CN114594548A - 氮化硅波导辅助悬臂梁端面耦合器 - Google Patents

氮化硅波导辅助悬臂梁端面耦合器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种氮化硅波导辅助悬臂梁端面耦合器，包括硅衬底、氮化硅波导结构、硅波导结构、连接梁结构以及悬臂梁结构；悬臂梁结构连接设置在连接梁结构上，连接梁结构连接设置在硅衬底上；硅衬底设置有衬底槽，悬壁梁结构悬于衬底槽的上方；氮化硅波导结构和硅波导结构设置在悬壁梁结构内，氮化硅波导结构位于硅波导结构的上方；氮化硅波导结构的一端设置在耦合端面处，硅波导结构的一端与耦合端面间隔设置；氮化硅波导结构为亚波长光栅氮化硅波导结构，硅波导结构为亚波长光栅倒锥硅波导结构。本发明提高了端面耦合器的耦合效率，降低了耦合器的偏振敏感性。

Description

氮化硅波导辅助悬臂梁端面耦合器
技术领域
本发明涉及光学器件技术领域，具体地，涉及一种氮化硅波导辅助悬臂梁端面耦合器，尤其是一种基于亚波长光栅结构优化的氮化硅波导辅助悬臂梁端面耦合器。
背景技术
普通单模光纤与硅波导的尺寸相差较大，直接耦合效率较低，一般通过光栅耦合和端面耦合实现光纤和波导的光耦合。光栅耦合器借助衍射光学特性在芯片上方实现光耦合，端面耦合器借助倒锥结构将光纤与芯片端面对接实现光源输入，但光栅耦合存在耦合效率低、偏振敏感、不易封装等问题，端面耦合器耦合效率高，偏振相对不敏感，封装成本降低，且带宽较宽，但存在制备工艺复杂的问题。
公开号为CN111562650A的专利文献公开了一种基于双三叉戟亚波长光栅结构的端面耦合器，包括：位于衬底层且对称设置的三个锥形亚波长光栅、三个亚波长光栅波导、若干用于模式转换的锥形波导和直波导，其中：锥形亚波长光栅和对应的亚波长光栅波导相连，锥形波导位于亚波长光栅波导之间，用于光在芯片上传输的直波导及其对应的锥形波导位于端面耦合器的输出端。但是该专利文献三叉戟结构对准要求高，而且偏振相关性强。
公开号为CN112630886A的专利文献公开了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。但是该专利文献需要较厚的上包层完成光的限制。
公开号为CN111025474B的专利文献公开了一种基于折射率调控的覆盖SU-8包层的硅波导模式耦合器，硅波导模式耦合器包括第一级模式转换器和第二级模式转换器，第一级模式转换器包括第一覆盖SU-8包层的波导阵列(I)，单模光纤与第一级模式转换器中的波导阵列在空气中对接，第二级模式转换器包括第二覆盖SU-8包层的波导阵列(II)和第三覆盖SU-8包层的波导阵列(III)，所述的覆盖SU-8包层的波导阵列均由覆盖同样厚度SU-8的四根硅纳米线波导。但是该专利文献需要借助聚合物等材料，这与CMOS工艺不兼容，不利于大规模集成。
公开号为CN108983352B的专利文献公开了一种端面耦合器及其制备方法，其中包括：硅衬底；埋氧层形成于硅衬底的上表面；于埋氧层中形成：顶层硅具有一第一顶层硅与一第二顶层硅；氮化硅波导形成于顶层硅的上方，氮化硅波导包括一第一氮化硅波导与一第二氮化硅波导；第一氮化硅波导与第二氮化硅波导的中心线位于顶层硅的中心线上。但是该专利文献仍然存在耦合效率低，偏振敏感的缺陷。
公开号为CN109031518B的专利文献公开了一种悬臂型端面耦合器，包括：硅衬底，于硅衬底上刻蚀具有第一预设高度的沟槽；埋氧层，形成于硅衬底的上表面；埋氧层包括：平板层，平板层形成于硅衬底的上表面；脊型层，脊型层形成于平板层的上表面，并水平延伸出平板层；硅波导，硅波导形成于埋氧层中，位于脊型层的上方；氮化硅波导，氮化硅波导形成于埋氧层中，位于硅波导的上方。但是该专利文献仍然存在耦合效率低，偏振敏感的缺陷。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种氮化硅波导辅助悬臂梁端面耦合器。
根据本发明提供的一种氮化硅波导辅助悬臂梁端面耦合器，包括硅衬底、氮化硅波导结构、硅波导结构、连接梁结构以及悬臂梁结构；
所述悬臂梁结构连接设置在所述连接梁结构上，所述连接梁结构连接设置在所述硅衬底上；
所述硅衬底设置有衬底槽，所述悬壁梁结构悬于所述衬底槽的上方；
所述氮化硅波导结构和所述硅波导结构设置在所述悬壁梁结构内，所述氮化硅波导结构位于所述硅波导结构的上方；
所述氮化硅波导结构的一端设置在耦合端面处，所述硅波导结构的一端与所述耦合端面间隔设置；
所述氮化硅波导结构为亚波长光栅氮化硅波导结构，所述硅波导结构为亚波长光栅倒锥硅波导结构。
优选的，所述硅波导结构为有效折射率渐变式硅波导结构。
优选的，所述硅波导结构为宽度渐变式硅波导结构；
所述硅波导结构的宽度从靠近光纤端向波导端由窄变宽，所述硅波导结构的有效折射率从靠近光纤端向波导端逐渐增加。
优选的，所述硅波导结构的有效折射率从2.0增加至3.476。
优选的，所述氮化硅波导结构的宽度和高度相同。
优选的，所述氮化硅波导结构的宽度和高度均为150nm。
优选的，所述氮化硅波导结构的光栅周期是300nm。
优选的，所述连接梁结构包括底梁结构、左边梁结构以及右边梁结构；
所述左边梁结构和所述右边梁结构连接设置在所述底梁结构的两端；
所述悬壁梁结构连接设置在所述底梁结构上，所述悬壁梁结构位于所述左边梁结构和所述右边梁结构之间；
所述底梁结构、所述左边梁结构以及所述右边梁结构均连接设置在所述硅衬底上。
优选的，所述左边梁结构和所述右边梁结构均包括自下而上依次连接设置在所述底梁结构上的边梁埋氧层、边梁硅波导层、边梁氧化硅层、边梁氮化硅波导层、边梁上包层；
所述悬壁梁结构包括自下而上依次连接设置在所述底梁结构上的悬臂梁埋氧层、悬臂梁氧化硅层、悬臂梁上包层；
所述硅波导结构夹设在所述悬臂梁埋氧层和所述悬臂梁氧化硅层之间，所述氮化硅波导结构夹设在所述悬臂梁氧化硅层和所述悬臂梁上包层之间；
所述边梁埋氧层和所述悬臂梁埋氧层构成埋氧层；
所述边梁硅波导层和所述硅波导结构构成硅波导层；
所述边梁氧化硅层和所述悬臂梁氧化硅层构成氧化硅层；
所述边梁氮化硅波导层和所述氮化硅波导结构构成氮化硅波导层；
所述边梁上包层和所述悬臂梁上包层构成上包层。
优选的，所述悬臂梁埋氧层和所述悬臂梁氧化硅层之间夹设有第一氧化硅结构，所述硅波导结构嵌设在所述第一氧化硅结构中；
所述悬臂梁氧化硅层和所述悬臂梁上包层之间夹设有第二氧化硅结构，所述氮化硅波导结构嵌设在所述第二氧化硅结构中。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提高了端面耦合器的耦合效率，降低了耦合器的偏振敏感性；
2、本发明基于CMOS工艺，在不需要较厚上包层的情况下，实现了普通单模光纤和硅波导高效且偏振不敏感的光耦合；
3、本发明解决了现有技术中硅基端面耦合器偏振敏感、加工容差小、普通单模光纤和硅波导耦合损耗大以及耦合器具有波长敏感性的问题；
4、本发明基于亚波长光栅和悬臂梁结构，实现了普通单模光纤与纳米线硅光波导之间的端面耦合器，其制备工艺与CMOS工艺完全兼容且耦合损耗低，偏振不敏感。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明基于亚波长光栅结构氮化硅辅助悬臂梁端面耦合器的三维结构示意图；
图2为本发明的氮化硅波导辅助悬臂梁端面耦合器的剖面结构示意图一；
图3为本发明的氮化硅波导辅助悬臂梁端面耦合器的剖面结构示意图二；
图4为本发明的氮化硅波导辅助悬臂梁端面耦合器的剖面结构示意图三；
图5为本发明端面耦合器的截面示意图；
图6为本发明算面耦合器的光场传播图；
图7为本发明的氮化硅波导辅助悬臂梁端面耦合器的加工流程图；
图8为本发明加工出来的端面耦合器TE模式和TM模式输入的耦合损耗光谱图。
图中示出：
硅衬底1 悬臂梁上包层503
氮化硅波导结构2 衬底槽6
硅波导结构3 耦合端面7
连接梁结构4 边梁埋氧层8
底梁结构401 硅波导层9
左边梁结构402 边梁氧化硅层10
右边梁结构403 氮化硅波导层11
悬壁梁结构5 边梁上包层12
悬臂埋氧层501 第一氧化硅结构13
悬臂梁氧化硅层502 第二氧化硅结构14
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1：
如图1～8所示，本实施例提供了一种氮化硅波导辅助悬臂梁端面耦合器，包括硅衬底1、氮化硅波导结构2、硅波导结构3、连接梁结构4以及悬臂梁结构5。悬臂梁结构5连接设置在连接梁结构4上，连接梁结构4连接设置在硅衬底1上，硅衬底1设置有衬底槽6，悬壁梁结构5悬于衬底槽6的上方，氮化硅波导结构2和硅波导结构3设置在悬壁梁结构5内，氮化硅波导结构2位于硅波导结构3的上方，氮化硅波导结构2的一端设置在耦合端面7处，硅波导结构3的一端与耦合端面7间隔设置，氮化硅波导结构2为亚波长光栅氮化硅波导结构，硅波导结构3为亚波长光栅倒锥硅波导结构。图1中的虚线位置为硅波导结构3沿长度方向对应在耦合端面7上的位置。
连接梁结构4包括底梁结构401、左边梁结构402以及右边梁结构403，左边梁结构402和右边梁结构403连接设置在底梁结构401的两端，悬壁梁结构5连接设置在底梁结构401上，悬壁梁结构5位于左边梁结构402和右边梁结构403之间，底梁结构401、左边梁结构402以及右边梁结构403均连接设置在硅衬底1上。
左边梁结构402和右边梁结构403均包括自下而上依次连接设置在底梁结构401上的边梁埋氧层8、边梁硅波导层9、边梁氧化硅层10、边梁氮化硅波导层11、边梁上包层12；悬壁梁结构5包括自下而上依次连接设置在底梁结构401上的悬臂梁埋氧层501、悬臂梁氧化硅层502、悬臂梁上包层503，硅波导结构3夹设在悬臂梁埋氧层501和悬臂梁氧化硅层502之间，氮化硅波导结构2夹设在悬臂梁氧化硅层502和悬臂梁上包层503之间；边梁埋氧层8和悬臂梁埋氧层501构成埋氧层，边梁硅波导层9和硅波导结构3构成硅波导层，边梁氧化硅层10和悬臂梁氧化硅层502构成氧化硅层，边梁氮化硅波导层11和氮化硅波导结构2构成氮化硅波导层，边梁上包层12和悬臂梁上包层503构成上包层。
悬臂梁埋氧层501和悬臂梁氧化硅层502之间夹设有第一氧化硅结构13，硅波导结构3嵌设在第一氧化硅结构13中，悬臂梁氧化硅层502和悬臂梁上包层503之间夹设有第二氧化硅结构14，氮化硅波导结构2嵌设在第二氧化硅结构14中。
硅波导结构3为有效折射率渐变式硅波导结构，硅波导结构3为宽度渐变式硅波导结构，硅波导结构3的宽度从靠近光纤端向波导端由窄变宽，硅波导结构3的有效折射率从靠近光纤端向波导端逐渐增加，硅波导结构3的有效折射率从2.0增加至3.476。氮化硅波导结构2的宽度和高度相同，氮化硅波导结构2的宽度和高度均为150nm，氮化硅波导结构2的光栅周期是300nm。
实施例2：
本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1的更为具体的说明。
本实施例提供一种基于亚波长光栅结构优化的氮化硅波导辅助悬臂梁端面耦合器，包括亚波长光栅氮化硅波导结构、有效折射率渐变的亚波长光栅倒锥硅波导结构、悬臂梁结构、氧化硅上包层结构。
其中，在耦合端面处，亚波长光栅倒锥硅波导结构被氧化硅上包层覆盖，光耦合在亚波长光栅氮化硅波导结构附近，亚波长光栅倒锥硅波导结构分布在距离耦合端面一定距离处，随着亚波长光栅倒锥硅波导结构有效折射率的增加，光场逐渐从亚波长光栅氮化硅波导结构附近向下耦合，进入亚波长光栅倒锥硅波导结构中，最后进入直波导中。悬臂梁结构通过氧化硅上包层支撑臂支撑，氧化硅上包层为二氧化硅上包层。
亚波长光栅氮化硅波导结构为宽度和高度相同的亚波长光栅波导结构，其中，宽度和高度均是150nm，亚波长光栅氮化硅波导结构的光栅周期是300nm，有效折射率从靠近光纤端向波导端逐渐减小。
有效折射率渐变的亚波长光栅倒锥硅波导结构为宽度渐变，有效折射率逐渐增加的波导结构，其宽度从靠近光纤端向波导端由窄变宽，有效折射率从靠近光纤端向波导端逐渐增加，亚波长光栅倒锥硅波导的有效折射率从2.0增加至硅材料的有效折射率3.476。
悬臂梁结构避免了光向硅衬底发生泄露，提高了耦合效率。
实施例3：
本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1的更为具体的说明。
本实施例涉及一种悬臂梁端面耦合器，该端面耦合器在SOI晶圆上制备得到。SOI晶圆由下而上依次包括硅衬底、二氧化硅埋氧层、顶硅。
本实施例中的二氧化硅埋氧层的厚度为3μm，用于制备耦合器的硅层厚度为220nm，二氧化硅上包层的厚度为7μm。
本实施例通过去除部分硅衬底，形成悬臂梁结构，减少了光向硅衬底的泄露，增加了耦合效率。在耦合端面处，引入了氮化硅波导结构，氮化硅波导结构折射率较小，可以将光进行发散，增加了光纤和端面的重叠率。在沿光的传播方向上，氮化硅波导结构的有效折射率逐渐减小，倒锥硅波导结构的有效折射率逐渐增大，光从二氧化硅上包层逐渐耦合到硅波导结构内。考虑到实际的加工工艺，在加工过程中采用了100nm的倒锥尖端宽度。
如图5所示，设计加工一系列的悬臂梁结构的宽度WR、上包层厚度tSiO2、氮化硅波导tSiNx、悬臂梁结构两端刻蚀的宽度WT、悬臂梁结构的尺寸变化。当WR＝12μm，tSiO2＝7μm，tSiNx＝0.15μm，硅波导结构的宽度Wsi＝0.1μm时，普通悬臂梁结构在700μm尺寸下，实现了在1620nm处TE模式1.07dB/端，TM模式1.67dB/端的耦合损耗。
实施例4：
本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1的更为具体的说明。
本实施例的实施过程除以下不同外，其他部分与实施例3相同：
将倒锥硅波导替换成亚波长光栅(subwavelength grating,SWG)结构。亚波长光栅结构可以减少硅波导的有效折射率，降低TM模式的折射率失配问题，降低系统的偏振相关损耗。
亚波长光栅悬臂梁结构在550μm尺寸下，实现了在1610nm处TE模式0.86dB/端，TM模式0.94dB/端的耦合损耗。亚波长光栅悬臂梁结构在耦合效率较高的情况实现了较低的偏振相关性，偏振相关因子0.914。
本发明提高了端面耦合器的耦合效率，降低了耦合器的偏振敏感性。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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申请和简化描述，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申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种氮化硅波导辅助悬臂梁端面耦合器，其特征在于，包括硅衬底(1)、氮化硅波导结构(2)、硅波导结构(3)、连接梁结构(4)以及悬臂梁结构(5)；
所述悬臂梁结构(5)连接设置在所述连接梁结构(4)上，所述连接梁结构(4)连接设置在所述硅衬底(1)上；
所述硅衬底(1)设置有衬底槽(6)，所述悬壁梁结构(5)悬于所述衬底槽(6)的上方；
所述氮化硅波导结构(2)和所述硅波导结构(3)设置在所述悬壁梁结构(5)内，所述氮化硅波导结构(2)位于所述硅波导结构(3)的上方；
所述氮化硅波导结构(2)的一端设置在耦合端面(7)处，所述硅波导结构(3)的一端与所述耦合端面(7)间隔设置；
所述氮化硅波导结构(2)为亚波长光栅氮化硅波导结构，所述硅波导结构(3)为亚波长光栅倒锥硅波导结构。
2.根据权利要求1所述的氮化硅波导辅助悬臂梁端面耦合器，其特征在于，所述硅波导结构(3)为有效折射率渐变式硅波导结构。
3.根据权利要求2所述的氮化硅波导辅助悬臂梁端面耦合器，其特征在于，所述硅波导结构(3)为宽度渐变式硅波导结构；
所述硅波导结构(3)的宽度从靠近光纤端向波导端由窄变宽，所述硅波导结构(3)的有效折射率从靠近光纤端向波导端逐渐增加。
4.根据权利要求3所述的氮化硅波导辅助悬臂梁端面耦合器，其特征在于，所述硅波导结构(3)的有效折射率从2.0增加至3.476。
5.根据权利要求1所述的氮化硅波导辅助悬臂梁端面耦合器，其特征在于，所述氮化硅波导结构(2)的宽度和高度相同。
6.根据权利要求5所述的氮化硅波导辅助悬臂梁端面耦合器，其特征在于，所述氮化硅波导结构(2)的宽度和高度均为150nm。
7.根据权利要求6所述的氮化硅波导辅助悬臂梁端面耦合器，其特征在于，所述氮化硅波导结构(2)的光栅周期是300nm。
8.根据权利要求1所述的氮化硅波导辅助悬臂梁端面耦合器，其特征在于，所述连接梁结构(4)包括底梁结构(401)、左边梁结构(402)以及右边梁结构(403)；
所述左边梁结构(402)和所述右边梁结构(403)连接设置在所述底梁结构(401)的两端；
所述悬壁梁结构(5)连接设置在所述底梁结构(401)上，所述悬壁梁结构(5)位于所述左边梁结构(402)和所述右边梁结构(403)之间；
所述底梁结构(401)、所述左边梁结构(402)以及所述右边梁结构(403)均连接设置在所述硅衬底(1)上。
9.根据权利要求8所述的氮化硅波导辅助悬臂梁端面耦合器，其特征在于，所述左边梁结构(402)和所述右边梁结构(403)均包括自下而上依次连接设置在所述底梁结构(401)上的边梁埋氧层(8)、边梁硅波导层(9)、边梁氧化硅层(10)、边梁氮化硅波导层(11)、边梁上包层(12)；
所述悬壁梁结构(5)包括自下而上依次连接设置在所述底梁结构(401)上的悬臂梁埋氧层(501)、悬臂梁氧化硅层(502)、悬臂梁上包层(503)；
所述硅波导结构(3)夹设在所述悬臂梁埋氧层(501)和所述悬臂梁氧化硅层(502)之间，所述氮化硅波导结构(2)夹设在所述悬臂梁氧化硅层(502)和所述悬臂梁上包层(503)之间；
所述边梁埋氧层(8)和所述悬臂梁埋氧层(501)构成埋氧层；
所述边梁硅波导层(9)和所述硅波导结构(3)构成硅波导层；
所述边梁氧化硅层(10)和所述悬臂梁氧化硅层(502)构成氧化硅层；
所述边梁氮化硅波导层(11)和所述氮化硅波导结构(2)构成氮化硅波导层；
所述边梁上包层(12)和所述悬臂梁上包层(503)构成上包层。
10.根据权利要求9所述的氮化硅波导辅助悬臂梁端面耦合器，其特征在于，所述悬臂梁埋氧层(501)和所述悬臂梁氧化硅层(502)之间夹设有第一氧化硅结构(13)，所述硅波导结构(3)嵌设在所述第一氧化硅结构(13)中；
所述悬臂梁氧化硅层(502)和所述悬臂梁上包层(503)之间夹设有第二氧化硅结构(14)，所述氮化硅波导结构(2)嵌设在所述第二氧化硅结构(14)中。
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