CN110658586A - 一种端面耦合器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光电器件领域，具体涉及一种端面耦合器，包括SOI衬底，包括硅衬底以及设置于硅衬底上的埋氧层；氧化硅层，设置在埋氧层与硅衬底相对的一侧；第一波导，其位于端面耦合器的拟耦合波传入的一侧，用于将拟耦合波限定在预定大小的模场内；硅基光波导，位于端面耦合器拟耦合波传出的一侧；以及，第二波导，其用于将被第一波导限定在预定模场内的拟耦合波耦合至硅基光波导内；其中，第一波导、第二波导和硅基光波导均位于氧化硅层内部。本发明提供的端面耦合器具有与光纤耦合效率高、带宽大、工艺难度及成本较低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光电器件领域，具体涉及一种端面耦合器及其制备方法。
背景技术
随着通信技术的快速发展，在大数据时代的背景下，数据流量急剧增长，对带宽的要求越来越大，而传统的电互连在带宽、距离、能耗等方面的局限性也越来越突出，已经难以满足高速通信以及高性能微电子芯片的发展需求。硅基光电互连作为现在最有前途的解决方案之一，已经逐渐成为当前的一个研究热点。
硅基光子器件具有与CMOS(互补金属氧化物半导体，英文全称ComplementaryMetal Oxide Semiconductor)工艺兼容、大带宽、低延迟、低能耗、低串扰等显著的优点，可以实现高性能、低成本、小尺寸、高集成的片上光互联。对于硅基光子芯片而言，一个亟待解决的问题是实现芯片片内的光信号与片外的光信号的高效耦合连接。
由于硅和二氧化硅或者空气具有很大的折射率差，硅基光波导具有很强的限制光场的能力，硅基光波导的尺寸可以制作成非常小的尺寸，其截面尺寸通常小于0.5微米，而普通的单模光纤的芯径尺寸约为8-10微米，两者之间尺寸相差很大，造成了严重的模场失配，从而导致很大的耦合损耗。
因此，设计这一种能增大硅基光波导与单模光纤之间的模场匹配度，从而提高耦合效率的端面耦合器对于硅基光电互连技术是有重大意义的。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的硅基光波导与单模光纤之间的耦合损耗大的缺陷，从而提供一种端面耦合器及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种端面耦合器，包括：
SOI衬底，包括硅衬底以及设置于所述硅衬底上的埋氧层；
氧化硅层，设置在所述埋氧层与所述硅衬底相对的一侧；
第一波导，其位于所述端面耦合器的拟耦合波传入的一侧，用于将所述拟耦合波限定在预定大小的模场内；
硅基光波导，位于所述端面耦合器拟耦合波传出的一侧；
以及，第二波导，其用于将被所述第一波导限定在预定模场内的拟耦合波耦合至所述硅基光波导内；
其中，所述第一波导、第二波导和硅基光波导均位于所述氧化硅层内部。
进一步的，所述第一波导包括若干围合波导，所述若干围合波导配合围成一延伸方向与所述拟耦合波传出方向一致的圆柱体或正方体，所述第二波导设置于所述圆柱体或正方体内，且其延伸方向与所述拟耦合波传出方向一致。
进一步的，所述第一波导还包括中心波导，所述若干围合波导围绕所述中心波导设置，且在沿拟耦合波传出方向上，所述中心波导的中心轴线与所述圆柱体或正方体的中心轴线重合。
进一步的，沿拟耦合波传出方向，所述第二波导设置于所述中心波导的末端，且在沿拟耦合波传出方向上，所述第二波导的中心轴线与所述圆柱体或正方体的中心轴线重合。
进一步的，所述若干围合波导均匀分布在同一圆柱面上。
进一步的，所述第一波导、第二波导为氮化硅波导。
进一步的，所述第二波导的长度为所述端面耦合器长度的二分之一。
进一步的，沿拟耦合波传出方向，所述第二波导包括波导渐增段和波导渐缩段。
进一步的，所述波导渐增段占所述第二波导长度的二分之一。
进一步的，硅基光波导靠近所述波导渐缩段。
进一步的，所述硅基光波导的长度占所述端面耦合器长度的四分之一。
进一步的，沿拟耦合波传出方向，所述硅基光波导渐增。
本发明还提供了一种制备如上述所有方案中任一项所述的端面耦合器的方法，包括以下步骤：
在SIO衬底上分层沉积波导材料后刻蚀，逐步得到第一波导、第二波导以及硅基光波导；
在SOI衬底上沉积氧化硅形成氧化硅层。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的端面耦合器，通过在氧化硅层内设置第一波导、硅基光波导以及第二波导，单模光纤传出的光传入至端面耦合器内后，光泄露在第一波导之外并沿着第一波导进行模场分布，第一波导用于将拟耦合波限定在预定大小的模场内，该预定大小的模场与端面耦合器需耦合的单模光纤的模场一致，然后光由第二波导进行二次耦合并传出至硅基光波导内，硅基光波导的模场大小与需耦合的硅基光子芯片的模场大小一致，通过第一波导的设置，使得单模光纤与端面耦合器耦合时，单模光纤的模斑与端面耦合器的拟耦合波传入侧的模斑大小接近，从而可以提高单模光纤与端面耦合器之间的耦合效率，降低耦合损耗，硅基光波导的设置，使得硅基光子芯片与端面耦合器耦合时，硅基光子芯片的模斑与端面耦合器的拟耦合波传出侧的模斑大小接近，从而可以提高硅基光子芯片与端面耦合器之间的耦合效率，进而可以提高单模光纤与硅基光子芯片之间的耦合效率，降低耦合损耗。
2.本发明提供的端面耦合器，单模光纤形成的模斑为圆形，通过将第一波导设置为包括若干围合波导，且若干围合波导配合形成圆柱体或正方体，从而使得第一波导耦合光形成的模斑形状与单模光纤的模斑形状更一致，进而提高单模光纤与端面耦合器的模斑匹配度，提高耦合效率。
3.本发明提供的端面耦合器，通常模场的能量都集中在其中心位置，通过将第一波导设置为包括中心波导以及围合波导，使得第一波导能尽可能多的对拟耦合波的能量进行吸收，从而减少所需设置的围合波导的数量。
4.本发明提供的端面耦合器，通过将第二波导设置在中心波导的末端，使得第二波导能够更好地对第一波导传出的光进行耦合。
5.本发明提供的端面耦合器，通过将围合波导均匀分布在同一圆柱面上，使得在保证实现第一氮化硅波导与单模光纤耦合的基础上，能尽可能少的减少围合波导的数量，从而降低端面耦合器的加工工艺难度，有利于端面耦合器的生产推广。
6.本发明提供的端面耦合器，通过选用氮化硅形成第一波导以及第二波导，氮化硅的折射率在2.0附近，相比硅而言，氮化硅与氧化硅的折射率对比度较小，可制作的氮化硅波导尺寸较大，从而可以减小硅基光波导与单模光纤之间的耦合损耗，另外，氮化硅具有更低的传出损耗，采用氮化硅制备氮化硅波导，可以降低硅基光波导与单模光纤之间的传输损耗。
7.本发明提供的端面耦合器，通过将第二波导在沿拟耦合波传出方向上设置为包括波导渐增段和波导渐缩段，使得第二波导形成taper(渐变)状，从而使得第二波导能将经第一波导传出的光尽可能多的耦合到硅基光波导中，从而进一步提高耦合效率，降低耦合损耗。
8.本发明提供的端面耦合器，通过限定各波导的规格及形状、大小，使得各波导的工艺兼容性更好，对工艺误差的容忍度高，故可以降低其对加工器件的要求，从而降低端面耦合结构的生产成本。
9.本发明提供的端面耦合器的制备方法，仅包括沉积刻蚀等步骤，制备方法简单，有利于端面耦合器的大批量生产。
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是本发明实施例1中的端面耦合器的结构示意图；
图2是本发明实施例1中的端面耦合器沿竖直方向剖开的剖面图；
图3是本发明实施例1中的端面耦合器的正视图
图4是本发明实施例1中的端面耦合器的俯视图；
附图标记：
1、SOI衬底；11、硅衬底；12、埋氧层；2、氧化硅层；3、第一波导；31、围合波导；32、中心波导；4、硅基光波导；5、第二波导。
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，提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
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。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
结合图1-4，本实施例涉及一种端面耦合器，包括SOI衬底1、氧化硅层2、第一波导3、第二波导5以及硅基光波导4。
其中，氧化硅层2设置在SOI衬底1上，第一波导3、第二波导5以及硅基光波导4均设置在氧化硅层2内，第一波导3位于端面耦合器的拟耦合波传入的一侧，第一波导3用于将所述拟耦合波限定在预定大小的模场内，硅基光波导4位于端面耦合器拟耦合波传出的一侧，第二波导5用于将被第一波导3限定在预定模场内的拟耦合波耦合至硅基光波导4内，具体的，在本实施例中，第一波导3用于与8mm的单模光纤耦合，硅基光波导4用于与硅基光子芯片集成。
SOI衬底1是常用的硅基器件所用的衬底，全称Silicon-On-Insulator，其包括硅衬底11以及设置在硅衬底11上的埋氧层12，埋氧层12厚度为3μm，需要说明的是，完整的SOI衬底1是还包括设置在埋氧层12上的顶层硅的，顶层硅厚度通常为220nm，但是在制备端面耦合器时，为防止光拉入至顶层硅中，会将顶层硅去除漏出埋氧层12，再在埋氧层12上进行相应的加工。氧化硅层2设置在埋氧层12的与硅衬底相对的一侧上。
第一波导3包括若干围合波导31，在本实施例中，围合波导31配合形成一延伸方向与拟耦合波传出方向一致的圆柱体，在其他实施例中，围合波导31围成的也可以是正方体或其他可以覆盖单模光纤的模斑的形状，只是由于模斑为圆形，故将围合波导31围合成圆柱体可以使得第一波导3形成的模斑与单模光纤的模斑更加匹配，从而使得在覆盖单模光纤模斑的基础上尽可能地减少围合波导31的数量，进而降低端面耦合器的加工难度。第二波导5设置在围合波导31围成的形状内，且第二波导5的延伸方向与拟耦合波传出方向一致。
为进一步减少所需使用的围合波导31的数量，可以将第一波导3设置为还包括中心波导32，其中，围合波导31围绕中心波导32设置，且在沿拟耦合波传出方向上，中心波导32的中心轴线与围合波导31围成的圆柱体或正方体的中心轴线重合。由于模场的能量基本都集中在模场中间，通过设置中心波导32，可以利用中心波导32尽可能多的吸收模场的能量，进而可以减少所需使用的围合波导31的数量，降低工艺难度。同时，为达到上述目的，还可以将围合波导31设置沿中心波导32均匀分布。
在本实施例中，围合波导31围绕中心波导32均匀分布在同一圆柱面上，具体的，在氧化硅层2内设置三层波导层，从靠近SOI衬底1的一侧向远离SOI衬底1的一侧的方向排布，依次为第一波导层、第二波导层以及第三波导层，每层波导层之间的间距相同，其中，第一波导层与第三波导层内均包括一条围合波导31，第二波导层内包括两条围合波导31以及一条中心波导32。从上而下俯视整个端面耦合器时，第一波导层与第三波导层内的围合波导31与中心波导32完全重合，第二层波导层内的两条围合波导31关于中心波导32对称分布。即在本实施例中，中心波导32位于圆柱体的中心轴线上，四条围合波导31分别位于所述圆柱体侧面的四条四分线上。
为使得第二波导5能够尽可能多地将第一波导3耦合的光耦合至硅基光波导4上，从而进一步提高硅基光芯片与单模光纤之间的耦合效率，在本实施例中，将第二波导5设置在中心波导32的末端，且在沿拟耦合波传出方向上，第二波导5的中心轴线与围合波导31围成的圆柱体的中心轴线重合。另外，沿拟耦合波传出方向，将第二波导5设置为包括波导渐增段和波导渐缩段，即将第二波导5设置为taper型，俗称模式渐变型。其中，第二波导5的长度占端面耦合器长度的二分之一，波导渐增段占第二波导5长度的二分之一，在本实施例中，第二波导5是在水平方向上发生渐变，从上而下俯视整个端面耦合器时，第二波导5的表面形状近似为菱形。另外，通过将第二波导层上的围合波导31的长度设置为与第二波导5和中心波导32的长度总和相等也可以达到上述目的。
为使得硅基光波导4更好地接收来自第二波导5的光，硅基光波导4设置为位于第一波导层与第二波导层之间，且硅基光波导4靠近第二波导5的波导渐缩段。硅基光波导4的长度占端面耦合器长度的四分之一，硅基光波导4的形状也为taper型，但是硅基光波导4是沿拟耦合传出方向渐增。在本实施例中，硅基光波导4与第二波导5抵接，硅基光波导4也是在水平方向上发生渐变，从上而下俯视整个端面耦合器时，硅基光波导4的形状为等腰梯形。
在本实施例中，第一波导3及第二波导5均为氮化硅波导，通过选用氮化硅形成第一波导3以及第二波导5，氮化硅的折射率在2.0附近，相比硅而言，氮化硅与氧化硅的折射率对比度较小，可制作的氮化硅波导尺寸较大，从而可以减小硅基光波导4与单模光纤之间的耦合损耗，另外，氮化硅具有更低的传出损耗，采用氮化硅制备氮化硅波导，可以降低硅基光波导4与单模光纤之间的传输损耗。
为使得端面耦合器的工艺兼容性更好，在本实施例中，中心波导32及围合波导31均设置为条形，且沿拟耦合波的传出方向上看，其厚度均为0.2微米，宽度为0.34微米，其中，第一波导层及第三波导层内的围合波导31以及中心波导32的长度均为600微米，第二波导层上的围合波导31的长度为1200微米，第二波导5的厚度为0.2微米，宽度由0.34微米逐渐变大至1微米，再逐渐变小至0.34微米，第二波导5的总长度为600微米，硅基光波导4的厚度为0.22微米，其窄端的宽度为200纳米，宽端的宽度为0.45微米，长度为300微米。
本实施例还涉及一种制备端面耦合器的方法，包括以下步骤：
在SIO衬底上分层沉积波导材料后刻蚀，逐步得到第一波导、第二波导以及硅基光波导；
在SOI衬底上沉积氧化硅形成氧化硅层。
具体到本实施例的端面耦合器的形状及材质规格上，本实施例的端面耦合器按照以下步骤制备得到：
S1、将SOI衬底清洗干净，接着把顶层硅腐蚀干净，待进行后续氮化硅的生长；
S2、采用LPCVD(低压力化学气相沉积，全称Low Pressure Chemical VaporDeposition)技术大面积沉积第一层氮化硅，然后在第一层氮化硅上旋涂光刻胶，采用光刻技术将第一波导层中的围合波导区用光刻胶掩蔽住，然后进行干法刻蚀，将大面积的氮化硅刻尽，去胶，清洗样品表面；
S3、在第一波导层上采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积法，全称PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition)技术大面积沉积氧化硅，然后采用CMP(化学机械研磨，全称Chemical Mechanical Polishing)方法将材料表面磨平；
S4、在氧化硅层上采用LPCVD技术大面积沉积硅，然后在硅上旋涂光刻胶，采用光刻技术将硅基光波导区用光刻胶掩蔽住，然后进行干法刻蚀，将大面积的硅刻尽，去胶，清洗样品表面；
S5、在硅基光波导上采用PECVD技术大面积沉积氧化硅，然后采用CMP方法将材料表面磨平；
S6、在S5步骤的氧化硅层上，采用LPCVD技术大面积沉积第二层氮化硅，然后在第二层氮化硅上旋涂光刻胶，采用光刻技术将第二波导层中的第一波导所在区及第二波导所在区用光刻胶掩蔽住，然后进行干法刻蚀，将大面积的氮化硅刻尽，去胶，清洗样品表面；
S7、在第二波导层上采用PECVD技术大面积沉积氧化硅，然后采用CMP方法将材料表面磨平；
S8、在S7步骤的氧化硅层上，采用LPCVD技术大面积沉积第三层氮化硅，然后在第三层氮化硅上旋涂光刻胶，采用光刻技术将第三波导层中的围合波导区用光刻胶掩蔽住，然后进行干法刻蚀，将大面积的氮化硅刻尽，去胶，清洗样品表面；
S9、在S8得到的制品上采用PECVD技术大面积沉积氧化硅，随后在第一氮化硅波导的前端附近刻出便于光纤耦合的100μm深槽，完成端面耦合器的制备。
本实施例的端面耦合器的使用原理大致如下所述：
通过在氧化硅层2内设置第一波导3、硅基光波导4以及第二波导5，单模光纤传出的光传入至端面耦合器内后，光泄露在第一波导3之外并沿着第一波导3进行模场分布，第一波导3用于将拟耦合波限定在预定大小的模场内，该预定大小的模场与端面耦合器需耦合的单模光纤的模场一致，然后光由第二波导5进行二次耦合并传出至硅基光波导4内，硅基光波导4的模场大小与需耦合的硅基光子芯片的模场大小一致，通过第一波导3的设置，使得单模光纤与端面耦合器耦合时，单模光纤的模斑与端面耦合器的拟耦合波传入侧的模斑大小接近，从而可以提高单模光纤与端面耦合器之间的耦合效率，降低耦合损耗，硅基光波导4的设置，使得硅基光子芯片与端面耦合器耦合时，硅基光子芯片的模斑与端面耦合器的拟耦合波传出侧的模斑大小接近，从而可以提高硅基光子芯片与端面耦合器之间的耦合效率，进而可以提高单模光纤与硅基光子芯片之间的耦合效率，降低耦合损耗。
本实施例中端面耦合器与SMF28、模斑直径为8.2μm的光纤耦合时，耦合效率为84％，耦合损耗小于0.5dB。
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 (13)
1.一种端面耦合器，其特征在于，包括：
SOI衬底(1)，包括硅衬底(11)以及设置于所述硅衬底(11)上的埋氧层(12)；
氧化硅层(2)，设置在所述埋氧层(12)与所述硅衬底(11)相对的一侧；
第一波导(3)，其位于所述端面耦合器的拟耦合波传入的一侧，用于将所述拟耦合波限定在预定大小的模场内；
硅基光波导(4)，位于所述端面耦合器拟耦合波传出的一侧；
以及，第二波导(5)，其用于将被所述第一波导(3)限定在预定模场内的拟耦合波耦合至所述硅基光波导(4)内；
其中，所述第一波导(3)、第二波导(5)和硅基光波导(4)均位于所述氧化硅层(2)内部。
2.根据权利要求1所述的端面耦合器，其特征在于，所述第一波导(3)包括若干围合波导(31)，所述若干围合波导(31)配合围成一延伸方向与所述拟耦合波传出方向一致的圆柱体或正方体，所述第二波导(5)设置于所述圆柱体或正方体内，且其延伸方向与所述拟耦合波传出方向一致。
3.根据权利要求2所述的端面耦合器，其特征在于，所述第一波导(3)还包括中心波导(32)，所述若干围合波导(31)围绕所述中心波导(32)设置，且在沿拟耦合波传出方向上，所述中心波导(32)的中心轴线与所述圆柱体或正方体的中心轴线重合。
4.根据权利要求3所述的端面耦合器，其特征在于，沿拟耦合波传出方向，所述第二波导(5)设置于所述中心波导(32)的末端，且在沿拟耦合波传出方向上，所述第二波导(5)的中心轴线与所述圆柱体或正方体的中心轴线重合。
5.根据权利要求3或4所述的端面耦合器，其特征在于，所述若干围合波导(31)均匀分布在同一圆柱面上。
6.根据权利要求5所述的端面耦合器，其特征在于，所述第一波导(3)、第二波导(5)为氮化硅波导。
7.根据权利要求2、3、4或6所述的端面耦合器，其特征在于，所述第二波导(5)的长度为所述端面耦合器长度的二分之一。
8.根据权利要求2、3、4、6或7所述的端面耦合器，其特征在于，沿拟耦合波传出方向，所述第二波导(5)包括波导渐增段和波导渐缩段。
9.根据权利要求8所述的端面耦合器，其特征在于，所述波导渐增段占所述第二波导(5)长度的二分之一。
10.根据权利要求8所述的端面耦合器，其特征在于，硅基光波导(4)靠近所述波导渐缩段。
11.根据权利要求1或10所述的端面耦合器，其特征在于，所述硅基光波导(4)的长度占所述端面耦合器长度的四分之一。
12.根据权利要求1、10或11所述的端面耦合器，其特征在于，沿拟耦合波传出方向，所述硅基光波导(4)渐增。
13.一种制备如权利要求1-12中任一项所述的端面耦合器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
在SIO衬底上分层沉积波导材料后刻蚀，逐步得到第一波导、第二波导以及硅基光波导；
在SOI衬底上沉积氧化硅形成氧化硅层。
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