分光/合光元件及光子器件的制作方法

1.本公开涉及光通信技术领域，特别是涉及一种分光/合光元件及光子器件。


背景技术：

2.分光/合光元件，例如分光元件或合光元件，是一种能够使传输中的光信号在特殊结构区域内发生耦合作用，并对光功率进行分配或者合路的光无源器件。根据不同的耦合方式，可以分为定向耦合器型、多模干涉耦合器型以及y分支型等类型。目前，分光/合光元件所适用的通光带宽大多在微米量级。
3.如何增大分光/合光元件的通光带宽，降低光损耗，一直是本领域技术人员的研发重点。


技术实现要素：

4.本公开实施例提供了一种分光/合光元件及光子器件，以增大分光/合光元件的通光带宽，降低光损耗。
5.根据本公开的一方面，提供了一种分光/合光元件，包括依次设置的衬底、隔离层和第一波导层，其中，第一波导层包括：
6.第一脊凸部；
7.两个第二脊凸部，两个第二脊凸部位于第一脊凸部的两侧，并且在第一脊凸部的纵向方向上与第一脊凸部错开地布置，其中，第一脊凸部的宽度从远离两个第二脊凸部的第一宽端向靠近两个第二脊凸部的第一窄端呈现减小趋势，每个第二脊凸部的宽度从靠近第一脊凸部的第二窄端向远离第一脊凸部的第二宽端呈现增大趋势；以及
8.两个连接部，其中一个连接部位于第一脊凸部和其中一个第二脊凸部之间并连接第一脊凸部和其中一个第二脊凸部，另一个连接部位于第一脊凸部和另一个第二脊凸部之间并连接第一脊凸部和所述另一个第二脊凸部。
9.在一些实施例中，所述其中一个连接部连接第一脊凸部的宽度减小部分和所述其中一个第二脊凸部的宽度增大部分，所述另一个连接部连接第一脊凸部的宽度减小部分和所述另一个第二脊凸部的宽度增大部分。
10.在一些实施例中，所述其中一个连接部的两端在纵向方向上分别与第一脊凸部的第一窄端和所述其中一个第二脊凸部的第二窄端对齐；及
11.所述另一个连接部的两端在纵向方向上分别与第一脊凸部的第一窄端以及所述另一个第二脊凸部的第二窄端对齐。
12.在一些实施例中，所述的分光/合光元件还包括：
13.位于隔离层与第一波导层之间的第二波导层，第二波导层呈平板状延伸并且与第一波导层构成一体连接的脊波导结构。
14.在一些实施例中，第一脊凸部包括沿远离第一宽端的方向依次设置的第一等宽部分、宽度减小部分和第二等宽部分；以及
15.每个第二脊凸部包括沿远离第二窄端的方向依次设置的第三等宽部分、宽度增大部分和第四等宽部分。
16.在一些实施例中，宽度减小部分的宽度呈线性或非线性地逐渐减小，以及，宽度增大部分的宽度呈线性或非线性地逐渐增大。
17.在一些实施例中，第一脊凸部包括沿远离第一宽端的方向依次设置的第一等宽部分和宽度减小部分；以及
18.每个第二脊凸部包括沿远离第二窄端的方向依次设置的宽度增大部分和第四等宽部分。
19.在一些实施例中，两个第二脊凸部彼此相同并且相对于第一脊凸部对称布置。
20.在一些实施例中，第一脊凸部关于其纵向轴线轴对称，每个第二脊凸部关于其各自的纵向轴线呈轴对称；或者
21.第一脊凸部关于其纵向轴线轴对称，每个第二脊凸部呈非轴对称形状。
22.在一些实施例中，每个连接部呈平板状；或者，每个连接部呈梯形，包括沿平行于第一脊凸部的纵向方向依次设置的上坡过渡部分、坡顶平面部分和下坡过渡部分。
23.在一些实施例中，所述的分光/合光元件还包括：位于第一波导层的远离隔离层的一侧的覆盖层。
24.在一些实施例中，分光/合光元件用作分光元件，第一脊凸部用作光输入部，两个第二脊凸部分别用作光输出部，或者
25.分光/合光元件用作合光元件，两个第二脊凸部分别用作光输入部，第一脊凸部用作光输出部。
26.根据本公开的另一方面，提供了一种光子器件，包括前述任一实施例所述的分光/合光元件。
27.在本公开实施例中，第一脊凸部和第二脊凸部的宽度变化设计，不但可以引导光的传输路径，而且具有缓和调制模斑的作用，可以减少光传输损失。第一脊凸部和第二脊凸部之间没有直接连接而是通过连接部进行引导传输，这样，第一脊凸部和第二脊凸部彼此的结构依赖性减小，使得分光/合光元件对光波长的依赖性减小，可以适用更宽的波长范围。
28.应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
29.在下面结合附图对于示例性实施例的描述中，本公开的更多细节、特征和优点被公开，在附图中：
30.图1是相关技术中的一种分光元件的立体结构示意图；
31.图2是根据本公开一些实施例的分光/合光元件的立体结构示意图；
32.图3是图2所示实施例的分光/合光元件的俯视结构示意图；
33.图4是根据本公开另一些实施例的分光/合光元件的立体结构示意图；
34.图5a是根据本公开一些实施例的分光/合光元件用作分光元件时的模场分布仿真图；
35.图5b是根据本公开一些实施例的分光/合光元件用作分光元件时的通光效率与波长的对应关系曲线；
36.图6是根据本公开又一些实施例的分光/合光元件的俯视结构示意图；
37.图7是根据本公开再一些实施例的分光/合光元件的俯视结构示意图；及
38.图8是根据本公开一些实施例的光子器件的结构框图。
具体实施方式
39.在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
40.如图1所示，相关技术中的一种分光元件001，包括大致呈矩形的干涉波导01、连接干涉波导01的一个侧边的输入直波导02、以及连接干涉波导01的与前述一个侧边相对的另一个侧边的两个输出直波导03。本公开的发明人在实现本公开实施例的过程中发现，此类分光元件001的干涉分光主要在干涉波导01内进行，对波导的结构设计和制作精度要求非常高，导致分光元件001所能够适用的光波长范围较窄，即分光元件001的通光带宽较窄，一般为几十纳米，工作时对光波长的依赖性明显。另外，由于分光元件001的上述结构特点，导致光传输损耗也比较大。
41.本公开实施例提供了一种分光/合光元件及光子器件，以增大分光/合光元件的通光带宽，降低光损耗。
42.如图2和图3所示，本公开一些实施例的分光/合光元件100包括依次设置的衬底101、隔离层102、第二波导层103和第一波导层104。分光/合光元件100具有相背设置的第一端面100a和第二端面100b，衬底101、隔离层102、第二波导层103和第一波导层104分别延伸至第一端面100a和第二端面100b。第二波导层103呈平板状延伸。第一波导层104包括第一脊凸部41、两个第二脊凸部42和两个连接部43。两个第二脊凸部42位于第一脊凸部41的两侧，并且沿第一脊凸部41的纵向方向与第一脊凸部41错开地布置。
43.第一脊凸部41包括远离第二脊凸部42(也即远离第二端面100b或者靠近第一端面100a)的第一宽端41a以及靠近第二脊凸部42(也即远离第一端面100a或者靠近第二端面100b)的第一窄端41b，第一脊凸部41的宽度从第一宽端41a向第一窄端41b呈现减小趋势。两个第二脊凸部42中每个第二脊凸部42包括远离第一脊凸部41(也即远离第一端面100a或者靠近第二端面100b)的第二宽端42a以及靠近第一脊凸部41(也即远离第二端面100b或者靠近第一端面100a)的第二窄端42b，每个第二脊凸部42的宽度从第二窄端42b向第二宽端42a呈现增大趋势，第一脊凸部41位于两个第二脊凸部42之间。
44.第一脊凸部41的宽度从第一宽端41a向第一窄端41b呈现减小趋势，可以理解为为，第一脊凸部41的宽度从第一宽端41a向第一窄端41b整体上呈现减小趋势，也就是说，第一窄端41b的宽度小于第一宽端41a的宽度，第一脊凸部41的至少一部分的宽度是沿远离第一宽端41a的方向逐渐减小，第一脊凸部41可以包括等宽部分，但不包括宽度增大(沿远离第一宽端41a的方向)的部分。
45.类似的，第二脊凸部42的宽度从第二窄端42b向第二宽端42a呈现增大趋势，可以理解为为，第二脊凸部42的宽度从第二窄端42b向第二宽端42a整体上呈现增大趋势，也就
是说，第二宽端42a的宽度大于第二窄端42b的宽度，第二脊凸部42的至少一部分的宽度是沿远离第二窄端42b的方向逐渐增大，第二脊凸部42可以包括等宽部分，但不包括宽度减小(沿远离第二窄端42b的方向)的部分。
46.在一些实施例中，如图2和图3所示，第一脊凸部41的第一宽端41a延伸至第一端面100a，第一窄端41b与第二端面100b之间具有间距；第二脊凸部42的第二宽端42a延伸至第二端面100b，第二窄端42b与第一端面100a之间具有间距。
47.两个连接部43中，其中一个连接部43位于第一脊凸部41和其中一个第二脊凸部42之间并连接第一脊凸部41和该其中一个第二脊凸部42，例如，连接第一脊凸部41的宽度减小部分和该其中一个第二脊凸部42的宽度增大部分；另一个连接部43位于第一脊凸部41和另一个第二脊凸部42之间并连接第一脊凸部41和该另一个第二脊凸部42，例如，连接第一脊凸部41的宽度减小部分和该另一个第二脊凸部42的宽度增大部分。
48.在该实施例中，第一波导层104和第二波导层103一体连接并且构成脊波导结构。
49.在本公开实施例中，定义宽度方向平行于衬底101且平行于第一端面100a，纵向方向或长度方向平行于衬底101且垂直于第一端面100a，高度方向和厚度方向垂直于衬底101。对于具有一定厚度或高度的立体结构，以第一脊凸部41为例，其宽度可以理解为其在衬底101上的正投影的宽度，其长度可以理解为其在衬底101上的正投影的长度，也即沿纵向方向的尺寸。
50.本公开实施例提供的分光/合光元件100，既可以用作分光元件，又可以用作合光元件。在一些实施例中，分光/合光元件100用作分光元件，第一脊凸部41为光输入部，两个第二脊凸部42为光输出部，在图2和图3所示的实施例中，第一端面100a为分光元件的输入侧端面，第二端面100b为分光元件输出侧端面。在另一些实施例中，分光/合光元件100用作合光元件，两个第二脊凸部42为光输入部，第一脊凸部41为光输出部，在图2和图3所示的实施例中，第二端面100b为合光元件的输入侧端面，第一端面100a为合光元件的输出侧端面。例如，在一个实施例中，可以将两个上述结构的分光/合光元件100用在马赫曾德尔电光调制器中，其中一个用作分光元件，用以实现光信号的等分，另一个用作合光元件，用以实现光信号的汇合。在本公开的一些实施例中，仅以分光/合光元件100用作分光元件进行示例性说明。
51.如图2和图3所示，在本公开的一些实施例中，隔离层102和第二波导层103在衬底101上的正投影与衬底101基本重合，也就是说，从垂直于衬底101的方向(例如俯视方向)观看，在忽略工艺误差后，认为隔离层102、第二波导层103和衬底101的轮廓形状一致并且是相重合的。当然，本公开隔离层102和第二波导层103的形状不局限于此，例如，在一些实际设计中，隔离层102和第二波导层103也可以曝露出一部分衬底101。另外，分光/合光元件100还可以包括覆盖第二波导层103和第一波导层104的覆盖层(图中未示出)，该覆盖层在衬底101上的正投影与衬底101基本重合，或者，该覆盖层曝露出部分第二波导层103。
52.第一波导层104和第二波导层103由于为采用相同材料的一体结构，因此折射率相同，均为n1。将第一波导层104和第二波导层103的折射率n1设置为大于隔离层102的折射率n2，可以抑制光从脊波导进入隔离层102。衬底101的折射率n3一般选择大于隔离层102的折射率n2。
53.在一些实施例中，衬底101的主要材料为硅，隔离层102的主要材料为二氧化硅，第
一波导层104和第二波导层103的主要材料为铌酸锂。第一波导层104和第二波导层103构成的脊波导，具有低主模截止频率、宽频带和低阻抗等一系列优异特性，可以提升分光/合光元件100的性能。
54.本公开实施例并不限定采用脊波导结构，如图4所示，分光/合光元件100也可以不包括图2中的第二波导层103，仍然可以实现分光或者合光的元件功能。
55.图2所示的分光/合光元件100用作分光元件时，光从第一宽端41a及附近进入脊波导并在脊波导的脊凸部的引导下向远离第一端面100a的方向传输。随着第一脊凸部41宽度的减小，光会从第一脊凸部41和第一脊凸部41的下方向两侧溢出，继而通过连接部43的引导，转为被宽度呈现增大趋势的两个第二脊凸部42引导，最终从两个第二宽端42a及附近输出。
56.图2所示的分光/合光元件100用作合光元件时，与上述过程相反，光从两个第二宽端42a及附近进入脊波导并在脊波导的脊凸部的引导下向靠近第一端面100a的方向传输。随着第二脊凸部42宽度的减小，光会从两个第二脊凸部42和两个第二脊凸部42的下方溢出，继而通过两个连接部43的引导，转为被宽度呈现增大趋势的第一脊凸部41引导，最终从第一宽端41a及附近输出。
57.第一脊凸部41和第二脊凸部42的宽度的变化设计，不但可以引导光的传输路径，而且具有缓和调制模斑的作用，可以减少光传输损失。第一脊凸部41和第二脊凸部42之间没有直接连接而是通过连接部43进行引导传输，这样，第一脊凸部41和第二脊凸部42彼此的结构依赖性减小，使得分光/合光元件100对光波长的依赖性减小，可以适用更宽的波长范围。例如，图2所示的分光/合光元件100，其通光带宽可达数百微米，相比相关技术显著增大。
58.图4所示的分光/合光元件100未采用脊波导设计，光在分光/合光元件100中的传输被限制在第一波导层104中进行。虽然未采用脊波导设计，但光的传输路径与图2所示实施例基本类似，因此，仍然可以获得上述技术效果。
59.在本公开的一些实施例中，如图2所示，其中一个连接部43的两端在纵向方向上分别与第一脊凸部41的第一窄端41b和其中一个第二脊凸部42的第二窄端42b对齐；另一个连接部43的两端在纵向方向上分别与第一脊凸部41的第一窄端41b以及另一个第二脊凸部42的第二窄端42b对齐。该设计将连接部43与第一脊凸部41和第二脊凸部42在纵向方向上的重合尺寸设计为最大值，这样，在满足耦合强度需求的前提下，可以适当增大第一脊凸部41与两个第二脊凸部42之间的设计间距，从而降低工艺管控难度，减少制作的成本。
60.第一脊凸部41和第二脊凸部42的具体结构形式不限。如图3所示，在一些实施例中，第一脊凸部41包括沿远离第一宽端41a的方向依次设置的第一等宽部分411、宽度减小部分412和第二等宽部分413，其中，宽度减小部分412的宽度沿远离第一宽端41a的方向可以呈线性或非线性地逐渐减小；每个第二脊凸部42包括沿远离第二窄端42b的方向依次设置的第三等宽部分421、宽度增大部分422和第四等宽部分423，其中，宽度增大部分422的宽度沿远离第二窄端42b的方向可以呈线性或非线性地逐渐增大。每个连接部43与宽度减小部分412的至少一部分和宽度增大部分422的至少一部分连接，还可以同时与第二等宽部分413的至少一部分和第三等宽部分421的至少一部分连接。
61.图5a为图2所示分光/合光元件用作分光元件时的模场分布仿真图，图5b为图2所
示分光/合光元件用作分光元件时的通光效率与波长的对应关系曲线。从图5b中可以看出，在保证通光效率达到95％以上的前提下，分光/合光元件所适用的波长范围(即通光带宽)为1.2
‑
1.6微米。而相关技术中的分光元件，其能够满足95％通光效率的通光带宽一般只有几十纳米。与相关技术相比，本公开实施例分光/合光元件的通光带宽明显增大。
62.如图6所示，在另一些实施例中，第一脊凸部41还可以设计为，包括沿远离第一宽端41a的方向依次设置的第一等宽部分411和宽度减小部分412，其中，宽度减小部分412的宽度沿远离第一宽端41a的方向可以呈线性或非线性地逐渐减小；每个第二脊凸部42包括沿远离第二窄端42b的方向依次设置的宽度增大部分422和第四等宽部分423，其中，宽度增大部分422的宽度沿远离第二窄端42b的方向可以呈线性或非线性地逐渐增大。
63.宽度增大部分422、宽度减小部分412的宽度变化趋势呈线性可以实现更短距离下对模斑的平稳调制。宽度变化趋势呈非线性可以实现对模斑更进一步的缓和、平稳调制。宽度增大部分422和宽度减小部分412的形状曲线可以根据具体需求灵活调整，以获得较为理想的模斑调制效果。在一些实施例中，宽度增大部分422的宽度增加变化率和宽度减小部分412的宽度减小变化率相一致。例如，宽度增大部分422和宽度减小部分412的宽度变化趋势均呈线性并且变化率相同。
64.如图3所示，在一些实施例中，第一脊凸部41在衬底101上的正投影相对第一脊凸部41的纵向轴线(在图3所示的实施例中即一垂直于第一端面100a的第一对称轴s1)轴对称，两个第二脊凸部42在衬底101上的正投影也相对该第一对称轴s1对称，并且，一一对应的相对于其各自的纵向轴线(如在图3中所示即垂直于第一端面100a的第二对称轴s2、s3)基本轴对称。
65.在另一些实施例中，如图7所示，第一脊凸部41在衬底101上的正投影相对第一脊凸部41的纵向轴线(在图7所示的实施例中即一垂直于第一端面100a的第一对称轴s1)轴对称，两个第二脊凸部42在衬底101上的正投影也相对该第一对称轴s1对称，但是，每个第二脊凸部42在衬底101上的正投影为非轴对称形状。例如，第二脊凸部42的宽度增大部分422的宽度变化仅是由于其单侧结构轮廓导致，与另一侧无关。
66.第一脊凸部41具有轴对称结构，两个第二脊凸部42相对第一对称轴s1对称，这样，也有利于减弱分光/合光元件100对于波长的依赖性，增加可适用的波长范围。
67.在图3所示的实施例中，两个第二脊凸部42彼此相同(即结构尺寸相同)并且相对于第一脊凸部41对称布置。在本公开的其它实施例中，为实现两个第二脊凸部的非等分比例传输，也可以将两个第二脊凸部设计为不相同(即结构尺寸不相同)。
68.两个连接部43的具体结构形式不限。如图2和图3所示，在一些实施例中，每个连接部43呈梯形，包括沿平行于第一脊凸部41的纵向方向依次设置的上坡过渡部分431、坡顶平面部分433和下坡过渡部分432。对于脊波导结构，该设计可以减少波导传播常数的突变，从而减小光传播过程中的散射损耗。
69.此外，连接部也可以设计为呈平板状。
70.连接部43也凸出于第二波导层103，通过其厚度设计，可以满足第一脊凸部41和第二脊凸部42之间能量交换速率的设计需求。在保证能量交换速率设计需求的前提下，第一脊凸部41和第二脊凸部42之间的设计间距可以相应增加，从而降低工艺管控难度，降低制作的成本。
71.在本公开图2和图3所示的实施例中，第一波导层104和第二波导层103构成的脊波导结构，可以通过刻蚀工艺一体形成，第一波导层104的刻蚀断面呈现出一定的刻蚀倾角。应当理解的，本公开实施例结构和工艺不限制于此。
72.在本公开实施例中，如图2所示，第一波导层104可以曝露于分光/合光元件100的表面。在本公开的另一些实施例中，分光/合光元件还可以包括：位于第一波导层的远离隔离层的一侧的覆盖层。
73.如图8所示，本公开实施例还提供一种光子器件1，包括前述任一实施例的分光/合光元件100。光子器件1的具体产品类型不限，例如可以为电光调制器、分路器(splitter)、星形耦合器(star coupler)、可调光衰减器(variable optical attenuator,voa)、光开关(optical switch)、光频梳(frequency comb)和阵列波导光栅(array waveguide grating,awg)等。
74.光子器件1可以包括一个或者多个分光/合光元件100，每个分光/合光元件100集成在光子器件1中，根据设计需要，可以用作分光元件或合光元件。
75.相比相关技术，本公开分光/合光元件100的设计可以增加通光带宽，减小光损耗，从而，光子器件1也能获得相应的技术效果，其对波长的依赖性减小，光损耗减小，因此，性能获得提升。此外，由于分光/合光元件100的结构设计较为简化，因此，容易在光子器件中集成，有利于降低光子器件的制作成本。
76.如本文使用的，术语“衬底”可以表示经切割的晶圆的衬底，或者可以指示未经切割的晶圆的衬底。应当理解，术语“层”包括薄膜，除非另有说明，否则不应当解释为指示垂直或水平厚度。
77.应当理解的是，在本说明书中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系或尺寸为基于附图所示的方位或位置关系或尺寸，使用这些术语仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，并且因此不能理解为对本公开的保护范围的限制。
78.此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
79.在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
80.在本公开中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在
第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
81.本说明书提供了能够用于实现本公开的许多不同的实施方式或例子。应当理解的是，这些不同的实施方式或例子完全是示例性的，并且不用于以任何方式限制本公开的保护范围。本领域技术人员在本公开的说明书的公开内容的基础上，能够想到各种变化或替换，这些都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所附权利要求所限定的保护范围为准。