CN105242350B - 一种硅基电镀金属反射镜光栅耦合器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

一种硅基电镀金属反射镜光栅耦合器及其制作方法，涉及光纤耦合技术以及光电集成领域，绝缘体上硅芯片通过三个制作步骤后制成硅衬底上设置有中间镂空的掩埋绝缘体，硅衬底处于掩埋绝缘体镂空处的一面设置有金属反射镜，金属反射镜上方设置有悬浮硅光波导，悬浮硅光波导上设置有耦合光栅的硅基电镀金属反射镜光栅耦合器。与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明产品通过在波导光栅耦合器下方增加金属反射镜的方式实现耦合效率的提升，极大的保证了耦合的稳定性，增加了耦合的效率。且本发明的方法制作简单，成本低廉，便于大规模集成。

Description

一种硅基电镀金属反射镜光栅耦合器及其制作方法
技术领域
本发明涉及光纤耦合技术以及光电集成领域，特别涉及一种具有金属反射镜的硅基光栅耦合器，用于实现光纤与硅光波导的高效光耦合。
背景技术
硅基光子芯片是近几年国际上在光集成领域的研究热点。基于绝缘体上硅芯片结果的集成光路，具有集成度高、损耗小、与集成电子工艺兼容等优点，非常适合于超大规模、低成本光电集成。
由于单模硅波导的尺寸通常在几百纳米左右，因此与普通单模光纤（芯层直径在10微米左右）的耦合存在比较大的问题。如今，国际上比较通用的两种方案，第一种方案为反向锥形模式转换器。该方案中，硅波导的宽度逐渐减少，形成一个反向锥形，从而减少硅材料对光的限制，达到模场直径变大的效果，可以有效地与光纤进行耦合。但方案对于较厚硅层的情况不太合适，且要求能够制备很细尖端（约几十纳米），这对加工工艺也提出了很高的要求。
第二个方案是光栅耦合器。通过在硅光波导上加工周期性衍射光栅，可以实现硅光波导与接近垂直方向放置的单模光纤进行光耦合。该方案具有工艺相对简单，其支持垂直耦合。这对于器件的片上测试提供很大的便利。但是，由于硅光波导上的衍射光栅会使一部分波导中光朝衬底的方向出射，而这一部分光是无法有效地被光栅接收的，因此光栅耦合器的耦合效率，与反向锥形模式转换器，通常较低。
为了提高光栅耦合器的耦合效率，可采用在衬底的方向制作反射镜的方法，将朝衬底的方向出射光反射，从而达到提高耦合效率的方法，现有技术中反射镜的制作方法有两种，一种为采取硅和二氧化硅层构成布拉格反射镜，但该方案无法在标准的绝缘体上硅芯片上实现。另一种是将光栅位置处的硅衬底腐蚀掉，而后在暴露的掩埋绝缘体上，从背面制作金属反射境，刚该方案工艺复杂，需要将比较厚的硅衬底去除掉。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供了一种硅基电镀金属反射镜光栅耦合器产品以及制作方法，本发明产品通过在波导光栅耦合器下方增加金属反射镜的方式实现耦合效率的提升，极大的保证了耦合的稳定性，增加了耦合的效率。且本发明的方法制作简单，成本低廉，便于大规模集成。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：一种硅基电镀金属反射镜光栅耦合器制作方法，制作基体为绝缘体上硅芯片，所述的绝缘体上硅芯片从上到下分别是顶层硅、掩埋绝缘体和硅衬底，包括以下几个步骤： 步骤A：通过电子束曝光或深紫外曝光或刻蚀的方法将所述顶层硅制成硅波导，并在硅波导上刻制耦合光栅；步骤B：在所述绝缘体上硅芯片表面除耦合光栅区域以及耦合光栅上下区域外都涂抹有不与氢氟酸反应的保护材料，然后通过氢氟酸湿法或氢氟酸气相腐蚀法将裸露在所述绝缘体上硅芯片表面的掩埋绝缘体腐蚀掉，此时位于耦合光栅区域下方的掩埋绝缘体也被腐蚀镂空，露出硅衬底，并让此段硅波导悬空形成悬浮硅光波导；步骤C：将所述绝缘体上硅芯片上的保护材料去除后再浸没到电镀液中，所述电镀液内具有正极和负极，所述绝缘体上硅芯片的硅衬底连接负极，然后进行电镀，电镀完成后硅衬底表面被镀上一层金属，其中位于悬浮硅光波导下方的硅衬底表面金属层形成金属反射镜。
上述技术方案中，优选的，所述步骤B和所述步骤C中的保护材料为光刻胶。
上述技术方案中，优选的，在所述的步骤C中，所述的硅波导不与正极和负极连接。
一种硅基电镀金属反射镜光栅耦合器，包括绝缘体上硅芯片，所述的绝缘体上硅芯片包括硅衬底，所述的硅衬底上设置有中间镂空的掩埋绝缘体，所述硅衬底处于所述掩埋绝缘体镂空处的一面设置有金属反射镜，所述的金属反射镜上方设置有悬浮硅光波导，所述的悬浮硅光波导上设置有耦合光栅。
上述技术方案中，优选的，所述的悬浮硅光波导两端设置有与所述掩埋绝缘体接触的硅波导。
本发明先在顶层硅上线刻制出硅波导以及硅波导上的耦合光栅，使用湿法或气相腐蚀的方法，将制作有耦合光栅的硅波导结构下方的掩埋绝缘体进行腐蚀掏空，形成一段悬浮的硅波导，此悬浮硅波导上有耦合光栅，本申请把这段悬浮硅波导称为悬浮硅光波导。然后再通过电镀的方法在悬浮硅光波导下方的硅衬底上制作出一层金属作为反射镜。因此，通过该金属反射镜，可以使光纤在与硅波导进行耦合时，衍射到硅衬底方向的光再反射回光栅，从而提高耦合效率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明产品通过在波导光栅耦合器下方增加金属反射镜的方式实现耦合效率的提升，极大的保证了耦合的稳定性，增加了耦合的效率。且本发明的方法制作简单，成本低廉，便于大规模集成。
附图说明
图1是本发明绝缘体上硅芯片示意图。
图2是本发明制造步骤A中绝缘体上硅芯片俯视示意图。
图3是本发明制造步骤A中绝缘体上硅芯片剖视示意图。
图4是本发明制造步骤B中绝缘体上硅芯片俯视示意图。
图5是本发明制造步骤B中绝缘体上硅芯片剖视示意图。
图6是本发明制造步骤C中绝缘体上硅芯片俯视示意图。
图7是本发明制造步骤C中绝缘体上硅芯片剖视示意图。
图8是本发明制造步骤C中绝缘体上硅芯片电镀示意图。
图9是本发明产品使用状态示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
实施例1：如图1 至图9所示，一种硅基电镀金属反射镜光栅耦合器，包括绝缘体上硅芯片，所述的绝缘体上硅芯片包括顶层硅1、掩埋绝缘体2和硅衬底3，所述的硅衬底3上设置有中间镂空的掩埋绝缘体2，所述硅衬底3处于所述掩埋绝缘体2镂空处的一面设置有金属反射镜8，所述的金属反射镜8上方设置有悬浮硅光波导6，所述的悬浮硅光波导6两端设置有与所述掩埋绝缘体2接触的硅波导5。所述的悬浮硅光波导6上设置有耦合光栅7。
其制造方法包括3个步骤：步骤（A），通过电子束曝光或深紫外曝光或刻蚀的方法将所述顶层硅1制成硅波导5，并在硅波导5上刻制耦合光栅7。步骤（B），在所述绝缘体上硅芯片表面除耦合光栅7区域以及耦合光栅7上下区域外都涂抹有不与氢氟酸反应的保护材料9，然后通过氢氟酸湿法或氢氟酸气相腐蚀法将裸露在所述绝缘体上硅芯片表面的掩埋绝缘体2腐蚀掉，此时位于耦合光栅7区域下方的掩埋绝缘体2也被腐蚀镂空，露出硅衬底3，并让此段硅波导5悬空形成悬浮硅光波导6。步骤（C），将所述绝缘体上硅芯片上的保护材料9去除再浸没到电镀液10中，所述电镀液10内具有正极12和负极11，所述绝缘体上硅芯片的硅衬底3连接负极11，所述的硅波导5不与正极12和负极11连接，然后进行电镀，电镀完成后硅衬底3表面被镀上一层金属，其中位于悬浮硅光波导6下方的硅衬底3表面金属层形成金属反射镜8。其中保护材料9可以是光刻胶，也可以是其他不与氢氟酸反应的材料。根据选择硅衬底3表面被镀的金属可以是铜、锌、镍、锡、银或其他单金属或者合金材料，只需要达到提高硅衬底3表面光亮度，改善硅衬底3表面的光反射能力即可。
本发明产品使用时，光纤4对准耦合光栅7进行耦合，此时部分衍射到金属反射镜8方向的光再反射回耦合光栅7进行耦合，相比现有光耦合器本发明产品极大的提高了光耦合的效率。通过本发明制造出来的硅基电镀金属反射镜光栅耦合器相比现有的光栅耦合器耦合效率有了极大的提高，相比反向锥形模式转换器制造成本极大的降低，且耦合效率不亚于反向锥形模式转换器。兼具了成本优势与质量效率优势。

Claims (5)

1.一种硅基电镀金属反射镜光栅耦合器制作方法，制作基体为绝缘体上硅芯片，所述的绝缘体上硅芯片从上到下分别是顶层硅（1）、掩埋绝缘体（2）和硅衬底（3），其特征为，包括以下几个步骤：步骤A：通过电子束曝光或深紫外曝光或刻蚀的方法将所述顶层硅（1）制成硅波导（5），并在硅波导（5）上刻制耦合光栅（7）；步骤B：在所述绝缘体上硅芯片表面除耦合光栅（7）区域以及耦合光栅（7）上下区域外都涂抹有不与氢氟酸反应的保护材料（9），然后通过氢氟酸湿法或氢氟酸气相腐蚀法将裸露在所述绝缘体上硅芯片表面的掩埋绝缘体（2）腐蚀掉，此时位于耦合光栅（7）区域下方的掩埋绝缘体（2）也被腐蚀镂空，露出硅衬底（3），并让此段硅波导（5）悬空形成悬浮硅光波导（6）；步骤C：将所述绝缘体上硅芯片上的保护材料（9）去除后再浸没到电镀液（10）中，所述电镀液（10）内具有正极（12）和负极（11），所述硅衬底（3）连接负极（11），然后进行电镀，电镀完成后硅衬底（3）表面被镀上一层金属，其中位于悬浮硅光波导（6）下方的硅衬底（3）表面金属层形成金属反射镜（8）。
2.根据权利要求1所述的一种硅基电镀金属反射镜光栅耦合器制作方法，其特征为，所述步骤B和所述步骤C中的保护材料为光刻胶。
3.根据权利要求1所述的一种硅基电镀金属反射镜光栅耦合器制作方法，其特征为，在所述的步骤C中，所述的硅波导（5）不与正极（12）和负极（11）连接。
4.一种根据权利要求1制作方法制成的硅基电镀金属反射镜光栅耦合器，包括绝缘体上硅芯片，所述的绝缘体上硅芯片包括硅衬底（3），其特征为，所述的硅衬底（3）上设置有中间镂空的掩埋绝缘体（2），所述硅衬底（3）处于所述掩埋绝缘体（2）镂空处的一面设置有金属反射镜（8），所述的金属反射镜（8）上方设置有悬浮硅光波导（6），所述的悬浮硅光波导（6）上设置有耦合光栅（7）。
5.根据权利要求4所述的一种硅基电镀金属反射镜光栅耦合器，其特征为，所述的悬浮硅光波导（6）两端设置有与所述掩埋绝缘体（2）接触的硅波导（5）。
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