CN105158847A - 波导三维模斑转换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维波导模斑转换器及其制作方法，这种模斑转换器包含平板形状的衬底、设置在所述衬底上的下包层以及设置在所述下包层上传输、转换光模斑的芯层。利用高度和宽度的变化实现在水平和竖直面上对光进行扩展或压缩。这种波导模斑转换器的设计利用了刻蚀深度受图形开口大小影响的效应，使用向光传播方向延伸的条形密度图形，同时或分步实现水平和垂直两个方向的楔形变化。条形密度图形沿光传播方向延伸，避免带来大的散射损耗。在工艺制作中，这种设计可以仅仅使用一次曝光和最多两次刻蚀就制作成型，工艺简单，易于实现。

Description

波导三维模斑转换器

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，具体涉及一种基于波导楔形结构的三维模斑转换器设计，以及具体的使用半导体微加工工艺针对该三维结构的制备方法。

背景技术

近年来，随着高速率、大容量光通信技术的成熟和逐渐实用化，人们对光电子器件的集成度提出了越来越高的要求，高折射率差的材料是制作高集成度光电子器件的一个很好的选择，可以大大减小波导的尺寸和弯曲半径的大小。但这会带来一个新的难题。以SOI材料为例，硅和二氧化硅的折射率分别为3.45和1.44，以硅为芯层的单模波导截面尺寸小于1μm。而大尺寸波导如普通单模光纤中的模斑尺寸在8～10μm，在大尺寸波导和小尺寸波导间普遍存在着严重的模式失配。

为了解决这一问题，人们提出了使用具有楔形结构的模斑转换器在大模斑和小模斑之间进行转换。目前研究较成熟的二维楔形模斑转换器结构简单，仅在水平方向上实现尺寸的变化，这种转换器虽然工艺实现容易，但垂直方向的限制会大大降低模斑转换的效率，很难实用化。而三维的模斑转换器提供了水平和垂直两个方向的尺寸变化，可以有效提高大小模场间的匹配。然而在三维模斑转换器的制作中，如何利用半导体微加工工艺实现垂直方向上的尺寸变化成为新的难点。

在制作三维斜面中，目前研究人员采用了一些方案：①利用高能光束制作灰度掩膜板，实现灰度曝光，从而制作倾斜斜面。这种方案成本高昂、需要使用特殊设备、并且对于大尺寸的倾斜面制作困难，实用性不强。②纳米压印光刻胶制作倾斜面。纳米压印方法同样需要特殊设备，这种方法基于一些非传统的工艺，并不能普遍地被采用。③使用多次曝光刻蚀的方法，制作台阶型尺寸变化。多次曝光刻蚀的工艺复杂，且数次的刻蚀只能做出在垂直方向上很少级次的变化，并不是理想的楔形效果。④使用柱状密度图形或棱状密度图形制作斜面。其基本原理和本发明类似，但目前的方案中，棱状图形的排布方向均为垂直于光的传播方向，会造成很大散射损耗；柱状图形被消除后会留下一些凸起，同样对光的传播不利。

因此，本发明拟提出一种三维模斑转换结构，该结构使用棱状的密度图形，棱状和光传播方向的夹角在-45°-45°之间，棱状向中心汇聚，能够降低散射损耗的大小；工艺简单，利用刻蚀、腐蚀、氧化等加工工艺，只需一次曝光和最多两次刻蚀就能制作出水平和垂直方向变化的三维结构，能有效地改善模斑匹配的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

使用具有三维结构的模斑转换器是解决不同尺寸波导之间以及波导和光纤之间模斑失配的一个有效方案，然而现有的三维结构设计难以制作，工艺繁琐，很难实用化。

为了解决这个问题，应从三维结构的设计方案和工艺步骤上加以创新。本发明的目的为设计一种三维模斑转换结构，使其工艺简单且有效地实现功能。

(二)技术方案

为实现上述目的，根据本发明，这种波导三维模斑转换器的设计可以描述为：

基于平板结构，包含平板形状的衬底、设置在所述衬底上的下包层以及设置在所述下包层上传输、转换光模斑的芯层。其中芯层由沿光传播方向上宽度和高度变化的楔形组成。楔形表面并非一定是光滑的，可具有一些沿光传播方向的棱排布，棱状结构与光传播方向之间的夹角在-45°-45°之间。

这种模斑转换器的工艺步骤为：

步骤1：设计棱状图形的分布版图。棱状密度图形沿光传播方向排布，图形的每一部分与光传播方向的夹角都在-45°-45°之间。楔形结构的宽度变化由刻蚀区域的宽度决定，高度变化由棱状密度图形的排布决定。设计高度变高，则所需密度图形的密度变大，具体表现为：棱状图形的宽度增大，棱状图形之间的间距减小或二者同时变化。在设计中应当满足，条形的宽度和间距必须足够小，以SOI波导为例，条形的宽度和间距应在50nm-1μm之间变化。

步骤2：利用电子束或紫外曝光将条形的密度图形阵列转移到光刻胶上，如图1(b)所示。

步骤3：刻蚀。由于条形的宽度和间距尺寸足够小，在干法刻蚀中，反应气体并不能完全的作用于空隙底部，使得棱状彼此之间空隙大时刻蚀深度大，而棱状彼此之间空隙小时刻蚀深度小；对于湿法刻蚀，刻蚀的速率和接触表面积、溶液的流动性等因素相关，在反应溶液不搅拌的条件下，空隙小的棱状中接触面积小、溶液更新相对缓慢，因此刻蚀深度小，反之空隙大的棱状刻蚀深度大。因此，不同密度的密度图形分布会造成不同的刻蚀深度，产生高度落差。

步骤4：去除光刻胶、清洗、采用湿法腐蚀或氧化的方案去除表面的棱状密度图形。根据基体材料的不同选择腐蚀或者氧化的方案，并使用相应的腐蚀液。其原理分别为：对于湿法腐蚀，腐蚀液作用速率和接触表面积呈正比，凸起部分的表面积大，首先被腐蚀，因此图形底部的高度变化部分得以保存，而棱状结构腐蚀成棱，形成所述楔形面；对于氧化方式，氧原子和材料表面的原子相互作用，形成表面氧化物，其中凸起的密度图形与氧气接触面积大，氧化速率快，待密度图形氧化后，可以选择用腐蚀氧化物的溶液漂洗表面，达到去除密度图形的效果，如图1(e)(f)所示，同时如果氧化物的折射率小于芯层折射率，也可以选择保留表面氧化物当做包层。

在本发明中，可以合理的设计条形密度图形的分布和排列，达到高度和宽度的不同组合变化的形式。值得注意的一点是，由于腐蚀形成的棱状结构始终沿光传播方向排布，并且夹角小于45°，因而带来很小的散射损耗，利于减小光模斑转换过程中的能量损失。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1.本发明提供的这种波导三维模斑转换器，具有水平和垂直两个方向上的尺寸变换，有利于减小模斑转换过程中的模场失配。

2.本发明提供的这种波导三维模斑转换器，表面形成的棱状结构与光传播方向的夹角小于45°，有利于减小由光散射带来的能量损失。

3.本发明提供的这种波导三维模斑转换器的制作方法，制作过程简单，只需要一次曝光和最多两次刻蚀就能完成楔形面的制作，不必重复多次曝光和刻蚀工艺，降低了工艺的难度和复杂程度。

4.本发明提供的这种波导三维模斑转换器的制作方法，可以通过自由地组合密度图形的密度，得到需要的波导高度和宽度变化，并不局限于平滑变化或线性变化，有很强的扩展性。

附图说明

图1是本发明提供的一种波导三维模斑转换器的制作方法的核心工艺示意图；

图2(a)-(e)为本发明提供的具体实施例1的工艺示意图；

图3(a)-(f)为本发明提供的具体实施例2的工艺示意图。

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，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。

具体实施例1：正向三维SOI波导模斑转换器

设计：设计目的为制作宽度和高度同时变小的楔形结构。其布局为一组对称的条形密度图形，位于中轴线上最内的图形为一个顶角为30°的等腰三角形，棱状图形分别分布于三角形的两侧；两侧的棱状图形分别平行，与光传播方向的夹角分别为-15°和15°；沿光传播方向的轴线向外，条形的宽度不变而间距逐渐增大；在最后一对棱状图形的顶点，二者并不汇聚在一起，而是保持一定的间距向光传播方向延伸。

工艺步骤：

步骤1：选取一片初始SOI材料，晶向为〈100〉，顶层硅厚度为4μm。

步骤2：在SOI表面旋涂一层1μm厚的光刻胶，用电子束曝光的方式将图形转移到光刻胶上，如图2(a)。

步骤3：ICP刻蚀顶层硅，最大刻蚀深度为3μm，刻蚀后形状如图2(b)所示。

步骤4：去除光刻胶，清洗SOI片，如图2(c)。

步骤5：高温氧化。在1000℃的高温氧化炉内氧化直至密度图形刚好被氧化完全生成二氧化硅，如图2(d)。

步骤6：用HF或BOE溶液漂洗氧化后的SOI片，去除生成的氧化物。

制作得到的SOI三维正向模斑变换器如图2(e)所示。值得说明的是，在楔形顶点延伸的两根棱状图形，由于其保持了一定的间距，可以形成顶面上具有两根平行棱状凸起的波导结构。

3(a)。

步骤3：ICP刻蚀顶层硅，最大刻蚀深度为500nm，刻蚀后形状如图3(b)所示。

步骤4：去除光刻胶，清洗SOI片。

步骤5：用HNO3和HF的混合腐蚀液腐蚀密度图形，直至密度图形消除。此时形成波导尖端如图3(c)所示。

步骤6：再次旋涂一层光刻胶，曝光并刻蚀出波导形状，如图3(d)、(e)所示。

步骤7：在波导上方覆盖一层5μm厚的聚合物材料，如图3(f)，即为一个SOI反向楔形波导模斑转换器。

在不偏离本发明精神和范围的情况下还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实施例。

Claims (3)

1.一种波导三维模斑转换器，包含平板形状的衬底、设置在所述衬底上的下包层以及设置在所述下包层上传输、转换光模斑的芯层，其特征在于，芯层由沿光传播方向上宽度和高度变化的楔形组成，楔形表面是光滑的或排布多条棱状结构，其中棱状结构与光传播方向之间的夹角在-45°-45°之间；在垂直光传播方向，沿楔形高度变大的方向，棱状结构的变化趋势为：不同棱状结构宽度逐渐变大、不同棱状结构之间间距逐渐变小；在平行光传播方向，沿楔形高度变大的方向，棱状结构的变化趋势为：不同棱状结构间距变小，或棱状结构自身宽度变大。

2.一种如权利要求1中所述波导三维模斑转换器的制备方法，包括如下步骤：

(a)涂覆光刻胶，在光刻胶上曝光出棱状图形阵列；

(b)以光刻胶为掩膜，利用刻蚀技术，使棱状图形转移到材料上；

(c)去除或氧化顶部棱状图形。

其中：

(1)步骤(a)所述的棱状图形阵列，其中任意一个棱状结构的每一部分与光传播方向的夹角在-45°-45°之间；

(2)步骤(a)所述的棱状图形阵列，棱状结构的长度和宽度可以互不相同，其设计规则为：

沿设计高度的增大，单个棱状结构的宽度变大，不同棱状结构之间间距不变；

沿设计高度的增大，单个棱状结构的宽度不变，不同棱状结构之间间距变小；

沿设计高度的增大，单个棱状结构的宽度变大，同时不同棱状结构之间间距变小；

(3)步骤(a)所述的棱状图形阵列，棱状结构的每一部分可以是直的或弯曲的；

(4)步骤(a)所述曝光为电子束曝光或紫外曝光。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(c)中所述去除或氧化棱状图形的方法为：湿法腐蚀、干法氧化或湿法氧化。