CN112612078B - 一种基于goi或soi上的高效耦合波导及其制备方法 - Google Patents

一种基于goi或soi上的高效耦合波导及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112612078B
CN112612078B CN202011505635.9A CN202011505635A CN112612078B CN 112612078 B CN112612078 B CN 112612078B CN 202011505635 A CN202011505635 A CN 202011505635A CN 112612078 B CN112612078 B CN 112612078B
Authority
CN
China
Prior art keywords
waveguide
layer
photoresist
goi
sio
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
Application number
CN202011505635.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112612078A (zh
Inventor
乔忠良
赵志斌
李再金
陈浩
刘国军
李林
曲轶
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hainan Normal University
Original Assignee
Hainan Normal University
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hainan Normal University filed Critical Hainan Normal University
Priority to CN202011505635.9A priority Critical patent/CN112612078B/zh
Publication of CN112612078A publication Critical patent/CN112612078A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112612078B publication Critical patent/CN112612078B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

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
    • G02B6/1228—Tapered waveguides, e.g. integrated spot-size transformers
    • 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
    • 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
    • G02B6/12—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
    • G02B2006/12038—Glass (SiO2 based materials)
    • 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
    • G02B2006/12083—Constructional arrangements
    • G02B2006/12085—Integrated
    • 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
    • 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)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于GOI或SOI上的高效耦合波导及其制备方法，包括：衬底、绝缘低折射率介质层、本征单晶硅或单晶锗层、锥形波导和扇形波导；在衬底上依次生长绝缘低折射率介质层、本征单晶硅或单晶锗层；在本征单晶硅或单晶锗层上制备锥形波导；锥形波导上制备扇形波导；锥形波导的厚度为0.1～0.4μm，锥形的发散角为3～12°，锥形波导的长度为50～500μm；扇形波导半径为50～500μm，发散角为6～36°，扇形波导厚度从0至0.8μm渐变。本发明使光源或波导同基于GOI或SOI上的波导耦合效率得到提升，大幅提升了光子集成输入和输出的激光效率和工作亮度。

Description

一种基于GOI或SOI上的高效耦合波导及其制备方法
技术领域
本发明属于半导体光电子技术领域，更具体的说是涉及一种基于GOI或SOI 上的高效耦合波导及其制备方法。
背景技术
基于GOI或SOI上的高效耦合波导适合于军事、工业、娱乐等光电高密度系统集成开发领域。特别是在涉及硅光系统与光源集成的通讯方面，基于GOI 或SOI上的高效耦合波导将大幅改善输入输出光的工作效率和工作性能。基于 GOI或SOI上的高效耦合波导比传统波导耦合效率提高近3倍。未来，基于GOI 或SOI上的高效耦合波导技术将催生新一代光子集成技术、材料科学、光计算技术、光开关技术等关键学科领域的发展。
目前，波导的光耦合技术作为已知的直接耦合技术、微透镜耦合技术、键合耦合技术和材料生长一体化技术都有各自的问题，会导致工艺复杂、效率低、成本高、波长覆盖范围小等一系列问题。基于GOI或SOI上的光集成，最大的问题是波导窄、薄，导致发散角大，耦合难度大、损耗高。目前为止，还没有基于GOI或SOI上的高效耦合波导出现。而其他耦合波导工艺复杂、效率低、成本高、波长覆盖范围小，不利于相关应用及产品的进步与发展。
因此，如何提供一种基于GOI或SOI上的高效耦合波导及其制备方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于GOI或SOI上的高效耦合波导及其制备方法，使光源或波导同基于GOI或SOI上的波导耦合效率得到提升，大幅提升了光子集成输入和输出的激光效率和工作亮度。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于GOI或SOI上的高效耦合波导，包括：衬底、绝缘低折射率介质层、本征单晶硅或单晶锗层、锥形波导和扇形波导；
在所述衬底上依次生长所述绝缘低折射率介质层、所述本征单晶硅或单晶锗层；
在所述本征单晶硅或单晶锗层上制备锥形波导；
在所述锥形波导上制备扇形波导；
锥形波导的厚度为0.1～0.4μm，锥形的发散角为3～12°，锥形波导的长度为50～500μm；
所述扇形波导半径为50～500μm，发散角为6～36°，扇形波导厚度从0至 0.8μm渐变。
优选的，所述衬底采用N型单晶硅或单晶锗衬底，厚度为300～500μm，掺杂浓度为1E18cm-3～5E18cm-3。
优选的，所述绝缘低折射率介质层采用二氧化硅或三氧化二铝绝缘低折射率介质层，厚度为0.1～0.5μm。
优选的，所述本征单晶硅或单晶锗层的厚度为0.1～0.8μm。
优选的，扇形波导的材料为硅或二氧化硅。
优选的，扇形波导处为凸面镜。
一种基于GOI或SOI上的高效耦合波导的制备方法，包括如下步骤：
(1)通过负版正胶的光刻工艺在GOI或SOI外延片的单晶Ge层或单晶Si 层上制备带有光刻胶的波导结构图形；
(2)通过低温磁控溅射或小于150°温度的物理气相沉积的方式在带有光刻胶的波导图形的GOI或SOI外延片沉积100～400nm的SiO2层；
(3)将带有SiO2层的外延片浸 泡在丙酮中5～60分钟，然后反复在丙酮中通过超声超5～30分钟，直至去掉光刻胶及其上的SiO2层为止；
(4)无水乙醇清洗后高纯氮气吹干波导图形表面，再经过95摄氏度1～2 分钟烘烤；
(5)通过单晶Si层或单晶Ge层与SiO2层5/1-20/1的高选择比干法刻蚀，实现对单晶Si层或单晶Ge层100～500nm深度的选择性刻蚀；
(6)通过稀释后的氢氟酸溶液或稀释后的氟化铵溶液对浸 泡带有光刻图形的样品，直至去掉步骤(2)中沉积上的二氧化硅为止，清洗后氮气吹干；
(7)在锥形波导区通过二次光刻形成扇形区，该光刻采用标准正版正胶负用的方法实现；
(8)通过低温磁控溅射方式在带有光刻胶的波导图形上沉积0～0.4μm的 SiO2层或硅层；
(9)将带有SiO2层或硅层的外延片浸 泡在丙酮中5～60分钟，然后反复在丙酮中通过超声5～30分钟，直至去掉光刻胶及其上的SiO2层为止；
(10)通过聚焦离子束延扇形波导的圆弧进行纳米级精度刻蚀，深度0.2～ 1.2μm，最终形成弧形腔面，完成基于GOI或SOI上的高效耦合波导制备。
优选的，步骤(1)中，所述负版为透光区少的光刻板图形，正胶为与被光照射后的光刻胶与显影液发生溶解的正性光刻胶，经光刻后形成锥形波导图案，锥形波导图案是无光刻胶区，其余地方是有光刻胶区。
优选的，步骤(3)和步骤(9)中要完全去掉光刻胶及其上的SiO2层，并且完全保留图形上的SiO2层。
优选的，步骤(5)中单晶Si层或单晶Ge层与SiO2层的干法刻蚀选择比中，单晶Si层被刻蚀速率要远大于SiO2掩蔽层被刻蚀速率，并且保证单晶Si层或单晶Ge层被刻蚀掉。
优选的，步骤(7)中，正版为透光区多的光刻版，正胶为与被光照射后的光刻胶与显影液发生溶解的正性光刻胶，负用为通过光刻工艺，实现正版曝光显影后的负版效果，原本透光区变成非透光区，原本非透光区变成透光区。
优选的，步骤(10)中，采用聚焦离子束延扇形波导的圆弧端进行纳米级精度深刻蚀，刻蚀深度控制在0.2～1.2μm，最终形成弧形腔面。
本发明的有益效果在于：
本发明中的扇形波导和锥形波导结构增加了等效波导厚度和宽度的，实现了光斑大小的无损转换，使得该波导结构与外部光源波导和其他波导能够实现模斑匹配；此外，弧形腔面与扇形波导可以等效为部分微凸透镜效果，使得光在此部分具有汇聚作用，降低了光的发散作用；锥形波导可将来自波导内部的光实现光斑垂直方向上尺寸的增大，同时可以使来之外部光的光场压缩进扇形波导区内，大幅降低了光的传输损耗。总之，整个波导结构使得基于GOI或SOI 上的高密度光集成或光电集成中具有高的光输入输出效率，使得光子集成系统具有较高的光工作特性和较低的光损耗，且本发明制备方法简单易操作，成本低，实现难度小，适用于大规模光电子集成和工业生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的一种基于GOI或SOI上的高效耦合波导的结构示意图；
图2附图为本发明提供的实施例1中的光谱图；
图3附图为本发明提供的实施例2中的光谱图。
其中，图中：
1-衬底；2-绝缘低折射率介质层；3-本征单晶硅或单晶锗层；4-锥形波导； 5-扇形波导。
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。
请参阅附图1，本发明提供了一种基于GOI或SOI上的高效耦合波导，包括：衬底1、绝缘低折射率介质层2、本征单晶硅或单晶锗层3、锥形波导4和扇形波导5；
在衬底1上依次生长绝缘低折射率介质层2、本征单晶硅或单晶锗层3；
在本征单晶硅或单晶锗层3上制备锥形波导4；
在锥形波导4上制备扇形波导5；
锥形波导的厚度为0.1～0.4μm，锥形的发散角为3～12°，锥形波导的长度为50～500μm；
扇形波导半径为50～500μm，发散角为6～36°，扇形波导厚度从0至0.8μm 渐变。
其中，本征单晶硅或单晶锗层为直波导层。
其中，衬底采用N型单晶硅或单晶锗衬底，厚度为300～500μm，掺杂浓度为1E18cm-3～5E18cm-3。
其中，绝缘低折射率介质层采用二氧化硅或三氧化二铝绝缘低折射率介质层，厚度为0.1～0.5μm。
其中，扇形波导处为凸面镜。
其中，本征单晶硅或单晶锗层的厚度为0.1～0.8μm。
其中，扇形波导的材料为硅或二氧化硅。
本发明还提供了一种基于GOI或SOI上的高效耦合波导的制备方法，包括如下步骤：
(1)通过负版正胶的光刻工艺在GOI或SOI外延片的单晶Ge层或单晶Si 层上制备带有光刻胶的波导结构图形；
(2)通过低温磁控溅射或小于150°温度的物理气相沉积的方式在带有光刻胶的波导图形的GOI或SOI外延片沉积100～400nm的SiO2层；
(3)将带有SiO2层的外延片浸 泡在丙酮中5～60分钟，然后反复在丙酮中通过超声超5～30分钟，直至去掉光刻胶及其上的SiO2层为止；
(4)无水乙醇清洗后高纯氮气吹干波导图形表面，再经过95摄氏度1～2 分钟烘烤；
(5)通过单晶Si层或Ge层与SiO2层5/1-20/1的高选择比干法刻蚀，实现对单晶Si层或Ge层100～500nm深度的选择性刻蚀；
(6)通过稀释后的氢氟酸溶液或稀释后的氟化铵溶液对浸 泡带有光刻图形的样品，直至去掉步骤(2)中沉积上的二氧化硅为止，清洗后氮气吹干；
(7)在锥形波导区通过二次光刻形成扇形区，该光刻采用标准正版正胶负用的方法实现；
(8)通过低温磁控溅射方式在带有光刻胶的波导图形上沉积0～0.4μm的 SiO2层或硅层；
(9)将带有SiO2层或硅层的外延片浸 泡在丙酮中5～60分钟，然后反复在丙酮中通过超声5～30分钟，直至去掉光刻胶及其上的SiO2层为止；
(10)通过聚焦离子束延扇形波导的圆弧进行纳米级精度刻蚀，深度0.2～ 1.2μm，最终形成弧形腔面，完成基于GOI或SOI上的高效耦合波导制备。
步骤(1)中，负版为透光区少的光刻板图形，正胶为与被光照射后的光刻胶与显影液发生溶解的正性光刻胶，经光刻后形成锥形波导图案，锥形波导图案是无光刻胶区，其余地方是有光刻胶区。
步骤(2)中，必须低温沉积SiO2层，100～400nm厚的SiO2层沉积在整个外延片全部上表面。
步骤(3)和步骤(9)中，要完全去掉光刻胶及其上的SiO2层，并且完全保留图形上的SiO2层。
步骤(4)中，烘烤温度不宜过高，烘烤时间不宜过长，温度控制在95度，烘烤时间控制在1～2分钟。
步骤(5)中，单晶Si层或单晶Ge层与SiO2层的干法刻蚀选择比中，单晶 Si层被刻蚀速率要远大于SiO2掩蔽层被刻蚀速率，并且保证单晶Si层或单晶Ge层被刻蚀掉。
步骤(6)中，氢氟酸溶液和氟化铵溶液目的是去完全去除作为掩蔽膜的SiO2。
步骤(7)中，正版为透光区多的光刻版，正胶为与被光照射后的光刻胶与显影液发生溶解的正性光刻胶，负用为通过光刻工艺，实现正版曝光显影后的负版效果，原本透光区变成非透光区，原本非透光区变成透光区。
步骤(8)中，在步骤(7)的基础上小于150摄氏度的低温沉积沉积0～0.4 μm的SiO2层或Si层，SiO2层或Si层过厚变得不容易去掉。
步骤(10)中，采用聚焦离子束延扇形波导的圆弧端进行纳米级精度深刻蚀，刻蚀深度控制在0.2～1.2μm，最终形成弧形腔面。
实施例1
本实施例提供了一种基于GOI上的高效耦合波导，包括：
衬底为掺杂浓度2E18cm-3、厚度450μm N型单晶锗衬底，在衬底上表面依次生长的二氧化硅绝缘低折射率介质层、本征单晶锗层；在本征单晶锗层上制备锥形波导；在锥形波导上制备渐变的扇形波导和凸面镜。
二氧化硅绝缘低折射率介质层的厚度为0.1μm，本征单晶锗层的厚度为 0.2μm，单晶锗层上制备锥形波导的厚度为0.3μm，锥形的发散角为6°，锥形波导的长度为500μm，扇形波导半径为500μm，发散角为30°，扇形波导材料为硅，扇形波导厚度可从0至0.8μm渐变，凸面镜为扇形波导的圆弧。
本实施例还提供了一种基于GOI上的高效耦合波导的制备方法，包括以下步骤：
(1)通过负版正胶的光刻工艺在GOI外延片的单晶Ge层上制备带有光刻胶的波导结构图形；
(2)通过低温磁控溅射沉积的方式在带有光刻胶的波导图形的GOI外延片沉积200nm的SiO2层；
(3)将带有SiO2层的外延片浸 泡在丙酮中20分钟，然后反复在丙酮中通过超声5分钟，直至去掉光刻胶及其上的SiO2层为止；
(4)无水乙醇清洗后高纯氮气吹干波导图形表面，再经过95摄氏度2分钟烘烤；
(5)通过单晶Ge层与SiO2层10/1的高选择比干法刻蚀，实现对单晶Ge层200nm深度的选择性刻蚀；
(6)通过稀释后的氢氟酸溶液对浸 泡带有光刻图形的样品，直至去掉步骤 (2)中沉积上的二氧化硅为止，清洗后氮气吹干；
(7)在锥形波导区通过二次光刻形成扇形区，该光刻采用标准正版正胶负用的方法实现；
(8)通过低温磁控溅射方式在带有光刻胶的波导图形上沉积0.2μm的硅层；
(9)将带有SiO2层或硅层的外延片浸 泡在丙酮中20分钟，然后反复在丙酮中通过超声超5分钟，直至去掉光刻胶及其上的SiO2层为止；
(10)通过聚焦离子束延扇形波导的圆弧进行纳米级精度刻蚀，深度0.4μm，最终形成弧形腔面，完成基于GOI上的高效耦合波导制备。
由附图2中可以看出一种基于GOI的高效耦合波导的耦合效率与耦合距离关系曲线。
通过以上结构和技术，实现了外接光源和波导耦合情况下的高效耦合。在耦合距离400nm内可实现大于93％的耦合效率，在耦合距离800nm内可实现大于50％的耦合效率。通过实际测量发现，实现了本发明的既定高效耦合目标。
实施例2
本实施例提供了一种基于SOI上的高效耦合波导，包括：
衬底为掺杂浓度2E18cm-3、厚度450μm N型单晶硅衬底，在衬底上表面依次生长的二氧化硅绝缘低折射率介质层、本征单晶硅层；在本征单晶硅层上制备锥形波导；在锥形波导上制备渐变的扇形波导和凸面镜。
二氧化硅绝缘低折射率介质层的厚度为0.1μm，本征单晶硅层的厚度为 0.2μm，单晶硅层上制备锥形波导的厚度为0.3μm，锥形的发散角为6°，锥形波导的长度为500μm，扇形波导半径为500μm，发散角为30°，扇形波导材料为硅，扇形波导厚度可从0至0.8μm渐变，凸面镜为扇形波导的圆弧。
本实施例还提供了一种基于SOI上的高效耦合波导的制备方法，包括以下步骤：
(1)通过负版正胶的光刻工艺在SOI外延片的单晶Si层上制备带有光刻胶的波导结构图形；
(2)通过低温磁控溅射沉积的方式在带有光刻胶的波导图形的SOI外延片沉积200nm的SiO2层；
(3)将带有SiO2层的外延片浸 泡在丙酮中20分钟，然后反复在丙酮中通过超声5分钟，直至去掉光刻胶及其上的SiO2层为止；
(4)无水乙醇清洗后高纯氮气吹干波导图形表面，再经过95摄氏度2分钟烘烤；
(5)通过单晶Si层与SiO2层10/1的高选择比干法刻蚀，实现对单晶Si 层200nm深度的选择性刻蚀；
(6)通过稀释后的氢氟酸溶液对浸 泡带有光刻图形的样品，直至去掉步骤 (2)中沉积上的二氧化硅为止，清洗后氮气吹干；
(7)在锥形波导区通过二次光刻形成扇形区，该光刻采用标准正版正胶负用的方法实现；
(8)通过低温磁控溅射方式在带有光刻胶的波导图形上沉积0.2μm的硅层；
(9)将带有SiO2层或硅层的外延片浸 泡在丙酮中20分钟，然后反复在丙酮中通过超声超5分钟，直至去掉光刻胶及其上的SiO2层为止；
(10)通过聚焦离子束延扇形波导的圆弧进行纳米级精度刻蚀，深度0.4μm，最终形成弧形腔面，完成基于SOI上的高效耦合波导制备。
由附图3中可以看出一种基于SOI的高效耦合波导的耦合效率与耦合距离关系曲线。
通过以上结构和制备技术，实现了外接光源和波导耦合情况下的高效耦合。在耦合距离400nm内可实现大于90％的耦合效率，在耦合距离700nm内可实现大于50％的耦合效率。通过实际测量发现，实现了本发明的既定高效耦合目标。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于GOI或SOI上的高效耦合波导，其特征在于，包括：衬底、绝缘低折射率介质层、本征单晶硅或单晶锗层、锥形波导和扇形波导；
在所述衬底上依次生长所述绝缘低折射率介质层、所述本征单晶硅或单晶锗层；
在所述本征单晶硅或单晶锗层上制备锥形波导；在所述锥形波导上制备扇形波导；
锥形波导的厚度为0.1～0.4μm，锥形的发散角为3～12°，锥形波导的长度为50～500μm；
所述扇形波导半径为50～500μm，发散角为6～36°，扇形波导厚度从0至0.8μm渐变。
2.根据权利要求1所述的一种基于GOI或SOI上的高效耦合波导，其特征在于，所述衬底采用N型单晶硅或单晶锗衬底，厚度为300～500μm，掺杂浓度为1E18cm-3～5E18cm-3。
3.根据权利要求1所述的一种基于GOI或SOI上的高效耦合波导，其特征在于，所述绝缘低折射率介质层采用二氧化硅或三氧化二铝绝缘低折射率介质层，厚度为0.1～0.5μm。
4.根据权利要求1或3所述的一种基于GOI或SOI上的高效耦合波导，其特征在于，扇形波导处为凸面镜。
5.一种基于GOI或SOI上的高效耦合波导的制备方法，基于权利要求1-4任意一项所述的一种基于GOI或SOI上的高效耦合波导，其特征在于，包括如下步骤：
通过负版正胶的光刻工艺在GOI或SOI外延片的单晶Ge层或单晶Si层上制备带有光刻胶的波导结构图形，经光刻后形成锥形波导区；
通过低温磁控溅射或小于150°温度的物理气相沉积的方式在带有光刻胶的波导图形的GOI或SOI外延片沉积100～400nm的SiO2层；
将带有SiO2层的外延片浸泡在丙酮中5～60分钟，然后反复在丙酮中通过超声超5～30分钟，直至去掉光刻胶及其上的SiO2层为止；
无水乙醇清洗后高纯氮气吹干波导图形表面，再经过95摄氏度1～2分钟烘烤；
通过单晶Si层或单晶Ge层与SiO2层5/1-20/1的高选择比干法刻蚀，实现对单晶Si层或单晶Ge层100～500nm深度的选择性刻蚀；
通过稀释后的氢氟酸溶液或稀释后的氟化铵溶液对浸泡带有光刻图形的样品，直至去掉步骤(2)中沉积上的二氧化硅为止，清洗后氮气吹干；
在锥形波导区通过二次光刻形成扇形区，该光刻采用标准正版正胶负用的方法实现；
通过低温磁控溅射方式在带有光刻胶的波导图形上沉积0～0.4μm的SiO2层或硅层；
将带有SiO2层或硅层的外延片浸泡在丙酮中5～60分钟，然后反复在丙酮中通过超声5～30分钟，直至去掉光刻胶及其上的SiO2层为止；
通过聚焦离子束延扇形波导的圆弧进行纳米级精度刻蚀，深度0.2～1 .2μm，最终形成弧形腔面，完成基于GOI或SOI上的高效耦合波导制备。
6.根据权利要求5所述的一种基于GOI或SOI上的高效耦合波导的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述负版为透光区少的光刻板图形，正胶为与被光照射后的光刻胶与显影液发生溶解的正性光刻胶，经光刻后形成锥形波导图案，锥形波导图案是无光刻胶区，其余地方是有光刻胶区。
7.根据权利要求5所述的一种基于GOI或SOI上的高效耦合波导的制备方法，其特征在于，步骤(3)和步骤(9)中要完全去掉光刻胶及其上的SiO2层，并且完全保留图形上的SiO2层。
8.根据权利要求5所述的一种基于GOI或SOI上的高效耦合波导的制备方法，其特征在于，步骤(5)中单晶Si层或单晶Ge层与单晶SiO2层的干法刻蚀选择比中，单晶Si层被刻蚀速率要远大于SiO2掩蔽层被刻蚀速率，并且保证单晶Si层或单晶Ge层被刻蚀掉。
9.根据权利要求5所述的一种基于GOI或SOI上的高效耦合波导的制备方法，其特征在于，步骤(7)中，正版为透光区多的光刻版，正胶为与被光照射后的光刻胶与显影液发生溶解的正性光刻胶，负用为通过光刻工艺，实现正版曝光显影后的负版效果，原本透光区变成非透光区，原本非透光区变成透光区。
10.根据权利要求5所述的一种基于GOI或SOI上的高效耦合波导的制备方法，其特征在于，步骤(10)中，采用聚焦离子束延扇形波导的圆弧端进行纳米级精度深刻蚀，刻蚀深度控制在0.2～1.2μm，最终形成弧形腔面。
CN202011505635.9A 2020-12-18 2020-12-18 一种基于goi或soi上的高效耦合波导及其制备方法 Active CN112612078B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011505635.9A CN112612078B (zh) 2020-12-18 2020-12-18 一种基于goi或soi上的高效耦合波导及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011505635.9A CN112612078B (zh) 2020-12-18 2020-12-18 一种基于goi或soi上的高效耦合波导及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112612078A CN112612078A (zh) 2021-04-06
CN112612078B true CN112612078B (zh) 2023-02-10

Family

ID=75240574

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011505635.9A Active CN112612078B (zh) 2020-12-18 2020-12-18 一种基于goi或soi上的高效耦合波导及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112612078B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113534337B (zh) * 2021-07-15 2022-08-16 中南大学 一种硅光子芯片光耦合结构加工方法及结构

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1246928A (zh) * 1997-02-07 2000-03-08 布克哈姆技术有限公司 楔状肋形波导

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030044118A1 (en) * 2000-10-20 2003-03-06 Phosistor Technologies, Inc. Integrated planar composite coupling structures for bi-directional light beam transformation between a small mode size waveguide and a large mode size waveguide
JP2003114346A (ja) * 2001-10-04 2003-04-18 Fuji Xerox Lightwave Technologies Co Ltd 光導波路素子の製造方法
US7218812B2 (en) * 2003-10-27 2007-05-15 Rpo Pty Limited Planar waveguide with patterned cladding and method for producing the same
CN1713472A (zh) * 2004-06-25 2005-12-28 中国科学院半导体研究所 准量子阱有源区、薄层波导半导体光放大器集成模斑转换器
GB0619366D0 (en) * 2006-10-02 2006-11-08 Cambridge Flat Projection Distortionless wedge projection
US8000565B2 (en) * 2008-12-31 2011-08-16 Intel Corporation Buried dual taper waveguide for passive alignment and photonic integration
WO2012042708A1 (ja) * 2010-09-28 2012-04-05 日本電気株式会社 光導波路構造及び光導波路デバイス
JP6034616B2 (ja) * 2011-09-09 2016-11-30 キヤノン株式会社 導波路及びその製造方法、ならびに電磁波分析装置
CN103048733B (zh) * 2011-10-14 2017-05-24 上海圭光科技有限公司 一种锥形多层脊波导结构及其制作方法
CN107748411A (zh) * 2017-09-29 2018-03-02 长春理工大学 一种在传统sld倾斜脊形波导基础上的单侧模斑转换器结构
CN109579816B (zh) * 2018-12-12 2020-06-19 天津津航技术物理研究所 混合集成光纤陀螺光学芯片
CN111064075B (zh) * 2019-12-26 2021-06-15 海南师范大学 一种深紫外垂直腔半导体激光器外延结构及制备方法
US20200393619A1 (en) * 2020-08-27 2020-12-17 Intel Corporation Multi-layer silicon photonics apparatus

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1246928A (zh) * 1997-02-07 2000-03-08 布克哈姆技术有限公司 楔状肋形波导

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于双层双向锥形结构的光波导模斑转换器研究;薛明等;《全国第十三次光纤通信暨第十四届集成光学学术会议论文集》;20080901;正文第500-504页，附图1-5 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN112612078A (zh) 2021-04-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111965761B (zh) 基于铌酸锂薄膜材料的光栅耦合器及其制造方法
US10483415B2 (en) Methods to introduce sub-micrometer, symmetry-breaking surface corrugation to silicon substrates to increase light trapping
CN111129920B (zh) 基于掺铒铌酸锂薄膜的分布布拉格反射激光器的制备方法
CN113933941B (zh) 一种基于二元闪耀亚波长光栅的、垂直耦合的光栅耦合器及制备方法
CN1967298A (zh) 一种基于soi的光子晶体分束器及制法
CN112612078B (zh) 一种基于goi或soi上的高效耦合波导及其制备方法
CN113933931A (zh) 一种基于二氧化钒纳米线的环形腔光调制器
CN114578487A (zh) 集成有底部反射层的、垂直耦合的二元闪耀亚波长光栅耦合器及制备方法
CN113296189B (zh) 一种基于定向耦合结构的硅基光波导滤模器及其制备方法
CN110764185A (zh) 一种低损耗铌酸锂薄膜光波导的制备方法
WO2024104022A1 (zh) 具有包芯电光材料层的波导结构、制备方法及应用
CN111239900B (zh) 基于晶圆键合形成SiO2波导实现模斑转换的方法及模斑转换器
WO2023169418A1 (zh) 一种基于耦合拓扑波导的光学拓扑双工器
CN111965756A (zh) 一种基于硫化物-硅基光栅耦合器及其制备方法
CN111834473A (zh) 一种基于lnoi光子平台的硅光探测器及其制备方法
CN113031151B (zh) 一种硫系狭缝光波导结构及其制备方法
CN114400504A (zh) 一种低损耗氮化硅波导的制备方法
CN109683354B (zh) 一种中红外波段调制器及其制备方法
CN112269223B (zh) 一种硅基楔形波导微环腔及其制备方法
CN1300857C (zh) 一种微光学透镜的制造方法
CN117741860A (zh) 选择性外延硅基脊型光波导及制作方法
CN114995010A (zh) 一种基于相变材料的硅基三维波导模式光开关
CN117008252A (zh) 一种基于应力调控的片上双碳化硅色心hom干涉装置
CN111708188A (zh) 一种钽酸锂薄膜波导声光调制器
WO2023035740A1 (zh) 激光器及其制作方法、激光设备

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
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant