一种光栅耦合器及其制造方法与流程

本发明涉及硅基光电子，尤其涉及一种光栅耦合器及其制造方法。

背景技术：

1、硅基光互连被认为是突破基于传统金属布线的集成电路信号传输延迟瓶颈的关键方向。其中，光栅耦合器是一种光纤与光电子芯片间的光学输入输出(i/o)端口，本质上属于硅基波导中的周期性沟槽结构，其利用布拉格衍射条件，将来自光纤的垂直或准垂直于芯片入射的光耦合入波导中，克服光纤与硅基波导之间模斑尺寸失配的问题，以较低的光功率损耗实现光从光纤到芯片的耦合，使光信号可以在芯片平面上的波导中横向传播，便于后续其他光电子器件对光信号的进一步处理。事实上，入射光中除了经过衍射后部分耦合入波导横向传播外，还不可避免地存在部分背向波导传播的光，以及存在部分被向上反射的光，和部分发生透射向衬底泄露的光，使得耦合效率不高。

2、目前已发展的光栅耦合器，大多会考虑在入射面引入抗反射层，来降低光被向上反射部分的损耗，以及考虑在光栅结构底部设计布拉格镜或金属反射镜，以将向衬底泄露的光反射回光栅结构中再次衍射，从而提高耦合效率。然而事实上，经光栅结构衍射的光的光功率被分成了沿相反方向横向传播的两个部分，而光栅耦合器通常被设计在波导结构的末端，应用中仅利用了朝向波导方向传播的部分，而反方向的部分则被浪费。现有的光栅耦合器技术中尚未见针对此部分光功率损耗进行的设计。并且，这种损耗不仅发生在入射光衍射后，还发生在来自底部反射镜的反射光衍射后，导致引入底部反射镜的收益未能最大化，从而使光栅耦合器的整体耦合效率受限。该问题在实际应用中将对通信距离、信号传输效率和接收器灵敏度等方面产生负面影响。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种光栅耦合器及其制造方法。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、本发明提供一种光栅耦合器，包括设于衬底上的光栅结构和光波导结构，还包括：设于所述衬底上的第一光反射结构，所述第一光反射结构位于所述光栅结构远离所述光波导结构的一侧，使在所述光栅结构中衍射后背向所述光波导结构传播的光的方向逆转，并使之朝向所述光波导结构传播。

4、进一步地，所述第一光反射结构包括第一金属反射镜。

5、进一步地，还包括：设于所述衬底与所述光栅结构之间的第二光反射结构，用于将向所述衬底泄露的光反射回所述光栅结构中。

6、进一步地，所述第二光反射结构包括布拉格镜或第二金属反射镜。

7、进一步地，还包括：设于所述衬底上的顶部盖层，所述顶部盖层将所述第一光反射结构、所述光栅结构和所述光波导结构包覆。

8、本发明还提供一种光栅耦合器制造方法，包括：

9、提供衬底，所述衬底表面上依次形成有介质层和光波导材料层；

10、在所述光波导材料层上形成光栅结构和光波导结构，以及在所述光栅结构远离所述光波导结构一侧的所述光波导材料层表面上形成沟槽；

11、在所述沟槽中形成第一光反射结构。

12、进一步地，所述在所述光波导材料层上形成光栅结构和光波导结构，以及在所述光栅结构远离所述光波导结构一侧的所述光波导材料层表面上形成沟槽，具体包括：

13、进行第一图形化，在所述光波导材料层上定义出所述光栅结构和所述光波导结构的区域轮廓；

14、进行第二图形化，在位于所述光栅结构区域的所述光波导材料层表面上形成栅槽，从而在所述光波导材料层上形成所述光栅结构和所述光波导结构；

15、进行第三图形化，在所述光栅结构远离所述光波导结构一侧的所述光波导材料层表面上形成沟槽，并停止于所述介质层表面上；

16、所述在所述沟槽中形成第一光反射结构，具体包括：

17、在所述光波导材料层上形成金属层，将所述沟槽和所述光栅结构、所述光波导结构覆盖，并通过平坦化去除位于所述光波导材料层表面上多余的所述金属层材料，在所述沟槽中形成作为第一光反射结构的第一金属反射镜；

18、对所述第一金属反射镜表面进行掩蔽，然后去除位于所述栅槽中的多余的金属层材料；

19、在所述光波导材料层上形成顶部盖层，并将所述第一金属反射镜、所述光栅结构和所述光波导结构覆盖。

20、本发明还提供一种光栅耦合器制造方法，包括：

21、提供衬底，所述衬底表面上依次形成有介质层和光波导材料层；

22、在所述衬底中的不同深度位置上形成相互隔离的多个离子注入层，以在所述衬底中形成布拉格镜；

23、通过图形化，在所述光波导材料层上形成光栅结构和光波导结构，以及在所述光栅结构远离所述光波导结构一侧的所述光波导材料层表面上形成沟槽，停止于所述介质层表面上；

24、对所述沟槽进行金属填充，形成第一金属反射镜。

25、本发明还提供一种光栅耦合器制造方法，包括：

26、提供第一衬底和第二衬底，所述第一衬底表面上依次形成有第一介质层和第一半导体层，所述第二衬底表面上依次形成有第二介质层和第二半导体层；其中，所述第一半导体层材料和所述第二半导体层材料相同；

27、在所述第一半导体层表面上形成第三介质层，在所述第二半导体层表面上形成第四介质层；其中，所述第一介质层材料至所述第四介质层材料相同；

28、将所述第四介质层表面与所述第三介质层表面相贴合，对所述第二衬底和所述第一衬底进行键合，以在所述第二衬底和所述第一衬底之间形成布拉格镜；

29、对所述第二衬底的背面表面进行减薄，并将减薄后的所述第二衬底作为光波导材料层；

30、通过图形化，在所述光波导材料层上形成光栅结构和光波导结构，并使所述光栅结构位于所述布拉格镜的上方，以及在所述光栅结构远离所述光波导结构一侧的所述光波导材料层表面上形成沟槽，停止于所述第二介质层表面上；

31、对所述沟槽进行金属填充，形成第一金属反射镜。

32、本发明还提供一种光栅耦合器制造方法，包括：

33、提供第一衬底和第二衬底；

34、在所述第一衬底表面上形成第一介质层，在所述第二衬底表面上形成第二介质层；

35、在所述第一介质层表面上形成第一沟槽，对所述第一沟槽进行第一金属填充，并去除位于所述第一介质层表面上的多余的第一金属材料，在所述第一沟槽中形成第二金属反射镜；

36、将所述第二介质层表面与所述第一介质层表面、所述第二金属反射镜表面相贴合，对所述第二衬底和所述第一衬底进行键合；

37、对所述第二衬底的背面表面进行减薄，并将减薄后的所述第二衬底作为光波导材料层；

38、通过图形化，在所述光波导材料层上形成光栅结构和光波导结构，并使所述光栅结构位于所述第二金属反射镜的上方，以及在所述光栅结构远离所述光波导结构一侧的所述光波导材料层表面上形成第二沟槽，停止于所述第二介质层表面上；

39、对所述第二沟槽进行第二金属填充，形成第一金属反射镜。

40、由上述技术方案可以看出，本发明通过在光栅结构远离光波导结构的一侧设置第一光反射结构(例如第一金属反射镜)，使在光栅结构中衍射后背向光波导结构传播的光逆转传播方向，并使之朝向光波导结构进行传播，从而提高了对横向传播的光的有效利用。并且，第一光反射结构的引入不仅对入射光衍射后的原生耦合光起到反射增强作用，还可对来自光栅结构下方的第二光反射结构(例如布拉格镜或第二金属反射镜)的反射光衍射后的次生耦合光起到反射增强作用，从而第一光反射结构的设置还放大了引入第二光反射结构时的收益。因此，本发明有效解决了现有光栅耦合器技术未能降低衍射后向反方向传播的光功率损耗的问题，最终能使得耦合入光波导结构的总光功率得到显著增大，并由此提高了光栅耦合器的整体耦合效率。

技术特征：

1.一种光栅耦合器，包括设于衬底上的光栅结构和光波导结构，其特征在于，还包括：设于所述衬底上的第一光反射结构，所述第一光反射结构位于所述光栅结构远离所述光波导结构的一侧，使在所述光栅结构中衍射后背向所述光波导结构传播的光的方向逆转，并使之朝向所述光波导结构传播。

2.根据权利要求1所述的光栅耦合器，其特征在于，所述第一光反射结构包括第一金属反射镜。

3.根据权利要求1所述的光栅耦合器，其特征在于，还包括：设于所述衬底与所述光栅结构之间的第二光反射结构，用于将向所述衬底泄露的光反射回所述光栅结构中。

4.根据权利要求3所述的光栅耦合器，其特征在于，所述第二光反射结构包括布拉格镜或第二金属反射镜。

5.根据权利要求1所述的光栅耦合器，其特征在于，还包括：设于所述衬底上的顶部盖层，所述顶部盖层将所述第一光反射结构、所述光栅结构和所述光波导结构包覆。

6.一种光栅耦合器制造方法，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的光栅耦合器制造方法，其特征在于，所述在所述光波导材料层上形成光栅结构和光波导结构，以及在所述光栅结构远离所述光波导结构一侧的所述光波导材料层表面上形成沟槽，具体包括：

8.一种光栅耦合器制造方法，其特征在于，包括：

9.一种光栅耦合器制造方法，其特征在于，包括：

10.一种光栅耦合器制造方法，其特征在于，包括：

技术总结
本发明公开了一种光栅耦合器及其制造方法，光栅耦合器包括设于衬底上的光栅结构和光波导结构，还包括：设于所述衬底上的第一光反射结构，所述第一光反射结构位于所述光栅结构远离所述光波导结构的一侧，用于通过反射，使在所述光栅结构中衍射后背向所述光波导结构传播的光的方向逆转，并使之朝向所述光波导结构传播。本发明能有效解决现有光栅耦合器技术未能降低衍射后向反方向传播的光功率损耗的问题，最终能使得耦合入光波导结构的总光功率得到显著增大，并由此提高光栅耦合器的整体耦合效率。

技术研发人员：翟伟杰
受保护的技术使用者：上海集成电路研发中心有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23