CN107561640A

CN107561640A - 硅纳米线波导与光纤耦合结构及其制作方法

Info

Publication number: CN107561640A
Application number: CN201710711432.7A
Authority: CN
Inventors: 付鑫; 杨林; 丁建峰; 张磊
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2017-08-18
Filing date: 2017-08-18
Publication date: 2018-01-09

Abstract

本发明公开了一种硅纳米线波导与光纤耦合结构及其制作方法。硅纳米线波导与光纤耦合结构包括：第一二氧化硅波导，为输入波导；锥形二氧化硅波导，一侧与第一二氧化硅波导相连接，横截面尺寸沿着光传输的方向渐缩；第二二氧化硅波导，与锥形二氧化硅波导的另一侧相连接，横截面尺寸小于第一二氧化硅波导；二氧化硅平板结构，与第二二氧化硅波导相连接；锥形硅波导，由第二二氧化硅波导包覆，位于第二二氧化硅波导的对称轴所在位置，横截面尺寸沿着光传输的方向渐扩；以及硅输出波导，由二氧化硅平板结构包覆，位于二氧化硅平板结构的对称轴所在位置，与锥形硅波导相连接。该结构简单，设计方便，制作更容易，成本低，有利于大规模的生产与应用。

Description

硅纳米线波导与光纤耦合结构及其制作方法

技术领域

本公开属于光纤通信与集成光学技术领域，涉及一种硅纳米线波导与光纤耦合结构及其制作方法。

背景技术

传统的大截面尺寸波导通常为几百微米至毫米量级，由于其弯曲半径大，难以在单个晶圆上集成多个光学功能器件，限制了大规模集成光路的发展。随着半导体加工水平的进步，硅纳米线光波导及器件成为了当今热门研究领域之一。硅纳米线波导通常采用绝缘体上的硅SOI(Silicon-on-insulator，SOI)基片制作，其芯层与包层的折射率相差很大，可以对光场形成很强的限制，从而实现超小的波导尺寸和弯曲半径，而且其制作工艺与已经成熟的CMOS工艺技术相兼容，为大规模光电集成芯片的研究与应用奠定了良好的基础。

然而，随着硅纳米线波导的截面越来越小，波导与光纤之间光信号的耦合变得越来越困难。硅纳米线波导的尺寸在亚微米量级，而光纤的芯径通常为几个微米量级。二者尺寸上的差异使得直接对接耦合的损耗大于10dB，无法满足实际应用的需求。

为了解决硅纳米线波导与光纤的耦合问题，一种方法是采用光栅耦合结构，该种方法虽然可以直接与单模光纤耦合，但是带宽受限而且需要光纤保持特定的角度，不利于大规模应用。另一种方法是根据模斑变换采用端面耦合，通常将埋在平板介质或者聚合物中的硅纳米线波导的端头逐步收窄成倒锥型结构，使其与光纤之间的模场尺寸尽可能的匹配来提高耦合效率，此种做法对硅波导模场扩展的程度有限且耦合容差较小，部分光场会向平板区和衬底泄漏。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种硅纳米线波导与光纤耦合结构及其制作方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种硅纳米线波导与光纤耦合结构，包括：第一二氧化硅波导，为输入波导；锥形二氧化硅波导，一侧与第一二氧化硅波导相连接，横截面尺寸沿着光传输的方向渐缩；第二二氧化硅波导，与锥形二氧化硅波导的另一侧相连接，横截面尺寸小于第一二氧化硅波导；二氧化硅平板结构，与第二二氧化硅波导相连接；锥形硅波导，由第二二氧化硅波导包覆，位于第二二氧化硅波导的对称轴所在位置，横截面尺寸沿着光传输的方向渐扩；以及硅输出波导，由二氧化硅平板结构包覆，位于二氧化硅平板结构的对称轴所在位置，与锥形硅波导相连接。

在本公开的一些实施例中，该硅纳米线波导与光纤耦合结构还包括：衬底，具有向上突出的一侧臂，该侧臂与二氧化硅平板结构相连接。

在本公开的一些实施例中，该硅纳米线波导与光纤耦合结构还包括：支撑臂，具有多组支撑结构，分别位于第一二氧化硅波导、锥形二氧化硅波导和第二二氧化硅波导的两侧；该依次相连的第一二氧化硅波导、锥形二氧化硅波导、第二二氧化硅波导和二氧化硅平板结构构成一悬空波导结构，衬底的向上突出的侧臂和支撑臂共同支撑该悬空波导结构。

在本公开的一些实施例中，第一二氧化硅波导的横截面为正方形结构，由埋氧层和二氧化硅覆盖层共同组成，其中，埋氧层的厚度与二氧化硅覆盖层的厚度相等。

在本公开的一些实施例中，衬底为SOI基片的部分硅衬底，该SOI基片的顶层材料为亚微米厚度的硅，埋氧层的材料为二氧化硅，背衬底的材料为纯净的硅材料。

在本公开的一些实施例中，支撑臂的材料为二氧化硅。

根据本公开的另一个方面，提供了一种硅纳米线波导与光纤耦合结构的制作方法，包括：在SOI基片上制作硅纳米线波导，形成锥形硅波导和硅输出波导；在制作好的硅纳米线波导表面沉积二氧化硅，形成二氧化硅覆盖层；以及对二氧化硅覆盖层和埋氧层进行光刻和刻蚀，并湿法腐蚀衬底，形成第一二氧化硅波导、锥形二氧化硅波导、第二二氧化硅波导、支撑臂和二氧化硅平板结构，完成纳米线波导与光纤耦合结构的制作。

在本公开的一些实施例中，在SOI基片上制作硅纳米线波导，形成锥形硅波导和硅输出波导包括：在SOI基片上制作硅纳米线波导，该硅纳米线波导的形状如下：其中一部分的两端宽度相同，作为硅输出波导，另一部分为倒锥型结构，即端头宽度越来越小，作为锥形硅波导；在制作好的硅纳米线波导表面沉积二氧化硅，形成二氧化硅覆盖层包括：采用等离子体增强化学气相淀积在制作好的纳米线波导表面沉积二氧化硅，并使二氧化硅覆盖层的厚度与埋氧层的厚度相同，然后进行化学机械抛光，实现表面平整化处理。

在本公开的一些实施例中，对二氧化硅覆盖层和埋氧层进行光刻和刻蚀，并湿法腐蚀衬底，形成第一二氧化硅波导、锥形二氧化硅波导、第二二氧化硅波导、支撑臂和二氧化硅平板结构包括：利用光刻在二氧化硅覆盖层上形成对应图案，该对应图案包含第一二氧化硅波导、锥形二氧化硅波导和第二二氧化硅波导、支撑臂和二氧化硅平板结构上表面的形状；采用反应离子刻蚀工艺对图案化的二氧化硅覆盖层进行干法刻蚀，刻蚀二氧化硅和SOI基片中的埋氧层至SOI基片中的背衬底硅层，得到第一二氧化硅波导、锥形二氧化硅波导、第二二氧化硅波导、支撑臂和二氧化硅平板结构；以及将刻蚀后的结构浸入KOH腐蚀液中，腐蚀掉一部分背衬底硅层，在此背衬底硅层的一侧，形成具有向上突出的一侧臂，其余被腐蚀掉的部分变为中空，形成由支撑臂和衬底向上突出一侧臂进行支撑的悬空结构，该悬空结构包括第一二氧化硅波导、锥形二氧化硅波导、第二二氧化硅波导、支撑臂和二氧化硅平板结构，且在第二二氧化硅波导中包含锥形硅波导，在二氧化硅平板结构中包含硅输出波导。

在本公开的一些实施例中，反应离子刻蚀工艺采用CF₄与H₂的混合气体作为二氧化硅的刻蚀气体，其中H₂在混合气体内中的体积分数为50％。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的硅纳米线波导与光纤耦合结构及其制作方法，具有以下有益效果：

利用埋氧层二氧化硅与外部沉积二氧化硅薄膜共同作用形成二氧化硅波导过渡结构，并去除部分SOI基片中的背衬底硅，消除了光场向衬底扩散的泄漏损耗，有效提高了耦合结构对光场的限制能力，扩展了光模场大小，降低了倒锥形耦合结构端头的弥散损耗以及光纤与亚微米尺寸波导耦合时的模场失配损耗和反射损耗；还采用支撑臂提高了悬空结构的可靠性；不需要额外加入折射率匹配溶液就能实现低损耗耦合，保证了其稳定性，结构简单，设计方便，制作相对容易，成本低，有利于大规模的生产与应用。

附图说明

图1为根据本公开实施例硅纳米线波导与光纤耦合结构的俯视图。

图2为根据本公开实施例硅纳米线波导与光纤耦合结构沿着中轴线竖向剖开的剖视图。

图3为根据本公开实施例硅纳米线波导与光纤耦合结构的立体图。

图4为根据本公开实施例硅纳米线波导与光纤耦合结构的制作方法流程图。

图5A为图4所示方法制备的图1所示硅纳米线波导与光纤耦合结构沿着A-A’所示方向剖开的剖视图。

图5B为图4所示方法制备的图1所示硅纳米线波导与光纤耦合结构沿着B-B’所示方向剖开的剖视图。

图5C为图4所示方法制备的图1所示硅纳米线波导与光纤耦合结构沿着C-C’所示方向剖开的剖视图。

图5D为图4所示方法制备的图1所示硅纳米线波导与光纤耦合结构沿着D-D’所示方向剖开的剖视图。

图6为根据本公开实施例硅纳米线波导与光纤耦合结构的耦合效率模拟结果图。

具体实施方式

本公开提供了一种硅纳米线波导与光纤耦合结构及其制作方法，利用埋氧层二氧化硅与外部沉积二氧化硅薄膜共同作用形成二氧化硅波导过渡结构，并去除部分SOI基片中的背衬底硅层，消除了光场向衬底扩散的泄漏损耗、模场失配损耗和反射损耗，结构简单，设计方便，制作相对容易，成本低，有利于大规模的生产与应用。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种纳米线波导与光纤耦合结构。

图1为根据本公开实施例硅纳米线波导与光纤耦合结构的俯视图；图2为根据本公开实施例硅纳米线波导与光纤耦合结构沿着中轴线竖向剖开的剖视图；图3为根据本公开实施例硅纳米线波导与光纤耦合结构的立体图。其中，图1中的x方向即为光传输的方向，x、y所在平面即为水平面，y、z所在平面为横截面。结合图1-图3所示，本公开的硅纳米线波导与光纤耦合结构，包括：

第一二氧化硅波导1，为输入波导；

锥形二氧化硅波导2，一侧与第一二氧化硅波导1相连接，横截面尺寸沿着光传输的方向渐缩；

第二二氧化硅波导3，与锥形二氧化硅波导2的另一侧相连接，横截面尺寸小于第一二氧化硅波导1；

二氧化硅平板结构6，与第二二氧化硅波导3相连接；

锥形硅波导5，由第二二氧化硅波导3包覆，位于第二二氧化硅波导3的对称轴所在位置，横截面尺寸沿着光传输的方向渐扩；

硅输出波导7，由二氧化硅平板结构6包覆，位于二氧化硅平板结构6的对称轴所在位置，与锥形硅波导5相连接；

衬底8，具有向上突出的一侧臂，该侧臂与二氧化硅平板结构6相连接；以及

支撑臂4，具有多组支撑结构，分别位于第一二氧化硅波导1、锥形二氧化硅波导2和第二二氧化硅波导3的两侧；

该依次相连的第一二氧化硅波导1、锥形二氧化硅波导2、第二二氧化硅波导3和二氧化硅平板结构6构成一悬空波导结构，衬底8的侧臂和支撑臂4共同支撑该悬空波导结构。

下面对本实施例纳米线波导与光纤耦合结构的各个部分进行详细介绍。

第一二氧化硅波导的横截面为对称结构，优选既是轴对称又是中心对称的结构，本实施例中，第一二氧化硅波导1的横截面为正方形结构，由埋氧层和二氧化硅覆盖层共同组成，其中，埋氧层的厚度与二氧化硅覆盖层的厚度相等，因而该第一二氧化硅波导对称的模场与光纤中的圆形模场可以实现较好的匹配，从而减小模式失配损耗。光纤中的光从第一二氧化硅波导的输入端输入，如图3所示。

参照图1和图2所示，本实施例中，锥形二氧化硅波导2沿着光传输的方向，厚度保持一致，其沿着水平面剖开的截面呈现梯形的结构，输入端宽，输出端窄，即横截面尺寸沿着光传输的方向渐缩，沿着第一二氧化硅波导1输入的光经过锥形二氧化硅波导2，在横向上实现了压缩，然后输出到第二二氧化硅波导3。

第二二氧化硅波导3的输入端与锥形二氧化硅波导2的输出端横截面相同，锥形硅波导5沿着光传输的方向，厚度保持一致，其沿着水平面剖开的截面呈现锥形的结构，输入端窄，输出端宽，即横截面尺寸沿着光传输的方向渐扩；经过锥形二氧化硅波导2压缩后的光进入第二二氧化硅波导3，然后在锥形硅波导5中逐步实现耦合，并沿着锥形硅波导5输出，进入硅输出波导7中，实现光的输出。光场经过锥形硅波导5和硅输出波导7的耦合作用，经过二氧化硅平板结构6后实现了全部耦合至硅输出波导7中，因而在包覆该硅输出波导7的二氧化硅平板结构6的输出端，可以直接连接各种功能器件。

本实施例中，支撑臂4具有三组对称分布的支撑结构，分布于第一二氧化硅波导1、锥形二氧化硅波导2和第二二氧化硅波导3的输入端的两侧，但本公开不局限于本实施例中提到的三组支撑结构，可以为三组以上的多组支撑结构，且每组支撑结构的尺寸可以相同，也可以不同，而且其设置的位置也局限于本实施例中提到的输入端两侧对称分布，只要能实现支撑功能即可；甚至支撑结构的数目也可以不作限制，只要能够配合衬底8的侧臂实现支撑功能即可。

支撑臂4是通过刻蚀衬底8上的二氧化硅层直至背衬底硅的一部分被刻蚀掉得到的，为刻蚀后剩下的除去悬空部分的二氧化硅层，剩余的没被刻蚀掉的衬底相较悬空部分突出的部分即为衬底向上突出的一侧臂。

衬底8为SOI基片中的部分硅衬底，包括与悬空部分相接的突出的一侧臂和位于悬空部分下方的部分，材料为硅；该SOI基片的顶层硅是亚微米厚度的硅，埋氧层是二氧化硅，背衬底是纯净的硅。

参照图1所示，本实施例中，第一二氧化硅波导1的宽度为6μm，即沿着y轴方向的长度为6μm，后续描述的宽度的含义与之类似，下面的描述中以宽度直接称呼，不再赘述具体坐标轴；由于其横截面为正方形结构，则对应在z轴方向的高度也为6μm，其中，埋氧层二氧化硅的厚度为3μm；外部沉积二氧化硅的厚度也为3μm；锥形二氧化硅波导2的长度为100μm，即沿着x轴方向的长度为100μm；第二二氧化硅波导3的宽度为4μm，支撑臂4中每组支撑结构宽度均为2μm，锥形硅波导5的长度为200μm，硅输出波导7的宽度为400nm；基于硅绝缘体SOI材料的锥形硅波导5的厚度为220nm，即沿着z轴方向的高度为220nm。

其中，锥形硅波导5端头的宽度由于受到工艺精度的限制，一般不会收窄至零，该宽度越小，对提高耦合效率越有利。

图4为根据本公开实施例硅纳米线波导与光纤耦合结构的制作方法流程图。图5A为图4所示方法制备的图1所示硅纳米线波导与光纤耦合结构沿着A-A’所示方向剖开的剖视图。图5B为图4所示方法制备的图1所示硅纳米线波导与光纤耦合结构沿着B-B’所示方向剖开的剖视图。图5C为图4所示方法制备的图1所示硅纳米线波导与光纤耦合结构沿着C-C’所示方向剖开的剖视图。图5D为图4所示方法制备的图1所示硅纳米线波导与光纤耦合结构沿着D-D’所示方向剖开的剖视图。

结合图4和图5A-5D所示，一种硅纳米线波导与光纤耦合结构的制作方法，包括：

步骤S402：在SOI基片上制作硅纳米线波导，形成锥形硅波导和硅输出波导；

本实施例中，该步骤包括：在SOI基片上制作硅纳米线波导，该硅纳米线波导的形状如下：其中一部分的两端宽度相同，作为硅输出波导，另一部分为倒锥型结构，即端头宽度越来越小，作为锥形硅波导；该SOI基片从上至下依次包括：顶层硅，埋氧层以及背衬底硅；顶层硅为亚微米厚度，埋氧层的厚度一般为2～3μm，背衬底硅为纯净的硅材料，这里的纯净指的是纯度在99.9999％以上的单晶硅；本公开不以此为限，市面上的SOI晶片都可作为基片。

步骤S404：在制作好的硅纳米线波导表面沉积二氧化硅，形成二氧化硅覆盖层；

本实施例中，采用等离子体增强化学气相淀积(PECVD)在制作好的纳米线波导表面沉积二氧化硅，利用CH₄与N₂O在350℃左右反应生成二氧化硅，同时为了使得二氧化硅波导的模场与光纤的模场尽量匹配，二氧化硅覆盖层的厚度与SOI基片的埋氧层厚度一致，然后进行化学机械抛光，实现表面平整化处理。

步骤S406：对二氧化硅覆盖层和埋氧层进行光刻和刻蚀，并湿法腐蚀SOI基片，形成第一二氧化硅波导、锥形二氧化硅波导、第二二氧化硅波导、支撑臂和二氧化硅平板结构的悬空结构，完成纳米线波导与光纤耦合结构的制作；

其中，光刻板为包含第一二氧化硅波导、锥形二氧化硅波导、第二二氧化硅波导、支撑臂和二氧化硅平板结构上表面的形状，可以根据实际需要对光刻板中各个图案的尺寸进行设计，本实施例中光刻板的图案未示出，可参见图1中忽略掉锥形硅波导5和硅输出波导7的部分，其中，第一二氧化硅波导1沿着y轴方向的长度为6μm，锥形二氧化硅波导2沿着x轴方向的长度为100μm，第二二氧化硅波导3沿着y轴方向的长度为4μm，支撑臂4中每组支撑结构沿着y轴方向的长度均为2μm，锥形硅波导5的长度为200μm，硅输出波导7的宽度为400nm。

利用光刻在二氧化硅覆盖层上形成对应图案之后，采用反应离子刻蚀工艺对二氧化硅覆盖层和SOI基片的埋氧层进行干法刻蚀，刻蚀二氧化硅至背衬底硅层，得到第一二氧化硅波导、锥形二氧化硅波导、第二二氧化硅波导、支撑臂和二氧化硅平板结构；然后将制作好的图形浸入KOH腐蚀液中，腐蚀掉一定厚度的背衬底硅，那么在此衬底的一侧，形成具有向上突出的一侧臂，其余被腐蚀掉的部分变为中空，如此，形成由支撑臂和衬底向上突出一侧臂进行支撑的悬空结构，该悬空结构包括第一二氧化硅波导、锥形二氧化硅波导、第二二氧化硅波导、支撑臂和二氧化硅平板结构，且在第二二氧化硅波导中包含锥形硅波导，在二氧化硅平板结构中包含硅输出波导。

反应离子刻蚀工艺中，采用CF₄与H₂的混合气体作为SiO₂的刻蚀气体，其中H2在混合气体内中的体积分数为50％，该组分的CF₄/H₂混合气体对二氧化硅和硅的选择刻蚀性较好，选择比超过40∶1。在等离子体环境中，CF₄可以产生氟原子，氟原子与二氧化硅发生反应，从而刻蚀二氧化硅至硅衬底层，而几乎不与硅发生反应。

KOH腐蚀液对硅和二氧化硅也具有很高的选择刻蚀比，该腐蚀液可以与硅发生反应，而不与二氧化硅反应，因此采用KOH腐蚀液进行图案腐蚀的目的是腐蚀部分厚度的背衬底硅，形成悬空结构，而由二氧化硅埋氧层包覆的硅纳米线波导不会被腐蚀液腐蚀，因而在第二二氧化硅波导3中包含的锥形硅波导5得以保留，在二氧化硅平板结构6中包含的硅输出波导7的结构也得以保留。

其中，衬底8被湿法腐蚀，由于晶向的缘故，会形成倒三角式的悬空区域，如图5A所示，在衬底8被湿法腐蚀过的与第一二氧化硅波导1相接的部分，存在一个倒三角式的悬空区域；对比图5B和图5C来看，用作支撑臂4的部分二氧化硅覆盖层在反应离子刻蚀工艺中没有被刻蚀，如图5B中第二二氧化硅波导3两侧的支撑臂4中的一组支撑结构所示，而在不含支撑臂结构的非输入端，在光刻过程中二氧化硅覆盖层被曝光，然后被刻蚀掉，最终形成如图5C所示的不含支撑结构的第二二氧化硅波导3；悬空结构包括第一二氧化硅波导、锥形二氧化硅波导、第二二氧化硅波导、支撑臂和二氧化硅平板结构，其中二氧化硅平板结构下方与衬底向上突出的一侧臂相连接，因此，由于湿法刻蚀衬底形成的倒三角式的悬空区域仅出现在第一二氧化硅波导1、锥形二氧化硅波导2和第二二氧化硅波导3这三段，故在图5A-图5C中均出现了倒三角式的悬空区域；硅波导被对称的包覆于第二二氧化硅波导3和二氧化硅平板结构6中，分别形成锥形硅波导5和硅输出波导7，分别如图5C和图5D所示。

根据第一个实施例中提供的纳米线波导与光纤耦合结构进行了模拟实验。

图6为根据本公开实施例硅纳米线波导与光纤耦合结构的耦合效率模拟结果图。如图6所示，在1550nm处与模场为5μm的锥形光纤耦合效率为91％，损耗约0.41dB，在不采用折射率匹配溶液的情况下便实现了较高的耦合效率。如果采用折射率匹配溶液覆盖于二氧化硅波导四周，耦合效率还能实现进一步的提升。

综上所述，本公开实施例提供了一种硅纳米线波导与光纤耦合结构及其制作方法，利用埋氧层二氧化硅与外部沉积二氧化硅薄膜共同作用形成二氧化硅波导过渡结构，并去除部分SOI基片的背衬底硅，消除了光场向衬底扩散的泄漏损耗，有效提高了耦合结构对光场的限制能力，扩展了光模场大小，降低了倒锥形耦合结构端头的弥散损耗以及光纤与亚微米尺寸波导耦合时的模场失配损耗和反射损耗；还采用支撑臂提高了悬空结构的可靠性；不需要额外加入折射率匹配溶液就能实现低损耗耦合，保证了其稳定性，结构简单，设计方便，制作相对容易，成本低，有利于大规模的生产与应用。

需要说明的是，说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、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，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims

1.一种硅纳米线波导与光纤耦合结构，包括：

第一二氧化硅波导，为输入波导；

锥形二氧化硅波导，一侧与第一二氧化硅波导相连接，横截面尺寸沿着光传输的方向渐缩；

第二二氧化硅波导，与锥形二氧化硅波导的另一侧相连接，横截面尺寸小于第一二氧化硅波导；

二氧化硅平板结构，与第二二氧化硅波导相连接；

锥形硅波导，由第二二氧化硅波导包覆，位于第二二氧化硅波导的对称轴所在位置，横截面尺寸沿着光传输的方向渐扩；以及

硅输出波导，由二氧化硅平板结构包覆，位于二氧化硅平板结构的对称轴所在位置，与锥形硅波导相连接。

2.根据权利要求1所述的硅纳米线波导与光纤耦合结构，还包括：

衬底，具有向上突出的一侧臂，该侧臂与二氧化硅平板结构相连接。

3.根据权利要求2所述的硅纳米线波导与光纤耦合结构，还包括：

支撑臂，具有多组支撑结构，分别位于第一二氧化硅波导、锥形二氧化硅波导和第二二氧化硅波导的两侧；

该依次相连的第一二氧化硅波导、锥形二氧化硅波导、第二二氧化硅波导和二氧化硅平板结构构成一悬空波导结构，衬底的向上突出的侧臂和支撑臂共同支撑该悬空波导结构。

4.根据权利要求1所述的硅纳米线波导与光纤耦合结构，其中，所述第一二氧化硅波导的横截面为正方形结构，由埋氧层和二氧化硅覆盖层共同组成，其中，埋氧层的厚度与二氧化硅覆盖层的厚度相等。

5.根据权利要求2所述的硅纳米线波导与光纤耦合结构，其中，所述衬底为SOI基片的部分硅衬底，该SOI基片的顶层材料为亚微米厚度的硅，埋氧层的材料为二氧化硅，背衬底的材料为纯净的硅材料。

6.根据权利要求3所述的硅纳米线波导与光纤耦合结构，其中，所述支撑臂的材料为二氧化硅。

7.一种如权利要求3所述硅纳米线波导与光纤耦合结构的制作方法，包括：

在SOI基片上制作硅纳米线波导，形成锥形硅波导和硅输出波导；

在制作好的硅纳米线波导表面沉积二氧化硅，形成二氧化硅覆盖层；以及

对二氧化硅覆盖层和埋氧层进行光刻和刻蚀，并湿法腐蚀SOI基片，形成第一二氧化硅波导、锥形二氧化硅波导、第二二氧化硅波导、支撑臂和二氧化硅平板结构，完成纳米线波导与光纤耦合结构的制作。

8.根据权利要求7所述的制作方法，其中：

所述在SOI基片上制作硅纳米线波导，形成锥形硅波导和硅输出波导包括：在SOI基片上制作硅纳米线波导，该硅纳米线波导的形状如下：其中一部分的两端宽度相同，作为硅输出波导，另一部分为倒锥型结构，即端头宽度越来越小，作为锥形硅波导；

所述在制作好的硅纳米线波导表面沉积二氧化硅，形成二氧化硅覆盖层包括：采用等离子体增强化学气相淀积在制作好的纳米线波导表面沉积二氧化硅，并使二氧化硅覆盖层的厚度与埋氧层的厚度相同，然后进行化学机械抛光，实现表面平整化处理。

9.根据权利要求7所述的制作方法，其中，所述对二氧化硅覆盖层和埋氧层进行光刻和刻蚀，并湿法腐蚀SOI基片，形成第一二氧化硅波导、锥形二氧化硅波导、第二二氧化硅波导、支撑臂和二氧化硅平板结构包括：

利用光刻在二氧化硅覆盖层上形成对应图案，该对应图案包含第一二氧化硅波导、锥形二氧化硅波导和第二二氧化硅波导、支撑臂和二氧化硅平板结构上表面的形状；

采用反应离子刻蚀工艺对图案化的二氧化硅覆盖层进行干法刻蚀，刻蚀二氧化硅和SOI基片中的埋氧层至SOI基片中的背衬底硅层，得到第一二氧化硅波导、锥形二氧化硅波导、第二二氧化硅波导、支撑臂和二氧化硅平板结构；以及

将刻蚀后的结构浸入KOH腐蚀液中，腐蚀掉一部分背衬底硅层，在此背衬底硅层的一侧，形成具有向上突出的一侧臂，其余被腐蚀掉的部分变为中空，形成由支撑臂和衬底向上突出一侧臂进行支撑的悬空结构，该悬空结构包括第一二氧化硅波导、锥形二氧化硅波导、第二二氧化硅波导、支撑臂和二氧化硅平板结构，且在第二二氧化硅波导中包含锥形硅波导，在二氧化硅平板结构中包含硅输出波导。

10.根据权利要求9所述的制作方法，其中，所述反应离子刻蚀工艺采用CF₄与H₂的混合气体作为二氧化硅的刻蚀气体，其中H₂在混合气体内中的体积分数为50％。