CN103033877A - 一种具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器，包括衬底、缓冲层、波导、锥形波导、光栅反射镜和光纤，光栅反射镜的反射面设有阶梯光栅，缓冲层固定连接在衬底的顶面，波导、锥形波导和光栅反射镜固定连接在缓冲层的顶面，锥形波导的高度等于波导的高度，锥形波导的一端为窄端，锥形波导的另一端为宽端，且锥形波导的窄端与波导的输入端固定连接，锥形波导的宽端与光栅反射镜的反射面相对，光纤竖直放置，光纤位于光栅反射镜的上方，且光纤的输出端与光栅反射镜的反射面相对。该波导耦合器可使光纤和波导实现高效耦合，具有较大的对准容差。同时，本发明还公开了该波导耦合器的制备方法，该方法简单，且与MOS工艺兼容。

Description

一种具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器及其制备方法

技术领域

本发明属于集成光子器件技术领域，具体来说，涉及一种具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器及其制备方法。

背景技术

随着硅基材料在集成光子学领域不断发展，硅基光子器件得到了广泛应用。集成光子光路的主流发展趋势是小型化，光子器件集成化。硅基二氧化硅（硅基二氧化硅：英文全称：Silica on Silicon，文中简称：SoS）波导材料折射率与光纤折射率相近，不存在折射率失配问题。目前，基于大尺寸SoS波导无源光器件与光纤之间不存在耦合问题，已经商用，如基于横截面尺寸为8μm×8μm的SoS波导光分路器。但是基于大尺寸的SoS波导存在不足：波导高度具有工艺实现难度，由于刻蚀深度较大，很容易引起侧面刻蚀不垂直导致多模波导和偏振相关损耗的产生；波导宽度较大导致器件尺寸较大，不利于集成。由此，横截面尺寸为小尺寸（小于等于4μm×4μm）的SoS波导已成为制作无源光器件的新导向。由于小尺寸的SoS波导中模斑尺寸小于4μm，光纤中的模斑尺寸为8μm~10μm，两者之间的模式失配导致耦合效率的下降，从而导致光纤与光器件之间存在较大能量损耗，严重影响光传感通信系统的稳定性。因此，如何解决光纤与小尺寸波导的耦合问题是一项具有挑战的工作。

目前的光波导耦合方式大都是纵向型直接对准耦合。耦合方法一般为楔形光波导耦合，光栅耦合等。实际应用最广泛的是楔形光波导耦合器，然而在平面光波光路工艺条件下无法制作满足耦合效率要求的三维楔形光波导耦合结构；另一种采用光栅结构的耦合器，带宽很低，不能满足光通信的要求。由此可见纵向耦合具有很大的局限性，从而限制了耦合效率的提高。

在此背景下，本发明提出一种具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器及制备方法。该耦合器与现有技术相比具有如下优点：（1）具有阶梯光栅反射镜的耦合结构是一种新型的光纤与波导的耦合结构；（2）基于平面光波光路工艺与COMS（英文全称是：Complementary Metal Oxide Semiconductor,对应中文为：互补式金属氧化物半导体，文中简称：COMS）工艺兼容，开辟了一种制备反射镜耦合结构的新方法；（3）耦合方法简单高效，利用阶梯光栅反射镜结合二维楔形光波导实现光纤与波导的高效耦合，对于光纤调节对准要求相对较低。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器，该波导耦合器可以使光纤和小尺寸波导实现高效耦合，具有较大的对准容差。同时，本发明还提供该波导耦合器的制备方法，该制备方法简单，且与CMOS工艺兼容。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器，该波导耦合器包括衬底、缓冲层、波导、锥形波导、光栅反射镜和光纤，光栅反射镜的反射面设有阶梯光栅，缓冲层固定连接在衬底的顶面，波导、锥形波导和光栅反射镜固定连接在缓冲层的顶面，锥形波导的高度等于波导的高度，锥形波导的纵截面呈锥形，锥形波导的一端为窄端，锥形波导的另一端为宽端，且锥形波导的窄端与波导的输入端固定连接，锥形波导的宽端与光栅反射镜的反射面相对，光纤竖直放置，光纤位于光栅反射镜的上方，且光纤的输出端与光栅反射镜的反射面相对。

进一步，所述的波导的截面尺寸小于等于4μm×4μm。

上述的具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

步骤10）：取一硅衬底，在硅衬底上制备厚度15μm到20μm的二氧化硅缓冲层；利用等离子体增强化学气相沉积方法，250℃—400℃下，在二氧化硅缓冲层上生长掺杂二氧化锗的二氧化硅，形成厚度为6μm-10μm的波导层，且波导层的折射率高于缓冲层的折射率；

步骤20）：在波导层上，重复利用光刻和刻蚀工艺，制备光栅反射镜；

步骤30）：在波导层上，利用光刻和刻蚀工艺制备锥形波导；

步骤40）：在波导层上，利用光刻和刻蚀工艺制备波导；

步骤50）：对步骤40）得到的样片，去除残留掩膜，得到具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）光纤与波导实现高效耦合。本发明的具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器，通过阶梯光栅反射镜，使得光纤与波导实现高效耦合，从而有效降低由于模式失配引起的能量损耗。光纤中的光首先入射到阶梯光栅反射镜侧面上，光束传播方向发生改变，入射到锥形光波导中，而后锥形光波导和小尺寸波导实现连接，完成整个耦合过程。利用阶梯光栅反射镜结合锥形波导实现光纤与波导的高效耦合。同时，本发明对于光纤调节对准要求相对较低。本发明的波导耦合器的耦合效率可达67%，而传统的波导耦合器的耦合效率普遍为32%—64%。

（2）具有较大的对准容差。传统光纤与波导的耦合过程中，为保证耦合效率，光纤耦合对光束的空间指向及位置的准确性要求极高，一般容差必须要小于0.5μm，甚至要求达到几十纳米。传统对准方法是采用光纤与波导在一个平面对准，对位置要求极高。最近几年也有纵向耦合方法，但是耦合效率较低，一般在32%-50%。本发明的波导耦合器，由于采用纵向耦合，即：光纤与波导不在一个平面上的耦合方式，本发明波导水平放置，光纤竖直放置。本发明的波导耦合器，可以很好的降低光束对空间指向及位置极高的要求。采用大尺寸阶梯光栅反射镜接收位置偏差较大的入射光束，然后通过二维锥形波导压缩入射角，抑制径向位置误差和角度误差带来的影响。光纤与耦合结构线性容差可达到0.8μm，角度容差达到正负1°，耦合效率稳定保持在60％以上。相比普通的耦合结构，本发明的波导耦合器的耦合稳定性能有显著提高。

（3）制备方法和CMOS工艺具有很好的兼容性，简化制备过程，且降低成本。目前，平面光波光路器件是构成光通信网络的核心器件，全部采用平面光波光路工艺实现。平面光波光路工艺和CMOS工艺相互兼容，利于大规模批量制作。本发明的制备方法基于平面光波光路工艺，利用的半导体材料，其工艺和CMOS工艺具有很好的兼容性，容易制备，从而很好的降低成本。相比于普通的反射镜型耦合结构，大都利用化学方法制备光反射镜，与平面光波光路无法兼容。本发明的波导耦合器结构基于普通的平面光波光路工艺，通过重复刻蚀工艺，可以得到阶梯光栅反射镜。阶梯光栅反射镜的结构易于实现，耦合方法简单高效。本发明利用平面光波光路工艺，因此和CMOS工艺兼容，且很容易得到高效耦合结构，从而达到解决模式失配带来耦合损耗的问题。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的立体结构示意图。

图2是的主视图。

图3是本发明实施例中制作完成衬底、缓冲层与波导层的结构示意图。

图4是本发明实施例中阶梯光栅第一次刻蚀的结构示意图。

图5是本发明实施例中阶梯光栅第二次刻蚀的结构示意图。

图6是本发明实施例中阶梯光栅第三次刻蚀的结构示意图。

图7是本发明实施例中制作完成的阶梯光栅反射镜的结构示意图。

图8是本发明实施例制备的波导耦合器的FD-BPM仿真结果图。

具体实施方式

为进一步说明本发明的内容及特点，下面结合附图对本发明作进一步说明，但本发明不仅限制于实施例。

如图1和图2所示，本发明的一种具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器，包括衬底1、缓冲层2、波导3、锥形波导4、光栅反射镜5和光纤6。衬底1可为硅材料制成。缓冲层2可为二氧化硅材料制成。波导3优选小尺寸，即波导3的截面尺寸小于等于4μm×4μm。截面尺寸是指高度和宽度。小尺寸的波导3有利于光器件集成化、小型化。光栅反射镜5的反射面设有阶梯光栅。缓冲层2固定连接在衬底1的顶面，波导3、锥形波导4和光栅反射镜5固定连接在缓冲层2的顶面。锥形波导4的高度等于波导3的高度，锥形波导4的纵截面呈锥形。锥形波导4的一端为窄端，锥形波导4的另一端为宽端。锥形波导4的窄端与波导3的输入端固定连接，锥形波导4的宽端与光栅反射镜5的反射面相对。光纤6竖直放置。光纤6位于光栅反射镜5的上方，且光纤6的输出端与光栅反射镜5的反射面相对。

上述具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器的制备方法，包括以下步骤：

步骤10）：取一硅衬底1，在硅衬底1上制备厚度15μm到20μm的二氧化硅缓冲层2；利用等离子体增强化学气相沉积方法，250℃-400℃下，在二氧化硅缓冲层2上生长掺杂二氧化锗（GeO₂）的二氧化硅，形成厚度为6μm-10μm的波导层7，且波导层7的折射率高于缓冲层2的折射率。

步骤20）：在波导层7上，重复利用光刻和刻蚀工艺，制备光栅反射镜5。

在步骤20）中，所述的光刻是指把掩膜版的图形复制到波导层7上，在每次光刻之后，分别进行刻蚀工艺，制备光栅反射镜5。

步骤30）：在波导层7上，利用光刻和刻蚀工艺制备锥形波导4。

步骤40）：在波导层7上，利用光刻和刻蚀工艺制备波导3。

步骤50）：对步骤40）得到的样片，去除残留掩膜，得到具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器。

实施例：

下面介绍一种偏振保持平面光波光路的制备方法，以对上述制备方法进行更为详尽的说明。

步骤10）：制作二氧化硅缓冲层2和波导7。参照图3所示，首先利用湿化学法清洗硅片即衬底1，去除表面的污物；然后，经过去离子水超声波的超声清洗和干燥，完成了硅片的清洗；接下来，制备二氧化硅缓冲层2，制备二氧化硅缓冲层2的方法有多种，例如化学气相沉积法（CVD）、火焰水解法（FHD）、溶胶凝胶法（Sol-Gel）、热氧化法（TO）等。由于热氧化法一次热氧化可以同时对百余片的硅片进行氧化，在实际生产中具有较高的效率，而且可同时对硅衬底1的正反两面同时氧化，从而可以消除附加应力。因此，利用热氧化法在硅衬底1上制备厚度15μm到20μm的二氧化硅缓冲层2。完成二氧化硅缓冲层2的制备后，制作波导层7。利用等离子体增强化学气相沉积（等离子体增强化学气相沉积，文中简称：PECVD）方法，以硅烷和氧气为反应气体，或者以一氧化二氮为反应气体，在温度为250℃-400℃下，通过在二氧化硅中掺杂二氧化锗得到厚度为8μm的波导层7，且波导层7和二氧化硅缓冲层2折射率差为0.4%。

步骤20）：制作阶梯型光栅反射镜。参照图4-7所示，在完成制备掺杂二氧化硅的波导层7后，利用重复光刻和刻蚀工艺制备阶梯型光栅反射镜5，包括步骤201）和步骤202）。

步骤201）利用光刻工艺把掩膜版的图形复制到波导层7上，具体分为8步：

步骤2011）表面处理：光刻的第一步是增强基片和光刻胶之间的黏附性。因此样片表面必须是清洁和干燥的，并且用六甲基二硅胺烷（HMDS）进行表面浸润，可以起到黏附促进剂的作用。

步骤2012）旋转涂胶：表面处理后，样片要立即采用旋转涂胶的方式涂上液相光刻胶材料，期间样片被固定在一个真空载物台上。光刻胶的厚度、均匀性、颗粒沾污、针孔等指标和旋涂所采用的时间、速度以及装置都有很大的关系。典型的转速在2000-8000r/min之间，大约10s，可以甩出多余的光致抗蚀剂，从而得到厚度均匀的薄膜。

步骤2013）前烘焙：光刻胶被涂到样片表面后必须烘焙使之成膜，并提高光刻胶和基底的黏附性，光刻胶的均匀性在这一步骤也会得到提升，典型的前烘焙条件是在热板上90℃到100℃烘30秒，然后自然冷却。

步骤2014）对准和曝光：在曝光之前，必须对样片和光掩膜版图形进行位置对准，以保证设计图形在样片的合适位置。然后经过曝光，让光能激活光刻胶中的光敏成分。由于光掩膜版对光的选择性透过，因此光刻胶中的光敏成分也是被选择性的激活。这一步骤是限制线宽的重要一步。

步骤2015）后烘焙：后烘焙的重要作用是使光敏成分的反应更加彻底，并形成稳定的分布，其烘焙温度通常会高于前烘焙温度10℃到20℃，即：在热板上100℃到120℃烘30秒，然后自然冷却。

步骤2016）显影：显影是在样片表面光刻胶中产生图形的关键步骤。光刻胶中的可溶解区域被化学显影剂溶解，将可见的岛或者窗口图形留在样片表面。最通常的显影方法是浸泡，然后用去离子水冲洗后甩干。浸泡的时间和温度是十分重要的两个控制因素。典型的采用0.6%的NaOH显影液，常温下显影时间在140s—190s。

步骤2017）坚膜烘焙：显影后的热烘就是坚膜烘焙。烘焙要求挥发掉存留的光刻胶溶剂，提高光刻胶对硅片表面的黏附性。这一步是稳固光刻胶，对下面的刻蚀过程非常关键。坚膜烘焙的温度通常要高于后烘温度10℃到20℃，即110℃到140℃烘30秒，然后自然冷却。

步骤2018）检查：利用高倍率的显微镜观察晶圆上面图形的质量。一旦光刻胶在样片表面形成图形，就要进行检查以确定光刻胶图形的质量。检查的目的一是找出光刻胶有质量问题的硅片，描述光刻胶工艺性能以满足规范要求，二是如果确定胶有缺陷，通过去胶可以把她们除去，样片返工。如果光刻图形存在缺陷，对于波导的性能来说是灾难性的，因此必须在刻蚀之前进行检查。

步骤202）利用刻蚀工艺来制备阶梯型光栅反射镜5：

步骤2021）利用反应离子刻蚀RIE（RIE对应中文：反应离子刻蚀）工艺，Cl₂为20sccm，Ar为40sccm，射频功率100W，工作压强4.67Pa，刻蚀氢化无定形硅（氢化无定形硅的化学式为a-Si:H）或多晶硅（多晶硅的化学式是poly-Si）掩膜；然后在丙酮中浸泡10min去除残留的光刻胶,烘干后进行SiO₂波导的刻蚀，刻蚀条件为：射频功率80W-300W；工作压强2.67Pa-26.67Pa；O₂与CHF₃流量比为0.05-1；O₂与CHF₃的总流量20sccm-300sccm，完成刻蚀得到第一次刻蚀的阶梯光栅结构，如图4所示。

步骤2022）重复步骤2011）至步骤2018），将第二次光刻阶梯光栅掩膜版的图形复制到波导层7上。

步骤2023）重复步骤2021），完成第二次刻蚀的阶梯光栅结构，如图5。

步骤2024）重复步骤2011）至步骤2018），将第三次光刻阶梯光栅掩膜版的图形复制到波导层7上。

步骤2025）重复步骤2021），完成第三次刻蚀的阶梯光栅结构，如图6。

步骤2026）根据设计要求，确定重复刻蚀周期，本实施例的刻蚀周期为0.5μm；重复步骤2011）至步骤2018），以及步骤2021），完成阶梯型光栅反射镜5的制作，如图7所示。本实施例阶梯光栅周期为0.5μm，高度和宽度皆为8μm，这样方便单模光纤与其耦合，提高耦合效率。

步骤30）：制作锥形波导4。利用普通平面光波光路工艺，重复步骤2011）—步骤2018），完成锥形波导4的制作。本实施例中，锥形波导4的宽端为8μm，宽端与光栅反射镜5靠近；锥形波导4的窄端为4μm，窄端与波导3靠近。

步骤40）：制作波导3。在锥形波导4的窄端，利用普通平面光波光路工艺，重复步骤2011）—步骤2018），实现小尺寸波导3的制作。本实施例中，波导3的截面尺寸为4μm×4μm。

步骤50）：对刻蚀后的样片经过去除残留掩膜，最终得到具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器。这样便可完成具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器制备。

对该实施例制备的具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器，进行仿真试验。利用有限差分光束传播法（FD-BPM），对本发明结构进行了仿真，结果如图8所示。图8中，横坐标z为光波传输方向距离，纵坐标x为高度方向。由图8可见，波长为1550nm的光可以高效的实现波导与光纤间的耦合。由此可见，本发明的波导耦合器可以很好的实现光纤与波导耦合，从而达到解决小尺寸波导与光纤的模式失配带来的能量损耗问题。再利用时域有限差分（FDTD）方法计算该实施例制备的波导耦合结构的耦合效率，得到耦合效率为67%。FDTD方法为现有技术。目前，业界利用光栅耦合方法，测得传统的波导耦合器的耦合效率普遍为32％-64%。由此可见，本发明的具有光栅反射镜的波导耦合器达到较高耦合效率，具有实用前景。

由此可见，本发明的具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器易于实现，工艺成熟，利用普通平面光波光路工艺得到，降低了工艺难度且与COMS工艺兼容，开辟了一种制备反射镜耦合结构的新方法。利用阶梯光栅反射镜结合二维锥形波导实现光纤与波导的高效耦合，且对光纤调节要求相对较低；具有高耦合效率，可以使光由光纤/波导高效耦合到波导/光纤中，从而能够保证光子集成器件的性能，为实现光通信、传感、光子系统中高性能光信号处理芯片或器件奠定了基础，具有广泛应用于光通信以及平面光波光路互联的前景。

Claims (6)

1.一种具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器，其特征在于，该波导耦合器包括衬底（1）、缓冲层（2）、波导（3）、锥形波导（4）、光栅反射镜（5）和光纤（6），光栅反射镜（5）的反射面设有阶梯光栅，缓冲层（2）固定连接在衬底（1）的顶面，波导（3）、锥形波导（4）和光栅反射镜（5）固定连接在缓冲层（2）的顶面，锥形波导（4）的高度等于波导（3）的高度，锥形波导（4）的纵截面呈锥形，锥形波导（4）的一端为窄端，锥形波导（4）的另一端为宽端，且锥形波导（4）的窄端与波导（3）的输入端固定连接，锥形波导（4）的宽端与光栅反射镜（5）的反射面相对，光纤（6）竖直放置，光纤（6）位于光栅反射镜（5）的上方，且光纤（6）的输出端与光栅反射镜（5）的反射面相对。

2.按照权利要求1所述的具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器，其特征在于，所述的波导（3）的截面尺寸小于等于4μm×4μm。

3.按照权利要求1所述的具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器，其特征在于，所述的衬底（1）为硅材料制成。

4.按照权利要求1所述的具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器，其特征在于，所述的缓冲层（2）为二氧化硅材料制成。

5.一种权利要求1所述的具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：

步骤10）：取一硅衬底（1），在硅衬底（1）上制备厚度15μm到20μm的二氧化硅缓冲层（2）；利用等离子体增强化学气相沉积方法，250°C-400℃下，在二氧化硅缓冲层（2）上生长掺杂二氧化锗的二氧化硅，形成厚度为6μm-10μm的波导层（7），且波导层（7）的折射率高于缓冲层（2）的折射率；

步骤20）：在波导层（7）上，重复利用光刻和刻蚀工艺，制备光栅反射镜（5）；

步骤30）：在波导层（7）上，利用光刻和刻蚀工艺制备锥形波导（4）；

步骤40）：在波导层（7）上，利用光刻和刻蚀工艺制备波导（3）；

步骤50）：对步骤40）得到的样片，去除残留掩膜，得到具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器。

6.根据权利要求5所述的具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器的制备方法，其特征在于，所述的步骤20）中，所述的光刻是指把掩膜版的图形复制到波导层（7）上，在每次光刻之后，分别进行刻蚀工艺，制备光栅反射镜（5）。

Images