一种应用于2.5维异质集成光波导的绝热楔形耦合器

本发明属于硅基光电子和异质集成领域的一种光学耦合器，具体涉及一种应用于2.5维异质集成光波导的绝热楔形耦合器。

背景技术：

1、硅材料由于其限制能力强被广泛设计应用于soi(绝缘体上硅，silicon oninsulator)，然而，由于其高折射率对比，基于soi的光学器件对波导不均匀性和侧壁粗糙度非常敏感，同时硅材料热稳定性差。二氧化钛具有coms(互补金属氧化物半导体，complementary metal oxide semiconductor)兼容性、非线性折射率指数、大带隙，所以被广泛应用于非线性光学器件，但其存在损耗大的问题。此外，铌酸锂由于其高电光系数、宽透明窗口、二阶非线性效应等特性，被广泛应用于高性能电光调制器、偏振控制器、非线性光学器件，但由于其折射率低，在刻蚀工艺上较为费劲。iii-v族材料由于其直接带隙、cmos兼容，被广泛应用于激光器、探测器、放大器、调制器，但这类材料容易晶格失配，小折射率导致器件尺寸大，相反地，其晶圆尺寸小，最终导致生产成本高。此外，聚合物材料具有负热光系数，金属材料具有表面等离子体极化效应等等。

2、各种材料都有不同的优点缺点，他们相互弥补又独具特性。那么是否可以通过异质集成实现各种材料的优势互补？答案是肯定的，并且已经出现很多异质集成、异构集成、混合集成。传统的单片集成，只利用单一材料设计平面波导器件，其性能局限。因此，这种多材料体系集成方案可以极大地增加光芯片系统的功能种类和能力上限。在设计时，要考虑材料特性、器件设计、工艺兼容性，根据需求进行材料结合。

3、异质集成的关键指标正在接近或超过单一集成或混合集成，具有优化的有源和无源的异质集成为具有优于分立光学元件的性能的全新类型的器件开辟了新的机会，但集成工艺兼容性受限，包括结构尺寸与应力限制、材料晶格失配、工艺温度与条件、耦合方案等挑战，其中耦合方案包括不同材料之间的光学耦合、电学耦合和热学耦合等。本发明为硅基异质集成技术提供一种新型的“2.5维”集成的光学耦合方案。

4、传统3维集成是指通过垂直堆叠多个功能性芯片的方式将它们集成在一起形成一个立体结构，利用直接键合技术以实现最短的互连和最小的封装尺寸。不同于3维集成，2.5维集成是指通过将其他功能性材料、光电器件或者芯片集成到同一层基底上，通过特殊的半导体工艺制作芯片，通过硅通孔技术(through-silicon-via，tsv)转换板连接芯片进行2.5维封装，利用极高的互联密度实现功能的增强或拓展。

技术实现思路

1、本发明基于2.5维集成提出了一种应用于2.5维异质集成光波导的绝热楔形耦合器，是一种具有异质波导的高效的低损耗的光跃迁的倏逝耦合结构，即二氧化钛波导与硅波导异质集成的绝热楔形耦合器，将两个楔形的异质波导无接触地间接地拼接，以实现光在异质光波导中的绝热耦合。这种新型的“2.5维”异质集成的方法是指光波导器件处于同一平面，在平面上进行异质结构的功能拓展。本发明不仅性能优异，在设计上更简单且耦合条件更自由，易于制造，可以为硅基异质集成技术提供一些新型的2.5维集成的光学耦合的方案及基础技术支持，为具有优于分立光学元件的性能的2.5维全新类型的器件开辟了新的机会。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、本发明公开了一种应用于2.5维异质集成光波导的绝热楔形耦合器，包括二氧化硅衬底、位于二氧化硅衬底上的硅波导与二氧化钛波导，所述的硅波导与二氧化钛波导均为长条方体结构，一端为平面端，另一端为含有楔面的楔形尖端，硅波导的楔面和二氧化钛波导的楔面相对且平行设置，硅波导的楔形尖端和二氧化钛波导的楔形尖端形成耦合区，耦合区的耦合间隙，即硅波导的楔面和二氧化钛波导的楔面的距离为0.15μm，耦合区的耦合长度为25μm，以实现光在异质波导中的绝热耦合。

4、作为进一步地改进，本发明所述的二氧化硅衬底和硅波导所形成的上表面上还包括一层沉积的氧化铝薄膜，用于作为二氧化钛波导刻蚀时的保护层。

5、作为进一步地改进，本发明所述的硅波导及二氧化钛波导的耦合端口采用楔形尖端，其耦合间隙为0.15μm，耦合长度为所述的硅波导的楔形尖端部分的长度，为25μm。

6、作为进一步地改进，本发明所述的整个绝热楔形耦合器的表面，包覆有一层沉积的二氧化硅包层用以保护。

7、本发明公开了以下技术效果：

8、本发明公开了一种具有异质波导的高效的低损耗的光跃迁的倏逝耦合结构，通过间接拼接两个具有楔形尖端的波导结构实现绝热耦合器。波导中的光混合模式通过所述的硅波导传输到楔形尖端，并随着楔形尖端不断前进变化，混合模式通过楔形尖端耦合部分耦合进入所述的二氧化钛楔形尖端，最终通过二氧化钛波导输出。其中，楔形尖端耦合部分的耦合过程是一个缓变的过程，随着楔形尖端耦合部分长度越长，混合模式对应的所述的楔形尖端耦合部分折射率变化就更和缓，即突变更小，对应的损耗就会更小，因此，通过这种方式可以实现高效的绝热耦合。

9、本发明利用硅波导与二氧化钛波导在绝缘体上硅(soi)晶圆上实现新型2.5维异质集成。二氧化钛由于其具有cmos兼容性、非线性折射率指数以及大带隙，被广泛应用于激光器、探测器和调制器等，因此，利用这种技术可以实现硅波导中光信号低损耗传输到二氧化钛波导中，实现异质材料的光器件耦合，从而解决硅基光芯片透明窗口小、性能局限和有源功能等问题，极大的增强光芯片系统的功能种类和能力上限。

10、本发明公开了一种应用于2.5维异质集成光波导的绝热楔形耦合器的制备工艺，与目前主流的堆叠的3维集成设计不同，其不需要经历一般的3维集成工艺，即沉积、光刻、磨抛、刻蚀、键合等多道严格的工艺。此外，3维封装需要进行直接键合技术的高难度的制造工艺。因此，苛刻的抛光和键合等工艺，对耦合器结构尺寸的精度提出巨大的挑战，也大大影响成品率。值得注意的是，3维异质集成光学设计需要短的互连耦合长度以减少损耗提高紧凑性，而耦合长度越短，化学机械抛光(chemical mechanical polishing，cmp)工艺的不均匀性造成的影响就更强。若采用长距离光栅耦合的方式，其设计复杂且耦合条件局限。因此，相比于3维集成，本发明所提出的2.5维集成方法，其异质结构位于同一平面上，在集成工艺上避免了3维中繁琐的严格的抛光、粘合和直接键合工艺，可以很好地控制异质波导之间的耦合间隙，并且在设计上也避免了3维集成耦合条件的局限。此外，本发明提出的应用于2.5维异质集成光波导的高效非对称定向耦合器的制备方法中巧妙地采用了氧化铝薄膜作为保护层，避免了部分光刻，刻蚀和抛光等工艺，大大简化了工艺步骤。因此，本发明在其设计上更简便、耦合条件更自由且工艺步骤更简单。

技术特征：

1.一种应用于2.5维异质集成光波导的绝热楔形耦合器，其特征在于：包括二氧化硅衬底、位于二氧化硅衬底上的硅波导与二氧化钛波导，所述的硅波导与二氧化钛波导均为长条方体结构，一端为平面端，另一端为含有楔面的楔形尖端，所述的硅波导的楔面和二氧化钛波导的楔面相对且平行设置，所述的硅波导的楔形尖端和二氧化钛波导的楔形尖端形成耦合区，所述的耦合区的耦合间隙，即硅波导的楔面和二氧化钛波导的楔面的距离为0.15μm，耦合区的耦合长度为25μm，以实现光在异质波导中的绝热耦合。

2.根据权利要求1所述的应用于2.5维异质集成光波导的绝热楔形耦合器，其特征在于：所述的二氧化硅衬底和硅波导所形成的上表面上还包括一层沉积的氧化铝薄膜，用于作为二氧化钛波导刻蚀时的保护层。

3.根据权利要求1所述的应用于2.5维异质集成光波导的绝热楔形耦合器，其特征在于：所述的硅波导及二氧化钛波导的耦合端口采用楔形尖端，其耦合间隙为0.15μm，所述的耦合长度为所述的硅波导的楔形尖端部分的长度，为25μm。

4.根据权利要求1所述的应用于2.5维异质集成光波导的绝热楔形耦合器，其特征在于：所述的整个绝热楔形耦合器的表面，包覆有一层沉积的二氧化硅包层用以保护。

技术总结
本发明公开了一种应用于2.5维异质集成光波导的绝热楔形耦合器，即异质集成的绝热楔形耦合器，其结构由二氧化硅衬底、硅波导、二氧化钛波导构成，所述的硅波导和二氧化钛波导采用特殊的楔形间接地拼接，以实现光在异质波导中的绝热耦合。这种新型的“2.5维”异质集成的方法是指光波导器件处于同一平面，在平面上进行异质结构的功能拓展。本发明不仅性能优异，在设计上更简单且耦合条件更自由，易于制造，可以为硅基异质集成技术提供一些新型的2.5维集成的光学耦合的方案及基础技术支持，为具有优于分立光学元件的性能的2.5维全新类型的器件开辟了新的机会。

技术研发人员：管小伟,王燕,朱红辉,李辉
受保护的技术使用者：浙江大学嘉兴研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/4/29