CN114815057A - 一种聚焦型垂直光栅耦合器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种聚焦型垂直光栅耦合器及其制备方法，扇形聚焦光栅结构位于SOI基片顶部的顶硅层，顶硅波导层包括扇形聚焦光栅波导结构和条形波导结构。制备时，先在顶部硅层上沉积一层多晶硅；然后涂覆光刻胶；之后对光刻胶进行曝光和显影，得到光刻胶层聚焦光栅波导结构图形；通过反应离子刻蚀，将光刻胶层聚焦光栅波导结构图形转移到顶部硅层上，得到扇形聚焦光栅波导结构和条形波导结构；并在顶硅波导层上方沉积二氧化硅包覆层；在扇形聚焦光栅波导结构上方的二氧化硅包覆层上蚀刻出聚焦凸透镜，得到带透镜聚焦型垂直光栅耦合器。本发明改变了垂直光栅耦合器的结构，增大了耦合光源，增强了光栅上衍射光的干涉，提高了对准容差和耦合效率。
Description
技术领域
本发明属于光纤耦合器领域，涉及一种集成光学中硅基光互连技术，更具体地，涉及一种聚焦型垂直光栅耦合器及其制备方法。
背景技术
使SOI亚微米波导大规模应用于实际通讯系统，必须解决光纤与波导之间的耦合难题。光纤与波导耦合的困难在于两者截面尺寸差距较大，若将单模光纤与单模硅基波导直接对接耦合，会产生极大的耦合损耗，包括光纤与波导之间的横向位错损耗、纵向间距损耗、轴向角度倾斜损耗、模场匹配损耗、数值孔径差异损耗等。而光栅耦合器的应用是可以解决光纤与波导耦合问题的方案。
光栅耦合器有垂直耦合和水平耦合两种结构，垂直光栅耦合器利用波导表面的衍射光栅将垂直于波导表面入射的光波衍射到光波导中，光在传输过程中改变了90°的传输方向，实现了光波的垂直耦合。
光栅耦合器的耦合区域尺寸与光纤的直径相当，对准容差大，当与芯片耦合时耦合容差大、便于封装，并且光栅耦合器的位置比较灵活，可置于光芯片中的任何位置，可用于晶圆级的在线测试。由此可见，光栅耦合器是一种非常有前途、能实现光纤与波导有效耦合的光学器件。但是，传统的光栅耦合器因其很难与光纤达到模式匹配，对波长和偏振也相对敏感，工艺难度大的，并且对入射光的入射角度具有严格的限制，耦合效率较低。然而实现光纤与波导的高效耦合，是集成光学器件从实验室走向工业批量生产化的重要环节。在集成光学系统中，光栅耦合效率的高低直接影响其它光学器件的光学性能。因此，通过优化现有光栅耦合器的设计，发明一种可提高耦合效率的光栅耦合器的是关键。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：解决现有的光栅耦合器耦合容差小、耦合效率低的问题，提供一种带透镜的聚焦型垂直光栅耦合器，单模光纤中的光通过聚焦透镜再耦合到扇形结构的衍射光栅上，由于透镜的聚焦作用，可增强来自光纤中的光与聚焦型光栅耦合器的耦合，进而提高光栅耦合器的耦合效率，并且包覆层上方的透镜结构可增大其与光纤耦合时的耦合容差。
为了充分激发光栅的布洛赫波，可在光栅结构上覆盖一层多晶硅。即在光栅刻蚀之前，在现有顶部硅层上先沉积一层多晶硅，然后进行反应离子刻蚀。多晶硅层的沉积再造了光栅结构，改变了光栅的衍射特性，使向衬底衍射的光干涉减弱，而向上衍射的光干涉增强，可提高光栅的耦合效率。
本发明中，凸透镜位于扇形衍射光栅上方的二氧化硅包覆层内的凹槽内，凹槽长度可比凸透镜直径略大，方便与单模光纤纤芯以及单模光纤阵列的集成。本发明的凹槽内透镜结构的设计有利于片上高密度光互连结构的集成、制作和封装。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种聚焦型垂直光栅耦合器，基于SOI基片制造，所述SOI基片从下至上依次包括硅衬底层、二氧化硅埋氧层和顶部硅层，其特征在于：所述顶部硅层上蚀刻出由扇形聚焦光栅波导结构和与扇形聚焦光栅波导结构相连的条形波导结构组成的顶硅波导层，所述扇形聚焦光栅波导结构上覆盖有多晶硅层，多晶硅层及其四周的顶硅波导层上方覆盖有二氧化硅包覆层，二氧化硅包覆层顶部设有与扇形聚焦光栅波导结构位置对应的聚焦凸透镜。
本发明还提供一种所述聚焦型垂直光栅耦合器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、准备SOI基片，并清洗顶部硅层；
步骤2、在顶部硅层上沉积多晶硅，形成多晶硅层；
步骤3、在多晶硅层上均匀涂覆光刻胶；
步骤3、根据扇形聚焦光栅波导结构和条形波导结构的尺寸、形状，对光刻胶进行曝光和显影，得到光刻胶层聚焦光栅波导结构图形；
步骤4、通过反应离子刻蚀，将光刻胶层聚焦光栅波导结构图形转移到SOI基片的顶部硅层上，得到扇形聚焦光栅波导结构和与扇形聚焦光栅波导结构相连的条形波导结构，形成顶硅波导层；
步骤5、在顶硅波导层上方沉积二氧化硅，形成二氧化硅包覆层；
步骤6、在扇形聚焦光栅波导结构上方的二氧化硅包覆层上蚀刻出聚焦凸透镜，完成聚焦型垂直光栅耦合器的制备。
与现有技术相比，本发明有益效果如下：
本发明提出了一种带有聚焦透镜的垂直光栅耦合器，改变了光栅结构，增大了耦合光源，增强了光栅上衍射光的干涉，提高了耦合效率。包覆层上方凹槽中透镜的设计，为硅光子器件大规模、高密度集成封装提供了方便。
附图说明
图1是本发明实施例1中聚焦型垂直光栅耦合器示意图(剖视图)。
图2是本发明实施例1中SOI基片上顶硅波导层的前视图。
图3是本发明实施例1中SOI基片上顶硅波导层的俯视图。
图4是本发明实施例1中SOI基片上顶硅波导层的轴测图。
图5是本发明实施例2中制备聚焦型垂直光栅耦合器流程示意图，其中，图5中a为步骤1中清洗顶部硅层示意图；图5中b为步骤2中沉积一层多晶硅示意图；图5中c为步骤3中在多晶硅上均匀涂覆光刻胶示意图；图5中d为步骤3中得到光刻胶层聚焦光栅波导结构图形示意图；图5中e为步骤4得到形成顶硅波导层示意图；图5中f为步骤5中沉积二氧化硅包覆层示意图；图5中g为步骤6.1中在二氧化硅包覆层上涂覆光刻胶示意图；图5中h为步骤6.2中得到光刻胶层聚焦凸透镜模型示意图；图5中i为步骤6.3完成聚焦凸透镜蚀刻示意图。
图6是本发明中单模光纤与带透镜的聚焦型垂直光栅耦合器耦合示意图。
图7是本发明中单模光纤阵列(FA)与带透镜的聚焦型垂直光栅耦合器耦合示意图。
附图标记：1-硅衬底层，2-二氧化硅埋氧层，3-顶部硅层，4-二氧化硅包覆层，41-凹槽，5-聚焦凸透镜，6-顶硅波导层，61-扇形聚焦光栅波导结构，62-条形波导结构，7-光刻胶，8-多晶硅层，9-光刻胶层聚焦光栅波导结构图形，10-光刻胶层聚焦凸透镜模型，11-单模光纤，12-单模光纤阵列。
具体实施方式
为了使本次发明带透镜的聚焦型垂直光栅耦合器高效耦合的特性得以说明，以及工艺流程更加直观明了，以下结合附图及实施例，对本发明的开展进一步详细说明。
实施例1：如图1至图4所示，本实施例提供了一种聚焦型垂直光栅耦合器，基于SOI基片制造，所述SOI基片从下至上依次包括硅衬底层1、二氧化硅埋氧层2和顶部硅层3，所述顶部硅层3上蚀刻出顶硅波导层6，所述顶硅波导层6由扇形聚焦光栅波导结构61和与扇形聚焦光栅波导结构61相连的条形波导结构62组成，所述扇形聚焦光栅波导结构61上覆盖有多晶硅层8，多晶硅层8及其四周的顶硅波导层6上方覆盖有二氧化硅包覆层4，二氧化硅包覆层4顶部设有与扇形聚焦光栅波导结构61位置对应的聚焦凸透镜5。
作为一种优选实施例，所述二氧化硅包覆层4顶部设有凹槽41，所述聚焦凸透镜5设于凹槽41内。
作为一种优选实施例，所述扇形聚焦光栅波导结构61的刻蚀深度为100-150纳米，有效长度为30-50微米，有效宽度也为30-50微米。更优的，所述扇形聚焦光栅波导结构61的刻蚀深度为150纳米，有效长度和宽度均为40微米。
作为一种优选实施例，所述聚焦透镜的最大直径为30-50微米，更优的为40微米，与扇形聚焦光栅波导结构61的长度和宽度相同。
作为一种优选实施例，所述凹槽为正方形截面凹槽，凹槽边长比聚焦凸透镜5的最大直径略大，一般大1-2微米左右，通过凹槽对聚焦凸透镜5提供了良好的保护。
作为一种优选实施例，所述聚焦透镜的最大厚度为12-20微米，更优的为20微米。
作为一种优选实施例，所述多晶硅层8的厚度为100-200纳米，更优的为150纳米。
实施例2：如图5所示，本实施例提供一种所述聚焦型垂直光栅耦合器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、图5中a所示，准备SOI基片，并清洗顶部硅层3；
步骤2、图5中b所示，在顶部硅层3上沉积多晶硅，形成多晶硅层8；
步骤3、图5中c所示，在多晶硅层8上均匀涂覆光刻胶7；
步骤3、图5中d所示，根据扇形聚焦光栅波导结构61和条形波导结构62的尺寸、形状，采用激光直写3D灰度光刻技术对光刻胶7进行曝光，之后显影，得到光刻胶层聚焦光栅波导结构图形9；
步骤4、图5中e所示，通过反应离子刻蚀，将光刻胶层聚焦光栅波导结构图形9转移到顶部硅层3上，得到扇形聚焦光栅波导结构61和与扇形聚焦光栅波导结构61相连的条形波导结构62，形成顶硅波导层6；
步骤5、图5中f所示，在顶硅波导层6上方沉积二氧化硅，形成二氧化硅包覆层4；
步骤6、图5中g至i所示，在扇形聚焦光栅波导结构61上方的二氧化硅包覆层4上蚀刻出聚焦凸透镜5，完成聚焦型垂直光栅耦合器的制备。
步骤6中，制备聚焦凸透镜5具体方法如下：
步骤6.1、图5中g所示，在二氧化硅包覆层4上涂覆光刻胶7；
步骤6.2、图5中h所示，根据聚焦凸透镜5尺寸、形状和位置，制备透镜结构灰度图，对光刻胶7进行曝光，对曝光后的光刻胶7进行显影处理，得到光刻胶层聚焦凸透镜模型10；
步骤6.3、图5中i所示，采用反应离子刻蚀，将光刻胶层聚焦凸透镜模型10转移至二氧化硅包覆层4上，在扇形聚焦光栅波导结构61正上方的二氧化硅包覆层4上形成聚焦凸透镜5，完成聚焦凸透镜5的制备。
图6和图7，单模光纤11发射出来的光依次通过凹槽41内的聚焦凸透镜5聚焦，经过二氧化硅包覆层4，通过扇形聚焦光栅波导结构61耦合到左侧的条形波导结构62中，本次发明可以实现单模光纤11和单模光纤阵列12与光栅耦合器耦合的情况，并且具有较高的耦合效率。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种聚焦型垂直光栅耦合器，基于SOI基片制造，所述SOI基片从下至上依次包括硅衬底层、二氧化硅埋氧层和顶部硅层，其特征在于：所述顶部硅层上蚀刻出由扇形聚焦光栅波导结构和与扇形聚焦光栅波导结构相连的条形波导结构组成的顶硅波导层，所述扇形聚焦光栅波导结构上覆盖有多晶硅层，多晶硅层及其四周的顶硅波导层上方覆盖有二氧化硅包覆层，二氧化硅包覆层顶部设有与扇形聚焦光栅波导结构位置对应的聚焦凸透镜。
2.根据权利要求1所述的聚焦型垂直光栅耦合器，其特征在于：所述二氧化硅包覆层顶部设有凹槽，所述聚焦凸透镜设于凹槽内。
3.根据权利要求2所述的聚焦型垂直光栅耦合器，其特征在于：所述扇形聚焦光栅波导结构的刻蚀深度为为100-150纳米，有效长度为30-50微米，有效宽度也为30-50微米。
4.根据权利要求2所述的聚焦型垂直光栅耦合器，其特征在于：所述聚焦透镜的最大直径为30-50微米。
5.根据权利要求2所述的聚焦型垂直光栅耦合器，其特征在于：所述聚焦透镜的最大高度为12-20微米。
6.根据权利要求2所述的聚焦型垂直光栅耦合器，其特征在于：所述多晶硅层的厚度为100-200纳米。
7.一种权利要求2-6任意一项所述聚焦型垂直光栅耦合器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、准备SOI基片，并清洗顶部硅层；
步骤2、在顶部硅层上沉积多晶硅，形成多晶硅层；
步骤3、在多晶硅层上均匀涂覆光刻胶；
步骤3、根据扇形聚焦光栅波导结构和条形波导结构的尺寸、形状，对光刻胶进行曝光和显影，得到光刻胶层聚焦光栅波导结构图形；
步骤4、通过反应离子刻蚀，将光刻胶层聚焦光栅波导结构图形转移到顶部硅层上，得到扇形聚焦光栅波导结构和与扇形聚焦光栅波导结构相连的条形波导结构，形成顶硅波导层；
步骤5、在顶硅波导层上方沉积二氧化硅，形成二氧化硅包覆层；
步骤6、在扇形聚焦光栅波导结构上方的二氧化硅包覆层上蚀刻出聚焦凸透镜，完成带透镜聚焦型垂直光栅耦合器的制备。
8.根据权利要求7所述述聚焦型垂直光栅耦合器的制备方法，其特征在于：步骤3中采用3D灰度光刻技术对光刻胶进行曝光，之后显影，得到光刻胶层聚焦光栅波导结构图形。
9.根据权利要求7所述述聚焦型垂直光栅耦合器的制备方法，其特征在于：步骤5中，所述二氧化硅包覆层的厚度为50-60微米。
10.根据权利要求7所述述聚焦型垂直光栅耦合器的制备方法，其特征在于：步骤6中，制备聚焦凸透镜具体方法如下：
步骤6.1、在二氧化硅包覆层上涂覆光刻胶；
步骤6.2、根据聚焦凸透镜尺寸、形状和位置，制备透镜结构灰度图，对光刻胶进行曝光，对曝光后的光刻胶进行显影处理，得到光刻胶层聚焦凸透镜模型；
步骤6.3、采用反应离子刻蚀，将光刻胶层聚焦凸透镜模型转移至二氧化硅包覆层上，在扇形聚焦光栅波导结构正上方的二氧化硅包覆层上形成聚焦凸透镜，完成聚焦凸透镜的制备。
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