一种片外光发射器件

1.本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种片外光发射器件。


背景技术：

2.在过去的几十年中，绝缘体上硅(soi)平台上的硅光子技术因其紧凑的占地面积，高集成度，低功耗以及与互补金属氧化物半导体(cmos)工艺的兼容性而得到了长足的发展。而si材料的光传输方面的器件设计也是最重要的一环，而3d光互联技术中最重要连接方式就是层间互联技术。
3.现有技术中包括一种单/双层间光栅耦合器，该光栅耦合器是si/sio2/sin多层材料平台的金属反射器，用于将来自si波导(下层)的光耦合到耦合到sin层(顶层)上的接入波导的环形谐振器。在电信波长下具有高达89％的双镜结构和64％的单镜结构的高峰值耦合效率。这为混合材料平台中光学功能的低损耗3d密集集成开辟了可能性。
4.现有技术还提出了在双层、单晶硅纳米膜上制造的片上层内和层间光栅耦合器，通过光栅耦合器展示了与分离的硅光子层的同时层内耦合，在1550nm波长下，每个光栅耦合器在底层和顶层的峰值效率分别为18％和44％。层间光栅耦合器在1560nm波长下的效率为25％，3db带宽为41nm。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是提供一种片外光发射器件，能够提高器件的发射效率。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种片外光发射器件，包括：
7.衬底；
8.下包层，位于所述衬底的上表面，且内部埋设有金属镜；
9.波导层，位于所述下包层的上表面，包括波导和m级同心半圆光栅；
10.上包层，位于所述波导层的上表面；
11.所述波导用于引导光进入所述m级同心半圆光栅；所述金属镜用于将泄露到所述衬底的光反射至所述m级同心半圆光栅；所述m级同心半圆光栅用于将接收到的光向垂直方向发射；所述m级同心半圆光栅的前n级的狭缝的刻蚀深度小于后k级的狭缝的刻蚀深度，其中，m＝n+k，且n≤m/2。
12.所述波导层还包括窄波导结构，所述窄波导结构位于所述波导和m级同心半圆光栅之间，且与所述波导垂直。
13.所述窄波导结构的宽度小于所述波导的宽度。
14.所述m级同心半圆光栅的第一级圆的半径为所述波导的宽度的一半。
15.所述金属镜厚度为所述金属镜到波导层之间距离的1/10。
16.所述m级同心半圆光栅的每一级的狭缝的宽度相同，每一级的狭缝的间距相同。
17.有益效果
18.由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明采用多级同心半圆光栅，并将该光栅的前若干级设计为浅刻蚀槽，通过这种设计能够方便将光垂直发射出去，并且在多级同心半圆光栅和单模波导之间设置了窄波导结构，通过该窄波导结构减少端面反射，从而减少损耗。为进一步降低端面的突变带来的损耗，将半圆光栅的第一级圆的半径设计为单模波导的宽度的一半。本发明的片外光发射器件在波长1.16μm到1.61μm范围内，垂直发射效率可以达到0.64以上，带宽覆盖了多个波段，使得器件在未来宽带宽领域有更好的应用。
附图说明
19.图1是本发明实施方式的结构示意图；
20.图2是本发明实施例波导层的俯视图；
21.图3是本发明实施例的侧视图；
22.图4是本发明实施例在输入te0模式时在1.55μm处器件的模场分布图；
23.图5是本发明实施例的发射远场图；
24.图6是本发明实施例的天线方向图；
25.图7是本发明实施例的发射效率随波长变化的曲线图；
26.图8是未设计浅刻蚀光栅的器件与本发明实施例的发射效率随波长变化的曲线比较图。
具体实施方式
27.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
28.本发明的实施方式涉及一种片外光发射器件，如图1所示，包括：衬底1；下包层2，位于所述衬底1的上表面，且内部埋设有金属镜5；波导层3，位于所述下包层2的上表面，包括波导6和m级同心半圆光栅7；上包层4，位于所述波导层3的上表面；所述波导6用于引导光进入所述m级同心半圆光栅7；所述金属镜5用于将泄露到所述衬底1的光反射至所述m级同心半圆光栅7；所述m级同心半圆光栅7用于将接收到的光向垂直方向发射；所述m级同心半圆光栅7的前n级的狭缝的刻蚀深度小于后k级的狭缝的刻蚀深度，其中，m＝n+k，且n≤m/2。
29.由此可见，该片外光发射器件的波导层主要由一个m级同心半圆光栅和一根波导组成，器件的上包层和下包层均为sio2，下包层中埋了一个金属镜。该片外光发射器件主要功能是将片内光发射到空间区域，光从波导进入m级同心半圆光栅区域，然后经过m级浅刻蚀光栅，随后向垂直方向发射，部分泄露到衬底的光经过金属镜反射而进入光栅上方发射出去。下面给出一个具体的实施例进一步说明本发明。
30.本实施例的片外光发射器件的波导层还包括窄波导结构8，所述窄波导结构8位于所述波导6和m级同心半圆光栅7之间，且与所述波导6垂直，通过设置该窄波导结构8可以减少端面反射，从而减少损耗。
31.本实施例的片外光发射器件的结构参数如表1所示，其中，h和hu分别为与cmos兼
容的波导厚度和器件的上包层厚度，故h＝0.22μm，hu＝3μm。图2中的标记a为浅刻蚀槽，这种浅刻蚀的设计是为了方便器件将光垂直发射出去。本实施例中的窄波导结构的宽度w
bar
小于波导的宽度wg，如此可以减少端面反射，从而减少损耗。为了减少端面的突变带来的损耗，本实施例中同心半圆光栅的第一级圆的半径r0设计为波导的宽度wg的一半。本实施例中的金属镜为au反射镜，设计时需要令两束光的光程差能够使两束光相干增强，故本实施例中，控制光程差的反射镜深度hd为1.0μm，au反射镜的厚度tm为0.1μm。本实施例中同心半圆光栅的每一级的狭缝的宽度a相同，每一级的狭缝的间距b相同。
32.表1片外光发射器件的结构参数表(单位：μm)
33.wgw
bar
r0ab0.50.20.250.530.26huhhdhtm1.20.0910.220.1
34.仿真了本实施例的波长依赖性，为了方便表示，取波长1.55μm处，te0输入时，器件的模场分布如图4所示，其中(a)为俯视视角，其清晰的显示了半圆型光栅结构的模场分布，模场基本都被固定在半圆型的光栅部分，随后被发射；(b)为侧视视角，模场的分布更直观的反应了光被局域在半圆形光栅部分，随后垂直发射到上包层，部分泄露到下衬底的光，经过反射镜被反射到上包层上，通过半圆形光栅的部分的光非常少。图5和图6分别为本实施例器件的发射远场图和天线方向图，通过这两张图能够清晰地看到，在高度为1μm的监视器中，光场分布非常集中，空间发射立体角大约在30
°
范围内。
35.图7是本实施例的发射效率随波长变化的曲线图，可以看到，在波长1.16μm到1.61μm范围内，器件的垂直发射效率达到0.64及以上，450nm的带宽覆盖了o波段，e波段，s波段，c波段，这使得该器件在未来宽带宽领域有更好的应用。同时，对器件进行了全刻蚀仿真设计，图8中的c为本实施例的曲线，d为全刻蚀器件的曲线，通过图8可以明显看出，本实施例的器件在波长1.16μm到1.61μm范围内的发射效率要明显优于全刻蚀的器件。
36.不难发现，本发明采用多级同心半圆光栅，并将该光栅的前若干级设计为浅刻蚀槽，通过这种设计能够方便将光垂直发射出去，并且在多级同心半圆光栅和单模波导之间设置了窄波导结构，通过该窄波导结构减少端面反射，从而减少损耗。为进一步降低端面的突变带来的损耗，将半圆光栅的第一级圆的半径设计为单模波导的宽度的一半。本发明的片外光发射器件在波长1.16μm到1.61μm范围内，垂直发射效率可以达到0.64以上，带宽覆盖了多个波段，使得器件在未来宽带宽领域有更好的应用。

技术特征：
1.一种片外光发射器件，其特征在于，包括：衬底；下包层，位于所述衬底的上表面，且内部埋设有金属镜；波导层，位于所述下包层的上表面，包括波导和m级同心半圆光栅；上包层，位于所述波导层的上表面；所述波导用于引导光进入所述m级同心半圆光栅；所述金属镜用于将泄露到所述衬底的光反射至所述m级同心半圆光栅；所述m级同心半圆光栅用于将接收到的光向垂直方向发射；所述m级同心半圆光栅的前n级的狭缝的刻蚀深度小于后k级的狭缝的刻蚀深度，其中，m＝n+k，且n≤m/2。2.根据权利要求1所述的片外光发射器件，其特征在于，所述波导层还包括窄波导结构，所述窄波导结构位于所述波导和m级同心半圆光栅之间，且与所述波导垂直。3.根据权利要求2所述的片外光发射器件，其特征在于，所述窄波导结构的宽度小于所述波导的宽度。4.根据权利要求1所述的片外光发射器件，其特征在于，所述m级同心半圆光栅的第一级圆的半径为所述波导的宽度的一半。5.根据权利要求1所述的片外光发射器件，其特征在于，所述金属镜厚度为所述金属镜到波导层之间距离的1/10。6.根据权利要求1所述的片外光发射器件，其特征在于，所述m级同心半圆光栅的每一级的狭缝的宽度相同，每一级的狭缝的间距相同。

技术总结
本发明涉及一种片外光发射器件，包括：衬底；下包层，位于所述衬底的上表面，且内部埋设有金属镜；波导层，位于所述下包层的上表面，包括波导和M级同心半圆光栅；上包层，位于所述波导层的上表面；所述波导用于引导光进入所述M级同心半圆光栅；所述金属镜用于将泄露到所述衬底的光反射至所述M级同心半圆光栅；所述M级同心半圆光栅用于将接收到的光向垂直方向发射；所述M级同心半圆光栅的前N级的狭缝的刻蚀深度小于后K级的狭缝的刻蚀深度，其中，M＝N+K，且N≤M/2。本发明能够提高器件的发射效率。本发明能够提高器件的发射效率。本发明能够提高器件的发射效率。


技术研发人员：佘小娟 赵瑛璇 廖涵 甘甫烷
受保护的技术使用者：中国科学院上海微系统与信息技术研究所
技术研发日：2023.03.20
技术公布日：2023/8/21