CN113625394A - 一种双层Si3N4锥形结构辅助的边缘耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双层Si3N4锥形结构辅助的边缘耦合器，包括双层的Si3N4锥形结构、Si倒锥形结构、Si波导。本发明结构实现了借助双层Si3N4锥形结构的边缘耦合，可与单模光纤耦合，降低端面模式失配，避免增加底部氧化物厚度或者局部衬底刻蚀，实现宽带操作。
Description
技术领域
本发明属于集成光电子器件领域，特别涉及一种双层Si3N4锥形结构辅助的边缘耦合。
背景技术
在SOI平台制备高度紧凑的集成光学器件时，由于标准单模光纤与硅波导之间的模式尺寸失配导致芯片与光纤之间的耦合效率很低。各种边缘耦合器广泛应用于集成光学中，是提高平面光波导与光纤之间的耦合效率的途径之一。单模光纤广泛使用于集成光学芯片中，因此解决单模光纤与芯片之间的模式失配问题是设计边缘耦合结构的重点。
CN106164722A使用高折射率氧化物覆盖在硅波导上，将光耦合在上包层中，但仍然会有向上方辐射出去的光，降低耦合效率，而本设计利用双层Si3N4锥形结构作为辅助，将向上层辐射出去的光重新耦合回到硅波导中，提高耦合效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种双层Si3N4锥形结构辅助的边缘耦合器，提出一种提高模式适配和耦合效率的新的结构，克服目前端面耦合模式失配较高的缺陷。
本发明的一种边缘耦合器，由下到上包括衬底、Si倒锥形结构波导、双层Si3N4锥形结构；其中双层Si3N4锥形结构包括第一Si3N4锥形结构和第二Si3N4锥形结构；第二Si3N4锥形结构短且窄于第一Si3N4锥形结构。
所述第二Si3N4锥形结构短且窄于第一Si3N4锥形结构，即第二Si3N4锥形结构的长度及端面宽度均小于第一Si3N4锥形结构。
所述还包括Si矩形波导，且Si矩形波导与Si倒锥形结构波导彼此垂直对齐，也即硅矩形波导是连接在硅倒锥型结构后面，并在同一平面。
所述Si倒锥形结构波导端面为锥形尖端；Si倒锥形结构波导和第一Si3N4锥形结构长度相同。
所述衬底和Si倒锥形结构波导之间设有埋层硅氧化物，且厚度不小于3μm。
所述Si倒锥形结构波导、第一Si3N4锥形结构、第二Si3N4锥形结构之间均设有硅氧化物层；第二Si3N4锥形结构上表面设有上包层硅氧化物。
本发明的一种边缘耦合器的制备方法，包括：
(1)在SOI晶圆上刻蚀出Si倒锥形结构波导和矩形波导或Si衬底上先热氧化生长SiO2后沉积一层Si，通过光刻和刻蚀工艺形成Si倒锥形结构波导和矩形波导；
(2)沉积一层SiO2并抛平，然后沉积第一层Si3N4，通过光刻和刻蚀工艺形成下层的Si3N4锥形结构；
(3)沉积一层SiO2并抛平，沉积第二层Si3N4，通过光刻和刻蚀工艺形成上层窄的Si3N4锥形结构；
(4)沉积一层SiO2并抛平，在两侧采用刻蚀工艺形成脊型结构。
所述步骤(3)的Si3N4锥形结构短且窄于步骤(2)的Si3N4锥形结构。
所述步骤(2)所得Si3N4锥形结构长度与Si倒锥形结构波导的长度相同。
本发明提供一种所述边缘耦合器的应用，如应用于激光雷达的硅基光学相控阵芯片的输入端。
本发明提出了一种双层Si3N4锥形结构辅助的边缘耦合结构,包括双层的Si3N4锥形结构、Si倒锥形结构波导、Si矩形波导。利用Si3N4提高上包层SiO2的有效折射率，降低端面模式失配，将光纤输出的光模式耦合至含有双层Si3N4结构的上包层，再经过双层Si3N4的锥形结构与Si倒锥形结构波导之间的模式演化形成Si矩形波导中高度受限的波导模式进行传输，结构采用3um的埋层硅氧化物以防止模式泄露到高折射率的硅衬底中。Si倒锥形结构波导长200um，端面为锥形尖端；Si3N4锥形结构长度同为200um，上层Si3N4锥形结构短且窄于下层Si3N4锥形结构，上层Si3N4锥形结构中的光模式经由下层Si3N4锥形结构最终耦合回Si波导中。本结构实现了借助双层Si3N4锥形结构的边缘耦合，可与单模光纤耦合，降低端面模式失配，避免增加底部氧化物厚度或者局部衬底刻蚀，实现宽带操作。
有益效果
本发明结构实现一种双层Si3N4锥形结构辅助的边缘耦合结构，提高上包层有效折射率，Si3N4比SiO2(折射率约为1.44)折射率高，约为1.99，在上包层添加Si3N4可使模式部分耦合到Si3N4层中去，扩大了模式耦合的效率，使光模式最大地耦合到上包层，在通过Si3N4双层锥形结构将模式耦合到Si波导中。可与单模光纤耦合，降低端面模式失配，提高耦合效率，避免增加底部氧化物厚度或者局部衬底刻蚀，实现宽带操作。本发明结构的端面模式overlap高达0.92～0.96，模式适配度很高，模式耦合效率高，避免其他结构的通过增加底部氧化物厚度或者刻蚀来达到避免模式耦合泄露到底部衬底的情况。
附图说明
图1为耦合结构截面图；
图2为所述耦合结构三层材料的整体侧视图与各层俯视图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
边缘耦合器，如图1所示由下到上依次包括衬底，衬底表面负载的埋层二氧化硅，Si倒锥形结构波导和矩形波导，二氧化硅层、第一Si3N4锥形结构、二氧化硅层、第二Si3N4锥形结构、二氧化硅上包层。
SiO2(图1中2)的厚度不小于3um，宽度不限；Si倒锥形结构波导长200nm，端面为倒锥形尖端，宽度为150～200nm/0.15～0.2um；从下至上第一层氮化硅(图1中的4)的端面宽度为数十微米，不小于20um，厚度为20-30nm，从端面逐渐变窄到几微米；从下至上第二层氮化硅(图1中的5)端面宽度为10um左右，厚度为数十纳米，从端面逐渐变窄到几微米；底部SiO2(图1中的2)以上部分的总厚度为5um(注：不包括底部SiO2)，两侧蚀刻深度为2um～3um。
Si矩形波导与Si倒锥形结构波导彼此垂直对齐。
使用双层氮化硅结构，将光模式扩大耦合至上包层，无需对衬底SiO2进行刻蚀图案、形状等工艺处理，计算基模在端面的模式重叠高达92％～96％，模式适配度高；通过双层氮化硅的由宽变窄，和硅波导的由窄变宽，将Si3N4双层锥形结构模式耦合到硅波导中，提高耦合效率至95％左右。
实施例2
(1)此结构可以在SOI晶圆或者Si衬底进行制造。对于SOI晶圆，首先通过光刻、刻蚀等工艺过程将SOI晶圆上原本的Si层刻蚀出Si倒锥形结构波导和矩形波导；对于Si衬底，先采用热氧化生长不小于3um的SiO2后沉积一层Si，通过光刻和刻蚀工艺形成Si倒锥形结构波导和矩形波导。
(2)采用PECVD沉积一层SiO2，并通过CMP将SiO2层抛平。
(3)采用LPCVD或者PECVD方法，沉积第一层Si3N4，通过光刻和刻蚀工艺形成下层的Si3N4锥形结构。
(4)采用PECVD沉积一层SiO2，并通过CMP将SiO2层抛平。
(5)采用LPCVD或者PECVD方法，沉积第二层Si3N4，通过光刻和刻蚀工艺形成上层窄的Si3N4锥形结构。
(6)采用PECVD沉积一层SiO2，并通过CMP将SiO2层抛平。
(7)在两侧采用刻蚀工艺形成脊型结构。
Claims (9)
1.一种边缘耦合器，其特征在于，由下到上包括衬底或SOI晶圆(1)、Si倒锥形结构波导(3)、双层Si3N4锥形结构；其中双层Si3N4锥形结构包括第一Si3N4锥形结构(4)和第二Si3N4锥形结构(5)；第二Si3N4锥形结构(5)短且窄于第一Si3N4锥形结构(4)。
2.根据权利要求1所述边缘耦合器，其特征在于，所述还包括Si矩形波导(6)，且Si矩形波导(6)与Si倒锥形结构(4)彼此垂直对齐。
3.根据权利要求1所述边缘耦合器，其特征在于，所述Si倒锥形结构波导(3)端面为锥形尖端；Si倒锥形结构波导和第一Si3N4锥形结构长度相同。
4.根据权利要求1所述边缘耦合器，其特征在于，所述衬底(1)和Si倒锥形结构波导(3)之间设有埋层硅氧化物(2)，且厚度不小于3μm。
5.根据权利要求1所述边缘耦合器，其特征在于，所述Si倒锥形结构波导(3)、双层Si3N4锥形结构之间均设有硅氧化物层；第二Si3N4锥形结构(5)上表面设有上包层硅氧化物。
6.一种边缘耦合器的制备方法，包括：
(1)在SOI晶圆上刻蚀出Si倒锥形结构波导和矩形波导；
或Si衬底上先热氧化生长SiO2后沉积一层Si，通过光刻和刻蚀工艺形成Si倒锥形结构波导和矩形波导；
(2)沉积一层SiO2并抛平，然后沉积第一层Si3N4，通过光刻和刻蚀工艺形成下层的第一Si3N4锥形结构；
(3)沉积一层SiO2并抛平，沉积第二层Si3N4，通过光刻和刻蚀工艺形成上层窄的第二Si3N4锥形结构；
(4)沉积一层SiO2并抛平，在两侧采用刻蚀工艺形成脊型结构。
7.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于，所述步骤(3)的第二Si3N4锥形结构短且窄于步骤(2)的第一Si3N4锥形结构。
8.根据权利要求6所述制备方法，其特征在于，所述步骤(2)所得第一Si3N4锥形结构长度与Si倒锥形结构波导的长度相同。
9.一种权利要求1所述边缘耦合器的应用。
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