基于光互联单元的光学组件及光芯片的制作方法

1.本技术属于光通信技术领域，具体涉及一种基于光互联单元的光学组件及光芯片。


背景技术：

2.光量子计算等应用使用的集成量子光芯片需要更多的光量子比特数量，从而其光波导网络芯片也需要更大的尺寸。电子束光刻(ebl)通常用于科研方面制备较小尺寸的芯片，因为其耗时太长，不适宜用于较大网络芯片的工业制造。duv等光刻机由于采用曝光式图形制备方法，效率高于ebl，是产业界制造高端芯片时常用的图形制备手段。但是由于duv光刻机本身的局限，目前将其用在制备超大尺寸光波导网络芯片时还存在一些问题，例如难以在同一片晶圆上制备出一个完整的大尺寸光网络。
3.现有技术中的一种解决方式是将整个光网络分块，在一次duv光刻时在一片晶圆上制备其中一块的多个副本，在下一次duv光刻时制备另一块的多个副本，最终取出整个网络芯片需要的所有分块，将它们以精确的相对位置拼接在一起，实现光互联，而这种方式对对准要求很高，同时也会产生一定的光损耗。
4.因此本技术提出一种基于光互联单元的光学组件及光芯片。


技术实现要素：

5.本技术是为了解决上述问题而进行的，目的之一在于提供一种基于光互联单元的光学组件及光芯片以实现光单元之间的低损耗的光互联。
6.本技术提供了一种基于光互联单元的光学组件，其包括：
7.第一光单元，其包括第一波导；
8.第二光单元，其包括第二波导，且与第一光单元位于同一平面且邻近第一光单元安置；以及
9.光互联单元，其包括一或多个第三波导，一或多个第三波导耦接第一波导与第二波导，使得光从第一波导通过倏逝波耦合的方式进入一或多个第三波导，之后再通过倏逝波耦合的方式进入第二波导，
10.其中第一波导、第二波导和一或多个第三波导之间相互平行。
11.上述光学组件中，其中第一波导的末端与第二波导的首端的端面大致对准安置，第一波导的末端的表面宽度沿着光在第一波导中的传播方向由第一宽度缓增至第二宽度，第二波导的首端的表面宽度沿着光在第二波导中的传播方向由第三宽度缓减至第四宽度，且光互联单元与第一波导的末端的至少一部分和第二波导的首端的至少一部分重叠安置。
12.上述光学组件中，其中光互联单元包括多个第三波导，且多个第三波导中的任一者具有表面宽度渐减的两端。
13.上述光学组件中，其中一或多个第三波导具有厚度渐减的两端。
14.上述光学组件中，其中光学组件还包括用于辅助键合的介质层。
15.上述光学组件中，其中第一光单元包括多个第一波导，第二光单元包括多个第二波导，光互联单元包括多个第三波导，多个第三波导的至少一部分耦接多个第一波导与多个第二波导，多个第三波导间隔排列，且位于第一光单元的端部和与之相对的第二光单元的端部的上方。
16.上述光学组件中，其中第一波导和第二波导为铌酸锂波导，第三波导为非晶硅波导或单晶硅波导，可使用soi wafer(绝缘硅片)制备得到。
17.上述光学组件中，其中第三波导包括波导芯层及位于波导芯层上方或下方的包层。
18.上述光学组件中，其中光学组件还包括基底，第一光单元和第二光单元位于基底之上。
19.本技术还提供一种光芯片，其包括多个前述任一一项的基于光互联单元的光学组件。
20.申请的作用与效果
21.根据本技术提供的一种基于光互联单元的光学组件，其包括：第一光单元，其包括第一波导；第二光单元，其包括第二波导，且与第一光单元位于同一平面且邻近第一光单元安置；以及光互联单元，其包括一或多个第三波导，一或多个第三波导耦接第一波导与第二波导，使得光从第一波导通过倏逝波耦合的方式进入一或多个第三波导，之后再通过倏逝波耦合的方式进入第二波导，其中第一波导、第二波导和一或多个第三波导之间相互平行。因为通过光互联单元可将多个小尺寸的第一光单元、第二光单元进行拼接，从而实现超大规模尺寸的光网络芯片，同时也可为光芯片与电芯片之间的近距离光电信号传输提供低损耗通道。
附图说明
22.图1和2是本技术实施例中光学组件100的横截面和平面结构示意图。
23.图3是本技术另一实施例中光学组件的横截面结构示意图。
24.图4是图3中光互联单元的结构示意图。
25.图5是另一光互联单元的结构示意图。
26.图6是再一光互联单元的结构示意图。
27.图7是再一实施例的光学组件的平面结构示意图。
28.图8是根据本技术另一些实施例中的光芯片的平面结构示意图。
29.图9是根据本技术另一些实施例中另一光芯片的平面结构示意图。
具体实施方式
30.为了使本技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例与附图对本技术提供的基于光互联单元的光学组件及光芯片作具体阐述。
31.本技术的实施例将会被详细的描示在下文中。在本技术说明书全文中，将相同或相似的组件以及具有相同或相似的功能的组件通过类似附图标记来表示。在此所描述的有关附图的实施例为说明性质的、图解性质的且用于提供对本技术的基本理解。本技术的实施例不应该被解释为对本技术的限制。
32.如本文中所使用，术语“大致”、“大体上”、“实质”、“约”及“左右”用以描述及说明小的变化。当与事件或情形结合使用时，所述术语可指代其中事件或情形精确发生的例子以及其中事件或情形极近似地发生的例子。举例来说，当结合数值使用时，术语可指代小于或等于所述数值的
±
10％的变化范围，例如小于或等于
±
5％、小于或等于
±
4％、小于或等于
±
3％、小于或等于
±
2％、小于或等于
±
1％、小于或等于
±
0.5％、小于或等于
±
0.1％、或小于或等于
±
0.05％。举例来说，如果两个数值之间的差值小于或等于所述值的平均值的
±
10％(例如小于或等于
±
5％、小于或等于
±
4％、小于或等于
±
3％、小于或等于
±
2％、小于或等于
±
1％、小于或等于
±
0.5％、小于或等于
±
0.1％、或小于或等于
±
0.05％)，那么可认为所述两个数值“大体上”相同。
33.在本说明书中，除非经特别指定或限定之外，相对性的用词例如：“垂直”、“侧面”、“上部”、“下部”以及其衍生性的用词(例如“上表面”等等)应该解释成引用在讨论中所描述或在附图中所描示的方向。这些相对性的用词仅用于描述上的方便，且并不要求将本技术以特定的方向建构或操作。
34.另外，有时在本文中以范围格式呈现量、比率和其它数值。应理解，此类范围格式是用于便利及简洁起见，且应灵活地理解，不仅包含明确地指定为范围限制的数值，而且包含涵盖于所述范围内的所有个别数值或子范围，如同明确地指定每一数值及子范围一般。
35.再者，为便于描述，“第一”、“第二”等可在本文中用于区分一个组件或一系列组件的不同操作。“第一”、“第二”等不意欲描述对应组件。
36.图1和2是本技术实施例中光学组件100的横截面和平面结构示意图。
37.参见图1和2，光学组件100包括：第一光单元10，其包括第一波导11；第二光单元20，其包括第二波导21，且与第一光单元10位于同一平面且邻近第一光单元10安置；以及光互联单元30，其包括一或多个第三波导31，一或多个第三波导31耦接第一波导11与第二波导21，使得光从第一波导11通过倏逝波耦合的方式进入一或多个第三波导31，之后再通过倏逝波耦合的方式进入第二波导21，其中第一波导11、第二波导21和一或多个第三波导31之间相互平行。
38.当两个波导靠的很接近时，例如相距为所传输的光的波长量级或更小，两波导模式的倏逝波(波导芯层以外的光场)有足够的交叠的情况下，即可产生倏逝波耦合，从而使光从一个波导传输到另一个波导。
39.如图2所示，第一波导11和第二波导21的耦合端分别设计为宽度缓变的结构以便于加工时的对准，从而增加对准容差，减小光损耗，同时也方便与位于第一波导11和第二波导21之上的一或多个第三波导31的对准。
40.本实施例中光学组件100还可包括基底40，其中第一光单元10、第二光单元20位于基底40之上，基底40为现有材质的平整基板，该基底40用于使第一光单元10、第二光单元20保持在同一水平面。在其他实施例中，光学组件100也可不包括基底40。例如当第一光单元10和第二光单元20的厚度不同时，可以将光互联单元30放置在底部，将第一光单元和第二光单元放置在上部，有利于界面接触键合，此时，第一光单元10、第二光单元20及光互联单元30的相对位置不变，且保证光互联单元耦合第一光单元和第二光单元。
41.根据本技术的一些实施例，第一波导11可包括波导芯层以及位于波导芯层下方的包层，例如掩埋氧化层，其中波导芯层可为铌酸锂波导，掩埋氧化层可为二氧化硅包层，同
时波导芯层上方也可以有包层，第一光单元10还可包括位于第一波导11下方的基底，例如第一硅基片12，如图1所示。
42.相应地，第二波导21也可包括波导芯层以及位于波导芯层下方的包层，例如掩埋氧化层，其中波导芯层可为铌酸锂波导，掩埋氧化层可为二氧化硅包层，同时波导芯层上方也可以有包层。第二光单元20邻近第一光单元10安放，该第二光单元20还可包括位于第二波导21下方的基底，例如第二硅基片22，如图1所示。
43.光互联单元30安放在第一光单元10与第二光单元20之上，类似地，第三波导31可包括波导芯层及位于波导芯层上方的包层，例如掩埋氧化层，波导芯层可为非晶硅波导或单晶硅波导，掩埋氧化层可为二氧化硅包层。光互联单元30还包括第三波导31及位于第三波导31之上的基底，例如第三硅基片32，如图1所示，
44.根据本技术的一些实施例，第一波导11、第二波导21的波导芯层可以相同也可以不同。比如第一波导11、第二波导21的波导芯层可全为铌酸锂波导，光互联单元30的波导芯层可为非晶硅波导或单晶硅波导。在其它实施例中，第一波导11、第二波导21或第三波导31的波导芯层还可为氮化硅波导或其他硅波导。
45.本实施例中的光学组件还可包括介质层，用于减小键合对界面粗糙度的严格要求，例如该介质层可位于光互连单元与第一光单元和第二光单元之间，有利于器件的成功制备。
46.如图2所示，本实施例中的光学组件，其中第一波导11的末端与第二波导21的首端的端面大致对准安置，第一波导11的末端的表面宽度沿着光在第一波导11中的传播方向(沿z轴方向)由第一宽度11a缓增至第二宽度11b，第二波导21的首端的表面宽度沿着光在第二波导21中的传播方向(沿z轴方向)由第三宽度21a缓减至第四宽度21b，且光互联单元的一或多个第三波导31与第一波导11的末端的至少一部分和第二波导21的首端的至少一部分重叠安置。第一波导11的末端和第二波导21首端的对接部分设计为较宽尺寸，可以增加工艺中的对准容差、从而减小光损耗。
47.如图2所示，在x、z平面内，第一波导11的表面宽度由第一宽度11a缓增至第二宽度11b，第二波导21的表面宽度由第四宽度21b缓增至第三宽度21a，有利于后期在生产工艺中的波导之间的对准，同时减小光耦合损耗，通过第三波导31的绝热渐变的结构设计(例如表面渐缩，具体为图2中为宽度渐变，但并不局限于此，也可为厚度渐变)使得光以倏逝波耦合的方式由第一波导11传至第二波导21。图2中光互联单元可包括多个第三波导31(例如6个)，每个第三波导的两端分别与第一波导11的末端的一部分、第二波导21的首端的一部分重叠安置，每个第三波导31的表面宽度由中间的较宽区域向两端渐减，以减少光损耗。
48.在一些实施例中，图2中第一波导11的第二宽度11b与第二波导21的第三宽度21a可大致为10微米，第一波导11和第二波导21二者在x方向上的1db对准容差约
±
1.5微米，当该宽度由10微米增大到50微米时，1db对准容差将近为
±
10微米，在别的实施例中也可根据使用的对准设备为第一波导11的第二宽度11b、第二波导21的第三宽度21a的首端设置合适的值。光互联单元中第三波导的绝热渐变的结构设计，或者多个第三波导组成的阵列结构增大了对准容差，在实际应用中，多个第三波导的阵列结构可不仅限于第一光单元与第二光单元上方，也可在第一光单元和第二光单元的上下方向延伸，使得上下对准误差不影响光传输损耗。例如如图2所示，当位于第一波导和第二波导上方的6个第三波导31在x轴方向
的移动超过一个周期(第三波导31的中间的宽度与相邻两个第三波导31之间的距离之和)时，通过对6个第三波导31的上方和下方增加第三波导阵列，其耦合情况也会周期变化回复到最初状态，从而可避免由于上下移动对光耦合效果的影响，当第三波导31的阵列周期明显小于第一波导11、第二波导21的宽度时，一个周期内的移动导致的光耦合效率变化会很小，当第一波导11、第二波导21的相对端在x方向上的宽度与第三波导31的周期比值很大时(如50/2)，引起的耦合效率起伏不超过0.05％(模拟计算的效率平均值约95％)。
49.图3是本技术另一实施例中光学组件的横截面结构示意图。
50.参见图3，图3中的实施例提供的光学组件与图1中的光学组件类似，区别仅在于图3的光互联单元30中第三波导31的波导芯层311掩埋在包层中，例如掩埋氧化层312中，从而可防止波导芯层311两端宽度较小的部分受损。
51.图4是图3中的光互联单元的倒置结构示意图。
52.参见图4，图4中光互联单元30的波导芯层311掩埋在掩埋氧化层312中，从而可避免波导芯层311两端宽度较小的部分受损。
53.图5是根据本技术另一些实施例中的光互联单元的结构示意图。
54.在一些实施例中，例如图5中的光互联单元30可包括多个第三波导301，图5中的第三波导301具有厚度渐减的两端，表面宽度可固定。在另一些实施例中，图5中的光互联单元30还可包括仅一个第三波导301。如图5所示，第三波导301的横截面可为梯形，其两端的厚度变化(即两侧斜坡处的厚度)，即绝热缓变设计是为了避免引起较大光损耗，第三波导301两端的末端的厚度可接近零，而该一个第三波导的表面宽度可与第一波导和第二波导的相对的端部的表面宽度大致相同。
55.图6是根据本技术再一些实施例中的光互联单元的结构示意图。
56.在该实施例中(参见图6)，第三波导301还可包括位于波导芯层上方的包层303，例如二氧化硅氧化层，还可在该包层303上放置额外的小器件50，可根据需求设置，如挡光板等。该包层303可防止光互联单元30中第三波导301中的光接触额外小器件50，避免造成额外的光损耗。
57.本技术的实施例还提供一种光学组件，其中第一光单元可包括多个第一波导，第二光单元可包括多个第二波导，光互联单元包括一或多个第三波导，一或多个第三波导的至少一部分耦接多个第一波导与多个第二波导，使得光从第一波导通过倏逝波耦合的方式进入一或多个第三波导，之后再通过倏逝波耦合的方式进入第二波导，多个第三波导间隔(例如，等间距)排列，且位于第一光单元的端部和与之相对的第二光单元的端部的上方。
58.图7是根据本技术的一些实施例的光学组件的平面结构示意图。
59.参见图7，光学组件的第一光单元10包括两个或两个以上的第一波导11，第二光单元20可包括两个或两个以上的第二波导21，光互联单元30包括多个第三波导31，多个第三波导31呈连续阵列排布，光互联单元30中的部分第三波导31与第一波导11、第二波导21的一部分表面重叠安置，剩余部分的第三波导可位于多个第一波导之间以及多个第二波导之间的区域，多个第三波导31呈阵列排布，贯穿第一光单元和第二光单元安置，进而增加了光互连单元与第一光单元和第二光单元之间的对准容差，减小光损耗，具体地，仅需将第一波导11的末端、第二波导21的首端的端面大致对准后，将光互联单元置于第一光单元与第二光单元上方，由于光互联单元在上下方向覆盖多个第一波导和多个第二波导，便于对准，而
且通过第三波导绝热渐变设计(例如表面渐缩)及周期阵列结构设计更进一步增加了对准容差，例如，多个第三波导在上下方向或左右方向的适宜范围内移动，并不太影响光传输损耗，只需第三波导的两个表面渐缩的末端的一部分别与第一波导、第二波导的表面部分重叠即可。可通过增加第三波导的宽度来进一步增加位置容差。
60.本技术另一些实施例还提供一种光芯片，其包括前述基于光互联单元的光学组件。
61.图8是根据本技术另一些实施例中的光芯片的平面结构示意图。
62.参见图8，光芯片1000可包括多个光学组件200，以实现晶圆级的光互联。图8中的光学组件200可包括多个第一光单元201、多个第二光单元202以及多个光互联单元203。第一光单元201、第二光单元202以及光互联单元203之间可通过倏逝波耦合进行光传输。
63.图9是根据本技术另一些实施例中的光芯片的平面结构示意图。
64.参见图9，图9中的光芯片可包括前述多个光学组件200。图9中的光学组件200可包括多个第一光单元201、多个第二光单元202以及多个光互联单元203，该光芯片的中间可设计其它元件，例如电芯片300，相邻的两个光单元之间通过光互联单元实现光互联，使得多个光学组件之间可通过本实施例提供的技术方案实现实现低损耗的光通信，其中本技术提出的光互联单元可使任意两个独立的光单元之间进行快速、高带宽的光通信，并且每个光学组件200也可与电芯片300进行光电信号转换，其中电芯片300可为cpu(中央处理器)、gpu(图形处理器)、fpga(现场可编程门阵列)、asic(专用集成电路)，但并不限于此。
65.本技术提出的基于光互联单元的光学组件及光芯片，可在一个晶圆上制备出一个完整的大尺寸光网络单元，使光单元之间实现低损耗的晶圆级光互联。
66.以上通过说明和附图，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，上述申请提出了现有的较佳实施例，但这些内容并不作为局限。对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本技术的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本技术的意图和范围内。