CN111427118A - 一种应用于通讯波段的高效三维硫化物端面耦合器及其制备方法 - Google Patents

一种应用于通讯波段的高效三维硫化物端面耦合器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于半导体技术领域，涉及一种应用于通讯波段的高效三维硫化物端面耦合器及其制备方法。端面耦合器由下至上依次包括基片、下包层、纤芯、上包层；所述的纤芯为三维倒锥形结构，所述的纤芯的宽度值和高度值沿光束传播方向自耦合器一端端面处至另一端端面处逐渐增大。耦合器纤芯的截面尺寸在高度和宽度上沿光传播方向同时变化，可以在横向和纵向上同时放大波导的模式尺寸，实现空间光和芯片的高效率耦合，有效解决了传统端面耦合器耦合效率低的问题；本发明选择硫化物作为耦合器纤芯材料，可避免引入间接插损，具有低插损、结构紧凑、偏振不敏感等特性，有利于半导体集成光电子学、全光信号处理等领域的推广应用。

Description

一种应用于通讯波段的高效三维硫化物端面耦合器及其制备 方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，更具体地，涉及一种应用于通讯波段的高效三维硫化物端面耦合器及其制备方法。
背景技术
当前，随着人们对信息的需求呈爆炸式增长，信息传输量和传输速率的日益增加使得传统的光电通信模式的功耗越来越大。片上集成器件具有集成度高体积小，功耗低，传输速率快，噪声低，可靠性高等显著优势，在通讯领域的应用等领域具有重要潜在应用，是一个解决传统通信器件发展瓶颈的优选方案。
然而，通讯波段的片上器件中的波导尺寸一般为亚微米到微米量级。因此其模场尺寸相比于输入输出光纤而言非常小，直接将两者进行对准耦合会产生很大的模场失配损耗，因此，片上器件的插损高的问题一直是困扰的难题。端面耦合器具有传统的片上端面耦合器件，因为只调节波导的宽度一个参数，可调节参数较小，理论耦合效率较低(目前是50％-60％)。因此，如何设计和制备耦合效率高的耦合器，对于实现片上集成光电子器件的应用至关重要。
发明内容
本发明为克服上述现有技术中的缺陷，提供一种应用于通讯波段的高效三维硫化物端面耦合器及其制备方法，耦合器具有耦合效率高、结构紧凑、偏振不敏感等特性，适用于半导体集成光电子学、全光信号处理等领域。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种应用于通讯波段的高效三维硫化物端面耦合器，由下至上依次包括基片、下包层、纤芯、上包层；所述的纤芯为三维倒锥形结构，所述的纤芯的宽度值和高度值均沿光束传播方向自耦合器一端端面处至另一端端面处逐渐增大。
作为优选的，所述的纤芯的宽度值和高度值逐渐增大至与其连接的光器件上的直波导的宽度值和高度值相同。
作为优选的，所述的纤芯的一端的宽度值为150nm～400nm，高度值为200nm～600nm；另一端的宽度值为1200nm～2000nm，高度值为600nm～900nm。
作为优选的，所述的纤芯采用在通讯波段损耗低的硫化物材料；所述的硫化物材料包括硫化砷As-S、锗砷硫Ge-As-S、锗锑硫Ge-Sb-S中的任意一种或其组合。硫化物材料是以硫元素结合锗、砷、锑等形成的一种非晶材料，具有较高的折射率(在2.1-2.8之间)，和较高的非线性系数(为氧化硅材料的100倍)，折射率温度系数低(比硅小1-2个数量级)，可在低温下实现薄膜沉积，兼容CMOS工艺：而且，硫化物材料还具有较低的振动声子能量、玻璃成分和物化性能连续可调等优点，便于非线性系数和色散灵活调控，更重要的是，它具有相对于硅等平台材料在通讯波段具有可以忽略的双光子吸收，这对实现高品质非线性片上器件具有重要和关键的优势，在集成光路中的全光信号处理和非线性器件领域具有重要的潜在应用。
作为优选的，所述的纤芯的折射率为2.1～3；所述的上包层和下包层的折射率不高于2.1。
作为优选的，所述的上包层和下包层的材料包括二氧化硅和IPG材料；所述的基片的材料包括硅、氧化硅、蓝宝石、聚合物。
本发明还提供一种应用于通讯波段的高效三维硫化物端面耦合器的制备方法，包括以下步骤：
S1.在下包层薄膜上通过电子束曝光形成设计形状的电子胶掩膜；
S2.利用刻蚀速率随特征尺寸变化的效应，通过湿法或者干法刻蚀在下包层上刻蚀出达到设计的纤芯高度值和宽度值的凹槽，凹槽与纤芯的结构相同均为三维倒锥形结构，纤芯的宽度值和高度值沿光束传播方向自耦合器一端端面处至另一端端面处逐渐增大；
S3.层积硫化物纤芯，填充下包层上的凹槽，层积的硫化物纤芯的厚度根据凹槽的深度来确定，厚度值大于凹槽深度值的30％时停止层积，然后利用化学机械抛光去除高出凹槽上表面的硫化物纤芯，使硫化物纤芯达到设计的纤芯高度；
S4.在获得的硫化物纤芯结构上层积上包层薄膜。
作为优选的，所述的凹槽的一端的宽度值为150nm～400nm，高度值为200nm～600nm；另一端的宽度值为600nm～900nm，高度值为1200nm～2000nm。
作为优选的，在层积硫化物纤芯时，沉积方法包括热蒸镀、化学气相沉积、磁控溅射。
与现有技术相比，有益效果是：本发明提供的一种应用于通讯波段的高效三维硫化物端面耦合器及其制备方法，耦合器纤芯的截面尺寸在高度和宽度上沿光传播方向同时变化，可以在横向和纵向上同时放大波导的模式尺寸，实现空间光和芯片的高效率耦合，比传统的端面耦合器的耦合效率高了20％，有效解决了传统端面耦合器耦合效率低的问题；而且，本发明选择常作为高非线性片上器件基质材料的硫化物作为耦合器纤芯材料，可避免引入间接插损，具有低插损、结构紧凑、偏振不敏感等特性，有利于半导体集成光电子学、全光信号处理等领域的推广应用。
附图说明
图1是本发明端面耦合器整体结构示意图。
图2是本发明纤芯的立体结构示意图。
图3是本发明端面耦合器纤芯的俯视示意图，箭头代表光速传播的方向。
图4是本发明端面耦合器纤芯的侧视示意图，箭头代表光速传播的方向。
图5是本发明端面耦合器制备流程示意图。
图6是本发明实施例1中耦合器端面处横截面的耦合效率图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，一种应用于通讯波段的高效三维硫化物端面耦合器，由下至上依次包括基片1、下包层2、纤芯3、上包层4；所述的纤芯3为三维倒锥形结构，所述的纤芯3的宽度值和高度值沿光束传播方向自耦合器一端端面处至另一端端面处逐渐增大，且纤芯3的宽度值和高度值逐渐增大至与其连接的光器件上的直波导的宽度值和高度值相同。
其中，所述的纤芯3的一端的宽度值为150nm～400nm，高度值为200nm～600nm；另一端的宽度值为1200nm～2000nm，高度值为600nm～900nm。
在本实施例中，所述的纤芯3采用在通讯波段损耗低的硫化物材料；所述的硫化物材料包括硫化砷As-S、锗砷硫Ge-As-S、锗锑硫Ge-Sb-S中的任意一种或其组合。纤芯3的折射率为2.1～3；上包层4和下包层2的折射率不高于2.1；上包层4和下包层2的材料包括二氧化硅和IPG材料；所述的基片1的材料包括硅、氧化硅、蓝宝石、聚合物。
如图2所示，为纤芯3的三维结构示意图，图3和图4分别为纤芯3的俯视示意图和侧视示意图；入射光束从端面耦合器纤芯3的窄端入射，纤芯3的宽度值和高度值从端面处沿光束传播方向逐渐增大至和直波导保持相同。在端面处纤芯3很窄，波导不足以束缚光，使得光场泄漏在二氧化硅包层中，放大了模场尺寸，减小了模式失配损耗，从而提高耦合效率。高度值和宽度值同时变化，可以进一步增大模场尺寸，并减小耦合器的偏振敏感性。
实施例1：
结合图5和图6说明本实施方式，本实施选用锗砷硫化合物作为端面耦合器纤芯3材料，可以通过化合物组分设计使锗砷硫化合物在1550nm波段的折射率为2.3029。纤芯3的窄端尺寸的设计可以有效放大波导模场，使之和输入光场相匹配。耦合器纤芯3宽端尺寸适用于1550nm通信波段的非线性器件的色散调控。上包层4和下包层2为二氧化硅，在1550nm波长折射率为1.444。上包层4高度至少可以埋入纤芯3层，下包层2高度为3μm。
硫化物端面耦合器纤芯3的窄端宽度值为150nm-400nm，高度值为200nm～600nm；在本实施例中纤芯3窄端的宽度值为250nm，高度值为400nm。其高度和宽度沿光束传播方向逐渐增大至波导的尺寸，其宽端的高度值为600nm～900nm，宽度为1200nm～2000nm。如图5所示，1550nm波长处端面耦合器TE模耦合效率为85.942％，TM模耦合效率为79.598％。
由此可见，本发明通过三维倒锥形的端面耦合器，在横向和纵向上同时放大了波导的模场直径，在提高耦合效率的同时解决了传统端面耦合器偏振敏感的问题，在1550nm波段实现了对TE和TM模式光波高效率的耦合。
如图5所示，一种应用于通讯波段的高效三维硫化物端面耦合器的制备方法：先通过电子束曝光和干法刻蚀在二氧化硅衬底上刻蚀出三维的凹槽结构，并在凹槽顶部均匀沉积硫化物薄膜，然后对薄膜进行抛光至硫化物纤芯3厚度，最后在其顶部面沉积上包层4。具体包括以下步骤：
S1.在下包层2衬底上通过电子束曝光形成设计形状的电子胶掩膜5；
S11.对样品表面进行氮气吹扫清洁，保证表面没有明显颗粒物；
S12.在130℃的热板上加热样品5min，去除水分，提高后续旋涂的电子胶掩膜5的黏附力；
S13.冷却10min后，将清洁处理好的样品放在甩胶台上真空吸附，均匀滴上ARP6200电子胶至覆盖整个样品表面。之后利用甩胶台高速旋转，使电子胶均匀分布在薄膜表面，调节转速为4000r/min以保证厚度为800nm；
S14.甩胶完毕后将片子放在130℃的热板上将电子胶热固化5min，冷却10min后用高精度电子束曝光使胶变性，曝光剂量为220uC/cm2；
S15.用二甲苯溶液水浴2min，显影后电子胶呈现出预先设计的形状，再用异丙醇溶液水浴20s清洁样品；
S2.利用刻蚀速率随特征尺寸变化的效应，通过干法刻蚀在下包层2上刻蚀出符合耦合器纤芯3高度和宽度的凹槽，再去除电子胶。刻蚀气体为氟基气体，刻蚀速率随特征尺寸变化，在窄端刻蚀速率约为0.16μm/min，在特征尺寸增大至1μm后，刻蚀速率达到饱和，约为0.28μm/min。最终窄端刻蚀深度为400nm，宽度为250nm；1μm以上的宽端刻蚀深度为700nm，宽度为1200nm；
S3.热蒸镀锗砷硫化物纤芯3700nm填充下包层2凹槽，通过组分调控使得波长1550nm处薄膜折射率为2.3029，并化学机械抛光磨平薄膜上表面；
S4.在S3获得锗砷硫化物纤芯3结构上，使用化学气相沉积，沉积3μm二氧化硅薄膜作为上包层4。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。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。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种应用于通讯波段的高效三维硫化物端面耦合器，其特征在于，由下至上依次包括基片(1)、下包层(2)、纤芯(3)、上包层(4)；所述的纤芯(3)为三维倒锥形结构，所述的纤芯(3)的宽度值和高度值均沿光束传播方向自耦合器一端端面处至另一端端面处逐渐增大。
2.根据权利要求1所述的应用于通讯波段的高效三维硫化物端面耦合器，其特征在于，所述的纤芯(3)的宽度值和高度值逐渐增大至与其连接的光器件上直波导的宽度值和高度值相同。
3.根据权利要求2所述的应用于通讯波段的高效三维硫化物端面耦合器，其特征在于，所述的纤芯(3)的一端的宽度值为150nm～400nm，高度值为200nm～600nm；另一端的宽度值为1200nm～2000nm，高度值为600nm～900nm。
4.根据权利要求3所述的应用于通讯波段的高效三维硫化物端面耦合器，其特征在于，所述的纤芯(3)采用在通讯波段损耗低的硫化物材料；所述的硫化物材料包括硫化砷As-S、锗砷硫Ge-As-S、锗锑硫Ge-Sb-S中的任意一种或其组合。
5.根据权利要求4所述的应用于通讯波段的高效三维硫化物端面耦合器，其特征在于，所述的纤芯(3)的折射率为2.1～3；所述的上包层(4)和下包层(2)的折射率不高于2.1。
6.根据权利要求5所述的应用于通讯波段的高效三维硫化物端面耦合器，其特征在于，所述的上包层(4)和下包层(2)的材料包括二氧化硅和IPG材料；所述的基片(1)的材料包括硅、氧化硅、蓝宝石、聚合物。
7.一种应用于通讯波段的高效三维硫化物端面耦合器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.在下包层(2)薄膜上通过电子束曝光形成设计形状的电子胶掩膜(5)；
S2.利用刻蚀速率随特征尺寸变化的效应，通过湿法或者干法刻蚀在下包层(2)上刻蚀出达到设计的纤芯(3)高度值和宽度值的凹槽，凹槽与纤芯(3)的结构相同均为三维倒锥形结构，纤芯(3)的宽度值和高度值均沿光束传播方向自耦合器一端端面处至另一端端面处逐渐增大；
S3.层积硫化物纤芯(3)，填充下包层(2)上的凹槽，层积的硫化物纤芯(3)的厚度根据凹槽的深度来确定，厚度值大于凹槽深度值的30％时停止层积，然后利用化学机械抛光去除高出凹槽上表面的硫化物纤芯(3)，使硫化物纤芯(3)达到设计的纤芯(3)高度；
S4.在获得的硫化物纤芯(3)结构上层积上包层(4)薄膜。
8.根据权利要求7所述的应用于通讯波段的高效三维硫化物端面耦合器的制备方法，其特征在于，所述的凹槽的一端的宽度值为150nm～400nm，高度值为200nm～600nm；另一端的宽度值为600nm～900nm，高度值为1200nm～2000nm。
9.根据权利要求7所述的应用于通讯波段的高效三维硫化物端面耦合器的制备方法，其特征在于，在层积硫化物纤芯(3)时，沉积方法包括热蒸镀、化学气相沉积、磁控溅射。
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