CN101587207A - 一种提高波导与光纤耦合效率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种提高波导与光纤耦合效率的方法。该方法包括，在制作好的波导表面淀积二氧化硅，将波导完全包裹住，然后刻蚀二氧化硅至衬底硅，形成二氧化硅波导包裹硅波导的耦合端结构，然后将衬底硅向内刻蚀10微米至50微米，形成10微米至50微米的二氧化硅波导包裹硅波导的悬空耦合端结构。本发明有效地提高了耦合结构对光场的限制能力，降低了倒锥形耦合结构端头的弥散损耗，消除了光场扩散后向衬底的泄漏损耗，提高与光纤的耦合效率。

Description

一种提高波导与光纤耦合效率的方法
技术领域
本发明涉及一种通过刻蚀制作二氧化硅波导和刻蚀耦合端衬底硅来提高硅基纳米线波导与光纤的耦合效率的方法。
背景技术
传统的硅基大截面波导由于其弯曲半径大(几百微米至毫米量级)，不能在单个SOI片上集成多个光学功能器件，限制了大规模集成光路的发展，因此，硅基纳米线波导引起人们的重视和研究。随着硅基波导截面越来越小，波导与光纤之间光信号的耦合越来越困难，硅基纳米线波导的截面面积在0.1um2量级，而单模光纤的芯径为254.5um2，不考虑端面的反射损耗，两者之间的耦合损耗就大于15dB，这在实际应用中是无法接受的。
为了解决纳米线波导与光纤的耦合问题，目前常用的方法是：一方面将单模光纤制作成锥形光纤，减小光纤的模场面积，另一方面是将硅基纳米线波导的端头制成倒锥形(inversed taper)结构，增大波导端面的模场面积，使两者之间的模场能够尽可能的匹配来提高耦合效率。通常在将波导(包括倒锥形端头)制作完成后会再淀积一层二氧化硅保护波导，该结构相当于一个埋在平板介质里的纳米线波导与光纤的耦合，会有较大的光场向平板区泄漏。同时由于SOI片的埋层二氧化硅厚度在1至3um左右，而锥形光纤的出射模场半径也在2um左右，因此，由光纤向波导耦合时会有部分的光信号向衬底硅泄漏，造成衬底泄漏损耗。
发明内容
本发明提供了一种通过刻蚀制作二氧化硅波导和部分刻蚀衬底硅来提高纳米线波导与单模光纤之间的耦合效率的方法。该方法的主要特征是，在制作好的波导表面淀积二氧化硅，将波导完全包裹住，然后刻蚀二氧化硅至衬底硅，形成二氧化硅波导包裹硅波导的耦合端结构，然后将衬底硅向内刻蚀10至50um，形成10至50um二氧化硅波导包裹硅波导的悬空的耦合端结构，减小光纤向波导耦合时的衬底泄漏损耗。
具体地，本发明提出一种提高波导与光纤耦合效率的方法，包括以下步骤：
在纳米线波导顶层淀积二氧化硅；
对二氧化硅进行光刻和干法刻蚀，刻蚀二氧化硅至衬底；
在输入/输出端向内刻蚀衬底；
在输入/输出端的耦合结构处形成波导结构。
进一步，所述衬底为硅衬底。
进一步，所述波导结构为以空气为外包层、方形二氧化硅波导和被其包裹的纳米线倒锥形耦合波导为芯层。
进一步，所述二氧化硅波导位于输入/输出端，长度为100微米，其截面为方形。
进一步，在所述输入/输出端向内刻蚀硅衬底的刻蚀距离为10微米至50微米。
进一步，所述向内刻蚀硅衬底的方法为湿法刻蚀。
进一步，所述湿法刻蚀在KOH溶液中进行。
采用本发明提出的方法可以形成以空气为外包层、矩形二氧化硅波导和倒锥形波导共同组成芯层的波导结构，该结构有效的提高了耦合结构对光场的限制能力，降低了倒锥形耦合结构端头的弥散损耗，消除了光场扩散后向衬底的泄漏损耗；该耦合端结构为方形，其方形的光场分布与光纤的圆形光场分布可以较好匹配，光场失配损耗小，提高与光纤的耦合效率。
附图说明
图1(a)为纳米线波导器件制成后的整体示意图；
图1(b)为器件表面淀积二氧化硅后的整体示意图；
图1(c)为刻蚀二氧化硅后的整体示意图；
图1(d)为刻蚀衬底硅后的整体示意图；
图2(a)为未改进的耦合结构示意图；
图2(b)为改进后的耦合结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
图1(a)为纳米线波导器件制成后的整体示意图，纳米线波导制作于SOI晶片上，1为硅纳米线波导，制作于SOI晶片的顶层硅上，2为SOI晶片的埋层二氧化硅，该二氧化硅层厚度为1至3微米，3为SOI晶片的衬底硅。
图1(b)为器件表面淀积二氧化硅后的整体示意图，采用等离子体增强化学气相淀积PECVD工艺方法在制作好的纳米线波导1表面淀积，利用硅烷与一氧化二氮在350摄氏度反应生成二氧化硅，反应方程式如下：
SiH4(气态)+2N2O(气态)——SiO2(固态)+2N2(气态)+2H2(气态)。
在纳米线波导1表面生长一层厚度为1至3微米的上包层二氧化硅4，上包层4的厚度与埋层二氧化硅2的厚度相同或略厚。
制作刻蚀二氧化硅图形的光刻版，然后对包裹纳米线波导的二氧化硅层4、2进行光刻和刻蚀。采用反应离子刻蚀工艺对二氧化硅层4、2进行干法刻蚀，该刻蚀反应中采用CF4与H2的混合气体作为SiO2的刻蚀气体，其中H2在混合气体内的含量为混合气体体积的50％，该组分的CF4/H2混合气体对二氧化硅和硅的选择刻蚀比超过40∶1，刻蚀选择性较好。在等离子体环境中，CF4可以产生氟原子，氟原子与二氧化硅发生反应，从而刻蚀二氧化硅，反应方程式如下，
CF4+e-——CF3+F+e-
4F(自由基)+SiO2(固态)——SiF4(气态)+O2(气态)。
H2的作用是降低CF4与硅的反应速率，提高CF4对二氧化硅和硅的选择刻蚀比。该刻蚀过程一直刻蚀到硅衬底3，如图1(c)所示，在每一个输入/输出端均形成一定长度的矩形二氧化硅波导包裹硅纳米线波导的结构6。由于光纤内的光场分布是圆对称的，为提高耦合效率，耦合端的结构也应该是对称的，即刻蚀二氧化硅波导的截向为方形，其高度在2至6微米，宽度与高度值相等或相近。该二氧化硅波导包裹纳米线波导结构的长度为100微米左右。
将两个耦合端分别浸入硅的腐蚀液中，该腐蚀液为KOH质量比占23％和IPA质量比占13％的的碱性混合溶液，该腐蚀液对硅和二氧化硅具有很高的选择刻蚀比。该腐蚀液将与硅衬底发生反应，腐蚀硅衬底，顶层硅纳米线波导有二氧化硅层保护，不会被腐蚀液腐蚀。腐蚀硅衬底的反应方程式为如下，
Si+2KOH+H2O——K2SiO3+2H2
通过该刻蚀过程，分别在输入/输出端将硅衬底3向内刻蚀10至50微米。刻蚀完成后的整体结构如图1(d)所示，耦合波导结构6的一部分四周被空气包围，即在输入/输出端形成约10至50微米长的悬空结构。
改进后的耦合结构是以空气为外包层、方形二氧化硅波导和其包裹的倒锥形纳米线波导耦合结构共同作为芯层的波导结构，方形二氧化硅波导的截面高度为2至6微米，宽度与高度相同或相近。
图2(a)和图2(b)分别为改进前和改进后两种纳米线波导耦合结构与光纤耦合的的示意图。
纳米线波导采用的耦合结构为倒锥形耦合结构，该结构沿波导向耦合端头逐渐变窄。改进前的纳米线波导耦合结构如图2(a)所示，耦合结构被包裹在二氧化硅层2和4组成的平板结构内，倒锥形结构的端头很窄，宽度仅为50至100纳米左右，在倒锥形耦合结构的端头波导的有效折射率将与二氧化硅的有效折射率相近，该处波导对光场的限制变差，光场将向二氧化硅平板扩散，产生弥散损耗；耦合端头的光场向四周扩散，会有一部分光进入衬底，在衬底形成泄漏模，造成衬底泄漏损耗。光纤与波导的耦合效率可以通过下式计算，
η＝|∫∫fF(x，y)·fW(x，y)dxdy|2/(∫∫fF 2(x，y)dxdy·∫∫fw 2(x，y)dxdy).
其中fF(x，y)和fW(x，y)分别表示光纤的光场分布和波导的光场分布。由上式可以知道，光纤与波导的光场分布越相似，两者之间的耦合效率越高；反之，两者的光场分布差异越大，耦合效率就越低。光纤内的光场分布为圆形的，未改进的耦合结构中耦合端的倒锥形耦合结构被二氧化硅平板包裹，其光场分布与平板波导类似，即在竖直方向对光场有限制，在水平方向上没有限制，这使得光纤的光场分布与耦合端的光场分布不匹配，耦合时发生光场失配损耗，降低了耦合效率。
改进后的纳米线波导耦合结构如图2(b)所示，通过俯视图和剖面图可以看出，改进结构中把2、4构成的平板二氧化硅结构刻蚀成矩形二氧化硅包裹纳米线硅波导1的耦合结构6。耦合结构沿波导向端头逐渐变窄，光场逐渐扩展至波导外部，由于有矩形二氧化硅波导的存在，使得扩散出来的光场被限制在矩形二氧化硅波导内，而且由于衬底3被腐蚀了一部分，形成了以空气为外包层、矩形二氧化硅波导和倒锥形波导共同组成芯层的波导结构，该结构有效的提高了耦合结构对光场的限制能力，降低了倒锥形耦合结构端头的弥散损耗，消除了光场扩散后向衬底的泄漏损耗；该耦合端结构为方形，其方形的光场分布与光纤的圆形光场分布可以较好匹配，光场失配损耗小，提高与光纤的耦合效率。
虽然参照上述实施例详细地描述了本发明，但是应该理解本发明并不限于所公开的实施例，对于本专业领域的技术人员来说，可对其形式和细节进行各种改变。本发明意欲涵盖所附权利要求书的精神和范围内的各种变形。

Claims (7)

1、一种提高波导与光纤耦合效率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
在纳米线波导顶层淀积二氧化硅；
对二氧化硅进行光刻和干法刻蚀，刻蚀二氧化硅至衬底；
在输入/输出端向内刻蚀衬底；
在输入/输出端的耦合结构处形成波导结构。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述衬底为硅衬底。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述波导结构为以空气为外包层、方形二氧化硅波导和被其包裹的纳米线倒锥形耦合波导为芯层。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二氧化硅波导位于输入/输出端，长度为100微米，其截面为方形。
5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述输入/输出端向内刻蚀硅衬底的刻蚀距离为10微米至50微米。
6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述向内刻蚀硅衬底的方法为湿法刻蚀。
7、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述湿法刻蚀在KOH溶液中进行。
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