CN108983352B - 一种端面耦合器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种端面耦合器及其制备方法，其中包括：硅衬底；埋氧层形成于硅衬底的上表面；于埋氧层中形成：顶层硅具有一第一顶层硅与一第二顶层硅；氮化硅波导形成于顶层硅的上方，氮化硅波导包括一第一氮化硅波导与一第二氮化硅波导；第一氮化硅波导与第二氮化硅波导的中心线位于顶层硅的中心线上。有益效果：通过在顶层硅的上方不同高度处生长多层氮化硅波导，实现了较大模斑尺寸的光场，并结合纵向楔形结构的设计，缩短了纵向结构的长度，最终实现了较高耦合效率的波导端面耦合器，并且这种端面耦合器制作工艺简单，与CMOS工艺兼容，可用于大规模生产，成本较低，具有较高的产业利用价值。

Description

一种端面耦合器及其制备方法

技术领域

本发明涉及光学器件技术领域，尤其涉及一种端面耦合器及其制备方法。

背景技术

硅光子技术以硅作为光学介质，利用CMOS(互补金属氧化物半导体，英文全称Complementary Metal Oxide Semiconductor)工艺进行光学器件的开发和集成，有望实现低成本、高速的光通信，拥有广阔的市场应用前景。如何高效率地实现光芯片上的光信号与外部光信号之间的互联成为硅光子技术中的关键技术之一。硅基单模波导的模斑尺寸为0.4～0.5um，而单模光纤的模斑尺寸为9～10um，两者之间存在较大的模斑尺寸失配和有效折射率失配的问题。如果光信号从光纤中直接输入硅波导中，会存在非常大的损耗。因此，制备具有较高的耦合效率的耦合器，对于硅光子技术的应用具有十分重要的意义。

目前，硅波导耦合器主要包括两种，即光栅耦合器和端面耦合器。光栅耦合器的优点是对准容差大、便于封装，并且可进行片上测试等，但其耦合效率不高，工作带宽窄。端面耦合器一般采用楔形结构，其优点是耦合效率高、工作带宽大。受SOI(绝缘体上硅，SiliconOn Insulator)基片埋氧层厚度的限制，为了防止光场泄露到硅衬底中，楔形结构的端面耦合器的模斑尺寸仍然较小，与单模光纤的模斑尺寸依然存在较大的失配。针对这一问题，国际上先后提出了多种结构的端面耦合器来实现较大的模斑尺寸，主要包括悬臂梁结构、包覆聚合物结构、三维楔形结构等，但这些耦合器加工复杂，其对应结构的制备工艺与CMOS工艺不兼容，不利于大范围的推广与应用。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种端面耦合器及其制备方法。

具体技术方案如下：

一种端面耦合器，其中包括：

一硅衬底；

一埋氧层，形成于所述硅衬底的上表面；于所述埋氧层中形成：

一顶层硅，所述顶层硅具有一第一顶层硅与一第二顶层硅；

一氮化硅波导，所述氮化硅波导形成于所述顶层硅的上方，所述氮化硅波导包括一第一氮化硅波导与一第二氮化硅波导，所述第一氮化硅波导与所述顶层硅具有一第一预设厚度，所述第二氮化硅波导与所述第一氮化硅波导具有一第二预设厚度；所述第一氮化硅波导与所述第二氮化硅波导的中心线位于所述顶层硅的中心线上。

优选的，所述第一顶层硅为条形顶层硅；

所述第二顶层硅为楔形顶层硅。

优选的，所述第一氮化硅波导与所述第二氮化硅波导均为楔形结构；

所述第一氮化硅波导的长度大于所述第二氮化硅波导的长度。

优选的，所述第一氮化硅波导与所述第二氮化硅波导均为楔形结构；

所述第一氮化硅波导的长度与所述第二氮化硅波导的长度相同。

优选的，所述第一氮化硅波导包括：

一条形氮化硅波导；

一第一楔形氮化硅波导；

一第二楔形氮化硅波导；

所述第一楔形氮化硅波导与所述第二楔形氮化硅波导对称连接于所述条形氮化硅波导的两侧；

所述第一楔形氮化硅波导的长度与所述第二楔形氮化硅波导的长度相同。

优选的，所述第二顶层硅的长度与所述第二楔形氮化硅波导的长度相同；

所述第二顶层硅位于所述第二楔形氮化硅波导的下方，与所述第二楔形氮化硅波导的结构相同；

所述第二顶层硅与所述第二楔形氮化硅波导以所述第二楔形氮化硅波导的中心线为对称轴，对称分布构成一模场转换器。

优选的，所述第二氮化硅波导至少包括四个结构相同，且以所述第一氮化硅波导的中心线为对称轴，以对称分布的子氮化硅波导；

每两个对称分布的所述子氮化硅波导的水平方向之间具有一第三预设厚度；

每两个对称分布的所述子氮化硅波导的垂直方向之间具有一第四预设厚度。

优选的，每一所述子氮化硅波导的长度与所述第一楔形氮化硅波导的长度相同。

一种端面耦合器的制备方法，用于所述的端面耦合器，其特征在于，所述制备方法具体步骤包括：

步骤S1、提供一硅衬底，于所述硅衬底上形成一埋氧层，所述埋氧层具有一第五预设厚度；

步骤S2、于所述埋氧层中形成一顶层硅，通过刻蚀工艺刻蚀所述顶层硅以形成一第一顶层硅与一第二顶层硅；

步骤S3、于所述顶层硅的上方形成一氮化硅波导，通过刻蚀工艺刻蚀所述氮化硅波导以形成一第一氮化硅波导与一第二氮化硅波导，所述第一氮化硅波导与所述第二氮化硅波导的中心线位于所述顶层硅的中心线上。

优选的，所述刻蚀工艺通过反应离子刻蚀方法进行刻蚀。

本发明的技术方案有益效果在于：通过在顶层硅的上方不同高度处生长多层氮化硅波导，实现了较大模斑尺寸的光场，并结合纵向楔形结构的设计，缩短了纵向结构的长度，最终实现了较高耦合效率的波导端面耦合器，并且这种端面耦合器制作工艺简单，与CMOS工艺兼容，可用于大规模生产，成本较低，具有较高的产业利用价值。

附图说明

参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。

图1为本发明的实施例的端面耦合器的横向截面示意图；

图2为本发明的实施例的端面耦合器的俯视结构示意图；

图3为本发明的实施例的端面耦合器的侧视结构示意图；

图4为本发明的实施例的端面耦合器的横向截面示意图的TE0模场分布图；

图5为本发明的实施例的端面耦合器的光场传播图；

图6为本发明的一种较优实施例的端面耦合器的俯视结构示意图；

图7为本发明的一种较优实施例的端面耦合器的侧视结构示意图；

图8为本发明的另一种较优实施例的端面耦合器的横向截面示意图；

图9为本发明的另一种较优实施例的端面耦合器的俯视结构示意图；

图10为本发明的另一种较优实施例的端面耦合器的侧视结构示意图；

图11为本发明的实施例的端面耦合器的制备方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本发明包括一种端面耦合器，其中包括：

一硅衬底1；

一埋氧层2，形成于硅衬底1的上表面；埋氧层2中形成：

一顶层硅3，顶层硅3具有一第一顶层硅30与一第二顶层硅31；

一氮化硅波导4，氮化硅波导4形成于顶层硅3的上方，氮化硅波导4包括一第一氮化硅波导40与一第二氮化硅波导41，第一氮化硅波导40与顶层硅3具有一第一预设厚度T1，第二氮化硅波导41与第一氮化硅波导40具有一第二预设厚度T2；第一氮化硅波导40与第二氮化硅波导41的中心线位于顶层硅3的中心线上。

图1为上述端面耦合器的横向截面示意图。首先提供硅衬底1，于硅衬底1的上制作埋氧层2；其中埋氧层2可以为二氧化硅，于埋氧层2中形成顶层硅3，其中顶层硅3具有第一顶层硅30与第二顶层硅31，结合图2、3所示，第一顶层硅30为条形顶层硅，第二顶层硅31为楔形顶层硅，第二顶层硅31的细端连接第一顶层硅30的一端；然后在顶层硅3的第一预设厚度T1上形成第一氮化硅波导40，在第一氮化硅波导的第二预设厚度T2上形成第二氮化硅波导41，其中，第一氮化硅波导40与第二氮化硅波导41的厚度相同，第一氮化硅波导40与第二氮化硅波导41均为楔形结构；第一氮化硅波导40的长度大于第二氮化硅波导41的长度，且第一氮化硅波导40的粗端与第二氮化硅波导41的粗端宽度相同，第一氮化硅波导40的细端与第二氮化硅波导41的细端宽度相同。

进一步地，为方便起见，端面耦合器的传播方向设为x方向，宽度方向设为y方向，高度方向设为z方向，由于氮化硅波导4的存在，其折射率为2.0左右，比二氧化硅的折射率大，使得模场主要分布在两层的氮化硅波导4附近，从而有效地增大了光场的模斑尺寸。通过设计第一顶层硅30的宽度W1，第二顶层硅31的粗端的宽度W2；第一顶层硅30的长度L1，第二顶层硅31的长度L2；第一预设厚度T1，第二预设厚度T2；第一氮化硅波导40与第二氮化硅波导41的厚度T3，第一氮化硅波导40的粗端宽度W3与第二氮化硅波导41的粗端宽度W3，第一氮化硅波导40的粗端宽度W4与第二氮化硅波导41的细端宽度W4；第一氮化硅波导40的长度L3，第二氮化硅波导41的长度L4；其中还包括埋氧层2覆盖于第二氮化硅波导41的厚度T4等参数，可以得到不同模斑尺寸的光场。

进一步地，通过在顶层硅3的上方不同高度处生长多层氮化硅波导4，实现了较大模斑尺寸的光场，并结合纵向楔形结构的设计，缩短了纵向结构的长度，最终实现了较高耦合效率的波导端面耦合器，并且这种端面耦合器制作工艺简单，与CMOS工艺兼容，可用于大规模生产，成本较低，具有较高的产业利用价值。

在一种较优的实施例中，将端面耦合器的传播方向设为x方向，宽度方向设为y方向，高度方向设为z方向，以实现1310nm波长下模斑尺寸为5um的结构为例，如图1所示，端面耦合器的横向截面示意图中对应的参数分别为第一顶层硅30的宽度W1＝150nm，第一氮化硅波导40的粗端宽度W3与第二氮化硅波导41的粗端宽度W3＝6.5um，第一预设厚度T1＝1.41um，第二预设厚度T2＝1.55um，第一氮化硅波导40与第二氮化硅波导41的厚度T3＝65nm，埋氧层2覆盖于第二氮化硅波导41的厚度T4＝6um；该端面耦合器的模场与模斑尺寸为5um的高斯光的重叠积分为89.13％，该端面耦合器分布结构的TE0模场分布如图4所示，其有效折射率为1.4807，模场主要集中在氮化硅波导4层附近。

在一种较优的实施例中，端面耦合器的纵向结构如图2、3所示，其设置的目的是将端面处较大的模场逐渐转换到单模顶层硅3中。具体地，俯视图以xy方向如图2所示，侧视图以xz方向如图3所示，以实现1310nm波长下模斑尺寸为5um的结构为例，结合图2、3所示，第二顶层硅31的粗端的宽度W2＝410nm，第一氮化硅波导40的粗端宽度W4与第二氮化硅波导41的细端宽度W4＝0.5um，第一顶层硅30的长度L1＝240um，第二顶层硅31的长度L2＝60um，第一氮化硅波导40的长度L3＝126um，第二氮化硅波导41的长度L4＝60um，通过仿真软件的计算，此时纵向的转换效率为90.23％，y＝0截面的传播图案如图5所示，最终大部分能量都转移到最下方的顶层硅3中，端面耦合器的耦合效率等于横向模场的重叠积分与纵向转换效率之积，对于1310nm波长下模斑尺寸为5um的耦合器结构，其整体的耦合效率为80.42％，耦合损耗约为-0.95dB。

在一种较优的实施例中，第一氮化硅波导40与第二氮化硅波导41均为楔形结构，第一氮化硅波导40的长度与第二氮化硅波导41的长度相同。

具体地，端面耦合器的横向截面示意图，如图1所示，首先提供硅衬底1，于硅衬底1的上表面形成埋氧层2；其中埋氧层2可以为二氧化硅，于埋氧层2中形成顶层硅3，其中顶层硅3具有第一顶层硅30与第二顶层硅31，结合图6、7所示，第一顶层硅30为条形顶层硅，第二顶层硅31为楔形顶层硅，第二顶层硅31的细端连接第一顶层硅30的一端；然后在顶层硅3的第一预设厚度T1上形成第一氮化硅波导40，在第一氮化硅波导的第二预设厚度T2上形成第二氮化硅波导41，其中，第一氮化硅波导40与第二氮化硅波导41的厚度相同，第一氮化硅波导40与第二氮化硅波导41均为楔形结构；第一氮化硅波导40的长度与第二氮化硅波导41的长度相同，且第一氮化硅波导40的结构与第二氮化硅波导41的结构相同。

进一步地，将端面耦合器的传播方向设为x方向，宽度方向设为y方向，高度方向设为z方向，以实现1310nm波长下模斑尺寸为5um的结构为例，如图1所示，端面耦合器的横向截面示意图中对应的参数分别为第一顶层硅30的宽度W1＝150nm，第一氮化硅波导40的粗端宽度W3与第二氮化硅波导41的粗端宽度W3＝6.5um，第一预设厚度T1＝1.41um，第二预设厚度T2＝1.55um，第一氮化硅波导40与第二氮化硅波导41的厚度T3＝65nm，埋氧层2覆盖于第二氮化硅波导41的厚度T4＝6um；该端面耦合器的模场与模斑尺寸为5um的高斯光的重叠积分为89.13％，该端面耦合器分布结构的TE0模场分布如图4所示，其有效折射率为1.4807，模场主要集中在氮化硅波导4层附近。

在一种较优的实施例中，端面耦合器的纵向结构结合图6、7所示，其设置的目的是将端面处较大的模场逐渐转换到单模顶层硅3中。具体地，俯视图以xy方向如图6所示，侧视图以xz方向如图7所示，以实现1310nm波长下模斑尺寸为5um的结构为例，结合图6、7所示，第二顶层硅31的粗端的宽度W2＝410nm，第一氮化硅波导40的粗端宽度W4与第二氮化硅波导41的细端宽度W4＝0.5um，第一顶层硅30的长度L1＝240um，第二顶层硅31的长度L2＝60um，第一氮化硅波导40的长度L5与第二氮化硅波导41的长度L5＝264um，

通过仿真软件的计算，此时纵向的转换效率为96.76％，大部分能量都转移到最下方的顶层硅3中，端面耦合器的耦合效率等于横向模场的重叠积分与纵向转换效率之积，对于1310nm波长下模斑尺寸为5um的耦合器结构，其整体的耦合效率为86.24％，耦合损耗约为-0.64dB。

在一种较优的实施例中，端面耦合器的横向截面示意图，如图8所示，首先提供硅衬底1，于硅衬底1的上表面形成埋氧层2；其中埋氧层2可以为二氧化硅，于埋氧层2中形成顶层硅3，其中顶层硅3具有第一顶层硅30与第二顶层硅31，其中，顶层硅3具有第一顶层硅30与第二顶层硅31，结合图9、10所示，第一顶层硅30为条形顶层硅，第二顶层硅31为楔形顶层硅，第二顶层硅31的粗端连接第一顶层硅30的一端；然后在顶层硅3的第一预设厚度T1上形成第一氮化硅波导40，在第一氮化硅波导的第二预设厚度T2上形成第二氮化硅波导41，其中，第一氮化硅波导40与埋氧层2之间具有一第四预设高度T5，第一氮化硅波导40包括条形氮化硅波导400、第一楔形氮化硅波导401、第二楔形氮化硅波导402；第一楔形氮化硅波导401与第二楔形氮化硅波导402对称连接于条形氮化硅波导400的两侧；第一楔形氮化硅波导401的长度与第二楔形氮化硅波导402的长度相同；第二顶层硅31的长度与第二楔形氮化硅波导402的长度相同；第二顶层硅31位于第二楔形氮化硅波导402的下方，与第二楔形氮化硅402波导的结构相同；第二顶层硅31与第二楔形氮化硅波导402以第二楔形氮化硅波导402的中心线为对称轴，对称分布构成一模场转换器；第二氮化硅波导41至少包括四个结构相同，且以第一氮化硅波导40的中心线为对称轴，以对称分布的子氮化硅波导410；其中，第二氮化硅波导41的最下端与埋氧层2之间具有一第五预设距离T6，每两个对称分布的子氮化硅波导410的水平方向之间具有一第三预设厚度T7；每两个对称分布的子氮化硅波导410的垂直方向之间具有一第四预设厚度T8；每一子氮化硅波导410的长度与第一楔形氮化硅波导401的长度相同。

在一种较优的实施例中，将端面耦合器的传播方向设为x方向，宽度方向设为y方向，高度方向设为z方向，以实现1310nm波长下与单模光纤模场匹配的结构为例，如图8所示，第一楔形氮化硅波导401的尖端宽度W5＝150nm，第一楔形氮化硅波导401的尖端厚度T9＝190nm，子氮化硅波导410的宽度W6＝0.5um，子氮化硅波导410的厚度T10＝35nm，第四预设高度T5＝500nm，第五预设距离T6＝1um，第三预设厚度T7＝1um，与第四预设厚度T8＝1um，埋氧层2覆盖于子氮化硅波导410的厚度T11＝10um，该端面耦合器的TE模与TM模的重叠积分值分别为89.6％与90.1％。

在一种较优的实施例中，端面耦合器的纵向结构结合图9、10所示，其主要分为两部分，第一部分由第一楔形氮化硅波导401构成，其作用是将端面处单模光纤的模场逐渐转移到条形氮化硅波导400中；第二部分由第二楔形氮化硅波导402与第二顶层硅31构成模场转换器，其作用是将光场从条形氮化硅波导400转移到第一顶层硅30中。

进一步地，第一顶层硅30与第二顶层硅31的厚度T12＝150nm，第二顶层硅31的长度L6＝50um，第一氮化硅波导的厚度T9＝190nm，第一楔形氮化硅波导401的尖端宽度W5＝150nm，第一楔形氮化硅波导401的粗端宽度W6＝500nm，子氮化硅波导410的厚度T10＝35nm，子氮化硅波导410的长度L7＝200um，该结构两种偏振模式的纵向转换效率分别为90.3％与90.9％。对于单模光纤的TE模和TM模，整个端面耦合器的耦合损耗为-0.92dB和-0.87dB，偏振相关损耗为-0.05dB。

一种端面耦合器的制备方法，如图11所示，用于上述的端面耦合器，其中，具体包括以下步骤：

步骤S1、提供一硅衬底1，于硅衬底1上形成一埋氧层2，埋氧层2具有一第五预设厚度；

步骤S2、于埋氧层2中形成一顶层硅3，通过刻蚀工艺刻蚀顶层硅3以形成一第一顶层硅30与一第二顶层硅31；

步骤S3、于顶层硅3的上方形成一氮化硅波导4，通过刻蚀工艺刻蚀氮化硅波导4以形成一第一氮化硅波导40与一第二氮化硅波导41，第一氮化硅波导40与第二氮化硅波导41的中心线位于顶层硅3的中心线上。

具体地，通过在顶层硅3的上方不同高度处生长多层氮化硅波导4，并通过反应离子刻蚀方法刻蚀出对应的氮化硅波导4的结构，以实现较大模斑尺寸的光场，并结合纵向楔形结构的设计，缩短了纵向结构的长度，最终实现了较高耦合效率的波导端面耦合器，并且这种端面耦合器制作工艺简单，与CMOS工艺兼容，可用于大规模生产，成本较低，具有较高的产业利用价值。

需要说明的是，如需生长更多层的氮化硅波导结构，可适用类似的方法即可实现。

以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种端面耦合器，其特征在于，包括：

一硅衬底；

一埋氧层，形成于所述硅衬底的上表面；于所述埋氧层中形成：

一顶层硅，所述顶层硅具有一第一顶层硅与一第二顶层硅；

一氮化硅波导，所述氮化硅波导形成于所述顶层硅的上方，所述氮化硅波导包括一第一氮化硅波导与一第二氮化硅波导，所述第一氮化硅波导与所述顶层硅之间具有一第一预设厚度，所述第二氮化硅波导与所述第一氮化硅波导之间具有一第二预设厚度；所述第一氮化硅波导与所述第二氮化硅波导的中心线位于所述顶层硅的中心线上。

2.根据权利要求1所述的端面耦合器，其特征在于，所述第一顶层硅为条形顶层硅；

所述第二顶层硅为楔形顶层硅。

3.根据权利要求1所述的端面耦合器，其特征在于，所述第一氮化硅波导与所述第二氮化硅波导均为楔形结构；

所述第一氮化硅波导的长度大于所述第二氮化硅波导的长度。

4.根据权利要求1所述的端面耦合器，其特征在于，所述第一氮化硅波导与所述第二氮化硅波导均为楔形结构；

所述第一氮化硅波导的长度与所述第二氮化硅波导的长度相同。

5.根据权利要求2所述的端面耦合器，其特征在于，所述第一氮化硅波导包括：

一条形氮化硅波导；

一第一楔形氮化硅波导；

一第二楔形氮化硅波导；

所述第一楔形氮化硅波导与所述第二楔形氮化硅波导对称连接于所述条形氮化硅波导的两侧；

所述第一楔形氮化硅波导的长度与所述第二楔形氮化硅波导的长度相同。

6.根据权利要求5所述的端面耦合器，其特征在于，所述第二顶层硅的长度与所述第二楔形氮化硅波导的长度相同；

所述第二顶层硅位于所述第二楔形氮化硅波导的下方，与所述第二楔形氮化硅波导的结构相同；

所述第二顶层硅与所述第二楔形氮化硅波导以所述第二楔形氮化硅波导的中心线为对称轴，对称分布构成一模场转换器。

7.根据权利要求5所述的端面耦合器，其特征在于，所述第二氮化硅波导至少包括四个结构相同，且以所述第一氮化硅波导的中心线为对称轴，以对称分布的子氮化硅波导；

每两个对称分布的所述子氮化硅波导的水平方向之间具有一第三预设厚度；

每两个对称分布的所述子氮化硅波导的垂直方向之间具有一第四预设厚度。

8.根据权利要求7所述的端面耦合器，其特征在于，每一所述子氮化硅波导的长度与所述第一楔形氮化硅波导的长度相同。

9.一种端面耦合器的制备方法，用于如权利要求1-8所述的端面耦合器，其特征在于，所述制备方法具体步骤包括：

步骤S1、提供一硅衬底，于所述硅衬底上形成一埋氧层，所述埋氧层具有一第五预设厚度；

步骤S2、于所述埋氧层中形成一顶层硅，通过刻蚀工艺刻蚀所述顶层硅以形成一第一顶层硅与一第二顶层硅；

步骤S3、于所述顶层硅的上方形成一氮化硅波导，通过刻蚀工艺刻蚀所述氮化硅波导以形成一第一氮化硅波导与一第二氮化硅波导；所述第一氮化硅波导与所述第二氮化硅波导的中心线位于所述顶层硅的中心线上。

10.根据权利要求9所述的端面耦合器的制备方法，其特征在于，所述刻蚀工艺通过反应离子刻蚀方法进行刻蚀。

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