CN101995609A - 绝缘体上硅的缓变阶梯型波导光栅耦合器及制作方法 - Google Patents

Abstract

一种绝缘体上硅的波导光栅耦合器，所述耦合器采用绝缘体上硅材料，包括：一衬底；一限制层，该限制层制作在衬底上；一波导层，该波导层制作在限制层上，该波导层上面的一端横向制作有衍射光栅；一光子器件，该光子器件的光发射端或接收端置于波导层上的衍射光栅的上方。

Description

绝缘体上硅的缓变阶梯型波导光栅耦合器及制作方法

技术领域

本发明涉及光子器件技术领域，是一种光栅波导耦合器，该光栅耦合器的结构可有效降低光纤和亚微米波导间的耦合损耗，易于实现高密度光器件集成和光芯片的片上测试，广泛应用于光通讯，芯片间光互连、光芯片检测以及高速硅电光集成中。

背景技术

进入新世纪以来，随着微纳光电集成技术的不断发展，芯片的集成度越来越高，器件的尺寸不断缩小，用于传输光信号的波导逐渐缩小到了亚微米尺度。在用于通信波段的众多光波导材料中，绝缘体上硅材料由于波导层有强大的光限制能力，易于制作亚微米级别的低损耗光波导；同时制备工艺与微电子集成电路工艺兼容，大大减少了制备光电芯片的成本，使之成为实现高密度光电集成芯片的最有竞争力的材料之一。然而，随着绝缘体上硅光波导尺寸的缩小，波导中的光的模斑尺寸也变得小于1μm，而光纤中的模斑尺寸为8-10μm，二者之间模斑尺寸、有效折射率的失配将导致辐射模以及背反射的出现，光从光纤进入这种小尺寸的波导经常会带来很大的损耗，这给器件的在线测试、后续的封装等带来了很大的困难，芯片的性能也受到了局限。因此在集成光电子学领域，虽然绝缘体上硅亚微米波导能够用于制作各种高集成度、高性能的光电器件，但光波导与用于输入输出光的光子器件之间的耦合问题是一直是一个亟待解决的课题。

近些年来，光栅耦合器由于对准容差大，易实现芯片在线测试，不需要后续的抛光工艺等优势成为了解决耦合问题的重要途径之一。目前普通均匀周期光栅耦合器(占空比为0.5)已经可以实现与光纤的垂直耦合，但耦合效率较低。锯齿型的闪耀光栅耦合器，由于光栅的横截面形状类似于反射镜结构，能将波导中大部分的光沿垂直波导的方向，向上衍射进入光纤中，耦合效率非常高，但由于制作上需要用到灰度曝光、倾斜端面反应离子刻蚀等工艺，工艺容差小，制作成本较高，而且与标准的微电子集成电路工艺不兼容。

发明内容

本发明的目的在于提供一种绝缘体上硅的缓变阶梯型波导光栅耦合器及其制作方法，其可易于实现高密度光器件集成和光芯片的片上测试，广泛应用于光通讯，芯片间光互连、光芯片检测以及高速硅电光集成中。

本发明提供一种绝缘体上硅的波导光栅耦合器，所述耦合器采用绝缘体上硅材料，包括：

一衬底；

一限制层，该限制层制作在衬底上；

一波导层，该波导层制作在限制层上，该波导层上面的一端横向制作有衍射光栅；

一光子器件，该光子器件的光发射端或接收端置于波导层上的衍射光栅的上方。

本发明还提供一种绝缘体上硅的缓变阶梯型波导光栅耦合器的制作方法，以制作3级台阶，台阶高度逐渐增加，且台阶高度差值固定的缓变阶梯型波导光栅耦合器为例，制作方法包括如下步骤：

步骤1：在衬底上依次制作限制层和波导层，形成绝缘体上硅晶片；

步骤2：清洗绝缘体上硅晶片表面的波导层，烘干；

步骤3：将烘干的绝缘体上硅晶片放入匀胶机中，在波导层上旋涂电子束光刻胶层，前烘；

步骤4：采用电子束曝光工艺对绝缘体上硅晶片表面的电子束光刻胶进行曝光，形成亚微米波导、锥形波导的光刻胶掩膜图形；

步骤5：采用感应耦合等离子体刻蚀技术，形成亚微米波导、锥形波导；

步骤6：采用多次电子束曝光工艺和感应耦合等离子体刻蚀技术，形成衍射光栅；

步骤7：将刻蚀完成的绝缘体上硅晶片去胶清洗；

步骤8：将一光子器件置于靠近波导层上的衍射光栅的上部，完成光栅耦合器的制作。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明的结构和特征作进一步的详细描述，其中：

图1是绝缘体上硅的缓变阶梯型波导光栅耦合器的截面示意图；

图2是绝缘体上硅的缓变阶梯型波导光栅耦合器的结构三维示意图；

图3是绝缘体上硅的缓变阶梯型波导光栅耦合器的材料结构和光栅结构示意图；

图4(a)-(o)是绝缘体上硅的缓变阶梯型波导光栅耦合器的光栅单元的各种结构形式图。

图5(a)-(i)是为制作图1、图2、图3和图4所示的绝缘体上硅的缓变阶梯型波导光栅耦合器中的光栅与波导的工艺流程示意图。

具体实施方式：

请参阅图1、图2和图3所示，本发明提供一种绝缘体上硅的缓变阶梯型波导光栅耦合器，所述耦合器采用绝缘体上硅材料，包括：

一衬底7；该衬底为绝缘体上硅的衬底，波导层与限制层均制作在该衬底上。

一限制层6，该限制层6制作在衬底7上；限制层6的厚度大于1μm；该限制层为绝缘体上硅的限制层，其折射率小于波导层，可以对波导层中的光起限制作用；

一波导层5，该波导层5制作在限制层6上，该波导层5上面的一端横向制作有衍射光栅3，该波导层5的厚度小于1μm；该波导层5包括：亚微米波导1、锥形波导2和衍射光栅3；

亚微米波导1，该亚微米波导1为矩形体；所述亚微米波导1的宽度小于1μm；

一锥形波导2，该锥形波导2为梯形，该锥形波导2的窄端与亚微米波导1连接；该锥形波导2的长度为50-500μm，宽度介于亚微米波导1与衍射光栅3的宽度之间，由于锥形波导2足够长，前两者之间的传输损耗可以忽略；但基于提高集成度的考虑，锥形波导的长度还应限制在一定范围内；亚微米波导1、锥形波导2的刻蚀深度为100-500nm。

衍射光栅3为亚微米量级的均匀周期光栅，衍射光栅3周期数为5-50，每个周期为光栅单元8，单个光栅单元8的周期长度500-700nm，光栅单元8的刻蚀深度为阶梯型分布的，最大刻蚀深度小于1μm，该光栅单元8的每个台阶的宽度是渐变的，分布在50-200nm范围内，光栅单元8的台阶个数大于2。由于该衍射光栅3制作在绝缘体上硅的波导层上，可以将光耦合出或者耦合入波导，耦合光的方向与波导表面近似垂直，如果将光子器件置于光栅上部，衍射光栅可以将波导中的光耦合出去，被光栅上部的光子器件接收；衍射光栅也可以将光子器件发出的光耦合进入波导。

光子器件4(如光纤、半导体激光器或探测器等)的光发射端或接收端靠近波导层5上的衍射光栅3，光子器件4的轴线与衍射光栅3表面法线方向倾斜小于15°的角度。

请参阅图4(a)-(o)所示，光栅单元8的结构形式可以为：(a)台阶个数可变型，台阶个数不小于3；(b)台阶高度逐渐增加，且台阶高度差值固定型；(c)台阶高度逐渐增加，且台阶高度差值逐渐增加型；(d)台阶高度逐渐增加，且台阶高度差值逐渐减小型；(e)台阶高度逐渐增加，且台阶高度差值非线性变化型；(f)台阶高度逐渐减小，且台阶高度差值固定型；(g)台阶高度逐渐减小，且台阶高度差值逐渐增加型；(h)台阶高度逐渐减小，且台阶高度差值逐渐减小型；(i)台阶高度逐渐减小，且台阶高度差值非线性变化型；(j)台阶高度先增加后减小型；(k)台阶高度先减小后增加型；(l)台阶宽度固定型；(m)台阶宽度逐渐增加型；(n)台阶宽度逐渐减小型；(o)台阶宽度非线性变化型。

缓变阶梯型光栅的特性类似与锯齿型闪耀光栅，本发明提出的绝缘体上硅的缓变阶梯型波导光栅耦合器能够实现光子器件与亚微米波导的高效耦合。缓变阶梯型光栅的结构可以有多种形式，比如多阶梯型，台阶高度间隔固定型等等，可以针对不同的应用进行设计。台阶型的光栅只需要几步光刻套刻与刻蚀工艺就可以完成制作，每个台阶的宽度可以通过每次光刻套刻的剂量来控制，台阶的刻蚀深度可以通过调整刻蚀时间来控制。由于台阶的刻蚀深度是分布式的，可以与不同刻蚀深度的波导一同制作完成，故缓变阶梯型波导光栅耦合器的适应性很强，可以实现光电器件与各种类型的波导的高效耦合。该波导光栅耦合器的制备工艺与标准的微电子集成电路工艺完全兼容，可以实现与其他绝缘体上硅光电器件的集成。

请再参阅图5，并配合参阅图1、图2和图3所示，本发明提供一种绝缘体上硅的缓变阶梯型波导光栅耦合器的制作方法。以制作3级台阶，台阶高度逐渐增加，且台阶高度差值固定的缓变阶梯型波导光栅耦合器为例，制作方法包括如下步骤：

步骤1：在衬底7上依次制作限制层6和波导层5，形成绝缘体上硅晶片；其中，波导层5的厚度小于1μm，限制层6的厚度大于1μm。波导层5的材料可以为硅、砷化镓等高折射率可用于制作光波导的材料，限制层6的材料可以为二氧化硅、氮化硅等低折射率限制层材料。

步骤2：清洗绝缘体上硅晶片表面的波导层5，烘干；

步骤3：将烘干的绝缘体上硅晶片放入匀胶机中，旋涂电子束光刻胶，前烘，涂胶转速为2000-5000每分钟，厚度约为200-600nm，前烘的温度为140-200℃，时间为14-20分钟；

步骤4：采用电子束曝光工艺对绝缘体上硅晶片表面的电子束光刻胶进行曝光，形成亚微米波导1、锥形波导2的光刻胶掩膜图形；其中，亚微米波导1宽度小于1μm，锥形波导的长度为50-500μm；

步骤5：采用感应耦合等离子体刻蚀技术，形成亚微米波导1、锥形波导2，亚微米波导1、锥形波导2的刻蚀深度小于1μm，刻蚀深度依据波导的设计，通过控制刻蚀时间来实现；

步骤6：采用多次电子束曝光工艺和感应耦合等离子体刻蚀技术，形成衍射光栅3；衍射光栅3宽度为8-20μm，衍射光栅3的面积为20-700μm²，适用于结构紧凑的光子集成；衍射光栅3为亚微米量级的均匀周期光栅，衍射光栅3周期数为5-50，每个周期为光栅单元8，单个光栅单元8的周期长度500-700nm，光栅单元8的刻蚀深度为阶梯型分布的，最大刻蚀深度小于1μm，该光栅单元8的每个台阶的宽度是渐变的，分布在50-200nm范围内，光栅单元8的台阶个数大于2；光栅单元8可以为台阶高度逐渐增加时，台阶高度差值为固定，或台阶高度差值为逐渐增加，或台阶高度差值为逐渐减小，或台阶高度差值为非线性变化；光栅单元8可以为台阶高度逐渐减小时，台阶高度差值为固定，或台阶高度差值为逐渐增加，或台阶高度差值为逐渐减小，或台阶高度差值为非线性变化；光栅单元8可以为台阶高度先增加后减小，或为台阶高度先减小后增加。光栅单元8可以为台阶宽度固定，或为台阶宽度逐渐增加，或为台阶宽度逐渐减小，或为台阶宽度非线性变化。由于光栅单元8的多层结构的刻蚀深度覆盖了波导层的各个刻蚀深度，所以不同类型的光栅单元8可以与不同类型的波导结构进行同步制作，从而既可以提高工艺容差，增加了光栅的应用范围，又减少了工艺成本。

制作3级台阶，台阶高度逐渐增加，且台阶高度差值固定的缓变阶梯型波导光栅，需3次电子束曝光工艺和3次感应耦合等离子体刻蚀，每次都通过保留上一次电子束曝光胶以及控制每次刻蚀时间的方式制作出3级阶梯，为表述方便，所述的衍射光栅3第3级台阶，为3阶梯光栅从下到上最高的那一级台阶，下述步骤中的第2级，第1级阶梯的说明同理；步骤6可具体分为如下分步骤：

步骤6(a)：清洗绝缘体上硅晶片表面的波导层5，烘干；

步骤6(b)：将烘干的绝缘体上硅晶片放入匀胶机中，在波导层5上旋涂电子束光刻胶层9(要求此光刻胶对硅的感应耦合等离子体刻蚀有很高的抗刻蚀性)，如图5(a)所示，涂胶转速为2000-5000每分钟，厚度约为200-600nm，前烘的温度为140-200℃，时间为14-20分钟；

步骤6(c)：采用电子束曝光工艺对绝缘体上硅晶片表面的电子束光刻胶层9进行曝光，如图5(b)所示，箭头代表电子束，发生变性的部分光刻胶用不同的图形表示，显影、定影完成后，形成衍射光栅3第3级台阶的光刻胶掩膜图形，如图5(c)所示；

步骤6(d)：采用感应耦合等离子体刻蚀技术，如图5(c)所示，箭头代表等离子体刻蚀方向，形成衍射光栅3第3级台阶，如图5(d)所示；

步骤6(e)：保留等离子体刻蚀后微米波导1、锥形波导2和衍射光栅3上部的电子束光刻胶层，如图5(d)所示，并用匀胶机在波导层上旋涂新的电子束光刻胶层10，转速为2000-5000每分钟，厚度约为200-600nm，前烘的温度为140-200℃，时间为14-20分钟；如图5(e)所示；

步骤6(f)：采用电子束曝光工艺对绝缘体上硅晶片表面的电子束光刻胶层10进行曝光，如图5(f)所示，箭头代表电子束，发生变性的部分光刻胶用不同的图形表示，显影、定影完成后，形成衍射光栅3第2级台阶的光刻胶掩膜图形，如图5(g)所示；

步骤6(g)；采用感应耦合等离子体刻蚀，在保留有电子束胶的波导和衍射光栅3上进行第二次刻蚀，如图5(g)所示，箭头代表等离子体刻蚀方向，由于保留的电子束光刻胶具有较强的抗刻蚀性，故可以完整的保留之前所做的波导和衍射光栅3的图形，只形成衍射光栅3第2级台阶，如图5(h)所示；

步骤6(h)；采用衍射光栅3第1级台阶的掩膜版，重复步骤6(e)-(g)，经电子束曝光和刻蚀工艺后，刻蚀形成衍射光栅3第1级台阶；

步骤6(i)：将刻蚀完成的绝缘体上硅晶片去胶清洗，最后得到3级台阶，台阶高度逐渐增加，且台阶高度差值固定的缓变阶梯型波导光栅耦合器如图5(i)所示；

步骤7：将一光子器件4置于靠近波导层5上的衍射光栅3的上部，完成光栅耦合器的制作；光子器件4(如光纤、半导体激光器或探测器等)的光发射端或接收端靠近波导层5上的衍射光栅3，光子器件4的轴线与衍射光栅3表面法线方向倾斜小于15°的角度。

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 (17)

1.一种绝缘体上硅的波导光栅耦合器，所述耦合器采用绝缘体上硅材料，包括：

一衬底；

一限制层，该限制层制作在衬底上；

一波导层，该波导层制作在限制层上，该波导层上面的一端横向制作有衍射光栅；

一光子器件，该光子器件的光发射端或接收端置于波导层上的衍射光栅的上方。

2.根据权利要求1所述的绝缘体上硅的波导光栅耦合器，其中所述的波导层包括：

一亚微米波导，该亚微米波导为矩形体；

一锥形波导，该锥形波导为梯形，该锥形波导的窄端与亚微米波导连接；

一衍射光栅，该衍射光栅为矩形体，该衍射光栅的一端与锥形波导的宽端连接。

3.根据权利要求1所述的绝缘体上硅的缓变阶梯型波导光栅耦合器，其中所述波导层的厚度小于1μm，限制层的厚度大于1μm；波导层的材料为硅、砷化镓高折射率可用于制作光波导的材料，限制层的材料为二氧化硅、氮化硅低折射率的限制层材料。

4.根据权利要求1所述的绝缘体上硅的缓变阶梯型波导光栅耦合器，其中所述亚微米波导、锥形波导的刻蚀深度为小于1μm，亚微米波导宽度小于1μm，锥形波导的长度为50-500μm。

5.根据权利要求1所述的绝缘体上硅的缓变阶梯型波导光栅耦合器，其中所述衍射光栅的宽度为8-20μm，衍射光栅的面积为20-700μm²，适用于结构紧凑的光子集成；衍射光栅为亚微米量级的均匀周期光栅，衍射光栅周期数为5-50，每个周期为光栅单元，单个光栅单元的周期长度500-700nm，光栅单元的刻蚀深度为阶梯型分布的，最大刻蚀深度小于1μm，该光栅单元的每个台阶的宽度是渐变的，分布在50-200nm范围内，光栅单元的台阶个数大于2。

6.根据权利要求1或5所述的绝缘体上硅的缓变阶梯型波导光栅耦合器，其中所述光栅单元为台阶高度逐渐增加时，台阶高度差值为固定，或台阶高度差值为逐渐增加，或台阶高度差值为逐渐减小，或台阶高度差值为非线性变化。

7.根据权利要求1或5所述的绝缘体上硅的缓变阶梯型波导光栅耦合器，其中所述光栅单元为台阶高度逐渐减小时，台阶高度差值为固定，或台阶高度差值为逐渐增加，或台阶高度差值为逐渐减小，或台阶高度差值为非线性变化。

8.根据权利要求1或5所述的绝缘体上硅的缓变阶梯型波导光栅耦合器，其中所述光栅单元为台阶高度先增加后减小，或为台阶高度先减小后增加。

9.根据权利要求1或5所述的绝缘体上硅的缓变阶梯型波导光栅耦合器，其中所述光栅单元为台阶宽度固定，或为台阶宽度逐渐增加，或为台阶宽度逐渐减小，或为台阶宽度非线性变化。

10.一种绝缘体上硅的缓变阶梯型波导光栅耦合器的制作方法，以制作3级台阶，台阶高度逐渐增加，且台阶高度差值固定的缓变阶梯型波导光栅耦合器为例，制作方法包括如下步骤：

步骤1：在衬底上依次制作限制层和波导层，形成绝缘体上硅晶片；

步骤2：清洗绝缘体上硅晶片表面的波导层，烘干；

步骤3：将烘干的绝缘体上硅晶片放入匀胶机中，在波导层上旋涂电子束光刻胶层，前烘；

步骤4：采用电子束曝光工艺对绝缘体上硅晶片表面的电子束光刻胶进行曝光，形成亚微米波导、锥形波导的光刻胶掩膜图形；

步骤5：采用感应耦合等离子体刻蚀技术，形成亚微米波导、锥形波导；

步骤6：采用多次电子束曝光工艺和感应耦合等离子体刻蚀技术，形成衍射光栅；

步骤7：将刻蚀完成的绝缘体上硅晶片去胶清洗；

步骤8：将一光子器件置于靠近波导层上的衍射光栅的上部，完成光栅耦合器的制作。

11.根据权利要求10所述的绝缘体上硅的缓变阶梯型波导光栅耦合器的制作方法，其中所述波导层的厚度小于1μm，限制层的厚度大于1μm；波导层的材料为硅、砷化镓高折射率可用于制作光波导的材料，限制层的材料为二氧化硅、氮化硅低折射率限制层材料。

12.根据权利要求10所述的绝缘体上硅的缓变阶梯型波导光栅耦合器的制作方法，其中所述亚微米波导、锥形波导的刻蚀深度小于1μm，亚微米波导宽度小于1μm，锥形波导的长度为50-500μm。

13.根据权利要求10所述的绝缘体上硅的缓变阶梯型波导光栅耦合器的制作方法，其中所述衍射光栅宽度为8-20μm，衍射光栅的面积为20-700μm²，适用于结构紧凑的光子集成；衍射光栅为亚微米量级的均匀周期光栅，衍射光栅周期数为5-50，每个周期为光栅单元，单个光栅单元的周期长度500-700nm，光栅单元的刻蚀深度为阶梯型分布的，最大刻蚀深度小于1μm，该光栅单元的每个台阶的宽度是渐变的，分布在50-200nm范围内，光栅单元的台阶个数大于2。

14.根据权利要求10或13所述的绝缘体上硅的缓变阶梯型波导光栅耦合器的制作方法，其中所述光栅单元为台阶高度逐渐增加时，台阶高度差值为固定，或台阶高度差值为逐渐增加，或台阶高度差值为逐渐减小，或台阶高度差值为非线性变化。

15.根据权利要求10或13所述的绝缘体上硅的缓变阶梯型波导光栅耦合器的制作方法，其中所述光栅单元为台阶高度逐渐减小时，台阶高度差值为固定，或台阶高度差值为逐渐增加，或台阶高度差值为逐渐减小，或台阶高度差值为非线性变化。

16.根据权利要求10或13所述的绝缘体上硅的缓变阶梯型波导光栅耦合器的制作方法，其中所述光栅单元为台阶高度先增加后减小，或为台阶高度先减小后增加。

17.根据权利要求10或13所述的绝缘体上硅的缓变阶梯型波导光栅耦合器的制作方法，其中所述光栅单元为台阶宽度固定，或为台阶宽度逐渐增加，或为台阶宽度逐渐减小，或为台阶宽度非线性变化。

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