CN116027485A - 基于薄膜铌酸锂与氮化硅材料混合集成的光栅耦合器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于薄膜铌酸锂与氮化硅材料混合集成的光栅耦合器，包括自下至上依次层叠设置的硅衬底层、二氧化硅下包层、铌酸锂薄膜层、氮化硅层、二氧化硅上包层；其中，所述氮化硅层包括周期性光栅结构；所述铌酸锂薄膜层包括在其顶部依次连接设置的聚焦结构和波导结构；所述聚焦结构对应所述周期性光栅结构的位置设置。还提供光栅耦合器的制备方法。该光栅耦合器中周期性光栅结构的刻蚀精度要求不高，耦合损耗低，制备方法简单。
Description
技术领域
本发明属于光子器件设计领域，具体涉及基于薄膜铌酸锂与氮化硅材料混合集成的光栅耦合器及其制备方法。
背景技术
铌酸锂材料具有优异的物理特性，它具有较高的电光系数、压电系数、热光系数、声光系数和光弹性系数，被广泛应用于各类集成光子器件中，被认为是最有潜力的光电调制器材料之一。传统的铌酸锂器件通常基于体铌酸锂材料，通过钛扩散或质子交换工艺对单晶铌酸锂材料进行局部掺杂，略微提高掺杂区域的折射率，从而形成波导结构，但此种加工方式形成的波导结构由于芯层与包层的折射率差较小，导致可加工器件具有尺寸较大，调制所需长度较长，非线性效率低等缺点。绝缘体上铌酸锂技术为上述问题提供了解决途径。将亚微米厚度的单晶铌酸锂薄膜键合在硅基二氧化硅层上构成的新型材料体系其波导和芯层折射率差最大可达0.7，大大增加了波导对光模式的束缚能力和电光调控效应。但波导几何尺寸的减小和包层的高折射率差，使得铌酸锂光波导与标准单模光纤存在模场大小失配严重的问题，是长期困扰二者耦合并亟待解决的问题。
目前，在铌酸锂薄膜层上设置光栅耦合器件，或者在芯片边缘设置端面耦合器件，是解决该问题的两种常见技术方案。端面耦合器件通常利用模场较小的透镜光纤，与位于芯片边缘的模斑转换结构进行对接实现光能量的耦合，但端面耦合器件通常存在对准容差较小，器件尺寸较长和需要对端面抛光打磨后才能用于测试的缺点。光栅耦合器件是通过在波导层加工出周期性的光栅结构，通过光栅衍射的方式将从芯片表面入射的光能量耦合进波导中，因此它具有器件尺寸小、对准容差较大和可进行晶圆级测试的优点。但当前由于薄膜铌酸锂刻蚀技术的限制，很难对薄膜铌酸锂材料进行较高精度的刻蚀加工，因此难以形成周期性的光栅结构，耦合损耗较高。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种基于薄膜铌酸锂与氮化硅材料混合集成的光栅耦合器，该光栅耦合器中周期性光栅结构的刻蚀精度高，耦合损耗低。
本发明的第二个目的在于提供一种前述光栅耦合器的制备方法。
为实现本发明的第一个目的，提供一种基于薄膜铌酸锂与氮化硅材料混合集成的光栅耦合器，所述光栅耦合器包括自下至上依次层叠设置的硅衬底层、二氧化硅下包层、铌酸锂薄膜层、氮化硅层、二氧化硅上包层；其中，
所述氮化硅层包括周期性光栅结构；
所述铌酸锂薄膜层包括在其顶部依次连接设置的聚焦结构和波导结构；所述聚焦结构对应所述周期性光栅结构的位置设置。
本发明的光栅耦合器，优选地，所述周期性光栅结构的刻蚀深度与所述氮化硅层的厚度相同。
本发明的光栅耦合器，优选地，所述氮化硅层的厚度为200-400nm。
本发明的光栅耦合器，优选地，所述周期性光栅结构的周期范围为900-1300nm。
本发明的光栅耦合器，优选地，所述周期性光栅结构的占空比为0.35-0.65。
本发明的光栅耦合器，优选地，所述周期性光栅结构为聚焦型光栅结构；优选所述周期性光栅结构为扇形周期性光栅结构。
本发明的光栅耦合器，优选地，所述铌酸锂薄膜层中，所述聚焦结构通过其聚焦端与所述波导结构相连接。
本发明的光栅耦合器，优选地，所述聚焦结构为扇形聚焦结构，与所述扇形周期性光栅结构相对应。
本发明的光栅耦合器，优选地，所述扇形聚焦结构的圆心角为50-90°。
本发明的光栅耦合器，优选地，所述铌酸锂薄膜层的厚度为400-700nm；
本发明的光栅耦合器，优选地，所述聚焦结构和/或所述波导结构的刻蚀深度为100-300nm；
本发明的光栅耦合器，优选地，所述波导结构为脊形波导结构；优选所述波导结构的宽度为0.8-2.5μm。
本发明的光栅耦合器，优选地，所述二氧化硅下包层的厚度为1.5-3.5μm；和/或
所述二氧化硅上包层厚度为0.5-1.5μm。
优选地，所述光栅耦合器的适配耦合光纤为标准单模光纤，输入光源为TE模式，优选光源的倾斜角度为6-15°；
优选地，所述光栅耦合器的耦合带宽以光通信中的C波段为主。
为实现本发明的第二个目的，提供一种前述光栅耦合器的制备方法。
优选地，所述制备方法包括以下步骤：
所述光栅耦合器的适配耦合光纤为标准单模光纤，输入光源为TE模式，优选光源的倾斜角度为6-15°；
优选地，所述光栅耦合器的耦合带宽以光通信中的C波段为主。
本发明的有益效果在于：
本发明的基于薄膜铌酸锂与氮化硅材料混合集成的光栅耦合器，其周期性光栅结构、聚焦结构和波导结构的刻蚀精度高，耦合损耗低，耦合效率高；
与成熟的氮化硅工艺结合，避免了对薄膜铌酸锂层的刻蚀，能够利用现有技术加工出耦合效率较高的光栅结构；
采用的周期性光栅结构的尺寸略小于铌酸锂薄膜层中聚焦结构的设计，能够有效提高制作氮化硅层的周期性光栅结构时的套刻容差，提高了器件加工的良率；
本发明的光栅耦合器的制备方法，简单易操作，刻蚀精度高；
降低了工艺难度，不影响其它铌酸锂薄膜层器件的加工，提高了铌酸锂薄膜芯片单片集成的可行性。
附图说明
图1是本发明的基于薄膜铌酸锂与氮化硅材料混合集成的光栅耦合器在一种实施方式中的立体结构示意图；
图2是图1的俯视图；
图3是图1的A-A剖视图；
图4是图1所示光栅耦合器在无二氧化硅上包层时的结构示意图；
图5是本发明的基于薄膜铌酸锂与氮化硅材料混合集成的光栅耦合器在一种实施方式中的制备流程图；其中，
代表制备流程依次为：在绝缘体上薄膜铌酸锂芯片上淀积一层氮化硅层4；将氮化硅层4刻蚀成周期性光栅结构；淀积一层用于掩膜的二氧化硅材料作为掩膜层；对掩膜层进行刻蚀；在刻蚀掉掩膜层的基础上对铌酸锂薄膜层3进行刻蚀；淀积一层用于保护芯片整体结构的二氧化硅上包层5；
图6是本发明实施例1所得光栅耦合器D1的耦合谱线图；
图7是本发明实施例2所得光栅耦合器D2的耦合谱线图；
图8是本发明实施例3所得光栅耦合器D3的耦合谱线图。
具体实施方式
以下结合具体实施方式/实施例对本发明的技术方案及其效果做进一步说明。以下实施方式/实施例仅用于说明本发明的内容，发明并不仅限于下述实施方式或实施例。应用本发明的构思对本发明进行的简单改变都在本发明要求保护的范围内。
本发明提供一种基于薄膜铌酸锂与氮化硅材料混合集成的光栅耦合器，如图1-4所示，所述光栅耦合器包括自下至上依次层叠设置的硅衬底层1、二氧化硅下包层2、铌酸锂薄膜层3、氮化硅层4、二氧化硅上包层5；其中，
所述氮化硅层4包括周期性光栅结构；
所述铌酸锂薄膜层3包括在其顶部依次连接设置的聚焦结构31和波导结构32；所述聚焦结构31对应所述周期性光栅结构的位置设置。
本领域技术人员理解，所述二氧化硅上包层5为透明层。
本发明的基于薄膜铌酸锂与氮化硅材料混合集成的光栅耦合器，其周期性光栅结构、聚焦结构31和波导结构32的刻蚀精度高，耦合损耗低，效率高。
在一种实施方式中，所述光栅耦合器的适配耦合光纤为标准单模光纤，输入光源为TE模式，优选光源的倾斜角度为6-15°，比如7°、8°、9°、10°、11°、12°、13°和14°；
优选地，所述光栅耦合器的耦合带宽以光通信中的C波段为主。
在一种实施方式中，所述周期性光栅结构的刻蚀深度与所述氮化硅层4的厚度相同；优选所述氮化硅层4的厚度为200-400nm，比如250nm、300nm和350nm。
在一种实施方式中，所述周期性光栅结构的周期范围为900-1300nm，比如950nm、1000nm、1050nm、1100nm、1150nm、1200nm和1250nm；和/或
所述周期性光栅结构的占空比为0.35-0.65，比如0.4、0.45、0.5、0.55和0.6。
本领域技术人员理解，所述周期性光栅结构的周期范围和占空比可进一步根据所选芯片中铌酸锂材料的切向在所述范围内进行调整。
为保证器件性能，在一种实施方式中，所述周期性光栅结构的周期数量≥15，比如15、20、25、30甚至更多，具体上限可根据芯片尺寸进行调整。
在一种实施方式中，所述周期性光栅结构为聚焦型光栅结构；优选所述周期性光栅结构为扇形周期性光栅结构，优选所述扇形周期性光栅结构中，包括至少15个光栅，所述光栅为圆弧形光栅，多个所述光栅在一个扇形区域内同心、同圆心角、且半径依次递增设置；优选地，所述圆弧形光栅的第一个周期距离聚焦圆心的长度为20-40μm，比如25μm、30μm和35μm；所述圆弧形光栅的圆心角为50-90°，比如55°、60°、65°、70°、75°、80°和85°。
在一种实施方式中，所述铌酸锂薄膜层3中，铌酸锂的切向为X或Z。
在一种实施方式中，所述铌酸锂薄膜层3中，所述聚焦结构31通过其聚焦端与所述波导结构32相连接。
优选地，所述聚焦结构31为扇形聚焦结构，与所述扇形周期性光栅结构相对应；
优选地，所述扇形聚焦结构的圆心角为50-90°，比如55°、60°、65°、70°、75°、80°和85°；
在一种实施方式中，所述铌酸锂薄膜层3的厚度为400-700nm，比如450nm、500nm、550nm、600nm和650nm；
优选地，所述聚焦结构31和/或所述波导结构32的刻蚀深度为100-300nm，比如125nm、150nm、175nm、200nm、225nm、250nm和175nm；
优选地，所述周期性光栅结构可以略小于所述聚焦结构31，比如所述周期性光栅结构与所述聚焦结构31的相对边沿之间的距离为0-2μm，比如0.2μm、0.4μm、0.6μm、0.8μm、1.0μm、1.2μm、1.4μm、1.6μm和1.8μm。
采用的周期性光栅结构的尺寸略小于铌酸锂薄膜层中聚焦结构31的设计，能够有效提高制作氮化硅层的周期性光栅结构时的套刻容差，提高了器件加工的良率。
在一种实施方式中，所述波导结构32为脊形波导结构；优选所述波导结构32的宽度为0.8-2.5μm，比如1.0μm、1.2μm、1.4μm、1.6μm、1.8μm、2.0μm、2.2μm和2.4μm。
在一种实施方式中，所述二氧化硅下包层2的厚度为1.5-3.5μm，比如1.75μm、2μm、2.25μm、2.5μm、2.75μm、3μm和3.25μm。
本领域技术人员理解，当所采用的具体尺寸是基于当前行业中的标准绝缘体上薄膜铌酸锂芯片时，其二氧化硅下包层的厚度为2μm，若采用其它定制下包层厚度，在保证器件整体结构的基础上，可对其它参数进行调整。
在一种实施方式中，所述二氧化硅上包层5厚度为0.5-1.5μm，比如0.75μm、1μm和1.25μm。
在一种实施方式中，所述硅衬底层1厚度为200-800μm，比如300μm、400μm、500μm、600μm和700μm。
本发明还提供一种前述光栅耦合器的制备方法。
在一种实施方式中，所述制备方法包括以下步骤：
(1)在绝缘体上薄膜铌酸锂的芯片上，在铌酸锂薄膜层3上淀积一层氮化硅形成氮化硅层4，然后在所得氮化硅层4上刻蚀出所述周期性光栅结构；
(2)在步骤(1)所得芯片结构上淀积一层二氧化硅形成掩膜层，用于保护所述氮化硅层4和铌酸锂薄膜层3；
(3)在步骤(2)基础上在铌酸锂薄膜层3上刻蚀出所述聚焦结构31和所述波导结构32；
(4)在步骤(3)所得芯片结构上淀积一层二氧化硅形成二氧化硅上包层5。
在一种实施方式中，制备流程如图5所示。
在一种实施方式中，步骤(1)、(2)和(4)中，所述淀积可采用等离子化学气相沉积技术进行。
在一种实施方式中，步骤(1)中，所述刻蚀采用电子束刻蚀技术进行。
在一种实施方式中，步骤(3)中，所述聚焦结构31采用接触式光刻显影技术进行刻蚀，所述波导结构32采用反应离子刻蚀技术进行刻蚀。
下面通过具体实施例和对比例进一步说明本发明。
实施例1(S1)
一种基于薄膜铌酸锂与氮化硅材料混合集成的光栅耦合器D1；如图1-4所示，包括自下至上依次层叠设置的硅衬底层1、二氧化硅下包层2、铌酸锂薄膜层3、氮化硅层4、二氧化硅上包层5；其中，
所述氮化硅层4包括周期性光栅结构；所述氮化硅层4的厚度为400nm，所述周期性光栅结构的刻蚀深度与所述氮化硅层4的厚度相同；
所述周期性光栅结构的周期范围为1100nm；
所述周期性光栅结构的周期数量为30；
所述周期性光栅结构的占空比为0.45；
所述周期性光栅结构为扇形周期性光栅结构，所述扇形周期性光栅结构中，所述光栅为圆弧形光栅，多个所述光栅在一个扇形区域内同心、同圆心角、且半径依次递增设置；所述圆弧形光栅的圆心角为50°；
所述铌酸锂薄膜层3包括在其顶部依次连接设置的聚焦结构31和波导结构32；所述聚焦结构31对应所述周期性光栅结构的位置设置；
所述聚焦结构31通过其聚焦端与所述波导结构32相连接；
所述聚焦结构31为扇形聚焦结构，与所述扇形周期性光栅结构相对应；
所述扇形聚焦结构的圆心角为50°；
所述铌酸锂薄膜层3的厚度为600nm，铌酸锂的切向为X；
所述聚焦结构31和所述波导结构32的刻蚀深度为200nm；
所述波导结构32为脊形波导结构；
所述二氧化硅下包层2的厚度为2μm；
所述二氧化硅上包层5厚度为1μm；
所述硅衬底层1厚度为500μm；
所述光栅耦合器D1的适配耦合光纤为标准单模光纤，输入光源为TE模式，光源的倾斜角度为10°；所述光栅耦合器的耦合带宽以光通信中的C波段为主。
实施例2(S2)
一种基于薄膜铌酸锂与氮化硅材料混合集成的光栅耦合器D2，与实施例1相比，仅有如下区别：
所述周期性光栅结构的周期范围为1000nm；
所述周期性光栅结构的周期数量为20；
所述周期性光栅结构的占空比为0.5；
所述扇形聚焦结构的圆心角为60°；
所述铌酸锂薄膜层3的厚度为600nm，切向为X；
所述聚焦结构31和所述波导结构32的刻蚀深度为200nm；
所述二氧化硅下包层2的厚度为3.5μm；
所述二氧化硅上包层5厚度为1μm；
所述硅衬底层1厚度为600μm。
实施例3(S3)
一种基于薄膜铌酸锂与氮化硅材料混合集成的光栅耦合器D3，与实施例1相比，仅有如下区别：
所述周期性光栅结构的周期范围为1300nm；
所述周期性光栅结构的周期数量为20；
所述周期性光栅结构的占空比为0.6；
所述扇形聚焦结构的圆心角为60°；
所述铌酸锂薄膜层3的厚度为400nm；
所述聚焦结构31和所述波导结构32的刻蚀深度为100nm；
所述二氧化硅下包层2的厚度为2μm；
所述二氧化硅上包层5厚度为1μm；
所述硅衬底层1厚度为800μm。
对实施例1-3(S1-3)所得光栅耦合器D1-3分别绘制耦合谱线，结果分别如图6-8所示。
根据图6可知，实施例1(S1)所得光栅耦合器D1的耦合损耗为-4.01dB，在C波段的带宽约为78nm；
根据图7可知，实施例7(S7)所得光栅耦合器D7的耦合损耗为-6.90dB，在C波段的带宽约为89nm；
根据图8可知，实施例3(S3)所得光栅耦合器D3的耦合损耗为-3.51dB，在C波段的带宽约为82nm。
Claims (10)
1.一种基于薄膜铌酸锂与氮化硅材料混合集成的光栅耦合器，其特征在于，所述光栅耦合器包括自下至上依次层叠设置的硅衬底层(1)、二氧化硅下包层(2)、铌酸锂薄膜层(3)、氮化硅层(4)、二氧化硅上包层(5)；其中，
所述氮化硅层(4)包括周期性光栅结构；
所述铌酸锂薄膜层(3)包括在其顶部依次连接设置的聚焦结构(31)和波导结构(32)；所述聚焦结构(31)对应所述周期性光栅结构的位置设置。
2.根据权利要求1所述的光栅耦合器，其特征在于，
所述周期性光栅结构的刻蚀深度与所述氮化硅层(4)的厚度相同；
优选地，所述氮化硅层(4)的厚度为200-400nm。
3.根据权利要求1或2所述的光栅耦合器，其特征在于，
所述周期性光栅结构的周期范围为900-1300nm；和/或
所述周期性光栅结构的占空比为0.35-0.65。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的光栅耦合器，其特征在于，
所述周期性光栅结构为聚焦型光栅结构；优选所述周期性光栅结构为扇形周期性光栅结构。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的光栅耦合器，其特征在于，
所述铌酸锂薄膜层(3)中，所述聚焦结构(31)通过其聚焦端与所述波导结构(32)相连接；
优选地，所述聚焦结构(31)为扇形聚焦结构，与所述扇形周期性光栅结构相对应；
优选地，所述扇形聚焦结构的圆心角为50-90°。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的光栅耦合器，其特征在于，
所述铌酸锂薄膜层(3)的厚度为400-700nm；
优选地，所述聚焦结构(31)和/或所述波导结构(32)的刻蚀深度为100-300nm；
优选地，所述波导结构(32)为脊形波导结构；优选所述波导结构(32)的宽度为0.8-2.5μm。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的光栅耦合器，其特征在于，
所述二氧化硅下包层(2)的厚度为1.5-3.5μm；和/或
所述二氧化硅上包层(5)厚度为0.5-1.5μm。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的光栅耦合器，其特征在于，
所述光栅耦合器的适配耦合光纤为标准单模光纤，输入光源为TE模式，优选光源的倾斜角度为6-15°；
优选地，所述光栅耦合器的耦合带宽以光通信中的C波段为主。
9.一种如权利要求1-8中任一项所述光栅耦合器的制备方法。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)在绝缘体上薄膜铌酸锂的芯片上，在铌酸锂薄膜层(3)上淀积一层氮化硅形成氮化硅层(4)，然后在所得氮化硅层(4)上刻蚀出所述周期性光栅结构；
(2)在步骤(1)所得芯片结构上淀积一层二氧化硅形成掩膜层；
(3)在步骤(2)基础上在铌酸锂薄膜层(3)上刻蚀出所述聚焦结构(31)和所述波导结构(32)；
(4)在步骤(3)所得芯片结构上淀积一层二氧化硅形成二氧化硅上包层(5)。
Priority Applications (1)
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| CN202211550410.4A CN116027485A (zh) | 2022-12-05 | 2022-12-05 | 基于薄膜铌酸锂与氮化硅材料混合集成的光栅耦合器及其制备方法 |
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