CN109581588B - 一种复合硅基波导结构及其制备方法 - Google Patents
一种复合硅基波导结构及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN109581588B CN109581588B CN201811643507.3A CN201811643507A CN109581588B CN 109581588 B CN109581588 B CN 109581588B CN 201811643507 A CN201811643507 A CN 201811643507A CN 109581588 B CN109581588 B CN 109581588B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- core layer
- waveguide
- silicon
- layer
- constraint
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 53
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 53
- 239000010703 silicon Substances 0.000 title claims abstract description 53
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 30
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title description 6
- 239000012792 core layer Substances 0.000 claims abstract description 252
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 18
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 41
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 36
- 238000005253 cladding Methods 0.000 claims description 32
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 claims description 20
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 20
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 17
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 13
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 13
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 12
- 238000001459 lithography Methods 0.000 claims description 11
- 238000001312 dry etching Methods 0.000 claims description 10
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 10
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 9
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N nitrogen Substances N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 238000000059 patterning Methods 0.000 claims description 9
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 8
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 claims description 8
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000000609 electron-beam lithography Methods 0.000 claims description 6
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 claims description 4
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- GDFCWFBWQUEQIJ-UHFFFAOYSA-N [B].[P] Chemical compound [B].[P] GDFCWFBWQUEQIJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M copper(1+);methylsulfanylmethane;bromide Chemical compound Br[Cu].CSC PMHQVHHXPFUNSP-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 3
- -1 nitrogen nitride Chemical class 0.000 claims description 3
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 claims description 3
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 claims description 3
- 239000010408 film Substances 0.000 claims 3
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 9
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 8
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 5
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 5
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 5
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 3
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 3
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 2
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 238000004518 low pressure chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/13—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method
- G02B6/132—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method by deposition of thin films
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B6/13—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method
- G02B6/136—Integrated optical circuits characterised by the manufacturing method by etching
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/14—Mode converters
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B2006/12035—Materials
- G02B2006/12061—Silicon
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B2006/12166—Manufacturing methods
- G02B2006/12173—Masking
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
- G02B2006/12166—Manufacturing methods
- G02B2006/12176—Etching
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Optical Integrated Circuits (AREA)
Abstract
本发明提供的一种复合硅基波导结构，包括：弱束缚波导，包括第一芯层，所述第一芯层与弱束缚波导的模场直径匹配；强束缚波导，包括第二芯层以及覆盖所述第二芯层的顶部及侧壁的所述第三芯层；模斑转换结构，包括相连的、分别与所述弱束缚波导和所述强束缚波导连通的弱束缚部和强束缚部；所述弱束缚部和所述强束缚部分别为与所述弱束缚波导和所述强束缚波导一致的波导结构。
Description
技术领域
本发明涉及光学波导技术领域，具体涉及一种复合硅基波导结构及其制备方法。
背景技术
在现有硅基光学集成芯片结构中，常见波导芯层材料为单晶硅、掺杂二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等；常见波导包层材料为热氧化、PECVD或LPCVD方法制备的氧化硅层，或掺杂氧化硅层。其中，具有较高折射率的硅、氮化硅等芯层便于制备小模场波导，具有较小的弯曲半径，使得芯片具有较高的集成度。
标准单模光纤在通信波段C-Band的模场直径在4um-10um范围，而硅基波导的模场直径典型值小于2um，两者之间存在较大的模场失配。因此，硅波导与光纤的光学耦合方式，需要通过具有模场直径变换功能的耦合器件，常见的耦合器件为与芯片表面垂直耦合的光栅耦合器，和与芯片表面平行耦合的模斑变换器。
模斑变换器结构基于芯层厚度或宽度渐变的波导结构，然而波导的传输损耗来自于吸收和散射，由于硅波导通常采用干法刻蚀工艺制备，传输损耗主要来自于刻蚀面粗糙度引起的散射。界面粗糙引起的衰减系数与粗糙度平方呈正比，并随芯包折射率差增加而增加。目前典型干法刻蚀硅波导在通信波段的传输损耗为0.2dB/cm。
发明内容
因此，为了克服现有技术中波导传输存在一定损耗的问题，从而提供一种减少波导传输损耗,实现低损耗传输的复合硅基波导结构。
本发明的设计方案如下：
一种复合硅基波导结构，包括：弱束缚波导，包括第一芯层，所述第一芯层与弱束缚波导的模场直径匹配；强束缚波导，包括第二芯层以及覆盖所述第二芯层的顶部及侧壁的所述第三芯层；模斑转换结构，包括相连的、分别与所述弱束缚波导和所述强束缚波导连通的弱束缚部和强束缚部；所述弱束缚部和所述强束缚部分别为与所述弱束缚波导和所述强束缚波导一致的波导结构。
优选的，所述弱束缚部包括与所述第一芯层连接的第四芯层；所述第四芯层与所述第一芯层连接的端部厚度和/或宽度与所述第一芯层相同，自所述第一芯渐增；所述强束缚部包括分别与所述第二芯层和所述第三芯层连接的第五芯层和第六芯层；所述第五芯层与所述第二芯层连接的厚度和/或宽度与所述第二芯层相同，自所述第二芯层渐减；所述第六芯层与所述第三芯层连接的端部厚度和/或宽度与所述第三芯层相同，自所述第三芯层渐增并与所述第四芯层连接，连接处厚度和/或宽度相同。
优选的，所述强束缚部中的所述第五芯层和所述第六芯层为单级锥形结构或多级锥形结构。
优选的，所述第二芯层为矩形或梯形结构的四棱柱结构，所述第三芯层通过沉积方法形成。
优选的，所述复合硅基波导结构由下至上包括硅衬底层，下包层和上包层；所述第一芯层、所述第二芯层、所述第三芯层、所述第四芯层、所述第五芯层和所述第六芯层设置于所述上包层和所述下包层之间。
优选的，所述衬底层为单晶硅，所述上包层和所述下包层为二氧化硅或掺锗二氧化硅或硼磷共掺二氧化硅。
优选的，所述第一芯层、所述第三芯层、所述第四芯层和所述第六芯层采用下列材料之一：多晶硅，氮氧化硅，氮化硅，富硅氮化硅，富氮氮化硅。
优选的，所述第二芯层和所述第五芯层、采用下列材料之一：单晶硅、多晶硅、氮化铝、氧化锌、氮化硅、富硅氮化硅、富氮氮化硅、氮氧化硅。
一种复合硅基波导结构的制备方法，在衬底层和下包层上放置第二芯层的薄膜，进行图形光刻，并干法刻蚀出第二芯层；在第二芯层上采用化学气相沉积方法，制作第一芯层的薄膜；在第一芯层的薄膜上进行图形光刻，并干法刻蚀出第一芯层；在第一芯层上采用化学气相沉积方法，制作上包层。
优选的，还包括在对第二芯层的薄膜进行图形光刻之前，使用光刻制作渐变结构。
优选的，所述图形光刻为紫外灰度光刻或电子束光刻。
本发明技术方案，具有如下优点：
1、本发明提供的一种复合硅基波导结构，包括：弱束缚波导，包括第一芯层，所述第一芯层与弱束缚波导的模场直径匹配；强束缚波导，包括第二芯层以及覆盖所述第二芯层的顶部及侧壁的所述第三芯层；模斑转换结构，包括相连的、分别与所述弱束缚波导和所述强束缚波导连通的弱束缚部和强束缚部；所述弱束缚部和所述强束缚部分别为与所述弱束缚波导和所述强束缚波导一致的波导结构。通过分层图形化，芯片上可形成两种波导结构，一种弱束缚波导和一种强束缚波导。其中，弱束缚波导模场直径与光纤匹配，可实现与光纤激光器的低损耗水平耦合，且具有高光学非线性阈值，及光学损伤阈值；强束缚波导模场直径较小，可实现较小的弯曲半径和较高的集成度，第三芯层覆盖第二芯层的顶部及侧壁，在第三芯层与第二芯层界面，降低折射率差，在第三芯层与包层界面，具有平滑的边界，起到降低波导传输损耗的作用，可实现低损耗传输；两种波导结构之间可通过模斑转换结构实现模式转换低损耗连接。
2、本发明提供的一种复合硅基波导结构，所述弱束缚部包括与所述第一芯层连接的第四芯层；所述第四芯层与所述第一芯层连接的端部厚度和/或宽度与所述第一芯层相同，自所述第一芯渐增；所述强束缚部包括分别与所述第二芯层和所述第三芯层连接的第五芯层和第六芯层；所述第五芯层与所述第二芯层连接的厚度和/或宽度与所述第二芯层相同，自所述第二芯层渐减；所述第六芯层与所述第三芯层连接的端部厚度和/或宽度与所述第三芯层相同，自所述第三芯层渐增并与所述第四芯层连接，连接处厚度和/或宽度相同。现有技术中，模斑变换器结构基于芯层厚度或宽度渐变的波导结构，为了使高折射率对比度波导的模场直径扩大到与光纤相近，波导尖端的图形化精度要求极高。本发明提供的模斑转换结构中，通过弱束缚波导的宽度变换，可实现模场直径的压缩，从而降低对强束缚波导的尖端加工精度要求。
3、本发明提供的一种复合硅基波导结构，所述强束缚部中的所述第五芯层和所述第六芯层为单级锥形结构或多级锥形结构。进一步减少在厚度维度上强束缚波导和弱束缚波导衔接处的变化率。
4、本发明提供的一种复合硅基波导结构的制备方法，在衬底层和下包层上放置第二芯层的薄膜，进行图形光刻，并干法刻蚀出第二芯层；在第二芯层上采用化学气相沉积方法，制作第一芯层的薄膜；在第一芯层的薄膜上进行图形光刻，并干法刻蚀出第一芯层；在第一芯层上采用化学气相沉积方法，制作上包层。还包括在对第二芯层的薄膜进行图形光刻之前，使用光刻制作渐变结构，从而减少在厚度维度上强束缚波导和弱束缚波导衔接处的变化率。所述图形光刻为紫外灰度光刻或电子束光刻，特别的，由于波导材料为大体为绝缘材料，因此紫外灰度光刻优于电子束光刻。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的复合硅基波导结构示意图及断面图；
图2为本发明的复合硅基波导结构第一芯层立体示意图；
图3为本发明的复合硅基波导结构第二芯层和第三芯层立体示意图；
图4为本发明的复合硅基波导结构第四芯层、第五芯层和第六芯层立体示意图；
图5为本发明的复合硅基波导结构第五芯层和第六芯层厚度渐变结构立体示意图；
图6为本发明的复合硅基波导结构第五芯层和第六芯层多级阶梯结构立体示意图。
附图标记说明：
1-第一芯层；2-第二芯层；3-第三芯层；4-第四芯层；5-第五芯层；6-第六芯层。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做出创造性劳动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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
图1示出了本发明提供的一种复合硅基波导结构，包括：弱束缚波导，如图2所示，包括第一芯层1，所述第一芯层1与弱束缚波导的模场直径匹配；强束缚波导，如图3所示，包括第二芯层2以及覆盖所述第二芯层2的顶部及侧壁的所述第三芯层3；模斑转换结构，如图4所示，包括相连的、分别与所述弱束缚波导和所述强束缚波导连通的弱束缚部和强束缚部；所述弱束缚部和所述强束缚部分别为与所述弱束缚波导和所述强束缚波导一致的波导结构。通过分层图形化，芯片上可形成两种波导结构，一种弱束缚波导和一种强束缚波导。其中，弱束缚波导模场直径与光纤匹配，可实现与光纤激光器的低损耗水平耦合；强束缚波导模场直径较小，可实现较小的弯曲半径和较高的集成度，第三芯层3覆盖第二芯层2的顶部及侧壁，在第三芯层3与第二芯层2界面，降低折射率差，在第三芯层3与包层界面，具有平滑的边界，起到降低波导传输损耗的作用，可实现低损耗传输；两种波导结构之间可通过模斑转换结构实现模式转换低损耗连接。
如图4所示，所述弱束缚部包括与所述第一芯层1连接的第四芯层4；所述第四芯层4与所述第一芯层1连接的端部厚度和/或宽度与所述第一芯层1相同，自所述第一芯渐增；所述强束缚部包括分别与所述第二芯层2和所述第三芯层3连接的第五芯层5和第六芯层6；所述第五芯层5与所述第二芯层2连接的厚度和/或宽度与所述第二芯层2相同，自所述第二芯层2渐减；所述第六芯层6与所述第三芯层3连接的端部厚度和/或宽度与所述第三芯层3相同，自所述第三芯层3渐增并与所述第四芯层4连接，连接处厚度和/或宽度相同。第四芯层4宽度逐渐展宽，使波导模场在芯层中的功率占比提高，模场直径缩小，第六芯层6宽度逐渐展宽，第五芯层5宽度逐渐收窄，使模场进一步缩小，因此，模斑转换结构与弱束缚波导及强束缚波导的连接损耗均较小，在模斑转换结构内部，通过选择恰当的渐变波导的长度和宽度，可使模式变换满足绝热近似，无辐射损耗；在两段波导的连接界面处，通过选择恰当的波导厚度和宽度，可使模式接近，模式失配引起的连接损耗较小。综上，模斑转换结构可以实现由弱束缚波导到强束缚波导的低损耗模式过渡。现有技术中，模斑变换器结构基于芯层厚度或宽度渐变的波导结构，为了使高折射率对比度波导的模场直径扩大到与光纤相近，波导尖端的图形化精度要求极高。本发明提供的模斑转换结构中，由于第二芯层2的存在，模斑转换结构可由两段波导分级实现模场直径压缩，允许采用宽度较宽的第二芯层2波导，降低工艺难度，特别是降低对强束缚波导的尖端加工精度要求。
所述第二芯层2为矩形或梯形结构的四棱柱结构，所述第三芯层3通过沉积方法形成。所述强束缚部中的所述第五芯层5和所述第六芯层6为单级锥形结构。所述复合硅基波导结构由下至上包括硅衬底层，下包层和上包层；所述第一芯层1、所述第二芯层2、所述第三芯层3、所述第四芯层4、所述第五芯层5和所述第六芯层6设置于所述上包层和所述下包层之间。优选的，所述第一芯层1的厚度为10nm-200nm；所述下包层厚度范围为6-20um；所述上包层厚度范围为1-8um。各层材料及厚度选择为：下包层为8um二氧化硅，第二芯层2为220nm单晶硅，第一芯层1为50nm富硅氮化硅，上包层为5um二氧化硅；其中，弱束缚波导芯层材料为富硅氮化硅，其宽度为2.5um；强束缚波导芯层材料为单晶硅和富硅氮化硅，第二芯层2单晶硅宽度为400nm，第三芯层3宽度为2um；模斑转换器中第四芯层4宽度展宽至6um，长度为500um，第五芯层5结构为单级锥形结构，其中第五芯层5宽度由0.1um线性渐变至0.4um，第六芯层6宽度由6um渐变至2um，长度为700um。
需要指出的是，如图5和图6所示，所述强束缚部中的所述第五芯层5和所述第六芯层6还可以为多级锥形结构或厚度渐变结构，进一步减少在厚度维度上强束缚波导和弱束缚波导衔接处的变化率。
需要指出的是，本实施例中所述衬底层为单晶硅，所述上包层和所述下包层为二氧化硅或掺锗二氧化硅或硼磷共掺二氧化硅；所述第一芯层1、所述第三芯层3、所述第四芯层4和所述第六芯层6采用下列材料之一：多晶硅，氮氧化硅，氮化硅，富硅氮化硅，富氮氮化硅。所述第二芯层2和所述第五芯层5、采用下列材料之一：单晶硅、多晶硅、氮化铝、氧化锌、氮化硅、富硅氮化硅、富氮氮化硅、氮氧化硅。但上述各材料不作为限定，还可以使用其他替代材料。
实施例2
一种复合硅基波导结构的制备方法，在衬底层和下包层上放置第二芯层2的薄膜，进行图形光刻，并干法刻蚀出第二芯层2；在第二芯层2上采用化学气相沉积方法，制作第一芯层1的薄膜；在第一芯层1的薄膜上进行图形光刻，并干法刻蚀出第一芯层1；在第一芯层1上采用化学气相沉积方法，制作上包层。所述图形光刻为紫外灰度光刻。
需要指出的是，若需要制作厚度渐变结构，则还包括在对第二芯层2的薄膜进行图形光刻之前，使用光刻制作渐变结构。
需要指出的是，所述图形光刻还可以为电子束光刻，但由于波导材料为大体为绝缘材料，因此紫外灰度光刻优于电子束光刻。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种复合硅基波导结构，其特征在于，包括：
弱束缚波导，包括第一芯层(1)，所述第一芯层(1)与弱束缚波导的模场直径匹配；
强束缚波导，包括第二芯层(2)以及覆盖所述第二芯层(2)的顶部及侧壁的第三芯层(3)；
模斑转换结构，包括相连的、分别与所述弱束缚波导和所述强束缚波导连通的弱束缚部和强束缚部；所述弱束缚部和所述强束缚部分别为与所述弱束缚波导和所述强束缚波导一致的波导结构；
所述弱束缚部包括与所述第一芯层(1)连接的第四芯层(4)；所述第四芯层(4)与所述第一芯层(1)连接的端部厚度和/或宽度与所述第一芯层(1)相同，自所述第一芯层渐增；
所述强束缚部包括分别与所述第二芯层(2)和所述第三芯层(3)连接的第五芯层(5)和第六芯层(6)；所述第五芯层(5)与所述第二芯层(2)连接的厚度和/或宽度与所述第二芯层(2)相同，自所述第二芯层(2)渐减；所述第六芯层(6)与所述第三芯层(3)连接的端部厚度和/或宽度与所述第三芯层(3)相同，自所述第三芯层(3)渐增并与所述第四芯层(4)连接，连接处厚度和/或宽度相同。
2.根据权利要求1所述的复合硅基波导结构，其特征在于，所述强束缚部中的所述第五芯层(5)和所述第六芯层(6)为单级锥形结构或多级锥形结构。
3.根据权利要求1所述的复合硅基波导结构，其特征在于，所述第二芯层(2)为矩形或梯形结构的四棱柱结构，所述第三芯层(3)通过沉积方法形成。
4.根据权利要求3所述的复合硅基波导结构，其特征在于，所述复合硅基波导结构由下至上包括硅衬底层，下包层和上包层；所述第一芯层(1)、所述第二芯层(2)、所述第三芯层(3)、所述第四芯层(4)、所述第五芯层(5)和所述第六芯层(6)设置于所述上包层和所述下包层之间。
5.根据权利要求4中所述的复合硅基波导结构，其特征在于，所述衬底层为单晶硅，所述上包层和所述下包层为二氧化硅或掺锗二氧化硅或硼磷共掺二氧化硅。
6.根据权利要求1所述的复合硅基波导结构，其特征在于，所述第一芯层(1)、所述第三芯层(3)、所述第四芯层(4)和所述第六芯层(6)采用下列材料之一：多晶硅，氮氧化硅，氮化硅，富硅氮化硅，富氮氮化硅。
7.根据权利要求1所述的复合硅基波导结构，其特征在于，所述第二芯层(2)和所述第五芯层(5)、采用下列材料之一：单晶硅、多晶硅、氮化铝、氧化锌、氮化硅、富硅氮化硅、富氮氮化硅、氮氧化硅。
8.一种复合硅基波导结构的制备方法，用于制备权利要求1-7任一项所述的复合硅基波导结构，其特征在于，
在衬底层和下包层上放置第二芯层(2)的薄膜，进行图形光刻，并干法刻蚀出第二芯层(2)；
在第二芯层(2)上采用化学气相沉积方法，制作第一芯层(1)的薄膜；
在第一芯层(1)的薄膜上进行图形光刻，并干法刻蚀出第一芯层(1)；
在第一芯层(1)上采用化学气相沉积方法，制作上包层；
第三芯层(3)覆盖于第二芯层(2)的顶部及侧壁；
模斑转换结构，包括相连的、分别与弱束缚波导和强束缚波导连通的弱束缚部和强束缚部；
弱束缚部包括与所述第一芯层(1)连接的第四芯层(4)；所述第四芯层(4)与所述第一芯层(1)连接的端部厚度和/或宽度与所述第一芯层(1)相同，自所述第一芯层渐增；
强束缚部包括分别与所述第二芯层(2)和所述第三芯层(3)连接的第五芯层(5)和第六芯层(6)；所述第五芯层(5)与所述第二芯层(2)连接的厚度和/或宽度与所述第二芯层(2)相同，自所述第二芯层(2)渐减；所述第六芯层(6)与所述第三芯层(3)连接的端部厚度和/或宽度与所述第三芯层(3)相同，自所述第三芯层(3)渐增并与所述第四芯层(4)连接，连接处厚度和/或宽度相同。
9.根据权利要求8中所述的复合硅基波导结构的制备方法，其特征在于，还包括在对第二芯层(2)的薄膜进行图形光刻之前，使用光刻制作渐变结构。
10.根据权利要求9中所述的复合硅基波导结构的制备方法，其特征在于，所述图形光刻为紫外灰度光刻或电子束光刻。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811643507.3A CN109581588B (zh) | 2018-12-29 | 2018-12-29 | 一种复合硅基波导结构及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201811643507.3A CN109581588B (zh) | 2018-12-29 | 2018-12-29 | 一种复合硅基波导结构及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN109581588A CN109581588A (zh) | 2019-04-05 |
| CN109581588B true CN109581588B (zh) | 2023-11-28 |
Family
ID=65932730
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201811643507.3A Active CN109581588B (zh) | 2018-12-29 | 2018-12-29 | 一种复合硅基波导结构及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN109581588B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114675372B (zh) * | 2022-04-07 | 2023-12-22 | 北京邮电大学 | 一种基于级联波导的双阶梯结构端面耦合器 |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1495447A (zh) * | 2002-09-20 | 2004-05-12 | 日本电信电话株式会社 | 光学模块及其制造方法 |
| CN101641622A (zh) * | 2007-03-20 | 2010-02-03 | 日本电气株式会社 | 光波导和使用该光波导的光斑尺寸转换器 |
| CN102047158A (zh) * | 2008-05-28 | 2011-05-04 | 光导束公司 | 低折射率、大模场直径光耦合器 |
| CN203241564U (zh) * | 2013-05-30 | 2013-10-16 | 青岛海信宽带多媒体技术有限公司 | 光纤波导模斑转换器及光耦合器 |
| CN104391354A (zh) * | 2014-11-21 | 2015-03-04 | 武汉邮电科学研究院 | 一种光纤与高折射率波导之间的耦合结构 |
| CN107561640A (zh) * | 2017-08-18 | 2018-01-09 | 中国科学院半导体研究所 | 硅纳米线波导与光纤耦合结构及其制作方法 |
| CN108132499A (zh) * | 2018-02-02 | 2018-06-08 | 苏州易缆微光电技术有限公司 | 基于多层聚合物结构的硅波导模斑转换器及其制备方法 |
| CN108535807A (zh) * | 2018-05-25 | 2018-09-14 | 中国科学院半导体研究所 | 具有倾斜波导端面的光纤-硅光芯片耦合器及制备方法 |
| CN108885307A (zh) * | 2016-12-22 | 2018-11-23 | 华为技术有限公司 | 用于光子芯片的具有可控模场的光学边缘耦合器 |
| CN209606656U (zh) * | 2018-12-29 | 2019-11-08 | 国科光芯(海宁)科技股份有限公司 | 一种复合硅基波导结构 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8116602B2 (en) * | 2001-04-03 | 2012-02-14 | Infinera Corporation | High efficiency optical mode transformer for matching a single mode fiber to a high index contrast planar waveguide |
| IT201700047081A1 (it) * | 2017-05-02 | 2018-11-02 | St Microelectronics Srl | Guida d'onda ottica, dispositivo di accoppiamento e procedimento corrispondenti |
-
2018
- 2018-12-29 CN CN201811643507.3A patent/CN109581588B/zh active Active
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1495447A (zh) * | 2002-09-20 | 2004-05-12 | 日本电信电话株式会社 | 光学模块及其制造方法 |
| CN101641622A (zh) * | 2007-03-20 | 2010-02-03 | 日本电气株式会社 | 光波导和使用该光波导的光斑尺寸转换器 |
| CN102047158A (zh) * | 2008-05-28 | 2011-05-04 | 光导束公司 | 低折射率、大模场直径光耦合器 |
| CN203241564U (zh) * | 2013-05-30 | 2013-10-16 | 青岛海信宽带多媒体技术有限公司 | 光纤波导模斑转换器及光耦合器 |
| CN104391354A (zh) * | 2014-11-21 | 2015-03-04 | 武汉邮电科学研究院 | 一种光纤与高折射率波导之间的耦合结构 |
| CN108885307A (zh) * | 2016-12-22 | 2018-11-23 | 华为技术有限公司 | 用于光子芯片的具有可控模场的光学边缘耦合器 |
| CN107561640A (zh) * | 2017-08-18 | 2018-01-09 | 中国科学院半导体研究所 | 硅纳米线波导与光纤耦合结构及其制作方法 |
| CN108132499A (zh) * | 2018-02-02 | 2018-06-08 | 苏州易缆微光电技术有限公司 | 基于多层聚合物结构的硅波导模斑转换器及其制备方法 |
| CN108535807A (zh) * | 2018-05-25 | 2018-09-14 | 中国科学院半导体研究所 | 具有倾斜波导端面的光纤-硅光芯片耦合器及制备方法 |
| CN209606656U (zh) * | 2018-12-29 | 2019-11-08 | 国科光芯(海宁)科技股份有限公司 | 一种复合硅基波导结构 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN109581588A (zh) | 2019-04-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR100333900B1 (ko) | 모드모양 변환기, 그 제작 방법 및 이를 구비한 집적광학 소자 | |
| EP1356327B1 (en) | Optical mode size converter with vertical and horizontal mode shaping | |
| JP5764776B2 (ja) | 光学変換素子 | |
| US8000565B2 (en) | Buried dual taper waveguide for passive alignment and photonic integration | |
| US20090290837A1 (en) | Optical devices for coupling of light | |
| US20020154863A1 (en) | Planar lightwave circuit and optical circuit | |
| CN106461873A (zh) | 用于低损耗模转换器的倒锥波导 | |
| CN109407229B (zh) | 一种端面耦合器 | |
| TW200426416A (en) | Embedded mode converter | |
| JP2004133446A (ja) | 光モジュール及び製造方法 | |
| US9939582B2 (en) | Layer having a non-linear taper and method of fabrication | |
| CN112241047B (zh) | 基于片上集成龙柏透镜的超宽带模斑转换器 | |
| JP6262597B2 (ja) | スポットサイズ変換器 | |
| CN111175889A (zh) | 一种集成光学分束器 | |
| CN109581588B (zh) | 一种复合硅基波导结构及其制备方法 | |
| CN115857091A (zh) | 一种铌酸锂薄膜mmi起偏分束器 | |
| JP2005115117A (ja) | 光モジュールおよびその製造方法 | |
| JP6839381B2 (ja) | スポットサイズ変換器 | |
| CN114924352B (zh) | 用于光纤和混合表面等离子体波导耦合的变迹光栅耦合器 | |
| CN209606656U (zh) | 一种复合硅基波导结构 | |
| JP5370678B2 (ja) | 細線導波路とリッジ導波路とを低損失に接続することができる光結合器 | |
| US20030031413A1 (en) | Grating into a high index contrast strip or channel waveguide | |
| CN114265147B (zh) | 光通信波段宽带宽高效率水平端面耦合器及其制作方法 | |
| WO2023234111A1 (ja) | 光学素子および光学素子の製造方法 | |
| US20230384518A1 (en) | Multiple-tip edge couplers with segmented waveguide cores |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20191014 Address after: 314400 building 4, No.17 Caohejing Road, Haining Economic Development Zone, Haining City, Jiaxing City, Zhejiang Province Applicant after: Guoke optical core (Haining) Technology Co.,Ltd. Address before: Room 339, room 62, West Street, Drum Tower, Xicheng District, Beijing, Beijing Applicant before: CHINA SCIENCE SKY CHIP TECHNOLOGY (BEIJING) CO.,LTD. |
|
| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |