CN101533128A - 一种硅纳米光波导与光纤的耦合封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光集成芯片的耦合封装技术领域的一种硅纳米光波导与光纤的耦合封装方法。为了实现硅纳米光波导与光纤的高效光耦合与简便封装，本发明提供一种硅纳米光波导和光纤的耦合封装方法，利用倒锥型模斑转换器实现硅纳米光波导中的小尺寸模斑向光纤的大尺寸模斑转换，并利用V型光纤定位槽的自对准特性实现硅纳米光波导与光纤的对准耦合和简便封装。本发明中倒锥形模斑转换器高效、宽带光耦合特性和光模场尺寸转换能力与SOI衬底特性、V型光纤定位槽相结合，实现波导与光纤的精确中心对准和高效光耦合，且光纤的固定封装工艺简便，非常适用于实际生产应用。

Description

一种硅纳米光波导与光纤的耦合封装方法

技术领域

本发明涉及光集成芯片的耦合封装技术领域，具体涉及一种硅纳米光波导与光纤的耦合封装方法。

背景技术

硅材料在光波长为1.31μm和1.55μm的光通信频段上是透明的，Si(硅)和SiO₂(二氧化硅)之间的高折射率差使得基于SOI(绝缘体上硅)衬底的硅波导对光场有极强的限制作用，可以限制在几百纳米的Si波导内，可以制成多功能、小型化、高密度集成的光子器件，同时具有与CMOS工艺兼容，能够实现光子器件和电子器件集成的优点，具有广阔的应用前景。然而，由于硅纳米波导的模斑尺寸在百纳米量级，单模光纤的模斑尺寸在8-9μm，两者之间的模场不仅存在着巨大的尺寸差异，模场形状也失配严重，而且各界面间折射率差失配也会带来额外的反射损耗，因此，硅纳米光波导和光纤之间可靠、高效、低成本的耦合与封装是光子器件应用的关键，是制约光子器件应用的主要障碍。

增强波导和光纤之间光耦合的方法有使用透镜光纤方法、光栅辅助非平面光耦合方法和采用模斑转换器等。使用透镜光纤能够缩小光纤模斑，但是与波导之间需要精确的对准，直接对准硅纳米光波导几乎是无法实现的。光栅辅助非平面光耦合方法利用一维或二维光栅从垂直芯片方向接近式光耦合，能够在片实现芯片上任何位置的光耦合，但由于光向衬底的衍射泄漏，以及光栅和光纤的模式失配，需要DBR反射镜衬底或不均匀光栅设计等，且光栅的与波长相关的属性决定了无法更大带宽的工作，光纤的入射角度要求苛刻，器件封装困难、可靠性差。模斑转换器可以实现硅纳米光波导中模场尺寸的变换，正锥形模斑转换器制作工艺复杂，且需要较长的尺寸渐变波导；反锥形模斑转换器能够更好地与CMOS工艺兼容，但是耦合损耗较大，仍需要光纤的精确对准，无法实现波导与光纤的可靠耦合与封装。V型槽是常用对准和固定光纤的基准，但单纯的V形槽无法满足硅纳米光波导和光纤之间的高效光耦合和可靠封装要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硅纳米光波导和光纤的耦合封装方法，实现硅纳米光波导与光纤的高效光耦合与简便封装。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种硅纳米光波导和光纤的耦合封装方法，其特殊之处在于：通过SOI衬底上的倒锥型模斑转换器将硅纳米光波导的小尺寸模斑转换成光纤的大尺寸模斑，并通过SOI衬底上的V型光纤定位槽将光纤与硅纳米光波导对准耦合。

上述倒锥形模斑转换器由宽度逐渐变细的锥形硅纳米光波导和设置于硅纳米光波导上的上层低折射率波导组成。

上述光纤的耦合端光纤头为锥形的透镜光纤。

上述硅纳米光波导的长度为100-300μm，锥尖宽度小于100nm。

上述上层低折射率波导通过采用光刻胶或金属为掩蔽的干法刻蚀形成，其厚度和宽度均为2～4μm，其材料为等离子体增强化学气相淀积或低压化学气相淀积生长的SiON或SiO₂。

上述光纤通过V型光纤定位槽使光纤中心与倒锥形模斑转换器中的上层低折射率波导中心对准。

上述V型光纤定位槽利用SOI衬底中的埋氧层作为V型光纤定位槽的腐蚀掩膜，V型光纤定位槽的腐蚀窗口图形与上层低折射率波导的图形在同一光刻掩膜版上，在刻蚀上层低折射率波导的过程中，同时刻蚀出V型光纤定位槽的腐蚀窗口，使V型光纤定位槽和上层低折射率波导在横向上精确对准。

上述V型光纤定位槽在V型光纤定位槽105腐蚀窗口外的埋氧层的掩蔽下，用各向异性湿法腐蚀液对腐蚀窗口内Si衬底材料进行腐蚀，通过控制腐蚀窗口的宽度w来控制光纤的垂直高度，使光纤与上层低折射率波导在纵向上精确对准；

当光纤的中心与上层低折射率波导的中心对准，V型槽腐蚀窗口的宽度w由以下公式计算得到： $w=\frac{\sqrt{6}}{2}d-\sqrt{2}(h+t),$ 其中光纤外径为d，埋氧层厚度为t，上层低折射率波导的中心高度为h。

上述光纤通过紫外固化胶和V型槽上盖板固定在V型光纤定位槽内。

上述上层低折射率波导和光纤的耦合端光纤头之间点滴折射率匹配液。

与现有技术相比，本发明技术方案产生的有益效果如下：

1、本发明中使用倒锥形模斑转换器，其高效、宽带光耦合特性和光模场尺寸转换能力与SOI衬底特性和V型光纤定位槽相结合，实现波导与光纤的精确中心对准和高效光耦合。

2、本发明中使用点滴折射率匹配液，可进一步减少界面反射损耗。

3、本发明中光纤的固定封装工艺简便，非常适用于实际生产应用。

4、本发明适用于阵列波导与光纤的高效耦合与简便封装。

附图说明

图1为本发明中硅纳米光波导和光纤的耦合封装结构示意图；

图2为本发明横截面示意图。

附图标记：

101-SOI衬底，102-埋氧层，103-硅纳米光波导，104-上层低折射率波导，

105-V型光纤定位槽，106-光纤，107-V型槽上盖板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

如图1所示，在(100)晶面的SOI衬底101上制作硅纳米光波导103，硅纳米光波导103在对光纤106耦合的一端宽度逐渐变细，从耦合端向硅纳米光波导103内看去呈宽度渐变的倒锥形，渐变的硅纳米光波导长度为100μm，锥尖宽度小于100nm。通过等离子体增强化学气相淀积或低压化学气相淀积生长3μm厚的SiON介质，采用光刻胶或金属为掩蔽刻蚀上层介质，形成上层低折射率波导104，使得在硅纳米光波导103中传播的模场在渐变处逐渐脱离硅纳米光波导的限制，而扩散进入其上的上层低折射率波导104，从而完成硅纳米光波导中的纳米尺寸模场到上层低折射率波导中的微米尺寸模场的转换。由硅纳米光波导103和上层低折射率波导104组成倒锥形模斑转换器，实现光模场尺寸的转换功能。

V型光纤定位槽105的腐蚀窗口图形与上层低折射率波导104的图形制作在同一掩膜版上，实现V型光纤定位槽105与上层低折射率波导104在横向上的精确对准。制作上层低折射率波导104时，刻蚀SiON介质以及SOI衬底101的埋氧层102，同时刻蚀露出V型光纤定位槽105的腐蚀窗口。之后以V型光纤定位槽105腐蚀窗口外的埋氧层为掩蔽，采用各向异性湿法腐蚀液腐蚀V型光纤定位槽105，利用SOI衬底(111)晶面的腐蚀自停止特性，通过控制V型光纤定位槽105腐蚀窗口的宽度实现锥形光纤106与上层低折射率波导104在纵向上的精确对准。

锥形光纤106放置在V型光纤定位槽105内，使用V型槽上盖板107和紫外固化胶固定光纤。在上层低折射率波导104和锥形光纤106的锥形头之间点滴折射率匹配液，进一步较少折射率失配造成的界面反射损耗。

如图2所示，在(100)晶面的SOI衬底101上，锥形光纤106和V型光纤定位槽105均沿<110>晶向，各向异性湿法腐蚀SOI衬底101，V型光纤定位槽的两个斜面为(111)晶面，槽底面为(100)面，(111)晶面与(100)晶面的夹角θ为54.74°，(111)晶面的腐蚀速度远小于(100)面，随着腐蚀的进行槽底面逐渐缩小，最终形成V型槽，控制V型槽腐蚀窗口的宽度w可以实现对光纤中心纵向位置的精确控制。设光纤外径为d，埋氧层厚度为t，上层低折射率波导104的中心高度为h，若要控制光纤定位槽105内的光纤中心与上层低折射率波导104的中心对准，则V型槽腐蚀窗口的宽度w由以下公式计算得到： $w=\frac{\sqrt{6}}{2}d-\sqrt{2}(h+t).$

本发明不仅适用于单通道波导和光纤的耦合封装，同时适用于阵列波导和光纤的耦合封装。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1、一种硅纳米光波导和光纤的耦合封装方法，其特征在于：通过SOI衬底上的倒锥型模斑转换器将硅纳米光波导的小尺寸模斑转换成光纤的大尺寸模斑，并通过SOI衬底上的V型光纤定位槽将光纤与硅纳米光波导对准耦合。

2、如权利要求1中所述的硅纳米光波导和光纤的耦合封装方法，其特征在于：所述倒锥形模斑转换器由宽度逐渐变细的锥形硅纳米光波导和设置于硅纳米光波导上的上层低折射率波导组成。

3、如权利要求1中所述的硅纳米光波导和光纤的耦合封装方法，其特征在于：所述光纤的耦合端光纤头为锥形的透镜光纤。

4、如权利要求2中所述的硅纳米光波导和光纤的耦合封装方法，其特征在于：所述硅纳米光波导的长度为100-300μm，锥尖宽度小于100nm。

5、如权利要求2中所述的硅纳米光波导和光纤的耦合封装方法，其特征在于：所述上层低折射率波导通过采用光刻胶或金属为掩蔽的干法刻蚀形成，其厚度和宽度均为2～4μm，其材料为等离子体增强化学气相淀积或低压化学气相淀积生长的SiON或SiO₂。

6、如权利要求1中所述的硅纳米光波导和光纤的耦合封装方法，其特征在于：所述光纤通过V型光纤定位槽使光纤中心与倒锥形模斑转换器中的上层低折射率波导中心对准。

7、如权利要求1中所述的硅纳米光波导和光纤的耦合封装方法，其特征在于：所述V型光纤定位槽利用SOI衬底中的埋氧层作为V型光纤定位槽的腐蚀掩膜，在刻蚀上层低折射率波导的过程中，同时刻蚀出V型光纤定位槽的腐蚀窗口，使V型光纤定位槽和上层低折射率波导在横向上精确对准。

8、如权利要求7中所述的硅纳米光波导和光纤的耦合封装方法，其特征在于：所述V型光纤定位槽在V型光纤定位槽105腐蚀窗口外的埋氧层的掩蔽下，用各向异性湿法腐蚀液对腐蚀窗口进行腐蚀，通过控制腐蚀窗口的宽度w来控制光纤的垂直高度，使光纤与上层低折射率波导在纵向上精确对准；

当光纤的中心与上层低折射率波导的中心对准，V型槽腐蚀窗口的宽度w由以下公式计算得到： $w=\frac{\sqrt{6}}{2}d-\sqrt{2}(h+t),$ 其中光纤外径为d，埋氧层厚度为t，上层低折射率波导的中心高度为h。

9、如权利要求1中所述的硅纳米光波导和光纤的耦合封装方法，其特征在于：所述光纤通过紫外固化胶和V型槽上盖板固定在V型光纤定位槽内。

10、如权利要求2中所述的硅纳米光波导和光纤的耦合封装方法，其特征在于：所述上层低折射率波导和光纤的耦合端光纤头之间点滴折射率匹配液。

Images