CN103487883B - InP基的无源线波导的光纤光斑转换耦合器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种InP基的无源线波导的光纤光斑转换耦合器及制备方法，所述InP基的无源线波导的光纤光斑转换耦合器，包括：一衬底；一下包层，其制作在衬底的中间部位，其形状为铲子形，一端为铲子的头部，另一端为柄部；铲形头部的前半部分为矩形结构，后半部分的宽度逐渐减小并对接到柄部；一芯层，其制作在下包层的上面，其形状与下包层一致；一上包层，其制作在芯层柄部的上面及铲子头部的后半部分，且其形状为条状结构。本发明可以解决边入射器件中与光纤耦合效率较低的问题。

Description

InP基的无源线波导的光纤光斑转换耦合器及制备方法

技术领域

本发明涉及光纤耦合领域，具体是指一种InP基的无源线波导的光纤光斑转换耦合器及制备方法。

背景技术

对于未来要实现的复杂的光通信网络，其所需的各种元件的工艺技术已经达到了比较成熟的状态。一方面，各种各样的光电半导体器件，如激光器、放大器、调制器、定向耦合器和探测器等都已具备了良好的性能；另一方面，光纤的传输性能也在不断地接近理论极限，传输距离也早已达到了应用所需的范围。然而，阻碍光通信网络不断发展的瓶颈在于光纤与芯片之间的耦合损耗很大。其根本原因在于光纤模斑与器件波导中的光斑模式之间不匹配，造成了很大的插入损耗和很高的封装成本。

基于上述问题人们提出的解决方案主要有两类：光栅耦合和渐变波导耦合。人们已经提出了一种基于SOI紧凑的矩形光栅耦合器，然而SOI并不适合制作半导体有源器件，而InP/InGaAsP系材料适合制作有源器件但InP系材料的垂直方向折射率的差值较低，不能够做类似SOI的强限制的矩形光栅。对于边入射的器件来说另一个解决方法是在器件的波导边缘制作一个水平方向的渐变波导结构，使得靠近光纤一端的波导尺寸接近于光纤芯层尺寸。但是这种渐变波导连接到尺寸很小的深脊波导时，由于波导中光场模式比较扩展，所以在模式转变中会损耗掉很大一部分，耦合效率不是很高。而我们在水平渐变波导层上又增加了一个很窄的脊波导，从而改变了波导芯层横向的折射率分布，使得中心折射率比两边高，降低了光场模式横向的扩展，减小了耦合损耗。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种InP基的无源线波导的光纤光斑转换耦合器及制备方法，其是以较高效率实现光纤与线波导之间光斑转换耦合的器件结构及制备方法，以解决边入射器件中与光纤耦合效率较低的问题。

本发明提出一种InP基的无源线波导的光纤光斑转换耦合器，包括：

一衬底；

一下包层，其制作在衬底的中间部位，其形状为铲子形，一端为铲子的头部，另一端为柄部；铲形头部的前半部分为矩形结构，后半部分的宽度逐渐减小并对接到柄部；

一芯层，其制作在下包层的上面，其形状与下包层一致；

一上包层，其制作在芯层柄部的上面及铲子头部的后半部分，且其形状为条状结构。

本发明还提供一种InP基无源线波导的光纤光斑转换耦合器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：取一衬底；

步骤2：在衬底上依次生长下包层、芯层和上包层；

步骤3：在上包层上生长二氧化硅层；

步骤4：采用刻蚀的方法，在二氧化硅层的上面向下刻蚀，刻蚀深度到达衬底的表面，刻蚀的形状为一铲子形，该铲子形分为头部和柄部；柄部为较窄的线波导，头部的前半部分为较宽的直波导，后半部分为抛物线形波导，波导宽度逐渐减小对接在柄部的线波导上；

步骤5：去掉刻蚀后剩余的二氧化硅层；

步骤6：刻蚀铲子形的头部上的上包层，刻蚀深度小于上包层的厚度；

步骤7：在铲子形的头部所剩余的上包层上制作图形，刻蚀成一窄条状结构，其位于铲子形头部的后半部分的渐变波导之上，条状结构的厚度为0.3-0.4微米，宽度为1.5-2.5微米，完成制备。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的InP基光纤光斑转换耦合器结构，通过增加垂直方向的结构限制，增加了芯层中心区域的有效折射率，从而降低了光场在横向的扩展，提高了器件的光纤耦合效率。

2、本发明提供的InP基光纤光斑转换耦合器结构，通过宽的波导结构扩大了光纤对接时的容差范围，降低了器件封装和测试的难度，提高了器件的稳定性。

3、本发明提供的InP基光纤光斑转换耦合器的结构十分简单，制备工艺相比于光栅结构十分简便，而且没有增加任何新的工艺要求且其实现工艺十分成熟，完全可以兼容到所要集成器件的制备工艺中。

4、本发明提供的InP基光纤光斑转换耦合器的外延结构十分简单，而且下包层与上包层的材料可以适当的变化，从而可以根据所要集成的器件的外延结构选取适当的上下包层，降低了集成难度，扩大了器件的应用范围。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，其中：

图1为本发明的制备流程图；

图2为本发明的外延结构示意图；

图3为在外延结构上生长二氧化硅层的结构示意图；

图4为刻蚀后的结构示意图；

图5为刻蚀上包层后的结构示意图；

图6为本发明制备完成后的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图6所示，本发明提供一种InP基的无源线波导的光纤光斑转换耦合器，包括：

一衬底1，该衬底1的材料为未掺杂的InP；

一下包层2，其制作在衬底1的中间部位，其形状为铲子形，一端为铲子的头部41，另一端为柄部42，铲形头部41的前半部分为矩形结构，后半部分的宽度逐渐减小并对接到柄部42，所述下包层2的材料为InP或InP/InGaAsP量子阱周期结构，厚度为2-5微米；实例中我们选用未参杂的InP做下包层，厚度为3微米。

一芯层3，其制作在下包层2的上面，所述芯层3的材料为未掺杂的InGaAsP，厚度为0.3-0.6微米；这里我们所用材料中Ga和As的组分分别为0.11、0.25，厚度选为0.5微米，其形状大小与下包层相一致。

一上包层4，其制作在芯层3柄部42的上面，及铲子头部41的后半部分，且其形状为条状结构411，该上包层是未掺杂的InP，铲形头部后半部分上包层411厚度为0.3-0.4微米，宽度为1.5-2.5微米；铲形柄部的上包层厚度为1.2-1.8微米。

铲形头部41的下包层2和芯层3构成了波导的基本结构，前半部分为直波导，后半部分为渐变波导；渐变波导上面的条形结构的上包层411为脊波导。铲形柄部42的下包层2、芯层3和上包层4构成线波导。

直波导的尺寸大小与光纤模斑大小相匹配，所以光纤与这段直波导之间的光耦合过程中的损耗会很小，同时由于芯层材料的折射率高于下包层2材料的折射率，随着光在波导中的传输，光场会逐渐集中到芯层3，这有利于下一步的光场模式的转变；后半部分的波导宽度逐渐变窄，直到对接到铲形柄部42的线波导，波导宽度的渐变导致光场分布的变化，从而使得光场更多的集中到线波导中。

脊波导通过增加了垂直方向的结构从而改变了过渡波导芯层3的横向折射率的分布，使得芯层3的有效折射率中心高而两边较低，从而在光场的模式转变中降低了光场的横向扩展，因而降低了光场的模式转变损耗，使得更多的光耦合到了线波导，提高了耦合效率。

请参阅图1至图6所示，本发明还提供InP基无源线波导的光纤光斑转换耦合器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：取一衬底1，该衬底1的材料为未掺杂的InP；

步骤2：在衬底1上依次生长下包层2、芯层3和上包层4(参阅图2)，该下包层2的材料为InP或InP/InGaAsP量子阱周期结构，厚度为2-5微米，该芯层3的材料为0.3-0.6微米厚未掺杂的InGaAsP，该上包层是1.2-1.8微米厚的未掺杂的InP；实例中我们所用的下包层材料为未参杂的InP，厚度为3微米，芯层材料中Ga和As的组分分别为0.11、0.25，厚度选为0.5微米，上包层为未参杂的InP，厚度为1.5微米。

步骤3：在上包层4上生长一层1微米厚的二氧化硅层5(参阅图3)；

步骤4：采用刻蚀的方法，在二氧化硅层5的上面向下刻蚀，刻蚀深度到达衬底1的表面，刻蚀的形状为一铲子形，该铲子形分为头部41和柄部42。柄部42为较窄的线波导，头部41的前半部分为较宽的直波导，后半部分为抛物线形波导，波导宽度逐渐减小对接在柄部42的线波导上；实例中，铲形头部前50微米为矩形直波导，宽度为12微米，后半部分为抛物线形状的过渡波导，宽度由12微米渐变到2.5微米，长度为50微米，柄部为矩形的线波导，宽度为2.5微米。；

步骤5：用HF酸溶液去掉刻蚀后剩余的二氧化硅层5(参阅图4)；

步骤6：刻蚀上包层4铲子形的头部41，刻蚀深度小于上包层4的厚度，实例中刻蚀1.1-1.2微米(参阅图5)；

步骤7：在铲子形的头部41剩余的上包层4上制作图形，刻蚀铲子形的头部41为一条状结构411，这一条形结构的厚度为0.3-0.4微米，宽度为1.5-2.5微米，其位于铲形头部的后半部分渐变波导之上，长度与过渡波导相一致。完成制备(参阅图6)。

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InP基的无源线波导的光纤光斑转换耦合器，包括：

一衬底；

一下包层，其制作在衬底的中间部位，其形状为铲子形，一端为铲子的头部，另一端为柄部；铲形头部的前半部分为矩形结构，后半部分的宽度逐渐减小并对接到柄部；

一芯层，其制作在下包层的上面，其形状与下包层一致；

一上包层，其制作在芯层柄部的上面及铲子头部的后半部分，且其形状为条状结构。

2.根据权利要求1所述的InP基的无源线波导的光纤光斑转换耦合器，其中衬底的材料为未掺杂的InP。

3.根据权利要求1所述的InP基的无源线波导的光纤光斑转换耦合器，其中下包层的材料为InP或InP/InGaAsP量子阱周期结构，厚度为2-5微米。

4.根据权利要求1所述的InP基的无源线波导的光纤光斑转换耦合器，其中芯层的材料为未掺杂的InGaAsP，厚度为0.3-0.6微米。

5.根据权利要求1所述的InP基的无源线波导的光纤光斑转换耦合器，其中上包层是未掺杂的InP，铲形头部后半部分上包层厚度为0.3-0.4微米，宽度为1.5-2.5微米；铲形柄部的上包层厚度为1.2-1.8微米。

6.一种InP基无源线波导的光纤光斑转换耦合器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：取一衬底；

步骤2：在衬底上依次生长下包层、芯层和上包层；

步骤3：在上包层上生长二氧化硅层；

步骤4：采用刻蚀的方法，在二氧化硅层的上面向下刻蚀，刻蚀深度到达衬底的表面，刻蚀的形状为一铲子形，该铲子形分为头部和柄部；柄部为较窄的线波导，头部的前半部分为较宽的直波导，后半部分为抛物线形波导，波导宽度逐渐减小对接在柄部的线波导上；

步骤5：去掉刻蚀后剩余的二氧化硅层；

步骤6：刻蚀铲子形的头部上的上包层，刻蚀深度小于上包层的厚度；

步骤7：在铲子形的头部所剩余的上包层上制作图形，刻蚀成一窄条状结构，其位于铲子形头部的后半部分的渐变波导之上，条状结构的厚度为0.3-0.4微米，宽度为1.5-2.5微米，完成制备。

7.根据权利要求6所述的InP基的无源线波导的光纤光斑转换耦合器的制备方法，其中衬底的材料为未掺杂的InP。

8.根据权利要求6所述的InP基的无源线波导的光纤光斑转换耦合器的制备方法，其中下包层的材料为InP或InP/InGaAsP量子阱周期结构，厚度为2-5微米。

9.根据权利要求6所述的InP基的无源线波导的光纤光斑转换耦合器的制备方法，其中芯层的材料为未掺杂的InGaAsP，厚度为0.3-0.6微米。

10.根据权利要求6所述的InP基的无源线波导的光纤光斑转换耦合器的的制备方法，其中该铲子形的柄部的上包层是未掺杂的InP，其厚度为1.2-1.8微米。