基于狭缝波导的光学组件及光芯片的制作方法

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1.本技术属于光通信技术领域，具体涉及一种基于狭缝波导的光学组件及光芯片。

背景技术：

2.光量子计算等领域经常使用光器件来分析光量子态。然而现有的光器件都是与波导集成在一起，其高效率、低时间抖动等优点在光量子计算等领域受到广泛应用。
3.然而将波导与光器件集成在一起时，光器件通常放置在波导的表面，并沿着波导的长度方向延伸。将光器件放置在波导表面，需要通过吸收波导模场的倏逝波来实现光探测，同时为了获得较高的光吸收效率，要将光器件的长度设置的很长。但是，随着光器件长度的增长，其电感效应也会相应增大，使得光器件探测到单光子形成的电脉冲的衰减时间相应增多，从而导致光器件无法及时对下一个单光子产生响应，使得光器件在整个波导的探测效率降低，无法实现光器件的高探测速率。
4.因此，本技术提出一种基于狭缝波导的光学组件及光芯片。

技术实现要素：

5.本技术是为了解决上述问题而进行的，目的之一在于提供一种基于狭缝波导的光学组件及光芯片。
6.本技术提供了一种基于狭缝波导的光学组件，其包括：第一波导；狭缝波导，其位于第一波导内部；以及位于狭缝波导内部的光器件。
7.上述的光学组件，其中光器件包括超导纳米线单光子探测器snspd。
8.上述的光学组件，其中狭缝波导的折射率低于第一波导和光器件的折射率。
9.上述的光学组件，其中狭缝波导包括二氧化硅波导。
10.上述的光学组件，其中第一波导包括氮化硅波导、二氧化硅波导和氮化铌波导中的至少一者。
11.上述的光学组件，其中狭缝波导的至少一端的厚度渐减。
12.上述的光学组件，其中光器件的至少一部分位于狭缝波导的至少一端的内部。
13.上述的光学组件，其中光器件与狭缝波导的底部表面之间的距离渐减。
14.上述的光学组件，其中光器件的形状与狭缝波导的形状相同，且光器件与狭缝波导大致重叠安置。
15.本技术还提供了一种光芯片，其包括前述任一一项的基于狭缝波导的光学组件。
16.申请的技术方案的作用与效果
17.根据本技术提供的一种基于狭缝波导的光学组件，其包括：第一波导；狭缝波导，其位于第一波导内部；以及位于狭缝波导内部的光器件。因为本技术中光器件位于光强较大的狭缝波导内，从而可以提升光器件的光吸收效率，使得该光器件的长度明显缩短，同时仍可实现接近100％效率的光吸收，从而提高了光器件的探测效率和探测速率。
附图说明
18.图1是本技术实施例基于狭缝波导的光学组件的横截面结构示意图。
19.图2是本技术实施例的光学组件的剖面侧视图。
20.图3是图2中c-c
′
截面的横截面结构示意图。
21.图4是图2中d-d
′
截面的横截面结构示意图。
22.图5是光器件30的平面结构示意图。
23.图6是光器件接线端的另一结构示意图。
24.图7、图8是另一实施例中光学组件的俯视图。
25.图9是图7中b-b
′
截面的横截面结构示意图。
26.图10是另一实施例中光学组件的截面示意图。
27.图11是再一实施例中光学组件的俯视图。
28.图12是图11中a-a
′
截面的横截面示意图。
29.图13是再一实施例中光学组件的结构示意图。
30.图14是再一实施例中另一光学组件的结构示意图。
具体实施方式
31.为了使本技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例与附图对本技术提供的基于狭缝波导的光学组件及光芯片作具体阐述。
32.本技术的实施例将会被详细的描示在下文中。在本技术说明书全文中，将相同或相似的组件以及具有相同或相似的功能的组件通过类似附图标记来表示。在此所描述的有关附图的实施例为说明性质的、图解性质的且用于提供对本技术的基本理解。本技术的实施例不应该被解释为对本技术的限制。
33.如本文中所使用，术语“大致”、“大体上”、“实质”、“约”及“左右”用以描述及说明小的变化。当与事件或情形结合使用时，所述术语可指代其中事件或情形精确发生的例子以及其中事件或情形极近似地发生的例子。举例来说，当结合数值使用时，术语可指代小于或等于所述数值的
±
10％的变化范围，例如小于或等于
±
5％、小于或等于
±
4％、小于或等于
±
3％、小于或等于
±
2％、小于或等于
±
1％、小于或等于
±
0.5％、小于或等于
±
0.1％、或小于或等于
±
0.05％。举例来说，如果两个数值之间的差值小于或等于所述值的平均值的
±
10％(例如小于或等于
±
5％、小于或等于
±
4％、小于或等于
±
3％、小于或等于
±
2％、小于或等于
±
1％、小于或等于
±
0.5％、小于或等于
±
0.1％、或小于或等于
±
0.05％)，那么可认为所述两个数值“大体上”相同。
34.在本说明书中，除非经特别指定或限定之外，相对性的用词例如：“垂直”、“侧面”、“上部”、“下部”以及其衍生性的用词(例如“上表面”等等)应该解释成引用在讨论中所描述或在附图中所描示的方向。这些相对性的用词仅用于描述上的方便，且并不要求将本技术以特定的方向建构或操作。
35.另外，有时在本文中以范围格式呈现量、比率和其它数值。应理解，此类范围格式是用于便利及简洁起见，且应灵活地理解，不仅包含明确地指定为范围限制的数值，而且包含涵盖于所述范围内的所有个别数值或子范围，如同明确地指定每一数值及子范围一般。
36.再者，为便于描述，“第一”、“第二”等可在本文中用于区分一个组件或一系列组件
的不同操作。“第一”、“第二”等等不意欲描述对应组件。
37.图1是本技术实施例基于狭缝波导的光学组件100的横截面结构示意图。
38.参见图1，本实施例提供的基于狭缝波导的光学组件100包括：第一波导10；狭缝波导20，其位于第一波导10内部；以及位于狭缝波导20内部的光器件30。
39.如图1所示，当光沿着垂直于纸面的方向入射到光学组件100时，由于狭缝波导20的折射率低于其两侧波导的折射率，且其宽度较窄，使得光主要在狭缝波导20中传播，从而使得狭缝波导中的光强明显强于其它区域(例如其两侧的高折射率区域，即第一波导)的光强，而光器件位于狭缝波导内部，能使光器件内部及附近的光强明显增强，因此狭缝波导的使用可增强光器件对光的吸收效率。
40.本技术中的“光器件”包括有源器件和无源器件，都需要有光通过，可以对光进行控制，比如路由、调制、产生或吸收光等等。
41.图1的实施例提供的光学组件100中，第一波导10的折射率较大，例如第一波导10可包括氮化硅波导，在其它实施例中，第一波导10也可包括其它高折射率波导，例如可以是硅、铌酸锂等。
42.在另一些实施例中，第一波导10可包括多种材料的波导，例如图1中的狭缝波导20的左右两侧的波导可以由不同的材料制得。
43.狭缝波导20位于第一波导10内部，狭缝波导20相比于第一波导10可为折射率较小的波导，例如狭缝波导20可包括二氧化硅波导。在其它实施例中，狭缝波导20也可包括其它低折射率波导，例如可以是氮氧化硅波导，或者上部分是空气下部分是二氧化硅等介质的波导。将狭缝波导20放置在第一波导10内部，可以有效增大狭缝波导20的光强。图1中实施例提供的光器件30位于狭缝波导20内部，其中光器件30可包括超导纳米线单光子探测器snspd，在其它实施例中，光器件30也可包括其它光器件，例如一般的光探测器pd。当光传入光学组件100时(如图1中光垂直于纸面射入)，狭缝波导处的光强最大，从而使光器件吸收光的效率增强。
44.光量子计算等应用使用的集成量子光芯片需要使用光器件，例如单光子探测器以分析光量子态。相比起传统的垂直入射的超导纳米线单光子探测器(snspd)，与波导集成在一起的所谓waveguide-integrated snspd(wi-snspd)因其高效率、低时间抖动等优点在近些年得到较多的研究。
45.目前，在wi-snspd结构中，纳米线(snspd)放置在波导顶部并沿着波导方向延伸，通过吸收波导模场的倏逝波实现对入射光子的探测。纳米线越长，吸收光比例越高，从而片上探测效率也越高。但是纳米线长度增大时，其电感也相应增大，使得探测到单个光子形成的电脉冲的衰减时间跟着变长。在一次探测(吸收一个光子产生电脉冲)后的脉冲衰减时间内，探测器无法对吸收的下一个光子产生响应，从而最大探测速率受限于纳米线的长度。
46.因此，本技术实施例提出一种基于狭缝波导的光学组件，将snspd放置在狭缝波导内部来增强snspd的光吸收，从而可使用长度较短的snspd实现接近100％的光吸收效率及ghz的高速探测速率。
47.图1的实施例中，狭缝波导20的折射率低于第一波导10和光器件30的折射率，将光器件30放置在低折射率的狭缝波导20中，可以提升光器件30的吸收效率。
48.图2是本技术实施例的光学组件100的剖面侧视图。
49.参见图2中的光学组件100，其中狭缝波导20的至少一端40的厚度渐减。图2实施例中的狭缝波导20由厚度较大的区域渐减至厚度较小的区域。光器件30的至少一部分31位于狭缝波导20的至少一端40的内部。
50.参见图2中的光学组件100，光器件30与狭缝波导20的底部之间的距离可以变化，以增加光耦合效率。如图2所示，光器件30的至少一部分31与狭缝波导20底部之间的距离h2渐减，如图2所示，光器件30的其它部分的高度不变，例如图2中的高度h1为固定值，在另一些实施例中，光器件30的至少一部分31的末端的高度h2也可为零。在图2中，光从左边(a)入射，由于狭缝波导20厚度渐增或光器件30距离狭缝波导20底部距离渐增，使得光传输在该处发生绝热近似变化，从而可以大大降低光器件30的散射损耗。
51.图3是图2中c-c
′
截面的横截面结构示意图。
52.参见图3，图3为图2中的光器件30(光器件30为图5中的u型结构)距离狭缝波导20底部的距离为h1时的横截面结构示意图。如图3所示，光器件30设置在狭缝波导20内部，狭缝波导20位于第一波导10内部。
53.图4是图2中d-d
′
截面的横截面结构示意图。
54.参见图4，图4为图2中的光器件30的至少一部分31距离狭缝波导20底面的距离为h2时的横截面结构示意图。
55.图5是光器件30(例如图2-4中的光器件)的平面结构示意图。
56.参见图5中的实施例，光器件30的两个接线端可都设置在同一侧，例如图5中均可设置在右端，光从光器件30的左端(in)射入，也可其右端(out)射入，从另一端射出。在其它实施例中，光器件30的两个接线端也可设置在左端，
57.狭缝波导可包覆光器件30的上表面和下表面，图3和图4则为图5中的光器件的结构与狭缝波导和第一波导从out端看时的横截面图。
58.图6是另一光器件50的平面结构示意图。
59.参见图6中的实施例，光器件50的两个接线端分别设置在其左右两侧，光由a方向射入第一波导10，从另一端射出。在保证另一光器件50总长度不变的情况下，通过将另一光器件50位于第一波导10的中心处，可增加另一光器件50处于第一波导10中部(吸收最大情况)段在整个另一光器件50长度段的占比。
60.图7和图8是另一些实施例中光学组件200的俯视图。
61.图9是图7中b-b
′
截面的横截面结构示意图。
62.参见图7-9中的实施例，光器件203与狭缝波导202大致重叠安置，光器件203与狭缝波导202的形状可相同，例如均为u形。图8实施例中光器件203的宽度较大而厚度较小。
63.参见图8中的实施例，光器件203与狭缝波导大致重叠安置(图中未示出)，光器件203的右端203a与光在第一波导201的传播方向(沿b方向)之间成一角度，与图7中的光器件的结构相比，图8中光从b方向传入时，由于第一波导201的横截面会出现缓慢变化，使得光沿方向b从光器件203的右端203a传向左端203b时光损耗减小，进而使得光器件203能够吸收更多的光能量，而光器件203与狭缝波导202重叠设置，同时也可保证制备的可行性。
64.参见图9中的实施例提供的光学组件200，狭缝波导202纵向设置在第一波导201内，光器件203位于狭缝波导202内部，且与狭缝波导202重叠安置。
65.图10是另一实施例中光学组件200的截面示意图。
66.参见图10中的实施例提供的光学组件200，第一波导201可为脊波导，狭缝波导202纵向设置在第一波导201中，光器件203设置在狭缝波导202内部。
67.图11是再一实施例中光学组件300的俯视图。
68.参见图11中的实施例，光器件303呈u形，位于狭缝波导302内部，可选地，光器件303的两个接线端伸出至狭缝波导302外，用于与外部电连接。图12中的实施例中的光器件303位于狭缝波导302内部，可以增强光器件303对tm偏振光的吸收效率。
69.图12是图11中的光学组件300的a-a
′
截面的横截面示意图。
70.参见图12中的实施例提供的光器件300，狭缝波导302横向安置于第一波导301内，光器件303位于狭缝波导302内部。图12中的第一波导301可以为平面波导，也可为脊波导。
71.图13是再一实施例中光学组件300的结构示意图。
72.参见图13中的实施例，图13的实施例中的光学组件300的第一波导301可为脊波导，狭缝波导302位于脊波导的宽度较窄的上部的内部，光器件303位于狭缝波导302内部。图13中的实施例中光器件303的厚度可大于10纳米，宽度可小于10纳米。图13中狭缝波导302的上方的波导和下方的波导(脊波导的下部)可也为不同材料。图13中的狭缝波导302也可位于脊波导宽度较宽的下部的内部。
73.图14是再一实施例中的光学组件300的结构示意图。
74.参见图14的实施例，图14中的光学组件300的第一波导301为脊波导，狭缝波导302位于脊波导的宽度较宽的下部的内部，光器件303位于狭缝波导302内部。图14中的狭缝波导302位于脊波导下部分的外部。可选地，在刻蚀图13和图14中的脊波导时，刻蚀可穿过狭缝波导302，也可不穿过狭缝波导302，从而形成脊波导或条波导。
75.本实施例还提供一种光芯片，其包括前述任意实施例中的光学组件。
76.以上通过说明和附图，给出了具体实施方式的特定结构的典型实施例，上述申请提出了现有的较佳实施例，但这些内容并不作为局限。对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本技术的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本技术的意图和范围内。

技术特征：

1.一种基于狭缝波导的光学组件，其特征在于，其包括：第一波导；狭缝波导，其位于所述第一波导内部；以及位于所述狭缝波导内部的光器件。2.根据权利要求1所述的光学组件，其特征在于，所述光器件包括超导纳米线单光子探测器snspd。3.根据权利要求1所述的光学组件，其特征在于，所述狭缝波导的折射率低于所述第一波导和所述光器件的折射率。4.根据权利要求1所述的光学组件，其特征在于，所述狭缝波导包括二氧化硅波导。5.根据权利要求1所述的光学组件，其特征在于，所述第一波导包括氮化硅波导、二氧化硅波导和氮化铌波导中的至少一者。6.根据权利要求1所述的光学组件，其特征在于，所述狭缝波导的至少一端的厚度渐减。7.根据权利要求6所述的光学组件，其特征在于，所述光器件的至少一部分位于所述狭缝波导的所述至少一端的内部。8.根据权利要求7所述的光学组件，其特征在于，所述光器件的所述至少一部分与所述狭缝波导的底部表面之间的距离渐减。9.根据权利要求1所述的光学组件，其特征在于，所述光器件的表面形状与所述狭缝波导的截面形状相同，且所述光器件与所述狭缝波导二者的至少一部分重叠安置。10.一种光芯片，其特征在于，其包括根据前述权利要求1-9中任一权利要求所述的光学组件。

技术总结

本申请实施例涉及基于狭缝波导的光学组件及光芯片。根据本申请的一些实施例，一种基于狭缝波导的光学组件，其包括：第一波导；狭缝波导，其位于所述第一波导内部；以及位于所述狭缝波导内部的光器件。本申请另一实施例提供了一种光芯片，其包括一或多个所述的光学组件。本申请实施例提供基于狭缝波导的光学组件及光芯片的可有效解决传统技术中遇到的问题。及光芯片的可有效解决传统技术中遇到的问题。及光芯片的可有效解决传统技术中遇到的问题。