阅读说明：本技术 波导结构、光器件及波导结构的制作方法 (Waveguide structure, optical device and manufacturing method of waveguide structure ) 是由 胡晓 肖希 王磊 张宇光 陈代高 李淼峰 于 2019-08-09 设计创作，主要内容包括：本发明实施例公开了一种波导结构、光器件及波导结构的制作方法,所述波导结构包括：第一电介质层；芯层,堆叠在第一电介质层上,芯层的折射率大于第一电介质层的折射率；第二电介质层,堆叠在芯层上；其中,第二电介质层包括凹槽,凹槽的开口背离芯层,第二电介质层的折射率小于芯层的折射率；吸收层,覆盖在第二电介质层外表面,与凹槽的侧壁以及凹槽的底部接触；其中,吸收层具有非线性饱和吸收性。(The embodiment of the invention discloses a waveguide structure, an optical device and a manufacturing method of the waveguide structure, wherein the waveguide structure comprises the following components: a first dielectric layer; a core layer stacked on the first dielectric layer, the core layer having a refractive index greater than that of the first dielectric layer; a second dielectric layer stacked on the core layer; the second dielectric layer comprises a groove, an opening of the groove faces away from the core layer, and the refractive index of the second dielectric layer is smaller than that of the core layer; the absorption layer covers the outer surface of the second dielectric layer and is in contact with the side wall of the groove and the bottom of the groove; wherein the absorption layer has a nonlinear saturable absorption.)

波导结构、光器件及波导结构的制作方法

技术领域

本发明实施例涉及光通信技术领域，特别涉及一种波导结构、光器件及波导结构的制作方法。

背景技术

飞秒激光器是光通信技术领域的核心器件之一，它能够产生具有广泛用途的飞秒级脉冲光源。基于非线性饱和吸收体制备的芯片级飞秒激光器，能够形成超短脉冲，且具备稳定性高和尺寸小等优势。相关技术中，在改变飞秒激光器的调制深度的同时，会引入本征损耗，降低飞秒激光器的性能。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种波导结构、光器件及波导结构的制作方法。

本发明实施例第一方面提供一种波导结构，包括：

第一电介质层；

芯层，堆叠在所述第一电介质层上，所述芯层的折射率大于所述第一电介质层的折射率；

第二电介质层，堆叠在所述芯层上；其中，所述第二电介质层包括凹槽，所述凹槽的开口背离所述芯层，所述第二电介质层的折射率小于所述芯层的折射率；

吸收层，覆盖在所述第二电介质层外表面，与所述凹槽的侧壁以及所述凹槽的底部接触；其中，所述吸收层具有非线性饱和吸收性。

可选地，当所述第二电介质层中包括多个所述凹槽时，至少两个所述凹槽的开口尺寸相同；

和/或，

当所述第二电介质层中包括多个所述凹槽时，至少两个所述凹槽的底部与所述芯层之间的距离相同。

可选地，所述吸收层包括：

单层结构；

或，

多层结构，包括层叠设置的多个子吸收层；其中，所述多层结构中包括至少两个非线性饱和吸收性相同的所述子吸收层。

可选地，组成所述吸收层的材料包括：二维材料。

可选地，所述二维材料包括以下至少之一：

石墨烯；

二硫化钼；

黑磷；

硒化锑；

碲化铋。

可选地，所述吸收层的厚度为0.35nm至30nm。

本发明实施例第二方面提供一种光器件，包括：

上述发明实施例第一方面任一项提供的波导结构；

第一过渡结构，所述第一过渡结构的第一端与输入光纤耦合，所述第一过渡结构的第二端与所述波导结构的第一端耦合；

第二过渡结构，所述第二过渡结构的第一端与所述波导结构的第二端耦合，所述第二过渡结构的第二端与输出光纤耦合。

本发明实施例第三方面提供一种波导结构的制作方法，包括：

形成第一电介质层；

形成堆叠在所述第一电介质层上的芯层；其中，所述芯层的折射率大于所述第一电介质层的折射率；

形成堆叠在所述芯层上的第二电介质层，在所述第二电介质层中形成凹槽；其中，所述凹槽的开口背离所述芯层，所述第二电介质层的折射率小于所述芯层的折射率；

形成覆盖在所述第二电介质层外表面的吸收层；其中，所述吸收层与所述凹槽的侧壁以及所述凹槽的底部接触，所述吸收层具有非线性饱和吸收性。

可选地，当在所述第二电介质层中形成多个所述凹槽时，至少形成两个开口尺寸相同的所述凹槽；

和/或，

当在所述第二电介质层中形成多个所述凹槽时，至少形成两个底部与所述芯层之间的距离相同的所述凹槽。

可选地，所述形成覆盖在所述第二电介质层外表面的吸收层，包括：

在所述第二电介质层表面覆盖单层结构的所述吸收层；

或，

在所述第二电介质层表面覆盖多层结构的所述吸收层；其中，所述多层结构的所述吸收层包括多个子吸收层，所述多层结构中包括至少两个非线性饱和吸收性相同的所述子吸收层。

本发明实施例提供的波导结构、光器件及波导结构的制作方法，通过在芯层上设置具有凹槽的第二电介质层，并在第二电介质层外表面、凹槽的侧壁和凹槽的底部覆盖吸收层，由于覆盖在凹槽底部的吸收层与芯层之间的距离，小于覆盖在第二介质层上表面的吸收层与芯层之间的距离，因此覆盖在凹槽底部的吸收层与芯层之间的耦合作用强度，大于覆盖在第二电介质层上表面的吸收层与芯层之间的耦合作用强度，使得覆盖在凹槽底部的吸收层的饱和吸收强度和调制深度，大于覆盖在第二电介质层上表面的吸收层的饱和吸收强度和调制深度。即通过在第二电介质层中设置凹槽，并基于凹槽的形貌以及第二电介质层的上表面设置吸收层，使得吸收层的不同区域与芯层之间的耦合作用强度不同，实现了对于调制深度的改变。

相较于通过图像化处理吸收层材料在特定区域形成吸收层，进而改变调制深度，本发明实施例通过改变凹槽的结构尺寸，基于凹槽形貌形成与芯层之间距离不同的吸收层区域，实现了对于调制深度的改变，不会增加工艺的复杂度，且无需对吸收层材料进行图像化处理，减少了对于吸收层的损伤，降低了引入的本征损耗，提高了波导结构和光器件的性能。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种波导结构的结构示意图一；

图2为本发明实施例提供的一种波导结构的结构示意图二；

图3为本发明实施例提供的一种光器件的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种波导结构制作方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明的技术方案进一步详细阐述。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方法，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻的理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体的描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

在本发明实施例中，术语“A与B相连”包含A、B两者相互接触地A与B相连的情形，或者A、B两者之间还间插有其他部件而A非接触地与B相连的情形。

在本发明实施例中，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

需要说明的是，本发明实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。

参照图1所示，本发明实施例提供一种波导结构100，包括：

第一电介质层110；

芯层120，堆叠在第一电介质层110上，芯层120的折射率大于第一电介质层110的折射率；

第二电介质层130，堆叠在芯层120上；其中，第二电介质层130包括凹槽，凹槽的开口背离芯层120，第二电介质层130的折射率小于芯层120的折射率；

吸收层140，覆盖在第二电介质层130外表面，与凹槽的侧壁以及凹槽的底部接触；其中，吸收层140具有非线性饱和吸收性。

在波导结构中，芯层的折射率大于第一电介质层的折射率，且芯层的折射率大于第二电介质层的折射率，才能使得光在芯层与第一电介质层的界面、芯层与第二电介质层的界面处均发生全反射，实现光沿着设计的路线传输。

在本发明实施例中，如图1所示，第一电介质层可与第二电介质层接触，且第一电介质层与第二电介质层包围在芯层周围，用于限制芯层中光的传播方向，芯层用于构成光传播的路径。示例性地，波导结构100为支持单模传输或多模传输的光波导。

示例性地，组成第一电介质层和第二电介质层的材料可以相同，例如，组成第一电介质层和第二电介质层可均为二氧化硅。需要说明的是，图1中的虚线仅用于区分第一电介质层和第二电介质层。

示例性地，组成该芯层的材料可包括：硅、氮化硅、氮化铝、铌酸锂等。

在本发明实施例中，波导结构传输模式的消逝场与吸收层耦合，且位于凹槽底部吸收层的第一区域与消逝场之间的第一耦合作用强度，大于位于第二电介质层上表面吸收层的第二区域与消逝场之间的第二耦合作用强度，实现了对于调制深度的控制。

本发明实施例提供的上述波导结构、光器件及波导结构的制作方法，通过在芯层上设置具有凹槽的第二电介质层，并在第二电介质层外表面、凹槽的侧壁和凹槽的底部覆盖吸收层，由于覆盖在凹槽底部的吸收层与芯层之间的距离，小于覆盖在第二介质层上表面的吸收层与芯层之间的距离，因此覆盖在凹槽底部的吸收层与芯层之间的耦合作用强度，大于覆盖在第二电介质层上表面的吸收层与芯层之间的耦合作用强度，使得覆盖在凹槽底部的吸收层的饱和吸收强度和调制深度，大于覆盖在第二电介质层上表面的吸收层的饱和吸收强度和调制深度。即通过在第二电介质层中设置凹槽，并基于凹槽的形貌以及第二电介质层的上表面设置吸收层，使得吸收层的不同区域与芯层之间的耦合作用强度不同，实现了对于调制深度的改变。

相较于通过图像化处理吸收层材料在特定区域形成吸收层，进而改变调制深度，本发明实施例通过改变凹槽的结构尺寸，基于凹槽形貌形成与芯层之间距离不同的吸收层区域，实现了对于调制深度的改变，不会增加工艺的复杂度，且无需对吸收层材料进行图像化处理，减少了对于吸收层的损伤，降低了引入的本征损耗，提高了波导结构和光器件的性能。

根据一种实施例，当第二电介质层中包括多个凹槽时，至少两个凹槽的开口尺寸相同。

如图2所示，第二电介质层130中包括三个凹槽，三个凹槽的开口尺寸相同。需要说明的是，图2中的虚线仅用于区分第一电介质层和第二电介质层。

在本发明实施例中，当凹槽与芯层之间的距离不变，且凹槽的开口尺寸增大时，覆盖在凹槽底部的吸收层面积增大，覆盖在凹槽底部的吸收层与芯层之间的耦合作用强度增大，调制深度增大。即在凹槽与芯层之间的距离不变时，调制深度与凹槽的开口尺寸呈正相关。

在本发明实施例中，凹槽的开口尺寸可包括：300nm至40μm。可以理解的是，可根据实际应用的需求设置凹槽的开口尺寸。

本发明实施例中，通过将凹槽开口尺寸设置为相同尺寸，有利于降低工艺难度，提高制作效率，降低成本。

根据一种实施例，当第二电介质层中包括多个凹槽时，至少两个凹槽的底部与芯层之间的距离相同。

如图2所示，第二电介质层130中包括三个凹槽，三个凹槽的深度相同，且三个凹槽的底部与芯层120之间的距离相同。

在本发明实施例中，当凹槽开口尺寸不变，且凹槽底部与芯层之间的距离减小时，覆盖在凹槽底部的吸收层与芯层之间的耦合作用强度增大，调制深度增大。即在凹槽开口尺寸不变时，调制深度和凹槽底部与芯层之间的距离呈负相关，调制深度与凹槽的深度呈正相关。

在本发明实施例中，凹槽的底部与芯层之间的距离可包括：0至20μm。可以理解的是，可根据实际应用的需求设置凹槽的深度、凹槽底部与芯层之间的距离。

本发明实施例中，通过将第二电介质层中的凹槽底部设置为与芯层之间距离相同，有利于降低工艺难度，提高制作效率，降低成本。

根据一种实施例，吸收层包括：

单层结构；

或，

多层结构，该多层结构包括层叠设置的多个子吸收层；其中，多层结构中包括至少两个非线性饱和吸收性相同的子吸收层。

示例性地，当多层结构包括多个子吸收层时，多个子吸收层依次层叠设置，形成三明治状的多层结构。利用量子尺寸效应实现对于子吸收层的带隙调控，进而改变吸收层的调制深度。

本发明实施例通过设置单层结构的吸收层，有利于降低工艺难度，提高制作效率，降低成本。

本发明实施例通过设置包括多层结构的吸收层，可以扩大吸收层的保护吸收强度变化范围，进而扩大调制深度的可调范围，增大该波导结构的应用领域。

根据一种实施例，组成吸收层的材料包括：二维材料。

根据一种实施例，二维材料包括以下至少之一：

石墨烯；

二硫化钼；

黑磷；

硒化锑；

碲化铋。

根据一种实施例，吸收层的厚度为0.35nm至30nm。

在本发明实施例中，当吸收层为多层结构时，各个子吸收层的厚度可以相同。例如，当吸收层厚度为10nm，且吸收层有4个子吸收层时，每个吸收层的厚度均设置为2.5nm。

在本发明实施例中，当吸收层为多层结构时，吸收层中的每个子吸收层的厚度可以根据子吸收层的非线性饱和吸收性设置。例如，当第一个子吸收层与第二个子吸收层的非线性饱和吸收性相同时，第一个子吸收层可与第二个子吸收层的厚度相同。

通过设置厚度相同的子吸收层，不会提高工艺难度，有利于统一工艺参数，简化工艺流程，提高制备效率。

如图3所示，本发明实施例提供一种光器件200，包括：

波导结构100；

第一过渡结构210，第一过渡结构210的第一端与输入光纤220耦合，第一过渡结构210的第二端与波导结构100的第一端耦合；

第二过渡结构230，第二过渡结构230的第一端与波导结构100的第二端耦合，第二过渡结构230的第二端与输出光纤240耦合。

在本发明实施例中，可通过横向耦合方法实现第一过渡结构与波导结构的耦合、以及实现第二过渡结构和波导结构的耦合。

示例性地，该横向耦合方法可包括倒锥模斑转换法。具体的，如图3所示，沿波导结构中光的传播方向设置宽度逐渐增大的第一过渡结构210，将由输入光纤耦合至第一过渡结构中的光，耦合至波导结构100中。沿波导结构中光的传播方向设置宽度逐渐减小的第二过渡结构230，使得耦合在波导结构100中的光耦合至输出光纤240。此时，第一过渡结构和第二过渡结构为锥形光波导。

通过在单模光纤端面覆盖吸收层，并结合泵浦光源、增益介质、偏振控制器、波分复用器等元件形成环形腔体，是形成被动锁模飞秒激光器的一种方式。相较于该通过传统分离器件搭建的环形腔体实现被动锁模飞秒激光器，本发明实施例提供的光器件尺寸小，能够实现芯片级集成，且稳定性高，成本低，提高了用户体验。

如图4所示，本发明实施例提供一种波导结构的制作方法，包括：

步骤S10：形成第一电介质层；

步骤S20：形成堆叠在第一电介质层上的芯层；其中，芯层的折射率大于第一电介质层的折射率；

步骤S30：形成堆叠在芯层上的第二电介质层，在第二电介质层中形成凹槽；其中，凹槽的开口背离芯层，第二电介质层的折射率小于芯层的折射率；

步骤S40：形成覆盖在第二电介质层外表面的吸收层；其中，吸收层与凹槽的侧壁以及凹槽的底部接触，吸收层具有非线性饱和吸收性。

示例性地，当第一电介质层为二氧化硅层时，步骤S10中可以通过化学气相沉积法形成该第一电介质层。例如：可通过气态硅烷(SiH₄)、磷化氢(PH₃)和氧气(O₂)发生化学反应，在衬底上形成第一电介质层。

示例性地，当芯层为氮化硅层时，步骤S20可包括如下步骤：

在第一电介质层上涂覆光刻胶；

对上述光刻胶进行图像化处理，暴露第一电介质层的第一预定区域；

通过化学气相沉积法在第一预定区域中形成氮化硅层；

机械剥离第一电介质层表面剩余的光刻胶，去除多余的氮化硅材料。

示例性地，当第二电介质层为二氧化硅层时，步骤S30可包括如下步骤：

通过化学气相沉积法形成一定厚度的二氧化硅层；

在该二氧化硅上方涂覆光刻胶，并对其进行图像化处理，暴露芯层的第二预定区域；

基于图像化处理后的光刻胶，刻蚀第二预定区域，形成凹槽。

在本示例中，可通过干法刻蚀法或湿法刻蚀法，刻蚀第二预定区域。

在本示例中，在刻蚀第二预定区域时，可进行不同时间的刻蚀处理，以在第二电介质层中形成不同深度的凹槽。

示例性地，在步骤S40中，可通过机械转移的方式形成覆盖在第二介质层外表面的吸收层，且该吸收层与凹槽的侧壁以及凹槽的底部接触。例如，可通过湿法转移法形成覆盖在第二介质层外表面的吸收层，且该吸收层与凹槽的侧壁以及凹槽的底部接触。

示例性地，当第一电介质层和第二电介质层为二氧化硅层，芯层为氮化硅层，组成吸收层的材料包括石墨烯时，该湿法转移法包括如下步骤：

将沉积有石墨烯的铜箔裁剪成预设形状(例如矩形、圆形等)；

在该铜箔上沉积有石墨烯的表面使用旋转涂覆法涂覆一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，烘干；

使用浓度为0.1mol/L至2mol/L的氯化铁溶液腐蚀掉该铜箔，得到石墨烯/PMMA薄膜；

使用去离子水漂洗得到的石墨烯/PMMA薄膜，以去除残留在石墨烯/PMMA薄膜上的氯化铁溶液以及氯化亚铁等物质；

将形成有堆叠设置的第一电介质层、芯层和第二电介质层的预设结构浸入漂浮着的石墨烯/PMMA薄膜下方，使第二电介质层具有凹槽的一侧朝向该石墨烯/PMMA薄膜；然后慢慢捞出该预设结构，以使具有凹槽的第二电介质层与该石墨烯/PMMA薄膜接触时，石墨烯/PMMA薄膜附着在第二电介质层上表面，并与凹槽的侧壁以及凹槽的底部接触；

溶解PMMA，并烘干覆盖有石墨烯的该预设结构。

在上述示例中，由于石墨烯/PMMA薄膜比表面积大，当其与该预设结构接触时，吸附力较强，可以轻易地吸附在第二电介质层上表面。

相较于通过图像化处理吸收层材料形成吸收层，本发明实施例通过改变凹槽的结构尺寸，实现了对于调制深度的改变，工艺相对简单，且无需对吸收层材料进行图像化处理，减少了对于吸收层的损伤，降低了引入的本征损耗，提高了波导结构以激光器件的性能。

根据一种实施例，当在第二电介质层中形成多个凹槽时，至少形成两个开口尺寸相同的凹槽。

本发明实施例中，通过将凹槽开口尺寸设置为相同尺寸，有利于降低工艺难度，提高制作效率，降低成本。

根据一种实施例，当在第二电介质层中形成多个凹槽时，至少形成两个底部与芯层之间的距离相同的凹槽。

本发明实施例中，通过将第二电介质层中的凹槽底部设置为与芯层之间距离相同，有利于降低工艺难度，提高制作效率，降低成本。

根据一种实施例，步骤S40包括：

在第二电介质层表面覆盖单层结构的吸收层；

或，

在第二电介质层表面覆盖多层结构的吸收层；其中，多层结构的吸收层包括多个子吸收层，多层结构中包括至少两个非线性饱和吸收性相同的子吸收层。

本发明实施例通过设置单层结构的吸收层，有利于降低工艺难度，提高制作效率，降低成本。

本发明实施例通过设置包括多层结构的吸收层，可以扩大吸收层的保护吸收强度变化范围，进而扩大调制深度的可调范围，增大该波导结构的应用领域。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取村吹起(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本申请所提供的几个方法实施例中所揭露的方法，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的方法实施例。

本申请所提供的几个产品实施例中所揭露的特征，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的产品实施例。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。