CN112630886A - 端面耦合器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种端面耦合器及其制造方法。该方法包括：提供绝缘体上半导体衬底，所述绝缘体上半导体衬底包括第一衬底、第一衬底上的绝缘层以及绝缘层上的半导体层；对半导体层进行图案化以形成第一波导；在绝缘层上形成第一介质层；在第一介质层和第一波导上形成第二介质层；在第二介质层上形成第二波导；形成覆盖第二波导的第三介质层；在第三介质层远离第二波导的一侧，将第三介质层键合至载体衬底；去除第一衬底；以及在绝缘层的表面上形成第四介质层。

Description

端面耦合器及其制造方法
技术领域
本公开涉及半导体技术领域，特别是涉及一种端面耦合器及其制造方法。
背景技术
硅光集成技术被广泛应用于大容量通信、光信号处理、航电系统等重要领域。目前，抑制硅光子芯片广泛应用的关键问题之一是光纤与硅光子芯片的耦合。
在一些情况下，硅光子芯片中的光波导的模斑尺寸与光纤的模斑尺寸相差较大，因模斑失配产生的硅光子-光纤耦合损耗高。因此，一般可以通过耦合器来实现光纤与芯片中光波导之间的耦合问题。
相关技术中的耦合器存在耦合效率低等问题。为了提高耦合效率，有些耦合器的关键部位处于悬空状态，这导致其结构的可靠性不高，在晶圆划片和芯片封装过程中容易折断，使得成本增高、抑制了产量。此外，有些耦合器的结构复杂，需要对于多层材料的生长以及彼此之间的距离进行精准控制，导致对工艺的要求高，成本增大。
发明内容
提供一种缓解、减轻或者甚至消除上述问题中的一个或多个的机制将是有利的。
根据本公开的一些实施例，提供了一种端面耦合器的制造方法，包括：提供绝缘体上半导体衬底，该绝缘体上半导体衬底包括第一衬底、第一衬底上的绝缘层以及绝缘层上的半导体层；对半导体层进行图案化以形成第一波导；在绝缘层上形成第一介质层；在第一介质层和第一波导上形成第二介质层；在第二介质层上形成第二波导；形成覆盖第二波导的第三介质层；在第三介质层远离第二波导的一侧，将第三介质层键合至载体衬底；去除第一衬底；以及在绝缘层的表面上形成第四介质层。
根据本公开的一些实施例，还提供了一种端面耦合器，包括：第一波导；与第一波导邻接的第一介质层；位于第一波导和第一介质层上的第二介质层；位于第二介质层上的第二波导；覆盖第二波导的第三介质层；位于第三介质层上的载体衬底；位于第一波导和第一介质层之下的绝缘层；以及位于绝缘层之下的第四介质层。
根据在下文中所描述的实施例，本公开的这些和其它方面将是清楚明白的，并且将参考在下文中所描述的实施例而被阐明。
附图说明
在下面结合附图对于示例性实施例的描述中，本公开的更多细节、特征和优点被公开，在附图中：
图1是根据本公开示例性实施例的端面耦合器的制造方法的流程图；
图2A至2K是根据本公开示例性实施例的在端面耦合器的制造方法的各个步骤中所形成的端面耦合器的示例结构的剖面示意图；
图3A至3C是根据本公开示例性实施例的第二波导的结构示意图；以及
图4是根据本公开示例性实施例的端面耦合器的部分结构的示意图。
具体实施方式
将理解的是，尽管术语第一、第二、第三等等在本文中可以用来描述各种元件、部件、区、层和/或部分，但是这些元件、部件、区、层和/或部分不应当由这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分相区分。因此，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可以被称为第二元件、部件、区、层或部分而不偏离本公开的教导。
诸如“在…下面”、“在…之下”、“较下”、“在…下方”、“在…之上”、“较上”等等之类的空间相对术语在本文中可以为了便于描述而用来描述如图中所图示的一个元件或特征与另一个(些)元件或特征的关系。将理解的是，这些空间相对术语意图涵盖除了图中描绘的取向之外在使用或操作中的器件的不同取向。例如，如果翻转图中的器件，那么被描述为“在其他元件或特征之下”或“在其他元件或特征下面”或“在其他元件或特征下方”的元件将取向为“在其他元件或特征之上”。因此，示例性术语“在…之下”和“在…下方”可以涵盖在…之上和在…之下的取向两者。诸如“在…之前”或“在…前”和“在…之后”或“接着是”之类的术语可以类似地例如用来指示光穿过元件所依的次序。器件可以取向为其他方式(旋转90度或以其他取向)并且相应地解释本文中使用的空间相对描述符。另外，还将理解的是，当层被称为“在两个层之间”时，其可以是在该两个层之间的唯一的层，或者也可以存在一个或多个中间层。
本文中使用的术语仅出于描述特定实施例的目的并且不意图限制本公开。如本文中使用的，单数形式“一个”、“一”和“该”意图也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。将进一步理解的是，术语“包括”和/或“包含”当在本说明书中使用时指定所述及特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。如本文中使用的，术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或多个的任意和全部组合，并且短语“A和B中的至少一个”是指仅A、仅B、或A和B两者。
将理解的是，当元件或层被称为“在另一个元件或层上”、“连接到另一个元件或层”、“耦合到另一个元件或层”或“邻近另一个元件或层”时，其可以直接在另一个元件或层上、直接连接到另一个元件或层、直接耦合到另一个元件或层或者直接邻近另一个元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接在另一个元件或层上”、“直接连接到另一个元件或层”、“直接耦合到另一个元件或层”、“直接邻近另一个元件或层”时，没有中间元件或层存在。然而，在任何情况下“在…上”或“直接在…上”都不应当被解释为要求一个层完全覆盖下面的层。
本文中参考本公开的理想化实施例的示意性图示(以及中间结构)描述本公开的实施例。正因为如此，应预期例如作为制造技术和/或公差的结果而对于图示形状的变化。因此，本公开的实施例不应当被解释为限于本文中图示的区的特定形状，而应包括例如由于制造导致的形状偏差。因此，图中图示的区本质上是示意性的，并且其形状不意图图示器件的区的实际形状并且不意图限制本公开的范围。
除非另有定义，本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员所通常理解的相同含义。将进一步理解的是，诸如那些在通常使用的字典中定义的之类的术语应当被解释为具有与其在相关领域和/或本说明书上下文中的含义相一致的含义，并且将不在理想化或过于正式的意义上进行解释，除非本文中明确地如此定义。
如本文使用的，术语“衬底”可以表示经切割的晶圆的衬底，或者可以指示未经切割的晶圆的衬底。类似地，术语芯片和裸片可以互换使用，除非这种互换会引起冲突。应当理解，术语“薄膜”包括层，除非另有说明，否则不应当解释为指示垂直或水平厚度。需要说明的是，图中所示水听器的各材料层的厚度仅仅只是示意，并不代表实际厚度。
可以通过耦合器在光纤和芯片之间来实现光耦合。在实际应用中，可以通过表面耦合器或端面耦合器来实现前述光耦合。例如，表面耦合器采用的方案是基于衍射光栅，其主要利用光栅结构将光以衍射的形式耦合到光波导中。然而传统的光栅耦合器长度多在数百微米，这种长度虽然会使得光栅的泄露因子非常小，但是却限制了光栅耦合器的带宽。为了改善表面耦合器的缺陷，有时会考虑使用端面耦合器。然而，目前的端面耦合器关键部位常常处于悬空状态，需要通过梁来支撑耦合器的核心部分，因此其结构可靠性不高，在晶圆划片和芯片封装过程中容易折断，使得成本增高、抑制了产量。此外，有些端面耦合器的结构复杂，需要对于多层材料的生长以及彼此之间的距离进行精准控制，导致对工艺的要求高，成本增大。
本公开的实施例提供了一种端面耦合器的制造方法以及端面耦合器。通过根据本公开实施例的方法来制造端面耦合器有助于提高耦合效率、提高可靠性、减小器件尺寸并且降低工艺成本。
图1是根据本公开示例性实施例的端面耦合器的制造方法100的流程图，并且图2A至2K是通过方法100的各个步骤形成的示例结构的示意图。下面参照图1和图2A至2K描述方法100。
在步骤110，提供绝缘体上半导体衬底210。如图2A所示，绝缘体上半导体衬底210包括第一衬底212、第一衬底212上的绝缘层214以及绝缘层214上的半导体层216。
在一些实施例中，绝缘体上半导体衬底210可以是绝缘体上硅(silicon-on-insulator,SOI)衬底。SOI衬底商业上可容易获得，并且对于集成光子器件具有良好的特性。在这样的实施例中，第一衬底212可以由任何适当的材料(例如，硅或锗)制成。绝缘层214可以是氧化物材料、热氧化物材料、氮化物材料等。例如，该绝缘层214可以为二氧化硅。在示例中，绝缘层214可以具有约1μm至5μm的厚度。半导体层216可以被称为半导体器件层，其中形成各种半导体组件。在一些实施例中，半导体层216可以由硅制成，但是本公开不限于此。在示例中，半导体层216可以具有约200nm至250nm的厚度。
在一些实施例中，如图2A所示，除绝缘体上半导体衬底210的结构之外，还示出了附加的可选特征——阻挡层218。该阻挡层218可以在步骤110之后的可选步骤中被形成。例如，根据一些实施例，在提供绝缘体上半导体衬底210之后，可以在半导体层216上形成阻挡层218。根据一些实施例，形成阻挡层218的材料可以为氮化钛或多晶硅。但是应当理解，其他材料的阻挡层218也是可能的。
在步骤120，对半导体层216进行图案化以形成第一波导220，如图2B所示。
在一些示例中，可以通过光刻和刻蚀等工艺对半导体层216进行图案化。例如，在在绝缘体上半导体衬底210为标准的SOI衬底的实施例中，通过例如甩胶、曝光、显影、烘烤等步骤，在绝缘体上半导体衬底210上形成用于第一波导的光刻胶图案。之后，以光刻胶为掩膜，通过刻蚀工艺对半导体层216进行刻蚀，以形成第一波导220。随后，进行去胶和清洗。刻蚀工艺例如可以为湿法刻蚀或干法刻蚀。取决于在刻蚀液中沿不同晶向的刻蚀速率，湿法刻蚀可以分为各向同性刻蚀和各向异性刻蚀。干法刻蚀采用物理方法(例如，溅射、离子刻蚀)或化学方法(例如，反应离子刻蚀)。
应当理解，以上描述的对半导体层进行图案化以形成第一波导的方式仅仅是示例，但本公开并不限制于此。根据具体的应用和/或需求，可以选择能够使半导体层图案化的任何适当的工艺。
如上所述，根据一些实施例，在提供绝缘体上半导体衬底210之后，可以在半导体层216上形成阻挡层218。即，可以在对半导体层216进行图案化之前，在半导体层216上形成阻挡层218。
图2B示出了所形成的阻挡层218。如图2B所示，在形成了阻挡层218的实施例中，对半导体层216进行图案化以形成第一波导220可以包括：对阻挡层218和半导体层216进行图案化，以形成第一波导220。
根据一些实施例，第一波导220可以由选自以下各项构成的组中的材料形成：硅、氮氧化硅、氮化硅、铌酸锂、聚合物和磷化铟(InP)。由上述材料形成的第一波导能够与已有的半导体工艺、比如CMOS工艺相兼容，有助于降低工艺成本。
在步骤130，在绝缘层214上形成第一介质层223，如图2C所示。
如上所述，根据一些实施例，可以在对半导体层216进行图案化之前，在半导体层216上形成阻挡层218。在形成了阻挡层218的实施例中，如图2C和2D所示，在绝缘层214上形成第一介质层223，包括：形成覆盖阻挡层218和绝缘层214的第一介质材料层222；以及对第一介质材料层222进行平坦化，直到阻挡层218被全部去除，从而形成第一介质层223。第一介质层223的远离第一衬底212的表面与第一波导220的远离第一衬底212的表面基本上齐平。图2D示出了形成覆盖阻挡层218和绝缘层214的第一介质材料层222后的示意图。应当理解，虽然图2D中示出的第一介质材料层222表面为平整界面，但是可以理解，在实际的制造过程中，由于其制造工艺的影响，其表面可能并非为平整的。因此，有可能需要对第一介质材料层222进行平坦化以获得基本上光滑平整的表面。
第一介质层223的远离第一衬底212的表面与第一波导220的远离第一衬底212的表面基本上齐平。例如，参考图2D所示的取向，即，第一介质层223的上表面与第一波导220的上表面基本上齐平。
在本公开中，术语“基本上齐平”涵盖“齐平”和由于制造工艺引起的误差而所致的相对于“齐平”的偏离。应当理解，考虑到受其制造工艺的影响，第一介质层和第一波导的表面在其精度允许范围内的上下浮动都是可能的，但其基本上均为光滑的平面。
根据一些实施例，可以通过沉积来形成第一介质材料层222，并且通过化学机械抛光对第一介质材料层222进行平坦化，直到阻挡层218被全部去除，从而得到光滑的表面。
在上述包含阻挡层218的实施例中，阻挡层218可以保护第一波导220在平坦化工艺中不被损坏，并且能够充当平坦化工艺的停止层，即，阻挡层218被全部去除后即可停止平坦化工艺。由此，能够确保第一介质层223的上表面的光滑度，并且能够保护第一波导220在平坦化工艺中不被损坏。
根据一些实施例，第一介质层223可以由选自以下各项构成的组中的材料形成：氧化物、氮氧化物和聚合物。例如，第一介质层223可以由光环氧树脂形成。根据另一示例，第一介质层可由二氧化硅形成。
在步骤140，在第一介质层223和第一波导220上形成第二介质层224，如图2E所示。
在一些示例中，可以通过沉积在第一介质层223和第一波导220上形成第二介质层224。
根据一些实施例，第二介质层224可以由选自以下各项构成的组中的材料形成：氧化物、热氧化物和氮化物。例如，第二介质层224的材料可以为二氧化硅。但是应当理解，形成第二介质层的其它材料也是可能的，在此不作限制。
第二介质层224例如可以用作第一波导220与第二波导(稍后描述)之间的间隔层。根据一些实施例，第二介质层的厚度可以至少基于第一波导的材料、第二波导的材料、第二介质层的材料和预期的耦合效率来确定。例如，为了实现第一波导与第二波导之间进行倏逝场耦合所需的耦合效率，可以在选定了第二介质层的材料以及第一波导与第二波导的材料与结构之后，通过时域有限差分法(FDTD)计算出满足所需的耦合效率(例如，最佳耦合效率)时的第二介质层的厚度。
如上所述，在形成第一介质层223之后，在第一介质层223和第一波导220上形成第二介质层224。即，第一介质层223和第二介质层224是分别形成的。与其中通过同一材料一体地形成一个介质层以覆盖第一波导的情况相比，分别形成两层介质层有助于得到处于理想范围内的第二介质层224的厚度，从而满足预期的设计要求，提高耦合效率。此外，由于可以分别选择形成第一介质层的材料以及形成第二介质层的材料，能够实现灵活的设计，这有助于满足不同应用的需求。
在步骤150，在第二介质层224上形成第二波导228，如图2G所示。
根据一些实施例，在第二介质层224上形成第二波导228，包括：在第二介质层224上形成第二波导材料层226；以及对所述第二波导材料层226进行图案化，以形成第二波导228，如图2F和2G所示。
根据一些实施例，第二波导228可以由氮化硅或氮氧化硅形成。由氮化硅或氮氧化硅形成的第二波导能够与已有的半导体工艺、比如CMOS工艺兼容。此外，由氮化硅或氮氧化硅形成的第二波导对光刻机的精度要求有所降低，因此，能够进一步降低工艺成本。
根据一些示例，可以通过LPCVD(低压化学气相沉积)或者PECVD(等离子体增强化学气相沉积)在第二介质层224上形成第二波导材料层226。之后，在所形成的第二波导材料层226上，通过甩胶、曝光、显影、烘烤等步骤形成用于第二波导228的光刻胶图案。随后，以光刻胶为掩膜，对第二波导材料层226进行刻蚀从而使第二波导材料层226图案化，以形成第二波导228。随后进行去胶、清洗。
应当理解，以上描述的形成第二波导的方式仅仅是示例性的，但本公开并不限制于此。根据具体的应用和/或需求，可以选择能够形成第二波导228的任何适当的工艺。
在步骤160，形成覆盖第二波导228的第三介质层234，如图2H所示。
第三介质层234例如可以用作端面耦合器的上包覆层。根据一些实施例，第三介质层234可以由选自以下各项构成的组中的材料形成：氧化物、热氧化物和氮化物。例如，第三介质层234可以采用二氧化硅材料形成。
根据一些示例性实施例，形成第三介质层234的材料可以与形成第一介质层223的材料相同。可选地，在形成第三介质层234之后，可以利用比如化学机械抛光的平坦化工艺，使第三介质层234的表面平坦化。
在步骤170，在第三介质层234远离第二波导228的一侧，将第三介质层234键合至载体衬底236，如图2I所示。
在一些示例中，载体衬底236可以由任何适当的材料制成，包括但不限于硅、锗、玻璃或陶瓷等，在此不作限制。
图2I示出了将载体衬底236与第三介质层234的上表面进行键合后的示意图。如稍后所描述的，载体衬底236可以在后续去除第一衬底的过程中提供支撑，从而避免对已经形成的波导结构等造成损害。
在步骤180，去除第一衬底212，如图2J所示。
在一些示例中，可以使用任何合适的技术去除第一衬底212，包括但不限于磨削、研磨、化学机械抛光(CMP)、干式抛光(dry polishing)、电化学腐蚀(electrochemicaletching)、湿法腐蚀(wet etching)、等离子辅助化学腐蚀(PACE)、常压等离子腐蚀(atmospheric downstream plasma etching，ADPE)等。通过去除第一衬底212，可以得到更小尺寸的端面耦合器，并且有助于改善电气性能和散热性能。
在一些实施例中，可以将图2I所示的结构进行翻转，然后去除第一衬底212。
在步骤190，在绝缘层214的表面上形成第四介质层238，如图2K所示。
根据一些实施例，第四介质层238由选自以下各项构成的组中的材料形成：氧化物、热氧化物和氮化物。但是应当理解，形成第四介质层238的其它材料也是可能的，在此不作限制。
根据一些实施例，形成第四介质层238的材料可以选择为与形成绝缘层214的材料的折射率相同或相近。可选地，在形成第四介质层238之后，可以利用比如化学机械抛光的平坦化工艺，使第四介质层238的表面平坦化。第四介质层238例如可以用作端面耦合器的下包覆层。
已经描述了端面耦合器的制造方法的实施例，结果得到的端面耦合器的结构将是清楚明白的。在下文中，为了完备性起见，结合图2K来描述端面耦合器的示例性实施例。端面耦合器实施例能够提供与方法实施例相同或相应的优点，关于这些优点的详细描述为了简洁性起见被省略。
根据一些实施例，如图2K所示，端面耦合器可以包括：第一波导220；与第一波导220邻接的第一介质层223；位于第一波导220和第一介质层223上的第二介质层224；位于第二介质层224上的第二波导228；覆盖第二波导228的第三介质层234；位于第三介质层234上的载体衬底236；位于第一波导220和第一介质层223之下的绝缘层214；以及位于绝缘层214之下的第四介质层238。
下面将结合图3，对根据本公开示例性实施例的第二波导228的示意性结构进行说明。图3A-3C是根据本公开示例性实施例的第二波导228的示例结构的示意图。
如图3A-3C所示，根据一些实施例，第二波导228包括转换波导232和传输波导230。转换波导232用于将从光纤310接收的光进行模斑转换，并且将经模斑转换的光传输至传输波导230；传输波导230的至少一部分在竖直方向上与第一波导的至少一部分对准，从而将在传输波导230中传输的光耦合至第一波导中。
根据一些实施例，转换波导232的至少一部分在与靠近光纤310的方向垂直的方向上尺寸逐渐减小。
根据一些实施例，转换波导232为线性锥形波导、非线性锥形波导或亚波长光栅。但是应当理解，其它结构的转换波导也是可能的，在此不作限制。
图3A示出了转换波导232为非线性锥形波导的示例。非线性锥形波导232在与靠近光纤310的方向垂直的方向(例如Y方向)上尺寸逐渐减小。示例地，非线性锥形波导232上下两条边可以为类抛物线或双曲线形状。但是应当理解，其他形状的非线性锥形波导也是可能的，在此不作限制。
图3B示出了转换波导232为线性锥形波导的示例。线性锥形波导232在与靠近光纤310的方向垂直的方向(例如Y方向)上尺寸逐渐减小。
图3C示出了转换波导232为亚波长光栅的示例。亚波长光栅可以包括第一光栅部分301和第二光栅部分302。第一光栅部分301可以包括以第一光栅周期(又称，光栅常数)Λ1排布的多个第一光栅结构单元3011，多个第一光栅结构单元3011在靠近光纤310的方向(例如，X方向)上以及与靠近光纤310的方向垂直的方向(例如Y方向)上尺寸逐渐减小。第二光栅部分302可以包括以第二光栅周期Λ2排布的多个第二光栅结构单元3021以及连接至多个第二光栅结构单元3021的锥形单元3023。多个第二光栅结构单元3021的尺寸相同，并且锥形单元3023在与靠近光纤310的方向垂直的方向(例如，Y方向)上尺寸逐渐减小。例如，锥形单元3023的尖端朝向光纤。
根据本公开的实施例，第二波导所包括的亚波长光栅结构与传统锥形结构的波导相比，能够提高对准容差，并且降低端面耦合器的制造难度以及减小端面耦合器的尺寸。
通过改变光栅结构单元的尺寸和相应的占空比(光栅结构单元与光栅周期的比例)，能够调整亚波长光栅的等效折射率，从而使光信号在沿着亚波长光栅传输的过程中，能够由初始的大模场模斑逐渐转换为能够由传输波导230束缚的小模场模斑，从而实现光从光纤310至传输波导230的模斑转换。
在一些实施例中，如图3C所示，多个第一光栅结构单元3011中最靠近光纤310的第一光栅结构单元的几何尺寸可以基于光纤310的模斑直径来确定。
为了更好地实现亚波长光栅与光纤310之间的模斑匹配，可以基于光纤310输出的光的模斑的直径来设置多个第一光栅结构单元3011中最靠近光纤310的第一光栅结构单元的几何尺寸，从而提升亚波长光栅与光纤310的匹配度。例如，可以通过本征模模拟的方法，计算出多个第一光栅结构单元3011中最靠近光纤310的第一光栅结构单元(即，亚波长光栅232的尖端)与光纤310实现最大模斑匹配时的参数，并基于此确定多个第一光栅结构单元3011中最靠近光纤310的第一光栅结构单元的几何尺寸。
在一些实施例中，亚波长光栅的尖端距离其同侧的端面耦合器端面有一定的距离，这个距离是为了保证在深刻蚀工艺以连接光纤时，亚波长光栅的尖端的高光学质量和高的耦合效率。
在一些实施例中，多个第一光栅结构单元3011中最靠近光纤310的第一光栅结构单元的端面为正方形。将多个第一光栅结构单元3011中最靠近光纤310的第一光栅结构单元的端面设置为正方形，能够使亚波长光栅与例如标准单模光纤的光纤的端面实现更好地匹配，从而光纤中的光实现低偏振损耗传输。
但是可以理解，最靠近光纤310的第一光栅结构单元的端面为其他形状(例如长方形)也是可能的，在此不作限制。
在一些实施例中，第一光栅部分301的占空比可以在靠近光纤310的方向(例如X方向)上发生变化。
例如，如图3C所示，假设第一光栅部分301的第一光栅周期(又称，光栅常数)为Λ1。第一光栅结构单元3011如图3C中的黑色部分所示。第一光栅部分301的占空比(第一光栅结构单元3011与第一光栅周期Λ1的比例)沿着X方向发生了变化。示例性地，随着逐渐靠近光纤310，第一光栅部分301的占空比可以越来越小。通过这样的设置，能够使亚波长光栅的等效折射率在远离光纤310的方向上越来越高，从而有助于将大模场模斑转换为小模场模斑。示例性地，亚波长光栅的等效折射率的变化可以是线性变化的或者是非线性变化的。
亚波长光栅的模斑转换效率与光纤的模场大小、亚波长光栅的材料以及结构相关。可以在选定光纤规格和亚波长光栅的材料后，通过时域有限差分法(FDTD)计算出满足耦合效率需求(例如，满足最佳耦合效率)时的亚波长光栅的结构参数，比如光栅结构单元的尺寸和相应的占空比。
在一些实施例中，第二光栅部分302的占空比可以保持不变。
在一些实施例中，第一光栅周期可以等于第二光栅周期。例如，图3C中将第一光栅周期示出为Λ1，将第二光栅周期示出为Λ2。第一光栅周期Λ1可以与第二光栅周期Λ2相同。在另一些实施例中，第一光栅周期Λ1也可以与第二光栅周期Λ2不相同。通过灵活设置第一光栅周期与第二光栅周期之间的关系，可以实现对传输光的模斑的灵活控制。
光纤中的光经过亚波长光栅的传播进入传输波导，并经过传输波导的至少一部分进入第一波导。以下将结合图4说明光在传输波导和第一波导之间的传输过程。图4是根据本公开示例性实施例的端面耦合器的部分结构的示意图。
在一些实施例中，如图4所示，端面耦合器中第二波导的传输波导230的至少一部分包括锥形结构2301，并且第一波导220的至少一部分包括锥形结构2201。传输波导230的锥形结构2301在远离光纤的方向上渐缩，并且第一波导220的锥形结构2201在靠近光纤的方向上渐缩。图4还示出了端面耦合器的第四介质层238、绝缘层214、第一介质层223、第二介质层224、第三介质层234以及载体衬底236。
传输波导230的锥形结构2301和第一波导220的锥形结构2201能够构成垂直耦合结构，该垂直耦合结构可以将传输波导230中的光信号高效地耦合进第一波导220中。
在一些实施例中，传输波导的锥形结构和第一波导的锥形结构可以为线性渐变的锥形结构、双曲线锥形结构或类抛物线锥形结构。
如图4所示，通过逐渐减小传输波导230的锥形结构2301的宽度，传输波导230中所传输的光信号模斑会逐渐变大，从而能够通过倏逝场的模式与第一波导220的锥形结构2201发生耦合。耦合进入锥形结构2201中的光由于锥形结构2201的宽度的变化而逐渐转换为能够被第一波导220束缚的模式，从而最终实现光纤至第一波导220的高效光耦合。
示例性地，如图4的下半部分所示，传输波导230的锥形结构2301和第一波导220的锥形结构2201可以在X-Y平面上对齐。例如，在X方向上，两个锥形结构的长度相同，在Y方向上，两个锥形结构重叠设置。
根据本公开的示例性实施例，还提供了一种端面耦合器，该端面耦合器可以通过上述方法制造。
在一些实施例中，通过根据本公开示例性实施例的制造方法所形成的端面耦合器的工作波段可以为O波段、S波段、C波段或L波段。
在一些实施例中，端面耦合器的总长度可以基于端面耦合器与光纤之间的耦合效率来确定。例如，可以通过时域有限差分法(FDTD)，计算出满足所需耦合效率(例如，最大耦合效率)时的端面耦合器的总长度。
根据本公开示例性实施例的方法制造的端面耦合器的偏振模式可以配置为支持以下各项构成的组中的一种：TE模；TM模；以及TE模与TM模两者。由此，能够使得端面耦合器适用于多种模式，增大耦合器的适用范围。
虽然在附图和和前面的描述中已经详细地说明和描述了本公开，但是这样的说明和描述应当被认为是说明性的和示意性的，而非限制性的；本公开不限于所公开的实施例。通过研究附图、公开内容和所附的权利要求书，本领域技术人员在实践所要求保护的主题时，能够理解和实现对于所公开的实施例的变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除未列出的其他元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个，并且术语“多个”是指两个或两个以上。在相互不同的从属权利要求中记载了某些措施的仅有事实并不表明这些措施的组合不能用来获益。
方面1.一种端面耦合器的制造方法，包括：
提供绝缘体上半导体衬底，所述绝缘体上半导体衬底包括第一衬底、所述第一衬底上的绝缘层以及所述绝缘层上的半导体层；
对所述半导体层进行图案化以形成第一波导；
在所述绝缘层上形成第一介质层；
在所述第一介质层和所述第一波导上形成第二介质层；
在所述第二介质层上形成第二波导；
形成覆盖所述第二波导的第三介质层；
在所述第三介质层远离所述第二波导的一侧，将所述第三介质层键合至载体衬底；
去除所述第一衬底；以及
在所述绝缘层的表面上形成第四介质层。
方面2.如方面1所述的方法，还包括：在对所述半导体层进行图案化之前，在所述半导体层上形成阻挡层，
其中，对所述半导体层进行图案化以形成第一波导，包括：
对所述阻挡层和所述半导体层进行图案化，以形成所述第一波导。
方面3.如方面2所述的方法，其中，在所述绝缘层上形成第一介质层，包括：
形成覆盖所述阻挡层和所述绝缘层的第一介质材料层；以及
对所述第一介质材料层进行平坦化，直到所述阻挡层被全部去除，从而形成所述第一介质层，
其中，所述第一介质层的远离所述第一衬底的表面与所述第一波导的远离所述第一衬底的表面基本上齐平。
方面4.如方面1所述的方法，其中，在所述第二介质层上形成第二波导，包括：
在所述第二介质层上形成第二波导材料层；以及
对所述第二波导材料层进行图案化，以形成所述第二波导。
方面5.如方面1所述的方法，其中，所述第一波导由选自以下各项构成的组中的材料形成：硅、氮氧化硅、氮化硅、铌酸锂、聚合物和磷化铟。
方面6.如方面1所述的方法，其中，所述第二波导由氮化硅或氮氧化硅形成。
方面7.如方面1所述的方法，其中，所述第一介质层由选自以下各项构成的组中的材料形成：氧化物、氮氧化物和聚合物。
方面8.如方面1所述的方法，其中，所述第二介质层、所述第三介质层和所述第四介质层由选自以下各项构成的组中的材料形成：氧化物、热氧化物和氮化物。
方面9.一种端面耦合器，包括：
第一波导；
与所述第一波导邻接的第一介质层；
位于所述第一波导和所述第一介质层上的第二介质层；
位于所述第二介质层上的第二波导；
覆盖所述第二波导的第三介质层；
位于所述第三介质层上的载体衬底；
位于所述第一波导和所述第一介质层之下的绝缘层；以及
位于所述绝缘层之下的第四介质层。
方面10.如方面9所述的端面耦合器，其中，所述第二波导包括转换波导和传输波导，其中，
所述转换波导用于将从光纤接收的光进行模斑转换，并且将经模斑转换的光传输至所述传输波导；以及
所述传输波导的至少一部分在竖直方向上与所述第一波导的至少一部分对准，从而将在所述传输波导中传输的光耦合至所述第一波导中。
方面11.如方面10所述的端面耦合器，其中，
所述转换波导的至少一部分在与靠近所述光纤的方向垂直的方向上尺寸逐渐减小。
方面12.如方面11所述的端面耦合器，其中，所述转换波导为线性锥形波导、非线性锥形波导或亚波长光栅。
方面13.如方面12所述的端面耦合器，其中，所述转换波导为亚波长光栅，并且
其中，所述亚波长光栅包括第一光栅部分和第二光栅部分，
其中，所述第一光栅部分包括以第一光栅周期排布的多个第一光栅结构单元，所述多个第一光栅结构单元在靠近所述光纤的方向上以及与所述靠近所述光纤的方向垂直的方向上尺寸逐渐减小，并且
其中，所述第二光栅部分包括以第二光栅周期排布的多个第二光栅结构单元以及连接至所述多个第二光栅结构单元的锥形单元，所述多个第二光栅结构单元的尺寸相同，并且所述锥形单元在靠近所述光纤的方向上渐缩。
方面14.如方面13所述的端面耦合器，其中，
所述多个第一光栅结构单元中最靠近所述光纤的第一光栅结构单元的几何尺寸基于所述光纤的模斑直径来确定。
方面15.如方面13所述的端面耦合器，其中，
所述多个第一光栅结构单元中最靠近所述光纤的第一光栅结构单元的端面为正方形。
方面16.如方面13所述的端面耦合器，其中，
所述第一光栅部分的占空比在靠近所述光纤的方向上发生变化。
方面17.如方面13所述的端面耦合器，其中，
所述第二光栅部分的占空比保持不变。
方面18.如方面13所述的端面耦合器，其中，
所述第一光栅周期等于所述第二光栅周期。
方面19.如方面10所述的端面耦合器，其中，
所述传输波导的所述至少一部分包括锥形结构，并且所述第一波导的所述至少一部分包括锥形结构，并且
其中，所述传输波导的所述锥形结构在远离所述光纤的方向上渐缩，并且所述第一波导的所述锥形结构在靠近所述光纤的方向上渐缩。
方面20.如方面19所述的端面耦合器，其中，
所述传输波导的锥形结构和所述第一波导的锥形结构为线性渐变的锥形结构、双曲线锥形结构或类抛物线锥形结构。

Claims (10)

1.一种端面耦合器的制造方法，包括：
提供绝缘体上半导体衬底，所述绝缘体上半导体衬底包括第一衬底、所述第一衬底上的绝缘层以及所述绝缘层上的半导体层；
对所述半导体层进行图案化以形成第一波导；
在所述绝缘层上形成第一介质层；
在所述第一介质层和所述第一波导上形成第二介质层；
在所述第二介质层上形成第二波导；
形成覆盖所述第二波导的第三介质层；
在所述第三介质层远离所述第二波导的一侧，将所述第三介质层键合至载体衬底；
去除所述第一衬底；以及
在所述绝缘层的表面上形成第四介质层。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：在对所述半导体层进行图案化之前，在所述半导体层上形成阻挡层，
其中，对所述半导体层进行图案化以形成第一波导，包括：
对所述阻挡层和所述半导体层进行图案化，以形成所述第一波导。
3.如权利要求2所述的方法，其中，在所述绝缘层上形成第一介质层，包括：
形成覆盖所述阻挡层和所述绝缘层的第一介质材料层；以及
对所述第一介质材料层进行平坦化，直到所述阻挡层被全部去除，从而形成所述第一介质层，
其中，所述第一介质层的远离所述第一衬底的表面与所述第一波导的远离所述第一衬底的表面基本上齐平。
4.如权利要求1所述的方法，其中，在所述第二介质层上形成第二波导，包括：
在所述第二介质层上形成第二波导材料层；以及
对所述第二波导材料层进行图案化，以形成所述第二波导。
5.一种端面耦合器，包括：
第一波导；
与所述第一波导邻接的第一介质层；
位于所述第一波导和所述第一介质层上的第二介质层；
位于所述第二介质层上的第二波导；
覆盖所述第二波导的第三介质层；
位于所述第三介质层上的载体衬底；
位于所述第一波导和所述第一介质层之下的绝缘层；以及
位于所述绝缘层之下的第四介质层。
6.如权利要求5所述的端面耦合器，其中，所述第二波导包括转换波导和传输波导，其中，
所述转换波导用于将从光纤接收的光进行模斑转换，并且将经模斑转换的光传输至所述传输波导；以及
所述传输波导的至少一部分在竖直方向上与所述第一波导的至少一部分对准，从而将在所述传输波导中传输的光耦合至所述第一波导中。
7.如权利要求6所述的端面耦合器，其中，
所述转换波导的至少一部分在与靠近所述光纤的方向垂直的方向上尺寸逐渐减小。
8.如权利要求7所述的端面耦合器，其中，所述转换波导为线性锥形波导、非线性锥形波导或亚波长光栅。
9.如权利要求8所述的端面耦合器，其中，所述转换波导为亚波长光栅，并且
其中，所述亚波长光栅包括第一光栅部分和第二光栅部分，
其中，所述第一光栅部分包括以第一光栅周期排布的多个第一光栅结构单元，所述多个第一光栅结构单元在靠近所述光纤的方向上以及与所述靠近所述光纤的方向垂直的方向上尺寸逐渐减小，并且
其中，所述第二光栅部分包括以第二光栅周期排布的多个第二光栅结构单元以及连接至所述多个第二光栅结构单元的锥形单元，所述多个第二光栅结构单元的尺寸相同，并且所述锥形单元在靠近所述光纤的方向上渐缩。
10.如权利要求9所述的端面耦合器，其中，
所述多个第一光栅结构单元中最靠近所述光纤的第一光栅结构单元的几何尺寸基于所述光纤的模斑直径来确定。
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