CN111897051A - 一种波导光栅结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种波导光栅结构及其制备方法，该波导光栅结构包括：波导；覆盖层，设置在波导的第一表面，与波导接触；衍射结构，设置在覆盖层的远离波导的表面，与覆盖层接触。通过实施本发明，当波导中传输的光束需要进行扩展时，会先经过覆盖层，再由衍射结构扩展到空间中；由此，设置的覆盖层可以降低衍射结构对光束的敏感度，从而可以使得衍射结构的特征尺寸变大，易于加工，降低了对加工精度的要求。同时，覆盖层的设置还可以在刻蚀制备衍射结构时，避免刻蚀到波导，降低了刻蚀深度控制难度，提高工艺可行性和一致性。此外，还可以通过调整覆盖层的厚度调制衍射结构的衍射强度，有效加长衍射结构的长度，使光束发散角变小。

Description

一种波导光栅结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及光子器件领域，具体涉及一种波导光栅结构及其制备方法。
背景技术
随着集成光学的发展，集成光学芯片应用的领域越来越多。集成光学芯片中对于光束扩展是一项重要的功能要求，在相控阵芯片、静态阵列发射、开关阵列发射和单线发射等集成光学芯片中光束扩展都是基本的功能要求。
然而，在传统集成光学芯片中，对光束的扩展多采用柱透镜或者片外衍射结构来实现，这些扩展方式使芯片体积大，封装工序多，可靠性低。现有集成光学波导光栅衍射结构对加工精度要求高，光束扩展能力有限。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种波导光栅结构及其制备方法，以解决现有技术中集成光学波导光栅衍射结构对加工精度要求高的技术问题。
本发明实施例提出的技术方案如下：
本发明实施例第一方面提供一种波导光栅结构，该波导光栅结构包括：波导；覆盖层，设置在所述波导的第一表面，与所述波导接触；衍射结构，设置在所述覆盖层的远离所述波导的表面，与所述覆盖层接触。
进一步地，所述覆盖层的厚度为100nm至800nm。
进一步地，所述衍射结构包括多组衍射单元，每组衍射单元包括两个散射体，不同位置处衍射单元中两个散射体之间的距离相同或不同。
进一步地，所述散射体的结构包括：四棱柱、圆柱体、椭圆柱体或梯形柱中的任意一种或多种。
进一步地，所述波导包括：单层条形波导、多层条形波导、脊形波导或槽波导中的任意一种。
进一步地，所述波导的材料包括：硅、氮化硅、氮氧化硅或磷化铟中的任意一种。
进一步地，所述覆盖层的材料包括：氧化硅、氮化硅、磷硅玻璃或掺锗氧化硅中的任意一种。
进一步地，所述衍射结构的材料包括：硅、氮化硅、氧化硅或氮氧化硅中的任意一种。
本发明实施例第二方面提供一种波导光栅结构的制备方法，该制备方法包括：在基底上沉积波导材料，采用刻蚀工艺形成波导；在波导上沉积覆盖层材料形成覆盖层；在覆盖层上沉积衍射结构材料，采用刻蚀工艺形成衍射结构。
进一步地，采用刻蚀工艺形成衍射结构，包括：采用刻蚀工艺形成包括多组衍射单元的衍射结构，每组衍射结构中包括两个散射体。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明实施例提供的波导光栅结构及其制备方法，通过设置依次层叠的波导、覆盖层和衍射结构，当波导中传输的光束需要进行扩展时，会先经过覆盖层，再由衍射结构扩展到空间中；由此，设置的覆盖层可以降低衍射结构对光束的敏感度，从而可以使得衍射结构的特征尺寸变大，易于加工，降低了对加工精度的要求。同时，覆盖层的设置还可以在刻蚀制备衍射结构时，避免刻蚀到波导，降低了刻蚀深度控制难度，提高工艺可行性和一致性。此外，还可以通过调整覆盖层的厚度调制衍射结构的衍射强度，有效加长衍射结构的长度，使光束发散角变小。
本发明实施例提供的波导光栅结构及其制备方法，通过在波导和衍射结构之间设置较厚的覆盖层，可以有效减小波导和衍射结构之间的耦合作用，使衍射结构的衍射强度降低，由此，通过波导和衍射结构间的覆盖层的作用，可以让衍射单元的特征尺寸要求降低，同时可以达到低衍射强度的要求。另外，相比现有技术中直接由衍射结构衍射到空间中，衍射强度大，则光束无法经过较长的衍射结构，即衍射结构长度较短，光束发散角较大；而该波导光栅结构中整体降低的衍射强度可以使衍射结构长度增加，使衍射光束发散角减小。
本发明实施例提供的波导光栅结构及其制备方法，不仅可以通过调整散射体之间的间距调整衍射结构的衍射强度，还可以改变波导与衍射结构之间的覆盖层的厚度，从而改变衍射强度；由此，本发明实施例提供的波导光栅结构增加了一个衍射强度调节维度，使得衍射强度的调节更加简便。
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为本发明实施例中波导光栅结构的结构框图；
图2为本发明另一实施例中波导光栅结构的结构框图；
图3为本发明另一实施例中波导光栅结构的结构框图；
图4为本发明实施例中波导光栅结构应用于相控阵列芯片的结构框图；
图5为本发明另一实施例中波导光栅结构应用于相控阵列芯片的结构框图；
图6为本发明实施例中波导光栅结构的制备方法的流程图。
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，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。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。
本发明实施例提供一种波导光栅结构，如图1所示，该波导光栅结构包括：波导1；覆盖层2，设置在波导1的第一表面，与波导1接触；衍射结构3，设置在覆盖层2的远离波导1的表面，与覆盖层2接触。具体地，该波导光栅结构包括依次层叠设置的波导1、覆盖层2和衍射结构3。当采用该波导光栅结构对光束进行扩展时，入射至该波导光栅结构的中的光束先在波导1中传输，当传输至具有衍射结构3位置处，光束中的部分会经过衍射结构3向自由空间传播，衍射结构3可以控制光束的衍射强度，即通过衍射结构3的设置可以实现光束的扩展。
本发明实施例提供的波导光栅结构，通过设置依次层叠的波导、覆盖层和衍射结构，当波导中传输的光束需要进行扩展时，会先经过覆盖层，再由衍射结构扩展到空间中；由此，设置的覆盖层可以降低衍射结构对光束的敏感度，从而可以使得衍射结构的特征尺寸变大，易于加工，降低了对加工精度的要求。同时，覆盖层的设置还可以在刻蚀制备衍射结构时，避免刻蚀到波导，降低了刻蚀深度控制难度，提高工艺可行性和一致性。此外，还可以通过调整覆盖层的厚度调制衍射结构的衍射强度，有效加长衍射结构的长度，使光束发散角变小。
在一实施例中，如图1所示，覆盖层2的厚度h为100nm至800nm。可选地，通过设置覆盖层1的厚度h在较厚的范围内，可以防止在对衍射结构3进行刻蚀时，刻蚀到波导1上，由此可以降低刻蚀衍射结构的刻蚀深度控制难度。
在一实施例中，如图1、图2和图3所示，衍射结构3包括多组衍射单元，每组衍射单元包括两个散射体，不同位置处衍射单元中两个散射体之间的距离g相同或不同。因此，可以通过对散射体之间间距的调节实现对衍射结构衍射强度的调节。可选地，每组衍射单元中设置的两个散射体可以设置在波导的两侧，可以通过调节两个散射体之间的间距使两个散射体覆盖在波导上方的面积发生改变，可调节范围大。
具体地，由于波导中的光束经过每个衍射单元向自由空间传播后，传输到下一衍射单元的光强度减少，因此，为了使波导光栅衍射结构衍射出的光束强度相近，需要使得后面衍射单元的衍射强度依次增加，这样的渐变结构会导致衍射结构中首尾衍射单元特征尺寸差别较大；而本发明实施例提供的波导光栅结构在衍射结构的每个衍射单元中设置两个散射体，通过调整两个散射体之间的间距，可以对衍射结构中每个衍射单元的衍射强度进行调整，由此可以降低对衍射单元特征尺寸的要求，从而降低对加工精度的要求。
本发明实施例提供的波导光栅结构，通过在波导和衍射结构之间设置较厚的覆盖层，可以有效减小波导和衍射结构之间的耦合作用，使衍射结构的衍射强度降低，由此，通过波导和衍射结构间的覆盖层的作用，可以让衍射单元的特征尺寸要求降低，同时可以达到低衍射强度的要求。另外，相比现有技术中直接由衍射结构衍射到空间中，衍射强度大，则光束无法经过较长的衍射结构，即衍射结构长度较短，光束发散角较大；而该波导光栅结构中整体降低的衍射强度可以使衍射结构长度增加，使衍射光束发散角减小。
本发明实施例提供的波导光栅结构，不仅可以通过调整散射体之间的间距调整衍射结构的衍射强度，还可以改变波导与衍射结构之间的覆盖层的厚度，从而改变衍射强度；由此，本发明实施例提供的波导光栅结构增加了一个衍射强度调节维度，使得衍射强度的调节更加简便。
在一实施例中，波导的材料包括：硅、氮化硅、氮氧化硅或磷化铟中的任意一种。覆盖层的材料包括：氧化硅、氮化硅、磷硅玻璃、DPSG或掺锗氧化硅中的任意一种。衍射结构的材料包括：硅、氮化硅、氧化硅或氮氧化硅中的任意一种。由此，可以设置覆盖层和衍射结构及波导选用材料不同，对衍射结构图形化刻蚀加工时覆盖层可以避免波导被刻蚀，减小了图形化的控制难度，从而降低了加工难度。
在一实施例中，散射体的特征尺寸可以在500nm量级，比现有的一般结构特征尺寸要大，容易加工制备。可选地，散射体的结构包括：四棱柱、圆柱体、椭圆柱体或梯形柱的任意一种或多种。波导可以是单层条形波导、多层条形波导、脊形波导或槽波导中的任意一种。
在一实施例中，衍射结构散射体可以选择四棱柱，衍射结构材料选取低折射率的氮化硅材料，覆盖层为二氧化硅材料，波导结构为条形波导，材料为折射率较高的硅材料。选取硅材料能更好的把光约束在波导中，提升光束扫描性能。可选地，该波导光栅结构可以应用于相控阵芯片当中，作为出光部分结构。衍射结构光衍射强度小，衍射结构长度较长，较长的衍射结构使相控阵芯片进行光束扫描的时候，光束发散角更小，光束性能更好。
具体地，可以在相控阵列芯片中设置多个波导光栅结构，光束经多级分束结构以及耦合结构等输入到多个波导光栅结构的波导中；如图4和图5所示，可以设置八个波导光栅结构，光束进入八根波导中传播，经过波导上的衍射结构部分向空间中输出光束。可选地，在衍射结构前，可以在波导结构上设置一组相位控制结构，可控制使八根波导中的光束具有各自的相位，相位控制结构可以利用热光效应等实现。由此，具有一定相位分布的光束经衍射结构向空间输出时便可以实现对应的功能。例如用相控阵芯片实现光束扫描功能时，通过相位控制结构，使波导中光束相位具有梯度分布，相邻波导光束相位差为Δφ1，结合八根波导的间距等结构参数，经衍射结构输出的光束会发生偏转，对应偏转角度为θ1。通过相位控制结构使相邻波导中光束具有相位差Δφ2，则输出光束对应偏转角θ2。因此控制相邻波导光束相位差Δφ，可以使光束对应偏转θ，控制不同相邻波导光束的相位差可以实现输出光束不同角度的偏转，从而实现光束扫描。
本发明实施例还提供一种波导光栅结构的制备方法，如图6所示，该制备方法包括如下步骤：
步骤S101：在基底上沉积波导材料，采用刻蚀工艺形成波导；具体地，可以选择SOI晶圆，直接在晶圆上进行图案化刻蚀，形成波导；也可以选择其他基底，采用化学气相沉积或溅射等工艺沉积波导材料，并图案化刻蚀形成波导。可选地，波导的材料可以选择硅、氮化硅、氮氧化硅或磷化铟中的任意一种，图案化刻蚀后的波导可以是单层条形波导、多层条形波导、脊形波导或槽波导中的任意一种。
步骤S102：在波导上沉积覆盖层材料形成覆盖层；具体地，覆盖层的材料可以选择氧化硅、氮化硅、磷硅玻璃、DPSG或掺锗氧化硅中的任意一种。覆盖层的厚度可以是100nm至800nm。
步骤S103：在覆盖层上沉积衍射结构材料，采用刻蚀工艺形成衍射结构。具体地，在形成覆盖层后，可以在覆盖层上沉积衍射结构的材料，该材料可以是硅、氮化硅、氧化硅或氮氧化硅中的任意一种。可选地，可以选择衍射结构的材料与覆盖层的材料不同，之后在对衍射结构进行图案化刻蚀时，可以避免对覆盖层的刻蚀，从而可以保护波导结构。
本发明实施例提供的波导光栅结构的制备方法，通过制备依次层叠的波导、覆盖层和衍射结构，当波导中传输的光束需要进行扩展时，会先经过覆盖层，再由衍射结构扩展到空间中；由此，设置的覆盖层可以降低衍射结构对光束的敏感度，从而可以使得衍射结构的特征尺寸变大，易于加工，降低了对加工精度的要求。同时，覆盖层的设置还可以在刻蚀制备衍射结构时，避免刻蚀到波导，降低了刻蚀深度控制难度，提高工艺可行性和一致性。此外，还可以通过调整覆盖层的厚度调制衍射结构的衍射强度，有效加长衍射结构的长度，使光束发散角变小。
在一实施例中，在采用刻蚀工艺形成的衍射结构中包括多组衍射单元，每组衍射结构中包括两个散射体。其中，在刻蚀之前，可以先确定衍射结构中每个散射体的位置结构参数，这个位置结构参数可以根据功能需求通过仿真模拟等手段确认；之后可以采用刻蚀工艺完成衍射结构中所有散射体的制备。可选地，散射体的特征尺寸可以在500nm量级，比现有的一般结构特征尺寸要大，容易加工制备。可选地，散射体的结构包括：四棱柱、圆柱体、椭圆柱体或梯形柱的任意一种或多种。可选地，每组衍射单元中设置的两个散射体可以设置在波导的两侧，可以通过调节两个散射体之间的间距使两个散射体覆盖在波导上方的面积发生改变，可调节范围大。
具体地，由于波导中的光束经过每个衍射单元向自由空间传播后，传输到下一衍射单元的光强度减少，因此，为了使波导光栅衍射结构衍射出的光束强度相近，需要使得后面衍射单元的衍射强度依次增加，这样的渐变结构会导致衍射结构中首尾衍射单元特征尺寸差别较大；而本发明实施例提供的波导光栅结构的制备方法在衍射结构的每个衍射单元中制备两个散射体，通过调整两个散射体之间的间距，可以对衍射结构中每个衍射单元的衍射强度进行调整，由此可以降低对衍射单元特征尺寸的要求，从而降低对加工精度的要求。
本发明实施例提供的波导光栅结构的制备方法，通过在波导和衍射结构之间沉积较厚的覆盖层，可以有效减小波导和衍射结构之间的耦合作用，使衍射结构的衍射强度降低，由此，通过波导和衍射结构间的覆盖层的作用，可以让衍射单元的特征尺寸要求降低，同时可以达到低衍射强度的要求。另外，相比现有技术中直接由衍射结构衍射到空间中，衍射强度大，则光束无法经过较长的衍射结构，即衍射结构长度较短，光束发散角较大；而该波导光栅结构中整体降低的衍射强度可以使衍射结构长度增加，使衍射光束发散角减小。
本发明实施例提供的波导光栅结构的制备方法，不仅可以通过调整散射体之间的间距调整衍射结构的衍射强度，还可以改变波导与衍射结构之间的覆盖层的厚度，从而改变衍射强度；由此，本发明实施例提供的波导光栅结构的制备方法制备的波导光栅结构增加了一个衍射强度调节维度，使得衍射强度的调节更加简便。
虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下对这些实施例进行各种变化、替换和修改，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。
此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (10)

1.一种波导光栅结构，其特征在于，包括：
波导；
覆盖层，设置在所述波导的第一表面，与所述波导接触；
衍射结构，设置在所述覆盖层的远离所述波导的表面，与所述覆盖层接触。
2.根据权利要求1所述的波导光栅结构，其特征在于，所述覆盖层的厚度为100nm至800nm。
3.根据权利要求1所述的波导光栅结构，其特征在于，所述衍射结构包括多组衍射单元，每组衍射单元包括两个散射体，不同位置处衍射单元中两个散射体之间的距离相同或不同。
4.根据权利要求3所述的波导光栅结构，其特征在于，所述散射体的结构包括：四棱柱、圆柱体、椭圆柱体或梯形柱中的任意一种或多种。
5.根据权利要求1所述的波导光栅结构，其特征在于，所述波导包括：单层条形波导、多层条形波导、脊形波导或槽波导中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的波导光栅结构，其特征在于，所述波导的材料包括：硅、氮化硅、氮氧化硅或磷化铟中的任意一种。
7.根据权利要求1所述的波导光栅结构，其特征在于，所述覆盖层的材料包括：氧化硅、氮化硅、磷硅玻璃或掺锗氧化硅中的任意一种。
8.根据权利要求1所述的波导光栅结构，其特征在于，所述衍射结构的材料包括：硅、氮化硅、氧化硅或氮氧化硅中的任意一种。
9.一种波导光栅结构的制备方法，其特征在于，包括：
在基底上沉积波导材料，采用刻蚀工艺形成波导；
在波导上沉积覆盖层材料形成覆盖层；
在覆盖层上沉积衍射结构材料，采用刻蚀工艺形成衍射结构。
10.根据权利要求9所述的波导光栅结构的制备方法，其特征在于，采用刻蚀工艺形成衍射结构，包括：采用刻蚀工艺形成包括多组衍射单元的衍射结构，每组衍射结构中包括两个散射体。
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