CN101452095A - 一种绝缘体上的硅基槽缝式光波导耦合器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种槽缝式低耗光波导耦合器，涉及光子器件技术，整个结构制作在SOI衬底上，是基于槽缝式波导的一种新颖的连接标准光纤和光波导的耦合器，槽缝式波导两侧是硅材料，中间的狭缝为空气，外包覆层也可以淀积二氧化硅。槽缝式波导直接跟亚微米光波导连接。槽缝端的模场有效折射率跟标准光纤的有效折射率非常差距在0.05之内，从而有效的降低了光纤和波导连接时的耦合损耗。器件具有尺寸小，耦合效率高的优点，并且制作工艺与传统微电子工艺兼容。
Description
技术领域
本发明涉及光子器件技术领域，是一种槽缝式低耗光波导耦合器，该波导耦合器的结构可有效降低器件尺寸以及光纤和波导的耦合损耗，广泛应用于光通讯，芯片光互联以及高速硅基光集成中。
背景技术
近年来，随着硅基材料在光子学领域的不断发展，人们对硅光子器件也提出了更高的要求。绝缘体上的硅基波导结构的期间能够更大程度的提高波导对光的限制作用，从而得到了很广泛的应用。目前报导的绝缘体上的硅基波导的尺寸大都在亚微米量级，折射率在3.5左右，然而标准光纤的尺寸大都在九微米左右，折射率仅为1.5左右。如此大的尺寸差异和折射率差必然引入辐射模和背反射，给光纤和波导耦合带来巨大的耦合损耗，在实际应用中，标准的光纤跟亚微米尺寸的硅基波导直接耦合的损耗大于10分贝，从而给硅光子器件的广泛应用带来一定困难。
目前的硅基光波导耦合方法主要包括楔形波导耦合，反向楔形波导耦合，光栅耦合，折射率渐变波导耦合等。在光纤和大尺寸波导耦合中广泛应用的是楔形波导耦合器。然而当波导尺寸降到微米以下，这种耦合器就带来很大的耦合损耗。而且当这种耦合器和光纤连接时，由于二者的折射率失配，还需要制作一层特殊的抗反射层来降低强烈的背反射。给制作带来了麻烦。近来，反向楔形耦合器越来越引起人们的注意。然而这种耦合器所引入的损耗仍然大于3分贝，而且偏振相关性显著。另一种广泛应用的耦合器是采用光栅结构。据报导，这种光栅耦合器偏振无关，耦合损耗也可以达到3分贝以下，但是它的带宽却仅为4纳米。还不能满足未来光通讯的发展要求。
为了减小光纤和波导耦合时的损耗，耦合器输入端的模场尺寸，模场形状以及模场有效折射率必须与标准光纤的有效折射率差距在0.05之内，即通过改变耦合器的模场形状和有效折射率，来降低和光纤之间的模场尺寸失配和折射率失配。传统的光波导都是核心层采用高折射率材料，包覆层采用低折射率材料，利用全反射原理对光进行传输。全反射机制可以有效的把光限制在核心层。2004年，康奈尔大学的研究小组提出了一种新颖的槽缝式波导结构，把光部分限制在低折射率材料中，引起了学术界的轰动。根据麦克斯韦方程的表述，在折射率突变的波导边界，为了保持电位移矢量法向分量的连续性，相应的电场在折射率突变处就产生了不连续，在高折射率处值小，在低折射率处值大。基于这个原理，这种不连续能在低折射率区提高光场强度和模场限制作用。这种槽缝式结构传播的是本征模，而且与集成光电子工艺兼容。
发明内容
本发明的目的在于提供一种槽缝式低耗光波导耦合器，整个结构制作在绝缘体上的硅衬底上，它与其他耦合器相比，器件长度较小，耦合效率高，而且使得标准光纤跟亚微米尺寸的波导达到很好的耦合，并将广泛应用在未来的光电集成当中。
本发明是一种绝缘体上的硅基槽缝式低耗光波导耦合器。其特征在于，该结构基于绝缘体上的硅衬底，由两侧波导，狭缝，外包覆层构成。光场在狭缝端口处有效折射率跟标准光纤的有效折射率达到很好的匹配，有效的降低了耦合效率。在槽缝中，光场在折射率突变处达到产生交叠，最终完全进入两侧的波导中，从而跟后端连接的光波导达到很好的耦合。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种槽缝式低耗光波导耦合器，该结构基于绝缘体上的硅衬底，包括两侧波导，槽缝，在光纤连接的输入端设有槽缝结构，光场在槽缝端口处有效折射率与标准光纤的有效折射率差距在0.05之内，提高了耦合效率、降低了耦合损耗；在槽缝中，光场在低折射率材料中产生交叠，从而降低了模场的有效折射率，与光纤的折射率差距在0.05之内，光场沿在z方向传播，逐渐分散到两侧波导中，最终完全进入两侧的波导中，从而与后端连接的光波导达到良好的耦合。
所述的槽缝式低耗光波导耦合器，其所述槽缝式的狭缝为楔形，槽缝端口宽，沿轴向向内渐窄，对于准TM来说，槽缝中为空气时，模式失配损耗仅仅为1dB。
所述的槽缝式低耗光波导耦合器，其所述跟光纤连接的输入端，其两侧波导与槽缝层的总宽度小于500纳米，随着尺寸的缩小，模场在端口处离域化，模场尺寸变大，增加了端口处模场跟光纤中模场的交叠，减少了耦合损耗。
所述的槽缝式低耗光波导耦合器，其还包括包覆层，包覆层包覆于光波导耦合器外周面，在本文特定的槽缝端口宽ws＝200纳米(一般选取200—300纳米)，两侧波导端头各宽wH＝75纳米(一般选取75—100纳米)，高h＝300纳米(一般选取300—350纳米)尺寸下，对于准TE模来说，包覆层用二氧化硅，槽缝中为空气，模式失配损耗仅仅为1.8dB。
所述的槽缝式低耗光波导耦合器，其槽缝波导中的狭缝部分随着光场的传播越来越小，最后将光完全耦合进两侧的波导，从而跟输出端连接的300纳米的波导达到耦合。
所述的槽缝式低耗光波导耦合器，其耦合器的模式转换，对于准TE模来说，当耦合器长度大于90纳米以后，模式转换损耗将小于0.5分贝；对于准TM模来说，模式转换损耗忽略不计。
所述的槽缝式低耗光波导耦合器的制作方法，其包括步骤：
(1)首先清洗绝缘体上的硅片衬底；
(2)用4000转每分钟的转速将烘干的晶片放于匀胶机中旋涂光刻胶后，烘干；
(3)用电子束曝光工艺在晶片上进行光刻。光刻出槽缝和两侧的波导。我们选取的剂量是0.8～1.0。曝光后显影，定影，时间均为17.5～18秒。
(4)光刻完的绝缘体上的硅晶片在Alcate 601E系统上进行ICP刻蚀1分钟30秒——1分钟45秒。刻蚀出的晶片可以明显的看出槽缝层和两侧的波导。
(5)刻蚀完的片子用四氯化碳清洗去硅油，再按照步骤一清洗一遍，然后用氮气吹干，放入打胶机中去胶。
(6)去胶的片子在用PECVD淀积一层二氧化硅形成包覆层。
(7)用电子束曝光套刻工艺在片子上进行光刻，光刻出晶片的矩形台面，曝光后显影定影。
(8)经过二次ICP刻蚀形成台面。
(9)去胶清洗，打胶，同步骤五。
(10)将晶片划为三部分，波导两侧空白划掉，露出波导的两侧端面，并将中间波导部分抛光，进行损耗测试后，得成品。
所述的制作方法，其所述(1)步中，清洗绝缘体上的硅片衬底，是用去离子水冲洗，再用丙酮溶液在65℃温度下煮10分钟，用乙醇去除丙酮，再用去离子水冲洗后，以浓硫酸与双氧水混合液(4:1)煮10分钟，再用去离子水冲洗，然后用氮气吹干后，放入烘箱中在90℃温度下烘10分钟，烘干。
所述的制作方法，其所述(2)步中，光刻胶是厚胶，型号AR-P679.04，在烘片机上180℃温度下烘2分钟。
附图说明
图1是绝缘体上的硅基槽缝式光波导耦合器横截面示意图；
图2是准TE模水平分量Ex三维分布示意图(nH＝3.45，nc＝1.45，ns＝1.0，ws＝200纳米，wH＝75纳米，λo＝1.55微米)；
图3是准TE模水平分量Ex横向示意图(nH＝3.45，nc＝1.45，ns＝1.0，ws＝200纳米，wH＝75纳米，λo＝1.55微米)；
图4是准TM模水平分量Ey三维分布示意图(nH＝3.45，nc＝1.45，ns＝1.0，ws＝200纳米，wH＝75纳米，λo＝1.55微米)；
图5是准TM模水平分量Ey纵向示意图(nH＝3.45，nc＝1.45，ns＝1.0，ws＝200纳米，wH＝75纳米，λo＝1.55微米)；
图6是不同波导宽度情况下槽缝式波导端口处准TE模有效折射率随狭缝宽度的变化模拟图；
图7是不同波导宽度情况下槽缝式波导端口处准TE模与光纤模场的模场失配损耗随狭缝宽度的变化模拟图；
图8是准TE和准TM模式的模场传播损耗随耦合长度的变化模拟图(wH＝75纳米，ws＝200纳米)；
具体实施方式
为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及实施例对本发明作一详细的描述：
请参阅图1所示的绝缘体上的硅基槽缝式低耗光波导耦合器外形示意图。如图1所示，该器件使用绝缘体上的硅晶片，结构包括槽缝层，两侧波导，外包覆层(选取二氧化硅)。槽缝式的狭缝为楔形，槽缝端口宽，沿轴向向内渐窄，其中两侧波导，包覆层以及槽缝层的有效折射率分别为nH＝3.45，nc＝1.45，ns＝1.0，在本文特定的槽缝端口宽ws＝200纳米(一般选取200～300纳米)，两侧波导端头各宽wH＝75纳米(一般选取75～100纳米)，高h＝300纳米(一般选取300～350纳米)尺寸下，输出端连接的波导是300纳米。
本发明的槽缝式低耗光波导耦合器的制作方法，包括步骤：
(1)首先清洗绝缘体上的硅片衬底，，步骤是去离子水—丙酮65摄氏度煮10分钟—乙醇去除丙酮—去离子水—浓硫酸与双氧水混合液(4:1)煮10分钟—去离子水冲洗，然后用氮气吹干，再放入烘箱中90摄氏度10分钟烘干。
(2)用4000转每分钟的转速将烘干的绝缘体上的硅晶片放于匀胶机中旋涂光刻胶，所用的胶是厚胶，AR-P 679.04，任何在烘片机上180摄氏度20分钟烘干。
(3)用电子束曝光工艺在晶片上进行光刻。光刻出槽缝和两侧的波导。我们选取的剂量是0.8～1.0。曝光后显影，定影，时间均为17.5～18秒。
(4)光刻完的绝缘体上的硅晶片在Alcate 601E系统上进行ICP刻蚀1分钟30秒～1分钟45秒。刻蚀出的晶片可以明显的看出槽缝层和两侧的波导。
(5)刻蚀完的片子用四氯化碳清洗去硅油，再按照步骤一清洗一遍，然后用氮气吹干，放入打胶机中去胶。
(6)去胶的片子在用PECVD淀积一层二氧化硅形成包覆层。
(7)用电子束曝光套刻工艺在片子上进行光刻，光刻出晶片的矩形台面，曝光后显影定影。
(8)经过二次ICP刻蚀形成台面。
(9)去胶清洗，打胶，同步骤五。
(10)将晶片划为三部分，波导两侧空白划掉，露出波导的两侧端面，并将中间波导部分抛光，进行损耗测试后，得成品。
图2，图3是器件横截面准TE模的Ex的三维分布图和横向示意图，从图中可以看出模场在槽缝处的交叠。
图4，图5是器件横截面准TM模的Ey的三维分布图和横向示意图，从图中可以看出模场在槽缝处的交叠。
图6，图7是器件模场失配损耗模拟图，从图中可以看出，模场失配损耗是随着狭缝的变宽先减小后增加的，而且两侧波导的宽度越大，损耗越大。
图8是器件模场转换损耗模拟图，从图中可以看出，对于准TE模，模场转换损耗是随着耦合长度的变大而减小的，而对于准TM模，模场转换损耗基本可以忽略。
模拟结果表明，如果狭缝部分始终保持相同的宽度，这样的耦合器的耦合效率要比本发明的耦合器的耦合效率小一半。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种槽缝式低耗光波导耦合器，其特征在于，所述耦合器基于绝缘体上的硅衬底，包括两侧波导，槽缝；
在与光纤连接的输入端设有槽缝结构，光场在槽缝端口处有效折射率与标准光纤的有效折射率差距小于或等于0.05，提高了耦合效率、降低了耦合损耗；
在槽缝中，光场在低折射率材料中产生交叠，从而降低了模场的有效折射率，与光纤的折射率差距在小于或等于0.05，光场沿在z方向传播，逐渐分散到两侧波导中，最终完全进入两侧的波导中，从而与后端连接的光波导达到良好的耦合。
2.根据权利要求1所述的耦合器，其特征在于，所述槽缝为楔形，槽缝端口宽，沿轴向向内渐窄，对于准TM来说，包覆层和槽缝中为空气时，模式失配损耗为1dB。
3.根据权利要求1所述的耦合器，其特征在于，所述与光纤连接的输入端，其两侧波导与槽缝层的总宽度小于500纳米，随着尺寸的缩小，模场在端口处离域化，模场尺寸变大，增加了端口处模场跟光纤中模场的交叠，减少了耦合损耗。
4.根据权利要求1所述的耦合器，其特征在于，所述还包括包覆层，包覆层包覆于光波导耦合器外周面，槽缝端口宽为200—300纳米，两侧波导端头宽为75—100纳米，高为300一350纳米，对于准TE模来说，包覆层用二氧化硅，槽缝中为空气，模式失配损耗为1.8dB。
5.根据权利要求1所述的耦合器，其特征在于，所述槽缝随着光场的传播越来越小，最后将光完全耦合进两侧的波导，从而跟输出端连接的300纳米的波导达到耦合。
6.根据权利要求1所述的耦合器，其特征在于，所述耦合器的模式转换，对于准TE模来说，当耦合器长度大于90纳米以后，模式转换损耗将小于0.5分贝；对于准TM模来说，模式转换损耗忽略不计。
7.一种槽缝式低耗光波导耦合器的制作方法，其特征在于，包括步骤：
(1)首先清洗绝缘体上的硅片衬底；
(2)用4000转每分钟的转速将烘干的晶片放于匀胶机中旋涂光刻胶后，烘干；
(3)用电子束曝光工艺在晶片上进行光刻。光刻出槽缝和两侧的波导；选取的剂量是0.8～1.0；曝光后显影，定影，时间均为17.5～18秒；
(4)光刻后的绝缘体上的硅晶片在Alcate 601E系统上进行ICP刻蚀1分钟30秒～1分钟45秒；
(5)将刻蚀完的片子用四氯化碳清洗去硅油，再清洗一遍，然后用氮气吹干，放入打胶机中去胶；
(6)去胶的片子在用PECVD淀积一层二氧化硅形成包覆层；
(7)用电子束曝光套刻工艺在片子上进行光刻，光刻出晶片的矩形台面，曝光后显影定影；
(8)经过二次ICP刻蚀形成台面；
(9)去胶清洗，打胶，同步骤(5)；
(10)将晶片划为三部分，将波导两侧空白划掉，露出波导的两侧端面，并将中间波导部分抛光，进行损耗测试后，完成耦合器的制作。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述(1)步骤中，清洗绝缘体上的硅片衬底，是用去离子水冲洗，再用丙酮溶液在65℃温度下煮10分钟，用乙醇去除丙酮，再用去离子水冲洗后，以浓硫酸与双氧水混合液(4:1)煮10分钟，再用去离子水冲洗，然后用氮气吹干后，放入烘箱中在90℃温度下烘10分钟，烘干。
9.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述(2)步中，光刻胶是厚胶，型号AR-P 679.04，在烘片机上180℃温度下烘20分钟。
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2007
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