元对各种波长的杂散光均进行反射处理，反射单元就需要严苛的刻蚀线宽和尺寸(根据上述光子晶体带隙分析，刻蚀线宽和尺寸与反射波长有紧密关系)，这将带来了较大工艺挑战。例如220nm芯层厚度的Si光芯片中工作在C波段的光子晶体孔洞的直径大致为80nm～200nm，条形周期结构的宽度大致为80nm～200nm。。除此之外，在刻蚀完孔洞或者条形周期结构后需要进行相应折射率材料的填充。而小尺寸的孔洞/刻槽对填充工艺有较高的要求。填充缺陷将会改变填充区域的折射率，进一步影响反射单元的性能，包括影响工作波长、反射效率。

3、上述方式中,杂散光转向后仍然会由残留光被束缚在波导芯层进行传播，很有可能会传输回激光器回路内成为回损分量(或传输到探测器成为噪声分量)，这是设计人员无法预估的。

发明内容

本发明的目的是提供一种大带宽、模式与散射方向不敏感、工艺容易实现的杂散光偏转器，该杂散光偏转器可将杂射光全部从光芯片中反射出外部空间避免了残留光被束缚在波导层进行传播，可能会传输回激光器回路内成为回损分量或传输到探测器成为噪声分量等问题。

同时，本发明还提供了一种使用上述杂散光偏转器的光芯片及其制作方法。

本发明的具体技术方案是：

本发明提供了一种杂散光偏转器，包括开设在光芯片上的凹槽，凹槽的两侧槽壁有一个为倾斜面，并且倾斜面上镀设有可将不同波长、不同模式和不同角度的杂散光从凹槽开口端全部反射至外部空间的金属反射层；凹槽的长度、宽度以及深度均为微米级或亚微米级。

进一步地，上述倾斜面为直线斜面或曲线斜面。

进一步地，上述凹槽采用CMOS的灰度刻蚀工艺或者机械刻蚀的制作。

进一步地，上述金属反射层的材料采用金或铜或铝。

本发明提供了一种光芯片，包括输入波导、输出波导，至少一条光信号传输波导和/或至少一个敏感区域；输入波导两侧设置两个上述杂散光偏转器，用于将输入波导输出的杂散光反射出凹槽。

进一步地，光芯片的输出波导两侧设置两个上述杂散光偏转器，用于将输入波导输出的杂散光反射出凹槽。

进一步地，光芯片的光信号传输波导一侧或两侧设有上述杂散光偏转器，用于将光信号传输波导输出的杂散光反射出凹槽。

进一步地，光芯片的每一个敏感区域被多个上述杂散光偏转器包围其中。

本发明提供了上述光芯片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在基层上依次采用沉积或生长的方式制作下包覆层、波导层以及上包覆层，从而构成光芯片本体；

步骤2：采用CMOS灰度刻蚀的方式在光芯片本体上开设凹槽，凹槽的两个槽壁有一个为倾斜面；

步骤3：在光芯片本体上镀覆金属反射材料，从而形成用于将不同波长的杂散光从凹槽开口端反射至外部空间的杂散光偏转器；

步骤4：去除除倾斜面之外光芯片本体上其他区域的金属反射材料，从而在凹槽的倾斜面上形成金属反射层，光芯片制作完成。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明基于灰度刻蚀的方式在芯片开设凹槽，在凹槽的槽壁上镀设可将不同波长杂散光反射至外部空间的金属反射层构成杂散光偏转器，相比现有的反射单元实现工艺简单，同时避免了采用现有反射单元反射杂散光时，杂散光转向后仍束缚于波导芯层最终随机传播传输到外部器件(激光器或探测器)内的问题，杂散光的去除效果更佳，更重要的是基于灰度刻蚀的结构可通过标准的CMOS工艺步骤实现，布局灵活且成本低。

并且本发明中凹槽为微米级，相比现有反射单元为纳米级的刻蚀孔洞/条形周期结构工艺实现上更加容易，而金属可覆盖宽波段的反射、无需考虑模式与散射方向。

2、本发明的偏转器可在光芯片的输入波导、输出波导、任意两个相邻光信号传输波导之间、以及光芯片的敏感区域以任意组合的方式设置，进一步提升了光芯片中杂散光的去除效果。

3、本发明的偏转器可将光束集中区域的光反射出光芯片外部，避免对光束集中对该区域周边的影响。

4、基于以上两点在光芯片上使用本发明的杂散光偏转器结构，使得光芯片具有低成本、设计简单、大带宽、模式不敏感、全方向的反射特性等优点，因此，本发明的光芯片在大规模生产与实际应用中极具优势。

附图说明

图1为光芯片与外部光源以及光学探测器耦合的结构原理图。

图2为杂散光的形成原理图。

图1和图2的附图标记如下：

01-激光器、02-光纤、03-光芯片、04-输入波导、05-光芯片回路、06-输出波导、07-光探测器。

图3为一维光子晶体结构图。

图4为一维光子晶体结构的带隙图。

图5为杂散光偏转器结构示意图。

图6为实施例1的结构原理图。

图7为实施例2的结构原理图。

图8为实施例3的结构原理图。

图9为实施例4的结构原理图。

图10为杂散光偏转器设置在波导层的结构原理图。

图11为杂散光偏转器扩展至光芯片各层的结构原理图。

附图标记如下：

1-光芯片、2-凹槽、3-倾斜面、4-金属反射层、5-输入波导、6-杂散光偏转器、7-光源、8-输出波导、9-探测器、10-光信号传输波导、11-上包层、12-波导层、13-下包层、14-基底层、15-敏感区域。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做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。

杂散光偏转器结构

本发明提供了一种杂散光偏转器，如图5所示，包括开设在光芯片1上的凹槽2，凹槽2的两侧槽壁至少有一个为倾斜面3，并且倾斜面3上镀设有可将不同波长、不同模式和不同角度的杂散光从凹槽2开口端全部反射至外部空间的金属反射层4；凹槽2的长度、宽度以及深度均为微米级或亚微米级；其中，倾斜面3通常为线性的斜坡面(但可以为曲线斜坡或粗糙斜坡)。其中斜坡面通过设计期望形状的掩模版和标准的刻蚀工艺实现，例如用RIE(反应离子束刻蚀)，当然其他与CMOS标准工艺相关化学刻蚀法也同样适用。

基于以上杂散光偏转器的基本结构，先给出几种杂散光偏转器在光芯片内部布局的具体实施例：

实施例1

如图6所示，一种光芯片，其采用灰度刻蚀工艺在输入波导5两侧分别设置两个凹槽2，每个凹槽2中有一个槽壁为倾斜面3，倾斜面3上镀设有可用于将不同波长杂散光从凹槽2开口端反射至外部空间的金属反射层4，从而构成杂散光偏转器6，本实施例中该金属反射层的材质为铁。光源7(例如激光器或光纤)与输入波导5的端口相连，杂散光经过杂散光偏转器6反射出光芯片1表面。这将减少了大部分可以通过各种路径进入到探测器的散射光。如果杂散光偏转器布局在距离输入波导端口足够远的距离，则可避免杂散光吸收器对波导内信号光的传输产生影响，该距离足够近则可以保证足够多的杂散光/或绝大部分杂散光被反射出去。

实施例2

如图7所示，一种光芯片，其采用灰度刻蚀工艺在输出波导8两侧分别设置两个凹槽2，每个凹槽2中有一个槽壁为倾斜面3，倾斜面3上镀设有可用于将不同波长杂散光从凹槽开口端反射至外部空间的金属反射层4，从而构成杂散光偏转器6，本实施例中该金属反射层的材质为铜。本实施例中探测器9与输出波导8端口连接，杂散光偏转器6在输出波导8的两边布局，目的是阻止杂散光进入到光探测器中从而引起不期望的串扰。

实施例3

如图8所示，一种光芯片，其采用灰度刻蚀工艺在光芯片1中每个光信号传输波导10一侧或两侧设置凹槽2，凹槽2中有一个槽壁为倾斜面3，倾斜面3上镀设有可用于将不同波长杂散光从凹槽开口端反射至外部空间的金属反射层4，从而构成杂散光偏转器6，本实施例中该金属反射层4的材质为铝。该实施例中杂散光偏转器6在光信号传输波导10的一侧或两侧布局，这将减少了大部分可以通过各种路径进入到光波导或探测器的散射光，可以防止杂散光再次进入到光信号波导中的引起串扰或其他问题。

实施例4

如图9所示，一种光芯片，其采用灰度刻蚀工艺在光芯片1中设置多条凹槽2，多条凹槽2将光芯片的敏感区域15包围其中，每个凹槽2中均有一个槽壁均为倾斜面，倾斜面上镀设有可用于将不同波长杂散光(此处的杂散光来源一般为光信号传输波导10)从凹槽开口端反射至外部空间的金属反射层，从而构成杂散光偏转器，本实施例中该金属反射层的材质为铝。需要说明的是：此处所描述的敏感区域15具体是：光芯片上的微环结构或光电探测器监控区。

前述四个实施例中展示的为杂散光偏转器输入波导、输出波导、光信号传输波导、以及敏感区域的布局情况，但不限于四种情况，可以将上述四种情况任意组合，以实现产品需求。

光回路由多层平面层组成。波导回路制造在基底上面。典型的基底包括硅基晶元、石英基晶元、GaAs or InP基晶元。平面层是在基底上沉积或者生长透光材料得到的。首先可以沉积或生长下包覆层，作为芯层与基底之间的缓冲层。然后沉积或生长芯层，将大部分的光学信号限制在内，大多数的光学回路功能也由芯层实现。在芯层上方沉积或生长上包层，作为光波导和外部环境的缓冲层。光波导结构内还可以包含多层，但是层数和类型并不改变本发明的本质。

杂散光偏转器6可以制作在波导层，或整体的芯片层，但原则是杂散光偏转器必须不能干扰到信号波导。在图10，杂散光偏转器6布局在波导层12，但也可根据需要扩展至下包层13、波导层12和上包层11中，当然也可以扩展至部分的基底层14，如图11所示。

在光电子芯片中，大多数光回路是单层的。在垂直方向有两种芯片布局，同时对应两种工艺方法。

第一种方法为简单的在芯层布局杂散光偏转器。凹槽的刻蚀和镀金属反射材料的工艺流程在标准CMOS工艺线上完成。凹槽可以与波层导结构同时刻蚀，也可以分布刻蚀。

第二种方法可以在沉积完上包层后进行灰度刻蚀与镀金属。例如，波导层材料沉积完成后，刻蚀形成图案，进一步沉积上包层保护。再上述步骤完成后，进一步的凹槽和金属反射层可以通过光刻与刻蚀完成。

Claims (9)

1.一种杂散光偏转器，其特征在于：包括开设在光芯片上的凹槽，凹槽的两侧槽壁有一个为倾斜面，并且倾斜面上镀设有可将不同波长、不同模式和不同角度的杂散光从凹槽开口端全部反射至外部空间的金属反射层；凹槽的长度、宽度以及深度均为微米级或亚微米级。

2.根据权利要求1所述的杂散光偏转器，其特征在于：所述倾斜面为直线斜面或曲线斜面。

3.根据权利要求2所述的杂散光偏转器，其特征在于：所述凹槽采用CMOS的灰度刻蚀工艺或者机械刻蚀的制作。

4.根据权利要求3所述的杂散光偏转器，其特征在于：金属反射层的材料采用金或铜或铝。

5.一种光芯片，包括输入波导、输出波导，至少一条光信号传输波导和/或至少一个敏感区域；其特征在于：输入波导两侧设置两个如权利要求1-4所述杂散光偏转器，用于将输入波导输出的杂散光反射出凹槽。

6.根据权利要求5所述光芯片，其特征在于：输出波导两侧设置两个如权利要求1-4所述杂散光偏转器，用于将输入波导输出的杂散光反射出凹槽。

7.根据权利要求6所述光芯片，其特征在于：光信号传输波导一侧或两侧设有如权利要求1-4所述杂散光偏转器，用于将光信号传输波导输出的杂散光反射出凹槽。

8.根据权利要求7所述光芯片，其特征在于：其特征在于：每一个敏感区域被多个如权利要求1-4所述杂散光偏转器包围其中。

9.一种光芯片的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在基层上依次采用沉积或生长的方式制作下包覆层、波导层以及上包覆层，从而构成光芯片本体；

步骤2：采用CMOS灰度刻蚀的方式在光芯片本体上开设凹槽，凹槽的两个槽壁有一个为倾斜面；

步骤3：在光芯片本体上镀覆金属反射材料，从而形成用于将不同波长的杂散光从凹槽开口端反射至外部空间的杂散光偏转器；

步骤4：去除除倾斜面之外光芯片本体上其他区域的金属反射材料，从而在凹槽的倾斜面上形成金属反射层，光芯片制作完成。

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