CN107329208A - 一种折射率梯度变化的硅光子模斑转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种折射率梯度变化的硅光子模斑转换器，属于半导体光信号传输技术领域。该转换器中SOI晶片衬底表面设有SiO2支撑结构，SiO2支撑结构上表面与硅光子锥形波导下表面相连，硅光子锥形波导与硅光子条形波导处于同一平面，且位于SiO2支撑结构上方，SiO2支撑结构、硅光子锥形波导、硅光子条形波导上设有将这三个结构封闭包围的梯度叠层SiOxNy内包层，梯度叠层SiOxNy内包层为以SOI晶片衬底为底从下至上折射率逐步梯度减小的叠层材料层，梯度叠层SiOxNy内包层四周设有SiO2外包层。本发明中的折射率梯度变化的硅光子模斑转换器解决了现有硅光子‑光纤模斑转换器的在光学性能和可靠性方面难以满足应用的要求，能够同时获得好的光学性能和高可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种折射率梯度变化的硅光子模斑转换器，属于半导体光信号传输技术领域。
背景技术
硅光子光电集成器件是光通信领域的研究热点，能够单片集成高速有源光电子器件与无源光器件。其工艺与CMOS器件工艺完全兼容，能够实现与现有集成电路进行集成；同时由于硅材料具有相对高的材料折射率，其器件尺寸可以到达纳米量级，具有极低的成本和批量生产的特性。目前，硅光子器件已经解决了高速调制器、高速探测器、高速光开关和大部分无源光器件的关键问题。但在硅光子波导与标准光纤的耦合方面还存在关键问题，制约了硅光子光电集成器件的广泛应用。目前，用于硅光子波导与标准光纤耦合的最有效模斑转换器包括光栅模斑转换器和悬桥结构模斑转换器，但两者都有各自的局域性，限制了硅光子集成器件的应用。光栅模斑转换器是基于Bragg光栅结构的模斑转换器，其制作工艺简单，具有较低的耦合损耗，同时与标准光纤具有好的耦合容差；但该模斑转换器具有明显的偏振相关性，难以同时用于不同偏振态的光信号，同时其带宽较窄，一般1dB带宽只有20~30nm。悬桥结构模斑转换器是采用3D SiO2锥形波导来在垂直和水平方向对光纤大模斑尺寸进行有效压缩从而实现与纳米尺寸的硅光子波导有效耦合，该器件具有很好的光学性能，比如低的光耦合损耗、偏振不敏感和大的光带宽。但在设计与制作悬桥结构模斑转换器时，首先需要设计、制作SiO2锥形波导，这就要求有低于SiO2折射率的包层材料。由于基于SOI晶片制作的材料中，无法找到低于SiO2折射率的固体包层材料，只能采用空气作为SiO2锥形波导的包层以到达光信号的有效传输。因此，虽然基于空气作为外包层的悬桥结构模斑转换器具有很好的光性能，但悬桥结构模斑转换器只能靠单薄的SiO2支持臂来支持整个模斑转换器结构，其力学性能不佳，在实际的制作过程中容易断裂，而且难以进行后续的加工与封装，这限制了该器件的有效应用。
光信号在波导结构中能够稳定传输是基于芯层折射率高于包层折射率。光信号具有从低折射率材料逐渐耦合进入高折射率材料的特性。鉴于目前硅光子-光纤模斑转换器的缺陷，我们提出了折射率梯度变化的模斑转换器结构。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种折射率梯度变化的硅光子模斑转换器。本发明中的折射率梯度变化的硅光子模斑转换器解决了现有硅光子-光纤模斑转换器的在光学性能和可靠性方面难以满足应用的要求，能够同时获得好的光学性能和高可靠性，本发明通过以下技术方案实现。
一种折射率梯度变化的硅光子模斑转换器，包括SiO2外包层1、SiO2支撑结构2、硅光子锥形波导3、硅光子条形波导4、SOI晶片衬底5和梯度叠层SiOxNy内包层6，SOI晶片衬底5表面设有SiO2支撑结构2，SiO2支撑结构2上表面与硅光子锥形波导3下表面相连，硅光子锥形波导3与硅光子条形波导4处于同一平面，且位于SiO2支撑结构2上方，SiO2支撑结构2、硅光子锥形波导3、硅光子条形波导4上设有将这三个结构封闭包围的梯度叠层SiOxNy内包层6，梯度叠层SiOxNy内包层6为以SOI晶片衬底5为底从下至上折射率逐步梯度减小的叠层材料层，梯度叠层SiOxNy内包层6四周设有SiO2外包层1，其中梯度叠层SiOxNy内包层中x、 y 分别为材料中氧、 氮的原子摩尔数且2x+3y=4，0≤x≤2，0≤y≤4/3。
所述SiO2外包层1位于SOI晶片衬底5上，含有SOI晶片衬底5晶片部分埋氧层。
所述SiO2支撑结构2为SOI晶片衬底5晶片埋氧层的部分或者与SOI晶片衬底5晶片埋氧层相连接。
所述硅光子锥形波导3为单层或叠层锥形波导结构，硅光子锥形波导3尖端与输入端面间距5～100微米，硅光子锥形波导3末端横截面与硅光子条形波导4横截面相同。
所述硅光子锥形波导3和硅光子条形波导4位于SiO2支撑结构2和梯度叠层SiOxNy内包层6之间，或者嵌在SiO2支撑结构2内部。
所述以SOI晶片衬底5为底梯度叠层SiOxNy内包层6中从下至上的每层材料中O含量逐步增加，N含量逐步减少，折射率逐步梯度减小。
所述以SOI晶片衬底5为底梯度叠层SiOxNy内包层6中最低层材料中的材料折射率低于硅光子锥形波导3和硅光子条形波导4的折射率，最高层的材料折射率高于SiO2外包层1材料折射率。
本发明工作原理为：
本发明模斑转换器中波导芯层为硅纳米波导，内包层为SiOxNy叠层材料，该内包层含有多层结构，每层结构中的SiOxNy含有不同的O、N含量，不同的O、N含量的SiOxNy具有不同的材料折射率。叠层材料SiOxNy层从下至上通过逐步增加O含量同时N含量减小使得各层材料折射率逐步减小。本发明模斑转换器的外包层材料为SiO2，从光纤输出的光信号首先耦合进入SiOxNy叠层材料波导中，此时外包层SiO2作为SiOxNy叠层材料波导的包层，使光信号能够在SiOxNy叠层材料波导中稳定传输；同时，由于SiOxNy叠层材料波导是叠层结构，外层折射率低而内部折射率高，在传输过程中光能量逐步集中在SiOxNy叠层材料波导的中间区域；当光信号传输到硅光子波导时，由于硅光子波导具有更高的折射率，被集中在SiOxNy叠层中心区域的光信号能够顺利通过硅光子锥形波导耦合进入硅光子条形波导，此时硅光子条形波导的包层为SiOxNy叠层结构。
采用SOI晶片，基于半导体CMOS制作工艺，可以实现本发明提出的折射率梯度变化的硅光子模斑转换器。主要集成工艺流程如下。
步骤一：采用具有较厚埋氧层的SOI晶片，如图2-1所示，制备得到SOI晶片衬底5。首先通过光刻、刻蚀工艺制作出硅光子波导结构（包括硅光子锥形波导3和硅光子条形波导4），如图2-2所示。采用多次光刻和刻蚀工艺，可以得到重叠结构的硅光子锥形波导3和硅光子条形波导4。
步骤二：经过清洗后，在硅光子波导上方沉积一层SiO2上包层。再通过光刻、刻蚀工艺在模斑转换器区域刻蚀SiO2上包层，刻蚀面停在硅光子波导上平面，如图2-3所示。
步骤三：通过光刻工艺，使光刻胶覆盖硅光子波导、SiO2支撑结构2，以及使光刻胶覆盖模斑转换器之外的区域，保护这些区域被进一步刻蚀。采用刻蚀工艺对SiO2近一步刻蚀，在刻蚀槽底部预留一层SiO2层作为外包层底部，形成SiO2外包层下半部分，同时形成SiO2支撑结构2，如图2-4所示。此时，得到的结构三维图如图3或4所示。
步骤四：去胶并清洗后，用PECVD沉积方法，由下至上逐层沉积叠层SiOxNy内包层，逐层改变SiOxNy中O和N的含量，使各层中的O和N含量不相同，O含量从下至上逐层增加，而其折射率逐层减小。
步骤五：通过光刻工艺，使光刻胶覆盖模斑转换器核心区域，对模斑转换器以外区域的SiOxNy叠层进行刻蚀，刻蚀停止在SiO2表面，横截面图如图2-5所示。此时，得到的结构三维图如图4所示。
步骤六：去胶并清洗后，用PECVD沉积方法，在SOI晶片上沉积一层厚的SiO2包层。通过曝光和反刻蚀技术对沉积的SiO2进行选择性的刻蚀，再采用物理化学抛光方法对晶片表面进行抛光，最后得到的器件横截面如图2-6所示。此时，得到的结构三维图如图1所示。
本发明的有益效果是：本发明是对目前的悬桥结构模斑转换器的有效改进，其光学耦合原理与悬桥结构模斑转换器基本相同，但通过梯度叠层内包层取代悬空结构，能够极大提搞模斑转换器的力学性能和器件的可靠性，因此本发明不仅具有很好的光学性能，同时具有良好的可靠性。本发明中所有的工艺均与目前CMOS工艺完全兼容，能够实现器件的大规模量产，有助于推动硅光子集成器件的广泛应用。本发明在光纤通信、军事、医疗、生物等研究领域有着广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明三维结构示意图；
图2是本发明工艺流程示意图；
图3是本发明在沉积梯度叠层材料之前的三维结构示意图；
图4是本发明在形成梯度叠层内包层后的三维结构示意图。
图5是本发明实施例2在沉积梯度叠层材料之前的三维结构示意图。
图中：1-SiO2外包层，2-SiO2支撑结构，3-硅光子锥形波导，4-硅光子条形波导，5-SOI晶片衬底，6-梯度叠层SiOxNy内包层，7-梯度叠层SiOxNy内包层第一层，8-梯度叠层SiOxNy内包层第二层，9-梯度叠层SiOxNy内包层第三层，10-梯度叠层SiOxNy内包层第四层，11-梯度叠层SiOxNy内包层第五层，12-梯度叠层SiOxNy内包层第六层，13-梯度叠层SiOxNy内包层第七层，14梯度叠层SiOxNy内包层第八层，15-梯度叠层SiOxNy内包层第九层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1、3和4所示，该折射率梯度变化的硅光子模斑转换器，包括SiO2外包层1、SiO2支撑结构2、硅光子锥形波导3、硅光子条形波导4、SOI晶片衬底5和梯度叠层SiOxNy内包层6，SOI晶片衬底5表面设有SiO2支撑结构2，SiO2支撑结构2上表面与硅光子锥形波导3下表面相连，硅光子锥形波导3与硅光子条形波导4处于同一平面，且位于SiO2支撑结构2上方，SiO2支撑结构2、硅光子锥形波导3、硅光子条形波导4上设有将这三个结构封闭包围的梯度叠层SiOxNy内包层6，梯度叠层SiOxNy内包层6为以SOI晶片衬底5为底从下至上折射率逐步梯度减小的九层叠层材料层（从下至上依次为梯度叠层SiOxNy内包层第一层7、梯度叠层SiOxNy内包层第二层8、梯度叠层SiOxNy内包层第三层9、梯度叠层SiOxNy内包层第四层10、梯度叠层SiOxNy内包层第五层11、梯度叠层SiOxNy内包层第六层12、梯度叠层SiOxNy内包层第七层13、梯度叠层SiOxNy内包层第八层14、梯度叠层SiOxNy内包层第九层15），梯度叠层SiOxNy内包层6四周设有SiO2外包层1。
其中SiO2外包层1位于SOI晶片衬底5上；SiO2支撑结构2为SOI晶片衬底5晶片埋氧层的部分；硅光子锥形波导3为单层锥形波导结构，硅光子锥形波导3末端横截面与硅光子条形波导4横截面相同；硅光子锥形波导3和硅光子条形波导4位于SiO2支撑结构2和梯度叠层SiOxNy内包层6之间。
其中，硅光子锥形波导3和硅光子条形波导4的厚度为220nm，硅光子条形波导4的宽度为400nm；硅光子锥形波导3为单锥形结构，其尖端和末端宽度分别为50nm、400nm，硅光子锥形波导3长度为50µm。硅光子条形波导4在模斑转换器中长为50µm，硅光子条形波导4末端与SOI晶片衬底5SOI晶片中其他硅光子波导相连接。硅光子锥形波导3尖端离模斑转换器输入端面距离为50µm。硅光子波导下方SiO2支撑结构2的宽度为400nm，高度为2µm。SiO2支撑结构2下方的SiO2外包层1底部厚度为1µm，SiO2外包层1底部内宽为9µm，长度为150µm。折射率梯度变化的SiOxNy内包层6由9层折射率梯度变化的材料层组成，从下至上各层材料在通信波导折射率分别为2.1、2.0、1.9、1.8、1.7、1.65、1.6、1.55、1.5，各层材料的折射率通过SiOxNy中的O、N原子摩尔含量分别为0、4/3；0.3、3.4/3；0.5、3/3；0.7、2.6/3；1.0、2/3；1.2、1.6/3；1.5、1/3；1.7、0.6/3；1.9、0.2/3。9层折射率梯度的厚度从下至上分别为0.25µm、0.3µm、0.3µm、0.35µm、0.35µm、0.4µm、0.4µm、0.45µm、0.5µm。折射率梯度变化的SiOxNy内包层6上方的SiO2外包层1顶部的厚度在物理化学抛光后为2µm。
所述以SOI晶片衬底5为底梯度叠层SiOxNy内包层6中最低层材料中的材料（梯度叠层SiOxNy内包层第一层7）折射率低于硅光子锥形波导3（折射率为3.47）和硅光子条形波导4的折射率（折射率为3.47），最高层的材料（梯度叠层SiOxNy内包层第九层15）折射率高于SiO2外包层1材料折射率（折射率为1.45）。
实施例2
如图5所示，该折射率梯度变化的硅光子模斑转换器，包括SiO2外包层1、SiO2支撑结构2、硅光子锥形波导3、硅光子条形波导4、SOI晶片衬底5和梯度叠层SiOxNy内包层6，SOI晶片衬底5表面设有SiO2支撑结构2，SiO2支撑结构2上表面与硅光子锥形波导3下表面相连，硅光子锥形波导3与硅光子条形波导4处于同一平面，且位于SiO2支撑结构2上方，SiO2支撑结构2、硅光子锥形波导3、硅光子条形波导4上设有将这三个结构封闭包围的梯度叠层SiOxNy内包层6，梯度叠层SiOxNy内包层6为以SOI晶片衬底5为底从下至上折射率逐步梯度减小的九层叠层材料层，梯度叠层SiOxNy内包层6四周设有SiO2外包层1。
其中SiO2外包层1含有SOI晶片衬底5晶片部分埋氧层；SiO2支撑结构2为与SOI晶片衬底5晶片埋氧层相连接；硅光子锥形波导3为双层锥形波导结构，硅光子锥形波导3末端横截面与硅光子条形波导4横截面相同；硅光子锥形波导3和硅光子条形波导4位于SiO2支撑结构2和梯度叠层SiOxNy内包层6之间。
其中，硅光子锥形波导3和硅光子条形波导4的厚度为220nm，硅光子条形波导4的宽度为400nm；硅光子锥形波导3为双锥形叠层结构，上层锤形尖端和末端宽度分别为50nm、400nm，下层锤形尖端和末端宽度也分别为50nm、400nm，上层锤形长度为25µm，下层锤形长度为50µm，上、下层锤形波导厚度均为110nm。硅光子条形波导4在模斑转换器中长为50µm，硅光子条形波导4末端与SOI晶片中其他硅光子波导相连接。硅光子锥形波导3尖端离模斑转换器输入端面距离为100µm。硅光子波导下方SiO2支撑结构2的宽度为400nm，高度为2µm。SiO2支撑结构2下方的SiO2外包层1底部厚度为1µm，SiO2外包层1底部内宽为9µm，长度为150µm。折射率梯度变化的SiOxNy内包层6由9层折射率梯度变化的材料层组成，从下至上各层材料在通信波导折射率分别为2.1、2.0、1.9、1.8、1.7、1.65、1.6、1.55、1.5，各层材料的折射率通过SiOxNy中的O、N含量分别为的O、N原子摩尔含量分别为0、4/3；0.3、3.4/3；0.5、3/3；0.7、2.6/3；1.0、2/3；1.2、1.6/3；1.5、1/3；1.7、0.6/3；1.9、0.2/3。9层折射率梯度的厚度从下至上分别为0.25µm、0.3µm、0.3µm、0.35µm、0.35µm、0.4µm、0.4µm、0.45µm、0.5µm。折射率梯度变化的SiOxNy内包层6上方的SiO2外包层1顶部的厚度在物理化学抛光后为2µm。
所述以SOI晶片衬底5为底梯度叠层SiOxNy内包层6中最低层材料中的材料（梯度叠层SiOxNy内包层第一层7）折射率低于硅光子锥形波导3（折射率为3.47）和硅光子条形波导4的折射率（折射率为3.47），最高层的材料（梯度叠层SiOxNy内包层第九层15）折射率高于SiO2外包层1材料折射率（折射率为1.45）。
实施例3
该折射率梯度变化的硅光子模斑转换器，包括SiO2外包层1、SiO2支撑结构2、硅光子锥形波导3、硅光子条形波导4、SOI晶片衬底5和梯度叠层SiOxNy内包层6，SOI晶片衬底5表面设有SiO2支撑结构2，SiO2支撑结构2上表面与硅光子锥形波导3下表面相连，硅光子锥形波导3与硅光子条形波导4处于同一平面，且位于SiO2支撑结构2上方，SiO2支撑结构2、硅光子锥形波导3、硅光子条形波导4上设有将这三个结构封闭包围的梯度叠层SiOxNy内包层6，梯度叠层SiOxNy内包层6为以SOI晶片衬底5为底从下至上折射率逐步梯度减小的六层叠层材料层，梯度叠层SiOxNy内包层6四周设有SiO2外包层1。
其中SiO2外包层1含有SOI晶片衬底5晶片部分埋氧层；SiO2支撑结构2为与SOI晶片衬底5晶片埋氧层相连接；硅光子锥形波导3为双层锥形波导结构，硅光子锥形波导3末端横截面与硅光子条形波导4横截面相同；硅光子锥形波导3和硅光子条形波导4位于SiO2支撑结构2和梯度叠层SiOxNy内包层6之间。
其中，硅光子锥形波导3和硅光子条形波导4的厚度为220nm，硅光子条形波导4的宽度为400nm；硅光子锥形波导3为双锥形叠层结构，上层锤形尖端和末端宽度分别为50nm、400nm，下层锤形尖端和末端宽度也分别为50nm、400nm，上层锤形长度为25µm，下层锤形长度为50µm，上、下层锤形波导厚度均为110nm。硅光子条形波导4在模斑转换器中长为50µm，硅光子条形波导4末端与SOI晶片中其他硅光子波导相连接。硅光子锥形波导3尖端离模斑转换器输入端面距离为5µm。硅光子波导下方SiO2支撑结构2的宽度为400nm，高度为2µm。SiO2支撑结构2下方的SiO2外包层1底部厚度为1µm，SiO2外包层1底部内宽为9µm，长度为150µm。折射率梯度变化的SiOxNy内包层6由6层折射率梯度变化的材料层组成，从下至上各层材料在通信波导折射率分别为2.1、2.0、1.9、1.8、1.7、1.65，各层材料的折射率通过SiOxNy中的O、N含量分别为的O、N原子摩尔含量分别为0、4/3；0.3、3.4/3；0.5、3/3；0.7、2.6/3；1.0、2/3；1.2、1.6/3。6层折射率梯度的厚度从下至上分别为0.25µm、0.3µm、0.3µm、0.35µm、0.35µm、0.4µm。折射率梯度变化的SiOxNy内包层6上方的SiO2外包层1顶部的厚度在物理化学抛光后为2µm。
所述以SOI晶片衬底5为底梯度叠层SiOxNy内包层6中最低层材料中的材料折射率低于硅光子锥形波导3（折射率为3.47）和硅光子条形波导4的折射率（折射率为3.47），最高层的材料折射率高于SiO2外包层1材料折射率（折射率为1.45）。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (7)
1.一种折射率梯度变化的硅光子模斑转换器，其特征在于：包括SiO2外包层（1）、SiO2支撑结构（2）、硅光子锥形波导（3）、硅光子条形波导（4）、SOI晶片衬底（5）和梯度叠层SiOxNy内包层（6），SOI晶片衬底（5）表面设有SiO2支撑结构（2），SiO2支撑结构（2）上表面与硅光子锥形波导（3）下表面相连，硅光子锥形波导（3）与硅光子条形波导（4）处于同一平面，且位于SiO2支撑结构（2）上方，SiO2支撑结构（2）、硅光子锥形波导（3）、硅光子条形波导（4）上设有将这三个结构封闭包围的梯度叠层SiOxNy内包层（6），梯度叠层SiOxNy内包层（6）为以SOI晶片衬底（5）为底从下至上折射率逐步梯度减小的叠层材料层，梯度叠层SiOxNy内包层（6）四周设有SiO2外包层（1），其中梯度叠层SiOxNy内包层中x、 y 分别为材料中氧、 氮的原子摩尔数且2x+3y=4，0≤x≤2，0≤y≤4/3。
2.根据权利要求1所述的折射率梯度变化的硅光子模斑转换器，其特征在于：所述SiO2外包层（1）位于SOI晶片衬底（5）上，含有SOI晶片衬底（5）晶片部分埋氧层。
3.根据权利要求1所述的折射率梯度变化的硅光子模斑转换器，其特征在于：所述SiO2支撑结构（2）为SOI晶片衬底（5）晶片埋氧层的部分或者与SOI晶片衬底（5）晶片埋氧层相连接。
4.根据权利要求1所述的折射率梯度变化的硅光子模斑转换器，其特征在于：所述硅光子锥形波导（3）为单层或叠层锥形波导结构，硅光子锥形波导（3）尖端与输入端面间距5～100微米，硅光子锥形波导（3）末端横截面与硅光子条形波导（4）横截面相同。
5.根据权利要求1或4所述的折射率梯度变化的硅光子模斑转换器，其特征在于：所述硅光子锥形波导（3）和硅光子条形波导（4）位于SiO2支撑结构（2）和梯度叠层SiOxNy内包层（6）之间，或者嵌在SiO2支撑结构（2）内部。
6.根据权利要求1或4所述的折射率梯度变化的硅光子模斑转换器，其特征在于：所述以SOI晶片衬底（5）为底梯度叠层SiOxNy内包层（6）中从下至上的每层材料中O含量逐步增加，N含量逐步减少，折射率逐步梯度减小。
7.根据权利要求6所述的折射率梯度变化的硅光子模斑转换器，其特征在于：所述以SOI晶片衬底（5）为底梯度叠层SiOxNy内包层（6）中最低层材料中的材料折射率低于硅光子锥形波导（3）和硅光子条形波导（4）的折射率，最高层的材料折射率高于SiO2外包层（1）材料折射率。
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Effective date of registration: 20210721 Address after: 201306 building C, No. 888, Huanhu West 2nd Road, Lingang New Area, Pudong New Area, Shanghai Applicant after: Yipu (Shanghai) semiconductor manufacturing Co.,Ltd. Address before: Building 1, science and innovation headquarters, Shenzhen (Harbin) Industrial Park, 288 Zhigu street, Songbei District, Harbin City, Heilongjiang Province Applicant before: Harbin Zhongda Electronic Co.,Ltd. |
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| GR01 | Patent grant | ||
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