用于半导体激光器与TriPleX波导耦合的耦合结构及制备方法

摘要

本发明提供了一种用于半导体激光器与TriPleX波导耦合的耦合结构及制备方法，所述结构包括Si基底，所述Si基底上依次设有SiO

说明书

技术领域

本发明涉及光电子技术和光纤通信技术领域，具体涉及一种用于 半导体激光器与TriPleX波导耦合的耦合结构及制备方法。

背景技术

TriPleX技术是当今世界上三大主要的波导工艺平台之一，兼容 CMOS工艺。TriPleX波导在近紫外到红外波段均是透明的，因此具有 特殊的应用价值。此外，该工艺平台可在相同的制备工艺下，制作多 种不同几何形状的波导结构，从而在特定波长处对多种波导特性进行 定制，如有效折射率、双折射特性等。

不仅如此，TriPleX波导的另一个显著优势是具有低损耗特性。已 经报道的最小波导损耗仅为0.001dB/cm，而对于弯曲半径为50μm的 波导，其损耗为0.2dB/cm.正是由于这些优良特性，基于此波导工艺 的许多应用已经出现，典型的有工作在可见光波段的光束合成、具有 优良特性的微波光子处理系统等等。

图1示出了TriPleX波导三种典型波导结构之一的双条形结构。该 结构由厚度均为170nm的上下Si₃N₄条形层和厚度为500nm的SiO₂中 间层构成，其他区域的材料为SiO₂。图2示出了双条形TriPleX波导结 构的基模模场，由于典型的半导体激光器输出光场的半径一般为1μm ×4μm，从图2中可以看出，半导体激光器与该双条形TriPleX模场存 在很大失配。因此，如果将该波导用于需要半导体激光器直接耦合的 系统中如片上系统等，将会带来很大的损耗。

针对上述半导体激光器与双条形TriPleX波导直接耦合存在较大损 耗的问题，需要一种用于半导体激光器与TriPleX双条形波导耦合的高 效集成耦合结构。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种用于半导体激光器与 TriPleX波导耦合的耦合结构，解决了半导体激光器与TriPleX双条形波 导直接耦合存在较大损耗的问题。

第一方面，本发明提供一种用于半导体激光器与TriPleX波导耦合 的耦合结构，所述结构包括Si基底，所述Si基底上依次设有SiO₂层、耦 合层和SiO₂覆层；

其中，所述耦合层由反向对接的第一直角楔形结构和第二直角楔 形结构组成；

所述第一直角楔形结构作为半导体激光器的入射端；所述第二直 角楔形结构连接TriPleX双条形波导；

所述第一直角楔形结构，由Si₃N₄层组成；

所述第一直角楔形结构的厚度为170nm，长度为L₁μm，宽度在 长度为0到L₁μm的范围内，由4.8μm均匀渐变到0，其中，30μm ≤L₁≤150μm；

所述第二直角楔形结构，由Si₃N₄上层、SiO₂中间层和Si₃N₄下层 组成；

所述Si₃N₄上层和所述Si₃N₄下层的厚度均为170nm，所述SiO₂中 间层的厚度为500nm；

所述第二直角楔形结构的长度为L₂μm，宽度在长度为0到L₂μ m的范围内，由0均匀渐变到与所述第二直角楔形结构连接的TriPleX 双条形波导相同的宽度，其中，10μm≤L₂≤100μm；

所述第一直角楔形结构的长直角边和所述第二直角楔形结构的长 直角边相邻接，所述第二直角楔形结构宽度为0的一端与所述第一直 角楔形结构宽度为4.8μm的一端相距L₃，其中，3μm≤L₃≤43μm。

优选地，所述第一直角楔形结构的长度L₁为80μm。

优选地，所述第二直角楔形结构的长度L₂为55μm。

优选地，所述第二直角楔形结构宽度为0的一端与所述第一直角 楔形结构宽度为4.8μm的一端相距L₃为13μm。

优选地，所述SiO₂层的厚度为8μm。

第二方面，本发明提供一种用于半导体激光器与TriPleX波导耦合 的耦合结构的制作方法，所述方法包括：

S1.在Si基底上生长SiO₂层；

S2.在所述SiO₂层上生长耦合层；

S3.在所述耦合层上生长SiO₂覆层；

其中，所述耦合层由反向对接的第一直角楔形结构和第二直角楔 形结构组成；

所述第一直角楔形结构作为半导体激光器的入射端；所述第二直 角楔形结构连接TriPleX双条形波导；

所述第一直角楔形结构，由Si₃N₄层组成；

所述第一直角楔形结构的厚度为170nm，长度为L₁μm，宽度在 长度为0到L₁μm的范围内，由4.8μm均匀渐变到0，其中，30μm ≤L₁≤200μm；

所述第二直角楔形结构，由Si₃N₄上层、SiO₂中间层和Si₃N₄下层 组成；

所述Si₃N₄上层和所述Si₃N₄下层的厚度均为170nm，所述SiO₂中 间层的厚度为500nm；

所述第二直角楔形结构的长度为L₂μm，宽度在长度为0到L₂μ m的范围内，由0均匀渐变到与所述第二直角楔形结构连接的TriPleX 双条形波导相同的宽度，其中，30μm≤L₂≤100μm；

所述第一直角楔形结构的长直角边和所述第二直角楔形结构的长 直角边相邻接，所述第二直角楔形结构宽度为0的一端与所述第一直 角楔形结构宽度为4.8μm的一端相距L₃，其中，3μm≤L₃≤43μm。

优选地，所述第一直角楔形结构的长度L₁为80μm。

优选地，所述第二直角楔形结构的长度L₂为55μm。

优选地，所述第二直角楔形结构宽度为0的一端与所述第一直角 楔形结构宽度为4.8μm的一端相距L₃为13μm。

优选地，所述SiO₂层的厚度为8μm。

由上述技术方案可知，本发明的用于半导体激光器与TriPleX波导 耦合的耦合结构，通过在耦合层中设置两个反向对接的第一直角楔形 结构和第二直角楔形结构，作为半导体激光器入射端的第一直角楔形 结构的厚度为170nm，宽度为4.8μm，因而对应的模场尺寸约为1μm ×4μm，这一尺寸与半导体激光器的模场具有较好的匹配，从而可以 实现半导体激光器到第一直角楔形结构的高效能量耦合；另外，厚度 为170nm的Si₃N₄单层第一直角楔形结构与由厚度为170nm的Si₃N₄上层、500nm的SiO₂中间层和170nm的Si₃N₄下层组成的第二直角楔 形结构反向对接，将入射端的模式绝热地转换成第二直角楔形结构支 持的模式，而第二直角楔形结构连接TriPleX双条形波导，从而实现半 导体激光器和TriPleX双条形波导的高效耦合。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面 将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而 易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通 技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图 获得其他的附图。

图1是双条形TriPleX波导结构的示意图；

图2是双条形TriPleX波导结构的基模模场；

图3是本发明一个实施例提供的所述用于半导体激光器与TriPleX 波导耦合的耦合结构的立体示意图；

图4是图3所示耦合结构去掉SiO₂覆层后的俯视图；

图5是图3所示耦合结构去掉SiO₂覆层后的入射端正视图；

图6是图3所示耦合结构去掉SiO₂覆层后的侧视图；

图7是本发明一个实施例提供的用于半导体激光器与TriPleX波导 耦合的耦合结构在1μm至2μm波段内耦合效率分布图；

图8是本发明另一个实施例提供的用于半导体激光器与TriPleX波 导耦合的耦合结构的制备方法的流程图；

图1中，a1为Si₃N₄上条形层，a2为SiO₂中间层，a3为Si₃N₄下 条形层，a4为SiO₂层；

图3中，1为Si基底，2为SiO₂层，3为耦合层，4为SiO₂覆层， 5为第二直角楔形的Si₃N₄上层，6为第二直角楔形的SiO₂中间层，7 为第二直角楔形的Si₃N₄下层，8为第一直角楔形的Si₃N₄层；

图5中，r1为第二直角楔形的Si₃N₄上层，r2为第二直角楔形的 SiO₂中间层，r3为第一直角楔形的Si₃N₄层和第二直角楔形的Si₃N₄下 层，r4是SiO₂层，r5是Si基底；

图6中，c1为第二直角楔形的Si₃N₄上层，c2为第二直角楔形的 SiO₂中间层，c3为第一直角楔形的Si₃N₄层和第二直角楔形的Si₃N₄下 层，c4为SiO₂层，c5是Si基底。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结 合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整的描述，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 作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。

根据耦合模理论，耦合过程中产生的损耗主要来自两个方面。第 一，半导体激光器输出模场与耦合结构入射端面模场的失配会产生损 耗；第二，耦合结构入射模场向TriPleX双条形波导基模模场转换过程 中产生的损耗。

本发明从上述两个方面入手，提出了一种用于半导体激光器与 TriPleX波导耦合的高效耦合结构。所述结构包括Si基底，所述Si基 底上依次设有SiO₂层、耦合层和SiO₂覆层；

其中，所述耦合层由反向对接的第一直角楔形结构和第二直角楔 形结构组成；

所述第一直角楔形结构作为半导体激光器的入射端；所述第二直 角楔形结构连接TriPleX双条形波导；

所述第一直角楔形结构，由Si₃N₄层组成；

所述第一直角楔形结构的厚度为170nm，长度为L₁μm，宽度在 长度为0到L₁μm的范围内，由4.8μm均匀渐变到0，其中，30μm ≤L₁≤150μm；

所述第二直角楔形结构，由Si₃N₄上层、SiO₂中间层和Si₃N₄下层 组成；

所述Si₃N₄上层和所述Si₃N₄下层的厚度均为170nm，所述SiO₂中 间层的厚度为500nm；

所述第二直角楔形结构的长度为L₂μm，宽度在长度为0到L₂μ m的范围内，由0均匀渐变到与所述第二直角楔形结构连接的TriPleX 双条形波导相同的宽度，其中，10μm≤L₂≤100μm；

所述第一直角楔形结构的长直角边和所述第二直角楔形结构的长 直角边相邻接，所述第二直角楔形结构宽度为0的一端与所述第一直 角楔形结构宽度为4.8μm的一端相距L₃，其中，3μm≤L₃≤43μm。

例如，在所述第一直角楔形结构的长度L₁为30μm、所述第二直 角楔形结构的长度L₂为12μm，且所述第二直角楔形结构宽度为0的 一端与所述第一直角楔形结构宽度为4.8μm的一端相距L₃为18μm 时，耦合效率为90.2％。

在所述第一直角楔形结构的长度L₁为150μm、所述第二直角楔形 结构的长度L₂为80μm，且所述第二直角楔形结构宽度为0的一端与 所述第一直角楔形结构宽度为4.8μm的一端相距L₃为3μm时，耦合 效率为97.2％。

优选地，在所述第一直角楔形结构的长度L₁为80μm、所述第二 直角楔形结构的长度L₂为55μm，且所述第二直角楔形结构宽度为0 的一端与所述第一直角楔形结构宽度为4.8μm的一端相距L₃为13μ m时，耦合效率最高，为97.9％，性能表现最好。

其中，所述SiO₂层的厚度为8μm。

图3示出了用于半导体激光器与TriPleX波导耦合的耦合结构的立 体示意图。图中1为Si基底，2为SiO₂层，3为耦合层，4为SiO₂覆 层，5为第二直角楔形的Si₃N₄上层，6为第二直角楔形的SiO₂中间层， 7为第二直角楔形的Si₃N₄下层，8为第一直角楔形的Si₃N₄层；

其中，SiO₂覆层4生长在所述耦合层3的上面，起到一个保护的 作用。为了方便更清楚的观察耦合层3的结构，图4-6分别示出了图3 所示耦合结构去掉SiO₂覆层4后的俯视图、入射端正视图和侧视图。 如图3-6所示，该结构的耦合层由两个反向对接的直角楔形结构构成。 作为半导体激光器入射端的第一直角楔形结构由Si₃N₄材料形成，其厚 度为170nm(与TriPleX双条形波导下层条形结构一致)。在图3所示 的结构中，第一直角楔形结构的长度为L₁为80μm，在长度为0到80 μm的范围内，第一直角楔形结构的宽度由4.8μm渐变到0。第二直 角楔形结构与TriPleX双条形波导具有相同的层结构，以长度L₂为55 μm为例，在长度为0到55μm的范围内，其宽度由0渐变到与TriPleX 双条形波导相同的宽度。另外，第二直角楔形结构的尖端(宽度为0 处)相距第一直角楔形结构的入射端面(宽度为4.8μm处)13μm。

在性能表现方面，本发明实施例所述的用于半导体激光器与 TriPleX双条形波导耦合的高效耦合结构，在1550nm处，对于准TE 模可以实现耦合效率达到97.9％(对应的插入损耗为0.092dB)。

图7示出了本发明实施例提供的用于半导体激光器与TriPleX波导 耦合的耦合结构在1μm至2μm波段内耦合效率分布图。可见，本发 明实施例所述的用于半导体激光器与TriPleX双条形波导耦合的高效 耦合结构，在1μm至2μm波段内，均能实现较高的耦合效率。

由此，本实施例的用于半导体激光器与TriPleX波导耦合的耦合结 构，通过在耦合层中设置两个反向对接的第一直角楔形结构和第二直 角楔形结构，作为半导体激光器入射端的第一直角楔形结构的厚度为 170nm，宽度为4.8μm，因而对应的模场尺寸约为1μm*4μm，这一 尺寸与半导体激光器的模场具有较好的匹配，从而可以实现半导体激 光器到第一直角楔形结构的高效能量耦合；另外，厚度为170nm的 Si₃N₄单层第一直角楔形结构与由厚度为170nm的Si₃N₄上层、500nm 的SiO₂中间层和170nm的Si₃N₄下层组成的第二直角楔形结构反向对 接，将入射端的模式绝热地转换成第二直角楔形结构支持的模式，而 第二直角楔形结构连接TriPleX双条形波导，从而实现半导体激光器和 TriPleX双条形波导的高效耦合。

图8示出了本发明另一个实施例提供的用于半导体激光器与 TriPleX双条形波导耦合的高效耦合结构的制备方法的流程图，如图8 所示，本实施例制备用于半导体激光器与TriPleX双条形波导耦合的高 效耦合结构的方法如下所述。

步骤101：在Si基底上生长SiO₂层。

步骤102：在所述SiO₂层上生长耦合层。

步骤103：在所述耦合层上生长SiO₂覆层。

其中，所述耦合层由反向对接的第一直角楔形结构和第二直角楔 形结构组成；

所述第一直角楔形结构作为半导体激光器的入射端；所述第二直 角楔形结构连接TriPleX双条形波导；

所述第一直角楔形结构，由Si₃N₄层组成；

所述第一直角楔形结构的厚度为170nm，长度为L₁μm，宽度在 长度为0到L₁μm的范围内，由4.8μm均匀渐变到0，其中，30μm ≤L₁≤150μm；

所述第二直角楔形结构，由Si₃N₄上层、SiO₂中间层和Si₃N₄下层 组成；

所述Si₃N₄上层和所述Si₃N₄下层的厚度均为170nm，所述SiO₂中 间层的厚度为500nm；

所述第二直角楔形结构的长度为L₂μm，宽度在长度为0到L₂μ m的范围内，由0均匀渐变到与所述第二直角楔形结构连接的TriPleX 双条形波导相同的宽度，其中，10μm≤L₂≤100μm；

所述第一直角楔形结构的长直角边和所述第二直角楔形结构的长 直角边相邻接，所述第二直角楔形结构宽度为0的一端与所述第一直 角楔形结构宽度为4.8μm的一端相距L₃，其中，3μm≤L₃≤43μm。

优选地，在所述第一直角楔形结构的长度L₁为80μm、所述第二 直角楔形结构的长度L₂为55μm，且所述第二直角楔形结构宽度为0 的一端与所述第一直角楔形结构宽度为4.8μm的一端相距L₃为13μ m时，耦合效率最高，性能表现最好。

其中，所述SiO₂层的厚度为8μm。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管 参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员 应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改， 或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使 相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。