CN104459890A - 基于聚合物波导的光纤与硅波导耦合结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于聚合物波导的光纤与硅波导耦合结构及其制作方法，该结构包括一个SOI晶圆和设置在SOI晶圆的光纤，SOI晶圆的埋氧层上设有自右而左依次布置的聚合物直波导和聚合物渐变波导，聚合物渐变波导的窄端与聚合物直波导连接，宽端与光纤的纤芯对准；上层硅上设有硅波导，硅波导的左端为宽度渐变的倒锥结构，右端为直硅波导倒锥结构和部分直硅波导包覆在聚合物直波导内，直硅波导的其余部分上覆盖二氧化硅覆盖层；在SOI晶圆的左端顶面上设有V型槽，V型槽在深度方向上依次贯穿二氧化硅覆盖层、上层硅和埋氧层，底端位于衬底硅；光纤固定在V型槽内。本发明不仅提高耦合效率，还降低了工艺复杂度，保证光纤耦合结构的可靠性。

Description

基于聚合物波导的光纤与硅波导耦合结构及其制作方法

技术领域

本发明涉及光通信器件领域，具体涉及基于聚合物波导的光纤与硅波导耦合结构及其制作方法。

背景技术

光纤耦合是光集成器件封装中的一项重要技术，常采用小波导截面，它能够使高折射率波导器件非常紧凑。但是，这种方案中光纤与高折射率波导之间产生的巨大的模式失配，会导致较高的耦合损耗。为此，现有技术采用倒锥形耦合器解决光纤与高折射率波导模式失配问题，原理为：光首先从光纤耦合到一个低折射率波导；然后从低折射率波导耦合到高折射率倒锥耦合器。

目前，与平面光纤耦合的倒锥耦合器采用的是悬臂梁结构，这种结构不仅制作工艺复杂，还可能降低光纤耦合结构的可靠性降低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是光纤耦合结构工艺复杂、可靠性低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种基于聚合物波导的光纤与硅波导耦合结构，包括一个绝缘体上硅晶圆和设置在所述绝缘体上硅晶圆的光纤；所述绝缘体上硅晶圆从上至下依次包括上层硅、埋氧层和衬底硅，

所述上层硅上设有自右而左依次布置的聚合物直波导和聚合物渐变波导，并在所述上层硅没有布置所述聚合物直波导和聚合物渐变波导的部分覆盖一层二氧化硅覆盖层，所述聚合物渐变波导的窄端与所述聚合物直波导连接，宽端与所述光纤的纤芯对准；

所述上层硅上设有硅波导，所述硅波导的左端为宽度渐变的倒锥结构，右端为直硅波导，所述倒锥结构和部分所述直硅波导包覆在所述聚合物直波导内，所述直硅波导的其余部分覆盖在所述二氧化硅覆盖层，所述直硅波导的右端面与所述二氧化硅覆盖层的右端面平齐，作为光输出或输入端口；

在所述绝缘体上硅晶圆的左端顶面上设有V型槽，所述V型槽在深度方向上依次贯穿所述二氧化硅覆盖层、上层硅和埋氧层，底端位于所述衬底硅；所述光纤固定在所述V型槽内。

在上述耦合结构中，所述二氧化硅覆盖层的厚度H满足条件：2μm≤H≤3μm。

在上述耦合结构中，所述倒锥结构的尖端宽度小于等于180nm，长度L满足条件：200μm≤L≤400μm。

在上述耦合结构中，所述倒锥结构的尖端与所述聚合物直波导与聚合物渐变波导连接处的距离L1满足条件：2μm≤L1≤5μm。

在上述耦合结构中，所述聚合物直波导宽度W、厚度H1满足条件：1μm≤W≤3μm，8μm≤H1≤9μm。

在上述耦合结构中，所述聚合物渐变波导宽端宽度为W1，长度为L2，折射率为n，且8μm≤W1≤9μm，100μm≤L2≤300μm，1.5≤n≤2。

在上述耦合结构中，所述聚合物渐变波导厚度与所述聚合物直波导厚度相同；所述聚合物渐变波导的窄端宽度与所述聚合物直波导宽度相同。

本发明还提供了一种基于聚合物波导的光纤与硅波导耦合结构的制作方法，具体包括以下步骤：

首先在绝缘体上硅晶圆上通过光刻和刻蚀制作直硅波导和倒锥结构；

其次通过气相沉积的方式沉积二氧化硅覆盖层；

再将倒锥结构和与倒锥结构相邻的部分直硅波导上方的二氧化硅覆盖层刻蚀掉；

最后通过旋涂的方式将聚合物覆盖在绝缘体上硅晶圆上，在绝缘体上硅晶圆的上层硅上制作聚合物渐变波导，以及包覆倒锥结构和与倒锥结构相邻的部分直硅波导的聚合物直波导。

本发明利用旋涂和光刻在SOI晶圆上制作的聚合物渐变波导和聚合物直波导，实现高折射率硅波导的倒锥结构尖端与光纤间的模场尺寸转换，不仅提高耦合效率，还由于不再采用悬臂梁工艺，使得工艺复杂度降低，保证光纤耦合结构的可靠性。

附图说明

图1为本发明提供的基于聚合物波导的光纤与硅波导耦合结构的主视图；

图2为本发明提供的基于聚合物波导的光纤与硅波导耦合结构的俯视图；

图3为本发明提供的基于聚合物波导的光纤与硅波导耦合结构的左视图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做出详细的说明。

如图1、2、3所示，本发明提供的基于聚合物波导的光纤与硅波导耦合结构，包括一个SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘体上硅)晶圆和设置在SOI晶圆的光纤1。

SOI晶圆从上至下依次包括上层硅10、埋氧层8和衬底硅9；

上层硅10上设有自右而左依次布置的聚合物直波导4和聚合物渐变波导3，并在上层硅10没有布置聚合物直波导和聚合物渐变波导的部分覆盖一层二氧化硅覆盖层7，聚合物渐变波导3的窄端与聚合物直波导4连接，聚合物渐变波导3的宽端与光纤1的纤芯11对准；

上层硅10上还设有硅波导，硅波导的左端为宽度渐变的倒锥结构5，右端为直硅波导6，倒锥结构5和与倒锥结构5相邻的部分直硅波导6包覆在聚合物直波导4内，直硅波导6的其余部分覆盖在二氧化硅覆盖层7下，直硅波导6的右端面与二氧化硅覆盖层7的右端面平齐，作为光输出或输入端口；

在SOI晶圆的左端顶面上设有V型槽2，V型槽2在深度方向上依次贯穿二氧化硅覆盖层7、上层硅10和埋氧层8，底端位于衬底硅9中；光纤1固定在V型槽2内。

在本发明中，二氧化硅覆盖层7的厚度H满足条件：2μm≤H≤3μm；倒锥结构5的尖端宽度小于等于180nm，倒锥结构5的长度L满足条件：200μm≤L≤400μm，倒锥结构5的尖端与聚合物直波导4与聚合物渐变波导3连接处的距离L1满足条件：2μm≤L1≤5μm。

在本发明中，聚合物渐变波导3的窄端宽度与聚合物直波导4宽度W相同，满足条件：1μm≤W≤3μm；聚合物渐变波导3宽端宽度为W1，长度为L2，折射率为n，且8μm≤W1≤9μm，100μm≤L2≤300μm，1.5≤n≤2；聚合物渐变波导3厚度与聚合物直波导4厚度都为H1，满足8μm≤H1≤9μm。

下面详细说明在本发明中，光从光纤1最终进入硅波导的具体过程：

光从聚合物渐变波导3的宽端进入，聚合物渐变波导3的宽端由于宽度和厚度都较大，具有与光纤1纤芯相似的模场尺寸，因此在与光纤1耦合时耦合损耗很低；

光进入聚合物渐变波导3后，模场随着聚合物渐变波导3宽度的变窄而逐渐变窄，在聚合物渐变波导3窄端，进入聚合物直波导4；

光从聚合物直波导4耦合进入硅波导；由于聚合物直波导4与聚合物渐变波导3连接处与硅波导倒锥结构5的尖端很近，且聚合物直波导4和硅波导倒锥结构5的尖端都具有较小的模场尺寸，所以当聚合物直波导4与倒锥结构5的尖端耦合进入硅波导时，耦合损耗较低。

光反向从硅波导耦合进入光纤1的过程与上述过程刚好相反，在此不再重复说明。

本发明提供的基于聚合物波导的光纤与硅波导耦合结构的制作方法，该方法主要是通过旋涂、光刻和显影工艺得到本发明的相应的形状，具体步骤如下：

首先在SOI晶圆上通过光刻和刻蚀制作好直硅波导6和倒锥结构5；其次通过气相沉积的方式沉积二氧化硅覆盖层7；再将倒锥结构5和与倒锥结构5相邻的部分直硅波导6上方的二氧化硅覆盖层7刻蚀掉；最后通过旋涂的方式将聚合物覆盖在SOI晶圆上，在在SOI晶圆上层硅上制作聚合物渐变波导3，以及包覆倒锥结构5和与倒锥结构5相邻的部分直硅波导6的聚合物直波导4。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.基于聚合物波导的光纤与硅波导耦合结构，包括一个绝缘体上硅晶圆和设置在所述绝缘体上硅晶圆的光纤；所述绝缘体上硅晶圆从上至下依次包括上层硅、埋氧层和衬底硅，其特征在于，

所述上层硅上设有自右而左依次布置的聚合物直波导和聚合物渐变波导，并在所述上层硅没有布置所述聚合物直波导和聚合物渐变波导的部分覆盖一层二氧化硅覆盖层，所述聚合物渐变波导的窄端与所述聚合物直波导连接，宽端与所述光纤的纤芯对准；

所述上层硅上设有硅波导，所述硅波导的左端为宽度渐变的倒锥结构，右端为直硅波导，所述倒锥结构和部分所述直硅波导包覆在所述聚合物直波导内，所述直硅波导的其余部分覆盖在所述二氧化硅覆盖层，所述直硅波导的右端面与所述二氧化硅覆盖层的右端面平齐，作为光输出或输入端口；

在所述绝缘体上硅晶圆的左端顶面上设有V型槽，所述V型槽在深度方向上依次贯穿所述二氧化硅覆盖层、上层硅和埋氧层，底端位于所述衬底硅；所述光纤固定在所述V型槽内。

2.如权利要求1所述的耦合结构，其特征在于，所述二氧化硅覆盖层的厚度H满足条件：2μm≤H≤3μm。

3.如权利要求1所述的耦合结构，其特征在于，所述倒锥结构的尖端宽度小于等于180nm，长度L满足条件：200μm≤L≤400μm。

4.如权利要求3所述的耦合结构，其特征在于，所述倒锥结构的尖端与所述聚合物直波导与聚合物渐变波导连接处的距离L1满足条件：2μm≤L1≤5μm。

5.如权利要求1所述的耦合结构，其特征在于，所述聚合物直波导宽度W、厚度H1满足条件：1μm≤W≤3μm，8μm≤H1≤9μm。

6.如权利要求1所述的耦合结构，其特征在于，所述聚合物渐变波导宽端宽度为W1，长度为L2，折射率为n，且8μm≤W1≤9μm，100μm≤L2≤300μm，1.5≤n≤2。

7.如权利要求1所述的耦合结构，其特征在于，所述聚合物渐变波导厚度与所述聚合物直波导厚度相同；所述聚合物渐变波导的窄端宽度与所述聚合物直波导宽度相同。

8.基于聚合物波导的光纤与硅波导耦合结构的制作方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

首先在绝缘体上硅晶圆上通过光刻和刻蚀制作直硅波导和倒锥结构；

其次通过气相沉积的方式沉积二氧化硅覆盖层；

再将倒锥结构和与倒锥结构相邻的部分直硅波导上方的二氧化硅覆盖层刻蚀掉；

最后通过旋涂的方式将聚合物覆盖在绝缘体上硅晶圆上，在绝缘体上硅晶圆的上层硅上制作聚合物渐变波导，以及包覆倒锥结构和与倒锥结构相邻的部分直硅波导的聚合物直波导。