CN111679363B - 硅波导端面耦合结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光子集成器件技术领域，公开了硅波导端面耦合结构及其制作方法。该结构包括由下至上依次叠放的衬底硅、氧化层、硅波导和氮化硅层，氮化硅层的端部构造为脊形结构以形成脊形氮化硅波导，脊形氮化硅波导用于与普通单模光纤端面耦合。该方法包括：利用绝缘体上硅衬底中位于衬底硅上表面氧化层之上的薄膜硅层制备硅波导；在硅波导与光纤耦合的一端制备成宽度逐渐收窄的尖锥结构以形成硅波导尖锥结构；在硅波导与氧化层上方沉积一层氮化硅层；通过对氮化硅层进行浅刻蚀制备出脊形结构以形成脊形氮化硅波导。本发明的脊形氮化硅波导变换模场可以与普通单模光纤匹配，适合硅光子芯片封装过程中硅波导与普通单模光纤的低损耗耦合。

Description

硅波导端面耦合结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及光子集成器件技术领域，特别是涉及一种硅波导端面耦合结构及其制作方法。

背景技术

以硅波导为基础的硅光子集成已经成为发展高性能和低成本光通信组件和光子集成器件的关键技术。这种硅光子芯片一般在绝缘体上硅(silicon on insulator，简称：SOI)衬底上制备，采用硅材料作为波导芯区部分，芯区横截面尺寸在百纳米量级。波导包层材料一般采用二氧化硅。由于晶体硅和二氧化硅之间有较高折射率对比度，这种硅波导模场面积一般小于1平方微米，因此可以支持高密度的光子集成，在高性能和低成本的光通信组件和光子集成器件方面具有广阔的应用前景。

在硅光子芯片的实际应用中，硅波导需要与单模光纤之间实现低损耗的光耦合。然而，普通单模光纤的模场面积在80平方微米左右，硅波导非常小的模场面积使得它与普通单模光纤直接耦合非常困难。理论计算和实验表明，硅波导与普通单模光纤直接耦合会由于模场失配引入超过10dB的耦合损耗。这极大的限制了硅光子芯片的实际应用。

因此，实现硅波导与普通单模光纤的高效率耦合是硅光子集成技术走向实际应用的关键问题。目前，硅波导与普通单模光纤的耦合主要采用两种技术路线。第一种是在硅波导上制备向上衍射的光栅实现硅波导与普通单模光纤之间的垂直耦合，通过调整硅波导的尺寸和光栅的设计，可以使得向上衍射的光场有效面积与普通单模光纤的模场匹配，从而提高耦合效率。然而，这种垂直耦合的技术路线工作带宽受到光栅衍射带宽的限制，同时由于存在向其他方向的散射使得耦合效率有很大限制，且具有偏振相关性。此外，光栅的制备工艺也较复杂。第二种技术路线是采用端面耦合，这种方法耦合带宽较宽且偏振无关，具有更广泛的适应性。然而，由于硅波导和光纤模场失配很大，需要在硅波导的一侧设计模场变换结构，使得波导的输出模场与光纤匹配，从而减小耦合损耗。通常采用将硅波导的一端设计成锥形结构来改善光纤和波导之间的模场失配。锥形结构中随着硅波导尺寸逐渐变小，硅波导的模场逐渐变大，可以起到模场变换的作用。然而由于微细加工的限制，硅波导尺寸难以做到非常小，使得单纯的锥形结构模场变换能力有限。进一步发展出锥形结构外面包裹大尺寸氮化硅波导或聚合物波导的模场变换结构。然而，这种结构为了避免氮化硅波导或聚合物波导形成多模传输，尺寸不能做大。此外，氮化硅刻蚀工艺在刻蚀深度上的限制也制约了模场变换结构支持的模场尺寸。因此，这种基于锥形结构的模场变换结构用于硅波导和普通单模光纤的耦合依然会引入较大的损耗。因此，有必要发展一种制备工艺简单，模场变换尺寸与普通单模光纤匹配的端面耦合结构用于硅波导和普通单模光纤之间的低损耗耦合。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明实施例的目的是提供一种硅波导端面耦合结构及其制作方法，以解决现有技术中存在的硅波导模场尺寸小，和普通单模光纤耦合损耗较大的技术问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种硅波导端面耦合结构，包括：由下至上依次叠放的衬底硅、氧化层、硅波导和氮化硅层，所述氮化硅层的端部构造为脊形结构以形成脊形氮化硅波导，所述脊形氮化硅波导用于与普通单模光纤端面耦合。

其中，还包括二氧化硅保护层，所述二氧化硅保护层位于所述氧化层与所述氮化硅层之间，且所述二氧化硅保护层覆盖于所述硅波导的上表面。

其中，所述硅波导的端部构造为尖锥形以形成硅波导尖锥结构，所述硅波导尖锥结构的尖端朝向所述普通单模光纤。

其中，所述硅波导的高度取值范围为200纳米至340纳米，宽度取值范围为350纳米至500纳米。

其中，所述硅波导尖锥结构的长度取值范围为100微米至300微米，尖端的宽度小于150纳米。

其中，所述二氧化硅保护层的厚度取值范围为120纳米至400纳米。

其中，所述氮化硅层的厚度取值范围为5微米至9微米。

其中，所述脊形氮化硅波导的宽度取值范围为3微米至9微米，所述脊形氮化硅波导两侧的深度取值范围为0.5微米至3微米。

本发明实施例还公开了一种硅波导端面耦合结构的制作方法，所述硅波导端面耦合结构的制作方法用于制备如本发明实施例的硅波导端面耦合结构，所述硅波导端面耦合结构的制作方法包括：

S1、利用绝缘体上硅衬底中位于衬底硅上表面氧化层之上的薄膜硅层制备硅波导；

S2、在所述硅波导与光纤耦合的一端制备成宽度逐渐收窄的尖锥结构以形成硅波导尖锥结构；

S3、在所述硅波导与所述氧化层上方沉积一层二氧化硅保护层；

S4、在所述二氧化硅保护层上方沉积一层氮化硅层；

S5、通过对所述氮化硅层进行浅刻蚀制备出脊形结构以形成脊形氮化硅波导。

(三)有益效果

本发明实施例提供的一种硅波导端面耦合结构及其制作方法，通过浅刻蚀工艺在氮化硅层构造形成脊形氮化硅波导，实现模场变换，模场与普通单模光纤匹配的单模传输，解决了传统方案大尺寸矩形氮化硅波导中多模传输的问题和需要对氮化硅层进行深刻蚀的工艺难点。本发明实施例的制备工艺简单，变换模场可以与普通单模光纤匹配，特别适合硅光子芯片封装过程中硅波导与普通单模光纤的低损耗耦合。

附图说明

图1为本发明实施例一种硅波导端面耦合结构的三维示意图；

图2为本发明实施例一种硅波导端面耦合结构的主视图；

图3为本发明实施例一种硅波导端面耦合结构的俯视图。

附图标记：

1：衬底硅；2：氧化层；3：二氧化硅保护层；4：硅波导尖锥结构；5：脊形氮化硅波导；6：硅波导；7：氮化硅层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至图3所示，本发明实施例公开了一种硅波导端面耦合结构，包括：由下至上依次叠放的衬底硅1、氧化层2、硅波导6和氮化硅层7，氮化硅层7的端部构造为脊形结构以形成脊形氮化硅波导5，脊形氮化硅波导5用于与普通单模光纤端面耦合。

具体地，本发明实施例在氮化硅层7的端部通过浅刻蚀工艺制备出浅脊形结构，该脊形结构一直延伸到达芯片端面，实现单模传输的有效模场面积与普通单模光纤匹配的波导，脊形氮化硅波导5和普通单模光纤之间通过模场匹配实现高效率的端面耦合，从而该硅波导端面耦合结构实现硅波导6和普通单模光纤之间的高效率耦合。

在本实施例中，利用绝缘体上硅(SOI)衬底上薄膜硅层制备硅波导6。

本发明实施例提供的一种硅波导端面耦合结构及其制作方法，通过浅刻蚀工艺在氮化硅层7构造形成脊形氮化硅波导5，实现模场变换，模场与普通单模光纤匹配的单模传输，解决了传统方案大尺寸矩形氮化硅波导中多模传输的问题和需要对氮化硅层7进行深刻蚀的工艺难点。本发明实施例的制备工艺简单，变换模场可以与普通单模光纤匹配，特别适合硅光子芯片封装中硅波导与普通单模光纤的低损耗耦合。

其中，本实施例的硅波导端面耦合结构还包括二氧化硅保护层3，二氧化硅保护层3位于氧化层2与氮化硅层7之间，且二氧化硅保护层3覆盖于硅波导6和下述实施例中的硅波导尖锥结构4的上表面。具体地，本实施例中硅波导6和硅波导尖锥结构4设置在二氧化硅保护层3与氧化层2之间，二氧化硅保护层3的作用是减小氮化硅层7对硅波导6传输特性的影响，避免了采用矩形氮化硅波导的传统方案中清除硅波导6上方氮化硅层7的要求，并可以大大降低对氮化硅层7沉积工艺的要求。

其中，硅波导6的端部构造为尖锥形以形成硅波导尖锥结构4，硅波导尖锥结构4的尖端朝向普通单模光纤，也即硅波导6与光纤耦合的一端制备成宽度逐渐收窄长度有限的尖锥结构，硅波导6和脊形氮化硅波导5之间通过尖锥结构实现高效率光学绝热变换耦合。具体地，脊形氮化硅波导5位于硅波导尖锥结构4的上方，脊形氮化硅波导5进一步延伸至芯片端面。

其中，硅波导6的高度取值范围为200纳米至340纳米，宽度取值范围为350纳米至500纳米。

其中，硅波导尖锥结构4的长度取值范围为100微米至300微米，尖端的宽度小于150纳米。具体地，硅波导尖锥结构4的一端与硅波导6相连，宽度与硅波导6相同，硅波导尖锥结构4随着向光纤耦合的一端宽度逐渐缩窄。

其中，二氧化硅保护层3的厚度取值范围为120纳米至400纳米。

其中，氮化硅层7的厚度取值范围为5微米至9微米。

其中，脊形氮化硅波导5的宽度取值范围为3微米至9微米，脊形氮化硅波导5两侧的深度取值范围为0.5微米至3微米。

基于上述实施例的硅波导6、硅波导尖锥结构4、二氧化硅保护层3、氮化硅层7和脊形氮化硅波导5的尺寸可根据实际情况设置，本发明不局限于此。

本发明提供一种尺寸类型的硅波导端面耦合结构，本实施例中硅光子芯片采用薄膜硅层厚度为220纳米的绝缘体上硅(SOI)衬底制备。硅波导6高度220纳米，宽度460纳米。硅波导尖锥结构4高度220纳米，长200微米，尖锥结构的尖端宽度为120纳米。二氧化硅保护层3厚度200纳米。氮化硅层7厚度7微米，脊形氮化硅波导5脊宽7微米，脊深2微米。基于本实施例中的硅波导端面耦合结构，理论计算发现：在硅波导6中传播的光波通过尖锥结构可以通过高效率的绝热变换耦合到脊形氮化硅波导5中；脊形氮化硅波导5中光场以基模形式存在，模场面积大约42.58平方微米，与普通单模光纤模场面积大致匹配。通过脊形氮化硅波导5模场和普通单模光纤模场的交叠积分可以计算得到，通过该结构实现的硅波导6与普通单模光纤之间的耦合损耗仅为1.97dB。

本发明实施例还公开了一种硅波导端面耦合结构的制作方法，硅波导端面耦合结构的制作方法用于制备上述实施例的硅波导端面耦合结构，硅波导端面耦合结构的制作方法包括：

S1、利用绝缘体上硅(SOI)衬底中位于衬底硅1上表面氧化层2之上的薄膜硅层制备硅波导6；

S2、在硅波导6与光纤耦合的一端制备成宽度逐渐收窄的尖锥结构以形成硅波导尖锥结构4；

S3、在硅波导6与氧化层2上方沉积一层二氧化硅保护层3；

S4、在二氧化硅保护层3上方沉积一层氮化硅层7；

S5、通过对氮化硅层7进行浅刻蚀制备出脊形结构以形成脊形氮化硅波导5。

本实施例的制作方法为：利用绝缘体上硅(SOI)衬底上薄膜硅层制备硅波导6，硅波导6与光纤耦合的一端制备成宽度逐渐收窄长度有限的硅波导尖锥结构4，硅波导6上沉积一层二氧化硅保护层3，二氧化硅保护层3上沉积一层较厚的氮化硅层7。在硅波导尖锥结构4上方通过对氮化硅层7进行浅刻蚀制备出脊形氮化硅波导5。脊形氮化硅波导5与普通单模光纤实现端面耦合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种硅波导端面耦合结构，其特征在于，包括：由下至上依次叠放的衬底硅、氧化层、硅波导和氮化硅层，所述氮化硅层的端部进行浅刻蚀制备出脊形结构以形成脊形氮化硅波导，所述脊形氮化硅波导用于与普通单模光纤端面耦合；

还包括二氧化硅保护层，所述二氧化硅保护层位于所述氧化层与所述氮化硅层之间，且所述二氧化硅保护层覆盖于所述硅波导的上表面。

2.根据权利要求1所述的硅波导端面耦合结构，其特征在于，所述硅波导的端部构造为尖锥形以形成硅波导尖锥结构，所述硅波导尖锥结构的尖端朝向所述普通单模光纤。

3.根据权利要求1所述的硅波导端面耦合结构，其特征在于，所述硅波导的高度取值范围为200纳米至340纳米，宽度取值范围为350纳米至500纳米。

4.根据权利要求2所述的硅波导端面耦合结构，其特征在于，所述硅波导尖锥结构的长度取值范围为100微米至300微米，尖端的宽度小于150纳米。

5.根据权利要求1所述的硅波导端面耦合结构，其特征在于，所述二氧化硅保护层的厚度取值范围为120纳米至400纳米。

6.根据权利要求1所述的硅波导端面耦合结构，其特征在于，所述氮化硅层的厚度取值范围为5微米至9微米。

7.根据权利要求1所述的硅波导端面耦合结构，其特征在于，所述脊形氮化硅波导的宽度取值范围为3微米至9微米，所述脊形氮化硅波导两侧的深度取值范围为0.5微米至3微米。

8.一种硅波导端面耦合结构的制作方法，其特征在于，所述硅波导端面耦合结构的制作方法用于制备如权利要求1-7中任意一项所述的硅波导端面耦合结构，所述硅波导端面耦合结构的制作方法包括：

S1、利用绝缘体上硅衬底中位于衬底硅上表面氧化层之上的薄膜硅层制备硅波导；

S2、在所述硅波导与光纤耦合的一端制备成宽度逐渐收窄的尖锥结构以形成硅波导尖锥结构；

S3、在所述硅波导与所述氧化层上方沉积一层二氧化硅保护层；

S4、在所述二氧化硅保护层上方沉积一层氮化硅层；

S5、通过对所述氮化硅层进行浅刻蚀制备出脊形结构以形成脊形氮化硅波导。

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