光波导定向耦合器及其形成方法、光网络及其控制方法

摘要

一种光波导定向耦合器及其形成方法、光网络及其控制方法，所述形成方法包括：提供第一氧化硅层；在所述第一氧化硅层的表面形成并列的第一波导以及第二波导；形成第二氧化硅层，所述第二氧化硅层覆盖所述第一波导以及第二波导；在所述第一波导以及第二波导之间形成沟槽，所述沟槽穿通所述第二氧化硅层。本发明可以降低对功耗的依赖，解决大规模光网络功耗问题。

权利要求

1.一种光波导定向耦合器的形成方法，其特征在于，包括：提供第一氧化硅层；

在所述第一氧化硅层的表面形成并列的第一波导以及第二波导；

形成第二氧化硅层，所述第二氧化硅层覆盖所述第一波导以及第二波导；在所述第一波导以及第二波导之间形成沟槽，所述沟槽穿通所述第二氧化硅层；

其中，所述形成方法还包括：在所述沟槽内填充填充材料；

所述沟槽的底部表面低于所述第一氧化硅层的顶部表面；

所述填充材料的顶部表面高于所述第一波导和所述第二波导的侧壁底部。

2.根据权利要求1所述的光波导定向耦合器的形成方法，其特征在于，所述第一波导包括第一光输入端以及第一光输出端，所述第二波导包括第二光输入端以及第二光输出端；

在所述沟槽内填充填充材料包括：

在所述沟槽内填充聚合物并进行固化处理，以使得从所述第一光输入端输入的光的至少一部分耦合至所述第二光输出端输出，以及，从所述第二光输入端输入的光的至少一部分耦合至所述第一光输出端输出。

3.根据权利要求2所述的光波导定向耦合器的形成方法，其特征在于，所述聚合物为透光率大于预设透光率阈值的光刻胶。

4.根据权利要求2所述的光波导定向耦合器的形成方法，其特征在于，所述固化处理的工艺选自：紫外光固化处理、激光固化处理、电子束固化处理以及热固化处理。

5.一种光波导定向耦合器，其特征在于，包括：第一氧化硅层；

并列的第一波导以及第二波导，位于所述第一氧化硅层的表面；

第二氧化硅层，所述第二氧化硅层覆盖所述第一波导以及第二波导；

沟槽，位于所述第一波导以及第二波导之间，所述沟槽穿通所述第二氧化硅层；

其中，所述光波导定向耦合器还包括：

填充材料，位于所述沟槽内；

所述沟槽的底部表面低于所述第一氧化硅层的顶部表面；

所述填充材料的顶部表面高于所述第一波导和所述第二波导的侧壁底部。

6.根据权利要求5所述的光波导定向耦合器，其特征在于，所述第一波导包括第一光输入端以及第一光输出端，所述第二波导包括第二光输入端以及第二光输出端；

所述填充材料包括：

经过固化处理的聚合物，使得从所述第一光输入端输入的光的至少一部分耦合至所述第二光输出端输出，以及，从所述第二光输入端输入的光的至少一部分耦合至所述第一光输出端输出。

7.一种光网络，其特征在于，包括：

多个如权利要求5所述的光波导定向耦合器，每个光波导定向耦合器具有各自的第一波导以及第二波导；

其中，相邻的光波导定向耦合器之间经由各自的第一波导或第二波导连接。

8.一种如权利要求7所述的光网络的控制方法，其特征在于，包括：确定需要从直通输出改为耦合输出的光波导定向耦合器，记为第一光波导定向耦合器；

在所述第一光波导定向耦合器的沟槽内填充聚合物并进行固化处理，以使得从每个光波导定向耦合器的第一光输入端输入的光的至少一部分耦合至该光波导定向耦合器的第二光输出端输出，以及，从每个光波导定向耦合器的第二光输入端输入的光的至少一部分耦合至该光波导定向耦合器的第一光输出端输出。

9.根据权利要求8所述的光网络的控制方法，其特征在于，还包括：确定需要从耦合输出改为直通输出的光波导定向耦合器，记为第二光波导定向耦合器；

去除所述第二光波导定向耦合器中的聚合物，以使得从每个光波导定向耦合器的第一光输入端输入的光直通至该光波导定向耦合器的第一光输出端输出，以及，从每个光波导定向耦合器的第二光输入端输入的光直通至该光波导定向耦合器的第二光输出端输出。

说明书

光波导定向耦合器及其形成方法、光网络及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种光波导定向耦合器及其形成方法、光网络及其控制方法。

背景技术

[0002] 集成光学已经在光通讯领域得到了广泛的应用，近些年来各种新兴技术的产生，例如5G、光现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)、量子通讯、光子人工智能(Artificial Intelligence，AI)、激光雷达等，促使集成光芯片朝着大规模、高集成度发展。光子芯片器件规模已接近千级，并正向着万级光器件集成发展。而随着芯片规模的不断攀升，其所需的热光移相器数量也成指数上升，目前单个高性能热移相器的功耗为数十毫瓦，再加上其所需的温控系统功耗，未来千级或万级光子集成片上系统整体功耗或将突破百瓦甚至千瓦量级，无法满足系统需求。同时，所需的温控系统的体积通常为光芯片的数百倍，极大的降低了光子集成片上系统的集成度。可以说目前光子集成片上系统的功耗及集成度已经成为制约光子集成技术向超大规模集成发展的瓶颈问题，亟需一种集成光网络，能够降低对功耗的依赖，解决大规模光子芯片的功耗问题。

发明内容

[0003] 本发明解决的技术问题是提供一种光波导定向耦合器及其形成方法、光网络及其控制方法，可以降低对功耗的依赖，解决大规模光网络功耗问题。

[0004] 为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种光波导定向耦合器的形成方法，包括：提供第一氧化硅层；在所述第一氧化硅层的表面形成并列的第一波导以及第二波导；形成第二氧化硅层，所述第二氧化硅层覆盖所述第一波导以及第二波导；在所述第一波导以及第二波导之间形成沟槽，所述沟槽穿通所述第二氧化硅层。

[0005] 可选的，所述沟槽的底部表面低于所述第一氧化层的顶部表面。

[0006] 可选的，所述第一波导包括第一光输入端以及第一光输出端，所述第二波导包括第二光输入端以及第二光输出端；所述形成方法还包括：在所述沟槽内填充聚合物并进行固化处理，以使得从所述第一光输入端输入的光的至少一部分耦合至所述第二光输出端输出，以及，从所述第二光输入端输入的光的至少一部分耦合至所述第一光输出端输出。

[0007] 可选的，所述聚合物为透光率大于预设透光率阈值的光刻胶。

[0008] 可选的，所述固化处理的工艺选自：紫外光固化处理、激光固化处理、电子束固化处理以及热固化处理。

[0009] 为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种光波导定向耦合器，包括：第一氧化硅层；并列的第一波导以及第二波导，位于所述第一氧化硅层的表面；第二氧化硅层，所述第二氧化硅层覆盖所述第一波导以及第二波导；沟槽，位于所述第一波导以及第二波导之间，所述沟槽穿通所述第二氧化硅层。

[0010] 可选的，所述第一波导包括第一光输入端以及第一光输出端，所述第二波导包括第二光输入端以及第二光输出端；所述光波导定向耦合器还包括：经过固化处理的聚合物，位于所述沟槽内，使得从所述第一光输入端输入的光的至少一部分耦合至所述第二光输出端输出，以及，从所述第二光输入端输入的光的至少一部分耦合至所述第一光输出端输出。

[0011] 为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种光网络，包括：多个上述光波导定向耦合器，每个光波导定向耦合器具有各自的第一波导以及第二波导；其中，相邻的光波导定向耦合器之间经由各自的第一波导或第二波导连接。

[0012] 为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种光网络的控制方法，包括：确定需要从直通输出改为耦合输出的光波导定向耦合器，记为第一光波导定向耦合器；在所述第一光波导定向耦合器的沟槽内填充聚合物并进行固化处理，以使得从每个光波导定向耦合器的第一光输入端输入的光的至少一部分耦合至该光波导定向耦合器的第二光输出端输出，以及，从每个光波导定向耦合器的第二光输入端输入的光的至少一部分耦合至该光波导定向耦合器的第一光输出端输出。

[0013] 可选的，所述的光网络的控制方法还包括：确定需要从耦合输出改为直通输出的光波导定向耦合器，记为第二光波导定向耦合器；去除所述第二光波导定向耦合器中的聚合物，以使得从每个光波导定向耦合器的第一光输入端输入的光直通至该光波导定向耦合器的第一光输出端输出，以及，从每个光波导定向耦合器的第二光输入端输入的光直通至该光波导定向耦合器的第二光输出端输出。

[0014] 与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

[0015] 在本发明实施例中，通过设置在所述第一波导以及第二波导之间形成穿通所述第二氧化硅层的沟槽，可以使得用户能够根据具体需求对沟槽进行材料填充或者去除操作，以实现光的耦合输出或直通输出，从而实现特定光网络的写入或擦除，并能不耗费功耗而永久保持，有助于降低对功耗的依赖，解决大规模光网络功耗问题。

[0016] 进一步，设置所述沟槽的底部表面低于所述第一氧化层的顶部表面，可以使得填充材料的底部表面低于第一波导和第二波导的侧壁底部，且填充材料的顶部表面高于第一波导和第二波导的侧壁底部，有利于增大对波导之间的耦合效果的影响。

[0017] 进一步，在所述沟槽内填充聚合物并进行固化处理，以使得从所述第一光输入端输入的光的至少一部分耦合至所述第二光输出端输出，以及，从所述第二光输入端输入的光的至少一部分耦合至所述第一光输出端输出，可以通过加入的聚合物材料，实现光波导定向耦合器的耦合输出。

[0018] 进一步地，设置所述聚合物为透光率大于预设透光率阈值的光刻胶，可以实现较好的耦合效率，有利于满足需求。

[0019] 进一步地，通过设置光网络包括多个光波导定向耦合器，每个光波导定向耦合器具有各自的第一波导以及第二波导，相邻的光波导定向耦合器之间经由各自的第一波导或第二波导连接，相比于现有技术中需要设置光学控制器件和/或电学控制器件，采用本发明实施例的方案，可以通过控制聚合物的注入与否实现直通、耦合状态的控制，从而实现特定光网络的写入或擦除，并能不耗费功耗而永久保持，有助于降低对功耗的依赖，解决大规模光网络功耗问题。

附图说明

[0020] 图1是本发明实施例中一种光波导定向耦合器的形成方法的流程图；

[0021] 图2是本发明实施例中一种光波导定向耦合器在直通状态下的俯视图；

[0022] 图3至图4是本发明实施例中一种光波导定向耦合器的形成方法中各步骤对应的器件剖面结构示意图；

[0023] 图5是本发明实施例中一种光波导定向耦合器在耦合状态下的俯视图；

[0024] 图6是本发明实施例中一种光网络的示意图。

具体实施方式

[0025] 如前所述，在目前的光网络中，对功耗的依赖较高，大规模光网络功耗问题较为严重。

[0026] 本发明的发明人经过研究发现，光子芯片器件规模已接近千级，并正向着万级光器件集成发展。而随着芯片规模的不断攀升，其所需的热光移相器数量也成指数上升，目前单个高性能热移相器的功耗为数十毫瓦，再加上其所需的温控系统功耗，未来千级或万级光子集成片上系统整体功耗或将突破百瓦甚至千瓦量级，无法满足系统需求。同时，所需的温控系统的体积通常为光芯片的数百倍，极大的降低了光子集成片上系统的集成度。可以说目前光子集成片上系统的功耗及集成度已经成为制约光子集成技术向超大规模集成发展的瓶颈问题，亟需一种集成光网络，能够降低对功耗的依赖，解决大规模光子芯片的功耗问题。亟需研发出一种不依赖功耗即可实现导通或断开的光波导定向耦合器，进而解决大规模光网络功耗问题。

[0027] 在本发明实施例中，通过设置在所述第一波导以及第二波导之间形成穿通所述第二氧化硅层的沟槽，可以使得用户能够根据具体需求对沟槽进行材料填充或者去除操作，以实现光的耦合输出或直通输出，从而实现特定光网络的写入或擦除，并能不耗费功耗而永久保持，有助于降低对功耗的依赖，解决大规模光网络功耗问题。

[0028] 为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

[0029] 参照图1，图1是本发明实施例中一种光波导定向耦合器的形成方法的流程图。

[0030] 其中，所述光波导定向耦合器可以用于在集成光芯片中实现光场的等比或不等比分路。

[0031] 所述光波导定向耦合器的形成方法可以包括步骤S11至步骤S14：

[0032] 步骤S11：提供第一氧化硅层；

[0033] 步骤S12：在所述第一氧化硅层的表面形成并列的第一波导以及第二波导；

[0034] 步骤S13：形成第二氧化硅层，所述第二氧化硅层覆盖所述第一波导以及第二波导；

[0035] 步骤S14：在所述第一波导以及第二波导之间形成沟槽，所述沟槽穿通所述第二氧化硅层。

[0036] 下面结合图2至图5对上述各个步骤进行说明。

[0037] 结合参照图2和图3，图2是本发明实施例中一种光波导定向耦合器在直通状态下的俯视图，图3至图4是本发明实施例中一种光波导定向耦合器的形成方法中各步骤对应的器件剖面结构示意图。

[0038] 具体地，提供第一氧化硅层100，在所述第一氧化硅层100的表面形成并列的第一波导110以及第二波导111，形成第二氧化硅层120，所述第二氧化硅层120覆盖所述第一波导110以及第二波导111，在所述第一波导110以及第二波导111之间形成沟槽101，所述沟槽101穿通所述第二氧化硅层120。

[0039] 其中，所述第一氧化硅层100可以用于作为光波导定向耦合器的包层，所述第一氧化硅层100的材料可以为SiO2，还可以为其他适当的材料。

[0040] 进一步地，所述第一氧化硅层100可以直接作为最下层的包层，还可以设置为位于半导体衬底的表面的包层，本申请实施例对此不做限制。

[0041] 其中，第一波导110以及第二波导111并列位于所述第一氧化硅层100的表面，且第一波导110以及第二波导111之间具有间隔。

[0042] 其中，所述第二氧化硅层120可以用于作为光波导定向耦合器的包层，所述第二氧化硅层120的材料可以为SiO2，还可以为其他适当的材料。

[0043] 进一步地，所述沟槽101用于填充聚合物，以在第一波导110以及第二波导111之间实现光耦合。

[0044] 进一步地，所述沟槽101的底部表面可以低于所述第一氧化层100的顶部表面。

[0045] 在本发明实施例中，通过设置所述沟槽101的底部表面低于所述第一氧化层100的顶部表面，可以使得填充材料的底部表面低于第一波导和第二波导的侧壁底部，且填充材料的顶部表面高于第一波导和第二波导的侧壁底部，有利于增大对波导之间的耦合效果的影响。

[0046] 具体而言，填充材料对波导的影响是从侧壁方向产生的，相比于填充材料仅仅位于波导的斜上方，设置填充材料的顶部高于波导的顶部，底部低于波导的底部，更有助于提高填充材料的影响力。

[0047] 在本发明实施例中，通过设置在所述第一波导110以及第二波导111之间形成穿通所述第二氧化硅层120的沟槽101，可以使得用户能够根据具体需求对沟槽101进行材料填充或者去除操作，以实现光的耦合输出或直通输出，从而实现特定光网络的写入或擦除，并能不耗费功耗而永久保持，有助于降低对功耗的依赖，解决大规模光网络功耗问题。

[0048] 结合参照图4和图5，其中，图3至图4是本发明实施例中一种光波导定向耦合器的形成方法中各步骤对应的器件剖面结构示意图，图5是本发明实施例中一种光波导定向耦合器在耦合状态下的俯视图。

[0049] 具体地，所述第一波导110包括第一光输入端1101以及第一光输出端1102，所述第二波导111包括第二光输入端1111以及第二光输出端1112；在所述沟槽101(参照图3)内填充聚合物130并进行固化处理，以使得从所述第一光输入端1101输入的光的至少一部分耦合至所述第二光输出端输出1112，以及，从所述第二光输入端1102输入的光的至少一部分耦合至所述第一光输出端1111输出。

[0050] 在本发明实施例中，在所述沟槽101内填充聚合物130并进行固化处理，以使得从所述第一光输入端1101输入的光的至少一部分耦合至所述第二光输出端输出1112，以及，从所述第二光输入端1102输入的光的至少一部分耦合至所述第一光输出端1111输出，可以通过加入的聚合物材料，实现光波导定向耦合器的耦合输出。

[0051] 进一步地，所述聚合物130可以为透光率大于预设透光率阈值的光刻胶。

[0052] 更进一步地，所述光刻胶可以选用聚合SU8光刻胶。

[0053] 在本发明实施例中，通过设置所述聚合物为透光率大于预设透光率阈值的光刻胶，例如采用聚合SU8光刻胶或者其他同类型的适当的光刻胶，可以实现较好的耦合效率，有利于满足需求。

[0054] 需要指出的是，所述预设透光率阈值不应当过大，否则选取的聚合物的透光性过高，不利于耦合性能；所述预设透光率阈值不应当过大，否则选取的聚合物的透光性过低，不利于光信号的传输。

[0055] 在本发明实施例的一种具体实施方式中，可以采用聚合SU8光刻胶或者其他同类型的适当的光刻胶的透光率为所述预设透光率阈值的中心，进而在此基础上确定适当的范围，以得到所述预设透光率阈值的选值范围。

[0056] 进一步地，所述固化处理的工艺选自：紫外光固化处理、激光固化处理、电子束固化处理以及热固化处理。

[0057] 具体地，紫外线固化可以是通过采用紫外线光(UV)，利用光引发剂(光敏剂)的感光性、在紫外线光照射下光引发形成激发生态分子，分解成自由基或是离子，使不饱和有机物进行聚合、接技、交联等化学反应达到固化的目的。在一种具体应用中，在成形作业时，可以采用聚焦后的紫外线光在液面上按计算机指令由点到线，由线到面的逐点扫描，扫描到的地方液态或熔融态材料被固化，未被扫描的地方仍然是液态或熔融态材料。

[0058] 激光固化处理又可以称为光固化成形或光敏液相固化法。在一种具体应用中，在成形作业时，可以采用聚焦后的激光束在液面上按计算机指令由点到线，由线到面的逐点扫描，扫描到的地方液态或熔融态材料被固化，未被扫描的地方仍然是液态或熔融态材料。

[0059] 电子束固化也是依托电子化途径实现电子束固定在每件物件之上的一种物理方式。

[0060] 在热固化中，可以是通过添加固化(交联)剂来完成的。如经过缩合、闭环、加成或催化等化学反应，使热固性材料发生固化过程。

[0061] 在本发明实施例中，通过选择适当的固化方式，可以对聚合物进行固化处理。

[0062] 在本发明实施例的一种具体应用中，在沟槽101内填满聚合物材料130，然后进行紫外固化后，耦合效率接近100％，也即从所述第一光输入端1101输入的几乎全部的光均耦合至所述第二光输出端1112输出，或者，从所述第二光输入端1111输入的几乎全部的光均耦合至所述第一光输出端1102输出。

[0063] 在本发明实施例中，还公开了一种光波导定向耦合器，参照图5，可以包括：第一氧化硅层100；并列的第一波导110以及第二波导111，位于所述第一氧化硅层100的表面；第二氧化硅层，所述第二氧化硅层120覆盖所述第一波导110以及第二波导111；沟槽101(参照图3)，位于所述第一波导110以及第二波导111之间，所述沟槽101穿通所述第二氧化硅层120。

[0064] 进一步地，所述第一波导110包括第一光输入端1101以及第一光输出端1102，所述第二波导111包括第二光输入端1111以及第二光输出端1112；所述光波导定向耦合器还包括：经过固化处理的聚合物130，位于所述沟槽101内，使得从所述第一光输入端1101输入的光的至少一部分耦合至所述第二光输出端输出1112，以及，从所述第二光输入端1102输入的光的至少一部分耦合至所述第一光输出端1111输出。

[0065] 关于该光波导定向耦合器的原理、具体实现和有益效果请参照前文描述的关于光波导定向耦合器的形成方法的相关描述，此处不再赘述。

[0066] 参照图6，图6是本发明实施例中一种光网络的示意图。

[0067] 具体地，所述光网络可以包括：多个光波导定向耦合器，每个光波导定向耦合器具有各自的第一波导以及第二波导；其中，相邻的光波导定向耦合器之间经由各自的第一波导或第二波导连接。

[0068] 其中，如虚线椭圆形示出的可以视为单个光波导定向耦合器。

[0069] 如图6所示，多个光波导定向耦合器之间可以通过第一波导或第二波导形成网状结构，如形成四边形网状结构。

[0070] 具体地，可以设置光波导定向耦合器1的第一波导与光波导定向耦合器2的第一波导(或第二波导)连接，光波导定向耦合器1的第二波导与光波导定向耦合器3的第一波导(或第二波导)连接。

[0071] 在本发明实施例中，通过设置光网络包括多个光波导定向耦合器，每个光波导定向耦合器具有各自的第一波导以及第二波导，相邻的光波导定向耦合器之间经由各自的第一波导或第二波导连接，相比于现有技术中需要设置光学控制器件和/或电学控制器件，采用本发明实施例的方案，可以通过控制聚合物的注入与否实现直通、耦合状态的控制，从而实现特定光网络的写入或擦除，并能不耗费功耗而永久保持，有助于降低对功耗的依赖，解决大规模光网络功耗问题。

[0072] 在本发明实施例中，还公开了一种光网络的控制方法，包括：确定需要从直通输出改为耦合输出的光波导定向耦合器，记为第一光波导定向耦合器；在所述第一光波导定向耦合器的沟槽内填充聚合物并进行固化处理，以使得从每个光波导定向耦合器的第一光输入端输入的光的至少一部分耦合至该光波导定向耦合器的第二光输出端输出，以及，从每个光波导定向耦合器的第二光输入端输入的光的至少一部分耦合至该光波导定向耦合器的第一光输出端输出。

[0073] 在本发明实施例中，可以通过控制聚合物的注入实现耦合状态的控制，从而实现特定光网络的写入，并能不耗费功耗而永久保持，有助于降低对功耗的依赖，解决大规模光网络功耗问题。

[0074] 进一步地，所述光网络的控制方法还包括：确定需要从耦合输出改为直通输出的光波导定向耦合器，记为第二光波导定向耦合器；去除所述第二光波导定向耦合器中的聚合物，以使得从每个光波导定向耦合器的第一光输入端输入的光直通至该光波导定向耦合器的第一光输出端输出，以及，从每个光波导定向耦合器的第二光输入端输入的光直通至该光波导定向耦合器的第二光输出端输出。

[0075] 在本发明实施例中，可以通过控制聚合物的去除实现直通状态的控制，从而实现特定光网络的擦除，并能不耗费功耗而永久保持，有助于降低对功耗的依赖，解决大规模光网络功耗问题。

[0076] 进一步地，所述光波导定向耦合器可以是单次写入光波导定向耦合器，以避免多次填充、去除聚合物导致对光波导定向耦合器的质量产生影响。

[0077] 可以理解的是，采用本发明实施例中的光波导定向耦合器和光网络，可以外接或内接其他器件，从而实现功能多元化。

[0078] 具体地，可以输入输出端连接激光器、光电二极管(PD)、光栅、调制器、微环等，控制光路走向，实现复杂功能。

[0079] 需要指出的是，上述光网络的控制方法可以是通过计算机程序实现的。

[0080] 本发明实施例还提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行上述控制方法的步骤。所述存储介质可以是计算机可读存储介质，例如可以包括非挥发性存储器(non‑volatile)或者非瞬态(non‑transitory)存储器，还可以包括光盘、机械硬盘、固态硬盘等。

[0081] 本发明实施例还提供了一种终端，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有能够在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序时执行上述控制方法的步骤。所述终端包括但不限于手机、计算机、平板电脑等终端设备。

[0082] 虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。