CN102486550B - 硅基复合介质模斑转换器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅基复合介质模斑转换器及其制备方法。该模斑转换器在沿光传输方向上交替由硅和氧化硅两种材料按不同的组分比例排列在一起，构成周期结构。通过两种材料组分比例的变化实现模斑转换器等效折介质射率的变化，进而实现光斑模场从光纤端到硅微纳波导端的逐渐转变。该复合介质模斑转换器具有波长不敏感的性质，且其制作方法能够更好的与传统工艺相兼容，可重复制作性高。
Description
技术领域
本发明涉及集成光电子技术领域，特别涉及一种硅基复合介质模斑转换器及其制备方法。
背景技术
光子器件的发展趋势是小型化、集成化。由于硅与氧化硅两种材料的折射率差接近2，使得基于绝缘体上硅(SOI)衬底的硅波导对光场有很强的限制作用，单模传输的硅波导仅有几百纳米，拐弯半径也仅在微米级，这使得光子器件的小型化、集成化成为可能。且由于硅纳米波导中光功率密度能够很高，与玻璃光纤相比非线性效应能够增加几个数量级，可用于实现光通信中的变频、混频功能。此外，基于SOI衬底的光子器件便于与CMOS工艺兼容，能够实现光子器件和电子器件的集成，便于批量化生产，降低成本。
但是，基于硅基的微纳光子器件并没有在实际通信系统中大规模应用，这其中的一个主要原因就是由于微纳光波导和普通光纤它们各自传导的光斑模场不同。在连接时，模场的失配会产生严重的耦合损耗。通常情况下，单模硅基微纳光波导模场尺寸在几百纳米，而单模光纤模场尺寸则在10微米左右，如果不加特殊处理直接将硅基微纳波导与光纤对接耦合，将会有20dB以上的能量损耗。因此，长久以来光纤与硅基微纳光波导的高效耦合连接一直是集成光电子学领域中的一个技术问题。
国内外研究人员针对这一问题提出了多种解决方法，通常采用的有正向椎形模斑转换器、反向椎形模斑转换器、光栅耦合器。但是这些结构或多或少还存在一些问题，比如：正向锥形耦合器需要在三维空间实现波导尺寸大的变化，无论是采用灰度光刻亦或其他方法其工艺加工难度都很大；反向锥形耦合器因为尖端需要从几百纳米的尺寸连续变化到几十纳米，这对加工设备要求很高，且由于尺寸是连续降低侧壁刻蚀粗糙度产生的影响将不可忽略，这又使得其加工重复性面临考验；光栅耦合器由于其耦合机理使得其本身是一种波长敏感型器件，这使得一种结构的光栅耦合器往往只适合于固定带宽的光谱，使用时会带来一定的局限性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种硅基复合介质模斑转换器及其制备方法，以克服上述耦合器件或波长敏感或制作上的困难，解决在微纳光波导与光纤之间高效耦合连接的技术问题。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种硅基复合介质模斑转换器，该模斑转换器具有一芯层及一包层，该包层包覆于该芯层，该芯层由硅和氧化硅两种材料构成；在沿光的传输方向上硅和氧化硅两种材料交替排列构成周期结构，在每个周期内硅和氧化硅两种材料的组分比例发生变化。
上述方案中，在该模斑转换器与微纳光波导的连接端，硅材料在周期结构中占主要成分；在该模斑转换器与光纤的连接端，氧化硅材料在周期结构中占主要成分；从与微纳光波导的连接端到与光纤的连接端，硅材料逐渐减少，氧化硅材料逐渐增多，硅与氧化硅材料在周期结构中的比例呈单调线性变化。
上述方案中，所述芯层是通过以下方式制作的：首先通过光刻定义出渐变结构的周期尺寸以及每个周期中硅材料所占的尺寸，经过干法刻蚀制备出硅结构，再经过氧化工艺填满周期结构中硅材料的空隙部分制备出氧化硅结构。
上述方案中，所述包层是通过高温氧化生长氧化硅，再经过平坦化工艺制成的。
为达到上述目的，本发明还提供了一种制作硅基复合介质模斑转换器的方法，该方法包括：
步骤1：制作模斑转换器芯层硅结构；
步骤2：制作模斑转换器芯层氧化硅结构；以及
步骤3：制作模斑转换器包层。
上述方案中，所述步骤1包括：首先在SOI衬底上经光刻定义出复合介质结构的周期长度以及在每个周期中硅结构所占的尺寸大小，再经干法刻蚀在SOI衬底的顶层硅上制作出复合介质模斑转换器芯层中的硅结构。所述复合介质结构的周期长度A＝300nm，所述硅结构尺寸分别为30、50......250、270nm。
上述方案中，所述步骤2包括：将所述模斑转换器芯层硅结构的图形衬底进行氧化，一段时间后，芯层中硅结构的间歇将被氧化硅填满形成复合介质模斑转换器芯层中的氧化硅结构，该氧化硅结构与模斑转换器芯层硅结构一同构成复合介质模斑转换器的芯层材料。所述氧化硅的尺寸为270、250......50、30nm。
上述方案中，所述步骤3包括：继续生长氧化硅达到设计厚度，然后再经表面平坦化形成氧化硅上包层。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有如下有益的技术效果：
本发明提供的模斑转换器的工作机理决定了其具有波长不敏感的特性，可以工作于更宽的光谱范围；该模斑转换器的结构只在一维空间上发生渐变，降低了工艺加工难度；而且由于这是一种离散的渐变方式，因而减少了侧壁粗糙度对波导导光效果的影响，克服了耦合器件或波长敏感或制作上的困难，解决了在微纳光波导与光纤之间高效耦合连接的技术问题。
附图说明
图1为复合介质模斑转换器结构示意图。
图2为复合介质模斑转换器芯层硅结构制作示意图。
图3为复合介质模斑转换器芯层氧化硅结构制作示意图。
图4位复合介质模斑转换器芯层结构俯视图。
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。
复合介质模斑转换器在沿光传输方向上交替由硅和氧化硅两种材料组成周期排列的、组分渐变的结构。该结构基于等效介质理论实现光斑模场的转换。等效介质理论指出当几种材料组成的结构小于其中传输的光波波长时，构成该结构的几种材料可视为一种均一化的等效介质材料。各种材料在结构中所占的比例决定了等效介质材料的特性。因此，复合介质模斑转换器在连接微纳光波导端硅材料占主要组分，在连接光纤端氧化硅材料占主要成分。其间，通过逐渐改变两种材料的组分，使得由这两种材料构成的模斑转换器的等效介质折射率发生改变，进而改变光波导对光场的限制能力，调节光斑模场的尺寸大小，实现光斑模场从微纳光波导到光纤的转变。
图1给出了该模斑转换器的一种典型应用，即光从硅基微纳光波导经过模斑转换器耦合到普通单模光纤中。图中101为硅微纳光波导区，在101末端的102为复合介质模斑转换区，103为标准单模光纤，104和109分别是光纤芯层和包层，101与102一同制作在105所示的SOI衬底上。106所示的虚线结构为波导芯层硅材料，这既是101中的硅芯层也是指102中的芯层硅材料。107所示的是106结构间隙它是102芯层中的氧化硅材料。106与107一同构成复合介质模斑转换器的芯层。它们在沿光传输的方向上构成周期的结构，且在每个周期内，106与107的比例不同。108为微纳光波导与模斑转换器的氧化硅外包层。实际中波长为1550nm的光从101进入到102，在102中随着106的组分逐渐减少，107的组分逐渐增多，光场在102中的束缚能力逐渐变弱，光场尺寸逐渐变大。光达到102末端时，相较在101中此时的光场和103中的匹配度提高，这就减少了因为模式失配造成的能量损耗，耦合效率得到提高。同理，当光从103向101传输时，光场在102中经历了一个与上述相反的变化过程光斑模场逐渐变小，同样起到提高模场匹配度增加耦合效率的结果。
图2至图4示出了本发明提供的制作硅基复合介质模斑转换器的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：模斑转换器芯层硅结构的制作。如图2所示。首先在SOI衬底203上经光刻定义出复合介质结构的周期长度202以及在每个周期中硅材料所占的尺寸大小。在本实施例中，取周期长度Λ＝300nm，各周期中的硅结构尺寸分别为30、50......250、270nm。再经干法刻蚀在203的顶层硅上制作出复合介质模斑转换器芯层中的硅结构201。
步骤2：模斑转换器芯层氧化硅结构的制作。如图3所示。将步骤1中所获得的图形衬底进行氧化，一段时间后，上述芯层中硅结构的间歇将被氧化硅填满形成复合介质模斑转换器芯层中的氧化硅结构，如301所示。本实施例中氧化硅尺寸相应为270、250......50、30nm。它与201一同构成复合介质模斑转换器的芯层材料形成303所示的空间周期排列。
步骤3：模斑转换器包层的制作。继续生长氧化硅达到设计厚度后再经表面平坦化形成氧化硅上包层如图302所示。
图4给出了复合介质模斑转换器芯层结构顶视图。401为芯层中硅材料，402为芯层中氧化硅材料。在沿光传输方向上它们一同构成一维周期结构(周期长度Λ)，在连接微纳光波导端401占主要成份，在连接光纤端402占主要成份。
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 (9)
1.一种硅基复合介质模斑转换器，其特征在于，该模斑转换器具有一芯层及一包层，该包层包覆于该芯层，该芯层由硅和氧化硅两种材料构成；在沿光的传输方向上硅和氧化硅两种材料交替排列构成周期结构，在每个周期内硅和氧化硅两种材料的组分比例发生变化；
其中，在该模斑转换器与微纳光波导的连接端，硅材料在周期结构中占主要成分；在该模斑转换器与光纤的连接端，氧化硅材料在周期结构中占主要成分；通过逐渐改变硅和氧化硅这两种材料的组分，使得由这两种材料构成的模斑转换器的等效介质折射率发生改变，进而改变光波导对光场的限制能力，调节光斑模场的尺寸大小，实现光斑模场从微纳光波导到光纤的转变。
2.根据权利要求1所述的硅基复合介质模斑转换器，其特征在于，从与微纳光波导的连接端到与光纤的连接端，硅材料逐渐减少，氧化硅材料逐渐增多，硅与氧化硅材料在周期结构中的比例呈单调线性变化。
3.根据权利要求1所述的硅基复合介质模斑转换器，其特征在于，所述芯层是通过以下方式制作的：
首先通过光刻定义出渐变结构的周期尺寸以及每个周期中硅材料所占的尺寸，经过干法刻蚀制备出硅结构，再经过氧化工艺填满周期结构中硅材料的空隙部分制备出氧化硅结构。
4.根据权利要求1所述的硅基复合介质模斑转换器，其特征在于，所述包层是通过高温氧化生长氧化硅，再经过平坦化工艺制成的。
5.一种制作权利要求1所述硅基复合介质模斑转换器的方法，其特征在于，该方法包括：
步骤1：制作模斑转换器芯层硅结构；
步骤2：制作模斑转换器芯层氧化硅结构；以及
步骤3：制作模斑转换器包层；
其中，在该模斑转换器与微纳光波导的连接端，硅材料在周期结构中占主要成分；在该模斑转换器与光纤的连接端，氧化硅材料在周期结构中占主要成分；通过逐渐改变硅和氧化硅这两种材料的组分，使得由这两种材料构成的模斑转换器的等效介质折射率发生改变，进而改变光波导对光场的限制能力，调节光斑模场的尺寸大小，实现光斑模场从微纳光波导到光纤的转变。
6.根据权利要求5所述的制作硅基复合介质模斑转换器的方法，其特征在于，所述步骤1包括：
首先在SOI衬底上经光刻定义出复合介质结构的周期长度以及在每个周期中硅结构所占的尺寸大小，再经干法刻蚀在SOI衬底的顶层硅上制作出复合介质模斑转换器芯层中的硅结构。
7.根据权利要求6所述的制作硅基复合介质模斑转换器的方法，其特征在于，所述复合介质结构的周期长度Λ=300nm。
8.根据权利要求5所述的制作硅基复合介质模斑转换器的方法，其特征在于，所述步骤2包括：
将所述模斑转换器芯层硅结构的图形衬底进行氧化，一段时间后，芯层中硅结构的间歇将被氧化硅填满形成复合介质模斑转换器芯层中的氧化硅结构，该氧化硅结构与模斑转换器芯层硅结构一同构成复合介质模斑转换器的芯层材料。
9.根据权利要求5所述的制作硅基复合介质模斑转换器的方法，其特征在于，所述步骤3包括：
继续生长氧化硅达到设计厚度，然后再经表面平坦化形成氧化硅上包层。
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| Date | Code | Title | Description |
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| GR01 | Patent grant |