CN116594109A - 光模块及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种光模块及其制备方法，用于解决耦合损耗高且制备难度大的技术问题。该光模块包括：衬底、位于衬底内的目标波导、设置在衬底上的介质层，以及埋设在介质层内的至少两个亚波长光栅结构，至少两个亚波长光栅结构沿远离衬底的方向间隔排布，且相对设置，每个亚波长光栅结构在衬底上的正投影与目标波导在衬底上的正投影具有重合区。利用亚波长光栅结构的有效折射率可以调控的特点进行模斑转换，并将转换后的光耦合至目标波导中，可以降低耦合损耗。同时采用亚波长光栅结构，光模块的结构较为简单且没有引用新材料，可以与半导体工艺兼容，制备难度低。

Description

光模块及其制备方法

技术领域

本发明实施例涉及半导体技术领域，尤其涉及一种光模块及其制备方法。

背景技术

随着通信技术的进步，光通信随之不断发展。光通信中，光信号可以在失真或衰减小的情况下长距离传输，能够满足数据传输需求，其中，光模块作为光通信的核心部件，其性能至关重要。硅光集成技术是实现高集成度、大带宽的光模块关键技术，其采用大规模集成电路工艺将调制器阵列、探测器、无源器件等集成在同一个芯片上，利用片上集成代替传统的分立器件封装方案，能够大幅度降低封装的难度，提升整体光模块的带宽，并且能够有效降低成本。

光模块包括激光器、硅光芯片和光纤等，硅光芯片需要与光纤、激光器等进行低损耗的耦合。其中，硅光芯片中的硅波导通常为220纳米的厚度，400-500纳米的宽度，而光纤的纤芯尺寸为10微米直径，激光器出光的光场一般也在3微米左右。尺寸的巨大差异往往引起光模场的严重失配，使得光模块在传输光的过程中产生较大的损耗，从而可能使得整体的光链路预算不足，光模块的传输距离和性能都会受到较大的影响。

为此，光模块通常需要进行硅光耦合，然而，光模块往往存在耦合损耗较高或者制备难度大的问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明实施例提供一种光模块及其制备方法，降低耦合损耗和制备难度。

本发明实施例的第一方面提供一种光模块，其包括：衬底、位于所述衬底内的目标波导、设置在所述衬底上的介质层，以及埋设在所述介质层内的至少两个亚波长光栅结构，所述至少两个亚波长光栅结构沿远离所述衬底的方向间隔排布，且相对设置，每个所述亚波长光栅结构在所述衬底上的正投影与所述目标波导在所述衬底上的正投影具有重合区。

在一些可能的示例中，每个所述亚波长光栅结构包括亚波长光栅，以及与所述亚波长光栅一端连接的传输波导，所述亚波长光栅用于接收到的光进行模斑转换，并将转换后的光传输至所述传输波导，所述传输波导在所述衬底上的正投影与所述目标波导在所述衬底上的正投影具有重合区。

在一些可能的示例中，所述亚波长光栅包括相对设置的两层第一光栅，以及位于所述两层第一光栅之间的第二光栅，所述第一光栅和所述第二光栅均沿第一方向延伸；

沿所述第一方向，所述第一光栅的第一端凸出于所述第二光栅的第一端，且所述第二光栅的第二端凸出于所述第一光栅的第二端，所述第二光栅的第二端连接所述传输波导，所述第一光栅的第二端为靠近所述传输波导。

在一些可能的示例中，所述第一光栅包括沿所述第一方向间隔排布的多个第一硅块，所述第二光栅包括沿所述第一方向间隔排布的多个第二硅块，以及连接在沿所述第一方向凸出所述第一硅块的相邻所述第二硅块之间的第三硅块，且沿远离所述第一硅块的方向，所述第三硅块的尺寸逐渐增加。

在一些可能的示例中，所述第三硅块为梯形硅块，所述梯形硅块的上底靠近所述第一硅块，且多个所述梯形硅块同一侧的腰位于一条直线上。

在一些可能的示例中，所述第一硅块和所述第二硅块均为矩形硅块，多个所述第一硅块等间隔排布，多个所述第二硅块等间隔排布，且所述第一硅块之间的间隔与所述第二硅块之间的间隔相等。

在一些可能的示例中，沿所述第一方向，所述第一硅块和所述第二硅块交叉设置。

在一些可能的示例中，所述第一硅块的大小与所述第二硅块的大小相同，所述第三硅块与所述第二硅块的厚度相同，且所述第三硅块的长度小于或者等于所述第二硅块的长度。

在一些可能的示例中，所述衬底为绝缘体上硅衬底，所述绝缘体上硅衬底包括依次层叠设置的硅衬底层、埋氧层和硅顶层，所述目标波导设置在所述硅顶层。

本发明实施例的光模块至少具有以下优点：

本发明实施例的光模块包括衬底、位于衬底内的目标波导、设置在衬底上的介质层，以及埋设在介质层内的至少两个亚波长光栅结构。至少两个亚波长光栅结构包覆在介质层内部，利用亚波长光栅结构的有效折射率可以调控的特点，对接收到的光进行模斑转换，并将转换后的光通过衰逝波耦合至目标波导中，使得硅光芯片的模场与光纤或者激光器等的光斑相当，从而实现模式半径与光斑尺寸的匹配，匹配效果较好，且其具有宽光谱和偏振不敏感的特点，并可以降低耦合损耗。同时亚波长光栅结构的结构较为简单，且还没有引入新的材料（例如氮化物），可以与半导体工艺兼容，例如采用CMOS工艺，且对加工线宽的要求更低，使得光模块还具备工艺容差大且而简单的优点，并根据是与激光器耦合还是与光纤耦合灵活调整亚波长光栅结构的参数，可制造性强，便于实现规模化。

本发明实施例的第二方面提供一种光模块的制备方法，其包括：

步骤a：提供衬底，所述衬底的顶层形成有目标波导；

步骤b：在所述衬底上沉积绝缘材料，形成覆盖所述目标波导的第一介质层，并对所述第一介质层的顶面平坦化处理；

步骤c：在所述第一介质层上形成初始亚波长光栅层；

步骤d：刻蚀所述初始亚波长光栅层，以形成亚波长光栅结构；

步骤e：在所述亚波长光栅结构上沉积绝缘材料，形成覆盖所述亚波长光栅结构的第二介质层，并对所述第二介质层的顶面平坦化处理，平坦化处理后的所述第二介质层形成新的所述第一介质层；

重复所述步骤c至所述步骤e，直至所述亚波长光栅结构的数量达到预设值，所述预设值大于或者等于2，所有的所述第一介质层形成介质层。

本发明实施例的光模块的制备方法至少具有以下优点：

本发明实施例中的光模块的制备方法中，通过在相邻两个第一介质层之间形成亚波长光栅结构，且所有的第一介质层形成介质层，亚波长光栅结构的数量大于或者等于2，从而将至少两个亚波长光栅结构包覆在介质层内部。利用亚波长光栅结构的有效折射率可以调控的特点，对接收到的光进行模斑转换，并将转换后的光通过衰逝波耦合至目标波导中，使得硅光芯片的模场与光纤或者激光器等的光斑相当，从而实现模式半径与光斑尺寸的匹配，其具有宽光谱和偏振不敏感的特点，并可以降低耦合损耗。同时亚波长光栅结构的结构较为简单，且还没有引入新的材料（例如氮化物），可以与半导体工艺兼容，例如采用CMOS工艺，使得光模块还具备工艺容差大且而简单的优点，并根据是与激光器耦合还是与光纤耦合灵活调整亚波长光栅结构的参数，可制造性强，便于实现规模化。

除了上面所描述的本发明实施例解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的有益效果外，本发明实施例提供的光模块及其制备方法所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的有益效果，将在具体实施方式中作出进一步详细的说明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中的光模块的立体示意图；

图2为本发明实施例中的光模块的侧视图；

图3为本发明实施例中的亚波长光栅结构的结构示意图；

图4为本发明实施例中的衬底的结构示意图；

图5为本发明实施例中的形成第一层二氧化硅后的结构示意图；

图6为本发明实施例中的形成第一层多晶硅后的结构示意图；

图7为本发明实施例中的形成一个亚波长光栅结构后的结构示意图；

图8为本发明实施例中的形成第二层二氧化硅后的结构示意图；

图9为本发明实施例中的形成第二层多晶硅后的结构示意图；

图10为本发明实施例中的形成另一个亚波长光栅结构后的结构示意图；

图11为本发明实施例中的形成第三层二氧化硅后的结构示意图；

图12为本发明实施例中的连接光纤后的结构示意图。

附图标记说明：

10-光纤； 20-衬底；

21-硅衬底层； 22-埋氧层；

23-硅顶层； 24-目标波导；

25-隔离层； 30-介质层；

40-亚波长光栅结构； 41-第一光栅；

42-第二光栅； 43-传输波导；

44-第一硅块； 45-第二硅块；

46-第三硅块； 51-第一层二氧化硅；

52-第一层多晶硅； 53-第二层二氧化硅；

54-第二层多晶硅； 55-第三层二氧化硅。

具体实施方式

相关技术存在光模块的耦合损耗较高或者制备难度大的问题，经发明人研究发现，其原因在于：光模块内通常采用光栅耦合或者端面耦合，光栅耦合是在目标波导的端部设置光栅，光纤等与光栅呈接近90°，利用光纤等与光栅的垂直耦合将光输入到目标波导。然而，光栅耦合受到偏振的影响，不同的偏振具有不同的耦合损耗，而且光谱范围很窄，即耦合损耗较高且偏振敏感，不适合采用波分复用等方式的硅光模块使用。

端面耦合是在目标波导的端部设置耦合结构，耦合结构与光纤等端面对接，通过耦合结构进行模式转换，实现高效率耦合。端面耦合包括采用反向锥型耦合器和采用氮化硅端面耦合器。其中，反向锥型耦合器具有宽光谱和偏振不敏感的特性，但是由于需要制作尖锥形，对工艺要求较高，制备的难度较高。氮化硅端面耦合器利用单层氮化硅或多层氮化硅结构实现模场的扩展，从而降低耦合损耗，需要引入氮化硅材料，可能会引起额外的应力，此外也会带来工艺的复杂性，增加制备的难度。

本发明实施例提供一种光模块，衬底具有目标波导，衬底上设置介质层，介质层内埋设有沿远离衬底的方向间隔排布的至少两个波长光栅结构，且至少两个亚波长光栅结构与目标波导相对。利用亚波长光栅结构的有效折射率可以调控的特点对接收到的光进行模斑转换，并将转换后的光通过衰逝波耦合至目标波导中，具有宽光谱和偏振不敏感的特点，并可以降低耦合损耗。同时亚波长光栅结构的结构较为简单，且还没有引入新的材料，可以与半导体工艺兼容，降低制备难度。

为了使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。

参阅图1和图2，本发明实施例提供一种光模块，该光模块可以实现光纤10或者激光器等结构和硅光芯片的光耦合。具体的，光模块包括衬底20、目标波导24、介质层30，以及至少两个亚波长光栅结构40。需要说明的是，图1中仅画出部分亚波长光栅结构40，即图1中的亚波长光栅结构40并不完整，仅为说明亚波长光栅结构40的位置。

光纤10或者激光器等结构与衬底20和介质层30的侧面相接触，以与目标波导24和至少两个亚波长光栅结构40相间隔。光纤10或者激光器中的光经至少两个亚波长光栅结构40耦合至目标波导24内，并使光斑尺寸与模式半径相适配。其中，光纤10可以是单模光纤也可以是透镜光纤，除了光纤10与激光器外，衬底20和介质层30的侧面还可以连接透镜等可以入射光的结构。

衬底20可以为绝缘体上硅（Silicon On Insulator，简称为SOI）衬底，绝缘体上硅衬底包括硅衬底层21、设置在硅衬底层上的埋氧层22，以及设置在埋氧层22上的硅顶层23，即硅衬底层、埋氧层22和硅顶层23依次层叠设置。通过在硅衬底层和硅顶层23之间设置埋氧层22，可以减少衬底20的漏电流。

其中，硅衬底层21和硅顶层23的材质可以包括单晶硅或者多晶硅，埋氧层22的材质可以为氧化物，例如二氧化硅。埋氧层22的厚度可以为1-3微米，硅衬底层21的厚度可以为200-600微米，硅顶层23的厚度小于埋氧层22的厚度，例如，硅顶层23的厚度为220纳米。

目标波导24设置在硅顶层23，且暴露在硅顶层23的表面。目标波导24的宽度为400-550纳米。硅顶层23还包括环绕目标波导24的隔离层，以将目标波导24隔离。示例性的，目标波导24可以通过图形化工艺形成，即对整个连续完整的硅顶层23进行刻蚀，去除部分硅顶层23，以形成环形通槽，环形通槽内的部分硅顶层23即为目标波导24。再在环形通槽内沉积隔离层25，隔离层25的顶面与硅顶层23的顶面齐平，隔离层25的材质可以为绝缘材料，例如二氧化硅。

介质层30设置在衬底20上，其覆盖衬底20，且内部设置有至少两个亚波长光栅结构40，以对目标波导24和至少两个亚波长光栅结构40进行隔离和支撑。介质层30的材质为绝缘材料，例如为二氧化硅。其中，在衬底20为绝缘体上硅衬底的示例中，介质层30覆盖目标波导24、硅顶层23与隔离层25。其中，介质层30、隔离层25和埋氧层22的材质可以相同，以使三者形成一体，两两之间具有较好的结合性能，避免出现层间分离。

亚波长光栅结构40至少具有两个，且至少两个亚波长光栅结构40埋设在介质层30内。其中，至少两个亚波长光栅结构40埋设在介质层30内是指，至少两个亚波长光栅结构40位于介质层30的内部，没有暴露在介质层30的顶面、底面及侧面，其由介质层30包覆。

至少两个亚波长光栅结构40沿远离衬底20的方向排布，即亚波长光栅结构40形成多层。其中，至少两个亚波长光栅结构40均位于衬底20的上方，且相邻两个亚波长光栅结构40中的一个亚波长光栅结构40位于另一个亚波长光栅结构40的上方，如图2所示，至少两个亚波长光栅结构40沿上下方向排布。

至少两个亚波长光栅结构40将接收到的光进行模斑转换，并将转换后的光通过衰逝波耦合至目标波导24中，使硅光芯片的模场与光纤10或者激光器等光斑相当。通过设置多个亚波长光栅结构40，充分利用亚波长光栅结构40的有效折射率可以调控的特点。多层亚波长光栅结构40有利于将硅光芯片的模场扩大到与光纤10或激光器光斑相当的尺寸，从而实现模式半径与光斑尺寸的匹配，匹配效果较好，且其具有宽光谱和偏振不敏感的特点，并可以降低耦合损耗。同时亚波长光栅结构40的结构较为简单，且还没有引入新的材料（例如氮化物），可以与半导体工艺兼容，且对加工线宽的要求更低，使得光模块还具备工艺容差大且而简单的优点。

至少两个亚波长光栅结构40相对设置，本发明实施例中，至少两个亚波长光栅结构40正对，即多个亚波长光栅结构40在衬底20上的正投影相重合，以提高至少两个亚波长光栅结构40的耦合效果与耦合效率。

每个亚波长光栅结构40在衬底20上的正投影与目标波导24在衬底20上的正投影具有重合区。也就是说，沿垂直与衬底20的方向，每个亚波长光栅结构40的部分区域与目标波导24的部分区域正对，以使每个亚波长光栅结构40可以耦合至目标波导24中。

参阅图3，在一些示例中，每个亚波长光栅结构40包括亚波长光栅，以及与亚波长光栅一端连接的传输波导43。亚波长光栅用于接收到的光进行模斑转换，并将转换后的光传输至传输波导，传输波导43在衬底20上的正投影与目标波导24在衬底20上的正投影具有重合区。其中，亚波长光栅指的是光栅周期远小于入射光波长的光栅。由于亚波长光栅的光栅周期远小于入射光波长，亚波长光栅反射的光可以忽略，入射光通过亚波长光栅继续向前传播。

如图3所示，亚波长光栅包括相对设置的两层第一光栅41，以及位于这两层第一光栅41之间的第二光栅42，第二光栅42连接传输波导43。第一光栅41和第二光栅42均沿第一方向（图3所示X方向）延伸，第一方向为光的传播方向。第一光栅41和第二光栅42间隔设置，且第二光栅42位于第一光栅41之间。第二光栅42与目标波导24相对设置，例如第二光栅42远离光纤10或者激光器的一端相对，以使光经过亚波长光栅调整后耦合至目标波导24，进而使得每个亚波长光栅充分发挥模斑转换的作用。

沿第一方向，第一光栅41的第一端凸出于第二光栅42的第一端，且第二光栅42的第二端凸出于第一光栅41的第二端，第一端和第二端相对设置。第二光栅42的第二端（图3所示上端）连接传输波导43，第一光栅41的第二端（图3所示上端）靠近传输波导43。也就是说，第一光栅41靠近光纤10或者激光器的一端凸出于第二光栅42的靠近光纤10或者激光器的一端；第二光栅42靠近传输波导43的一端凸出于第一光栅41靠近传输波导43的一端。

可以理解的是，亚波长光栅包括沿第一方向依次连接的第一区域、第二区域和第三区域，第一区域邻近光纤10或者激光器，第三区域邻近传输波导43。其中，第一区域内设置有相对设置的第一光栅41的第一部分。第二区域内设置有相对设置的第一光栅41的第二部分，以及第二光栅42的第一部分，且第二光栅42的第一部分位于两层第一光栅41的第二部分之间。第三区域内设置有第二光栅42的第二部分。第一光栅41的第一部分和第一光栅41的第二部分沿第一方向排布并连接，第二光栅42的第一部分和第二光栅42的第二部分沿第一方向排布并连接。

至少两个亚波长光栅结构40接收到的光后，光同时在所有的亚波长光栅结构40中的第一光栅41传输，并从第一光栅41耦合至第二光栅42及传输波导43。之后，光从远离衬底20的第二光栅42和传输波导43开始逐层向下耦合，最终由靠近衬底20的第二光栅42和传输波导43耦合至目标波导24。

在一些可能的示例中，第一光栅41包括沿第一方向间隔排布的多个第一硅块44，即多个第一硅块44沿第一方向不连续。第二光栅42包括多个第二硅块45和多个第三硅块46，其中，多个第二硅块45沿第一方向间隔排布，即多个第二硅块45沿第一方向不连续。通过第一硅块44、第二硅块45和第三硅块46可以逐次调整光斑的大小，且第三硅块46还用于耦合光至目标波导24中。第一硅块44、第二硅块45和第三硅块46的材料可以为多晶硅，形成阵列化的排布。

在一些示例中，第一硅块44和第二硅块45均为矩形硅块，多个第一硅块44等间隔排布，多个第二硅块45等间隔排布，且第一硅块44之间的间隔与第二硅块45之间的间隔相等。即沿第一方向相邻的第一硅块44之间的间距相等，沿第一方向相邻的第一硅块44之间的间距相等，且第一硅块44之间的间距与第二硅块45之间的间距相等，以将从光纤10或者激光器输入的光稳定地耦合到第一硅块44和第二硅块45中。

进一步地，第一硅块44的大小与第二硅块45的大小相同，即多个第一硅块44与多个第二硅块45的长度相等、宽度相等且厚度相等。多个第一硅块44和第二硅块45采用相同的尺寸，便于第一硅块44和第二硅块45的制作。第一硅块44和第二硅块45的宽度为第一硅块44和第二硅块45沿第一方向的尺寸，第一硅块44和第二硅块45的长度为第一硅块44和第二硅块45沿垂直于第一方向的尺寸。

其中，第一硅块44的间距为第一光栅41的光栅周期，第二硅块45的间距为第二光栅42的光栅周期。第一硅块44的大小与间距，第二硅块45的大小与间距均可以根据耦合的需要进行调整。

继续参阅图3，沿第一方向，第一硅块44和第二硅块45交叉设置，即沿第一方向，第一硅块44和第二硅块45依次交替排布。第一硅块44位于相邻两个第二硅块45之间，第二硅块45位于相邻两个第一硅块44之间。通过第二硅块45对光进行模式转换，调整模式半径，并耦合至第一硅块44，并沿第一硅块44耦合至传输波导43，最终光由传输波导43通过衰逝波耦合至目标波导24。

多个第三硅块46沿第一方向间隔排布，且沿第一方向凸出第一硅块44的相邻两个第二硅块45之间均连接有第三硅块46。可以理解的是，沿第一方向，第三硅块46与第一硅块44错位设置，即沿第一方向，第三硅块46与第一硅块44不具有重叠区域。通过设置第三硅块46，将第二光栅42由分离逐渐过渡到连续，并与传输波导43连接。

沿远离第一硅块44的方向，第三硅块46的尺寸逐渐增加。通过第三硅块46可以进一步调整光斑的形状与大小，使之与目标波导24相适配。第三硅块46为梯形硅块，梯形硅块的上底靠近第一硅块44，即梯形硅块的尖端朝向第一硅块44。多个梯形硅块的中心线相重合，且多个梯形硅块同一侧的腰位于一条直线上。梯形硅块比例变化，以使多个梯形硅块一侧的腰位于一条直线上，另一侧的腰位于另一条直线上。

第三硅块46与第二硅块45的厚度相同，且第三硅块46的长度小于或者等于第二硅块45的长度。第三硅块46与第二硅块45等厚，以便于第三硅块46与第二硅块45的同时制作。第三硅块46的长度小于或者等于第二硅块45的长度。其中，在第三硅块46为梯形硅块的示例中，多个第三硅块46的上底的长度均小于第二硅块45的长度，多个第三硅块46的下底的长度小于或者等于第二硅块45的长度。

本发明实施例中，光纤10或者激光器连接在光模块的侧面，即与衬底20和介质层30的侧面相接触，以与目标波导24和至少两个亚波长光栅结构40相间隔。光纤10或者激光器中的光经至少两个亚波长光栅结构40耦合至目标波导24内，并使光斑尺寸与模式半径相适配。

综上，本发明实施例中的光模块包括衬底20、位于衬底20内的目标波导24、设置在衬底20上的介质层30，以及埋设在介质层30内的至少两个亚波长光栅结构40，至少两个亚波长光栅结构40包覆在介质层30内部，利用亚波长光栅结构40的有效折射率可以调控的特点，对接收到的光进行模斑转换，并将转换后的光通过衰逝波耦合至目标波导24中，使得硅光芯片的模场与光纤10或者激光器等光斑相当，从而实现模式半径与光斑尺寸的匹配，匹配效果较好，且其具有宽光谱和偏振不敏感的特点，并可以降低耦合损耗。同时亚波长光栅结构40的结构较为简单，且还没有引入新的材料（例如氮化物），可以与半导体工艺兼容，例如采用CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）工艺，且对加工线宽的要求更低，使得光模块还具备工艺容差大且而简单的优点，并根据是与激光器耦合还是光纤10耦合灵活调整亚波长光栅结构40的参数，可制造性强，便于实现规模化。

本发明实施例还提供一种光模块的制备方法，该制备方法具体包括以下步骤：

步骤a：提供衬底，衬底的顶层形成有目标波导。

步骤b：在衬底上沉积绝缘材料，形成覆盖目标波导的第一介质层，并对第一介质层的顶面平坦化处理。

步骤c：在第一介质层上形成初始亚波长光栅层。

步骤d：刻蚀初始亚波长光栅层，以形成亚波长光栅结构。

步骤e：在亚波长光栅结构上沉积绝缘材料，形成覆盖亚波长光栅结构的第二介质层，并对第二介质层的顶面平坦化处理，平坦化处理后的第二介质层形成新的第一介质层。

重复步骤c至步骤e，直至亚波长光栅结构的数量达到预设值，预设值大于或者等于，所有的第一介质层形成介质层。

在一些示例中，提供衬底，衬底的顶层形成有目标波导（步骤a）包括：提供绝缘体上硅衬底，绝缘体上硅衬底包括硅衬底层、设置在硅衬底层上的埋氧层，以及设置在埋氧层上的硅顶层。刻蚀硅顶层，在硅顶层形成目标波导。

其中，硅衬底层、埋氧层和硅顶层依次层叠设置，硅衬底层和硅顶层的材质可以包括单晶硅或者多晶硅，埋氧层的材质可以为氧化物，例如二氧化硅。硅衬底层的厚度可以为200-600微米，埋氧层的厚度可以为1-3微米，硅顶层的厚度小于埋氧层的厚度，例如，硅顶层的厚度为220纳米，目标波导的宽度为400-550纳米。

可以理解的是，刻蚀硅顶层以形成目标波导时，可以在硅顶层内形成环形通槽，环形通槽贯穿硅顶层，并在环形通槽内沉积隔离层。隔离层所围合的硅顶层形成目标波导，其余的硅顶层不参与耦合。相较于去除目标波导之外的所有硅顶层，即硅顶层只剩余目标波导，形成环形通槽将目标波导隔离出来，可以减少硅顶层刻蚀去除的体积，提高光模块的制备效率。

在衬底上沉积绝缘材料，在绝缘材料上形成亚波长光栅结构，并在亚波长光栅结构上继续沉积绝缘材料，并重复形成亚波长光栅结构和绝缘材料，直至亚波长光栅结构的数量达到预设值，预设值大于或者等于2。所有的绝缘材料形成介质层，介质层位于衬底上，包覆多层亚波长光栅结构，并隔离各亚波长光栅结构。

具体的，在衬底上沉积绝缘材料，形成第一介质层，第一介质层覆盖目标波导。对第一介质层的顶面平坦化处理，以形成较为平整的顶面。在第一介质层上形成初始亚波长光栅层，并刻蚀初始亚波长光栅层，形成亚波长光栅结构。在亚波长光栅结构上沉积绝缘材料，形成第二介质层，第二介质层覆盖亚波长光栅结构。对第二介质层的顶面平坦化处理，以形成较为平整的顶面，平坦化处理后的第二介质层形成新的第一介质层。依次重复形成亚波长光栅结构和形成新的第一介质层的过程，直至形成所有的亚波长光栅结构。所有的第一介质层形成介质层。形成介质层后，将光纤端面对准多层亚波长光栅结构，并进行涂胶固化。

为了便于理解，以绝缘材料为二氧化硅、亚波长光栅结构的材质为多晶硅且数量为两个为例进行具体阐述光模块的制备过程，参阅图4至图12，光模块的制备过程包括：

提供衬底20，衬底20的顶层形成有目标波导24。如图4所示，目标波导24的厚度可以为200-240纳米。

沉积第一层二氧化硅51，并利用化学机械抛光将第一层二氧化硅51的表面平坦化。如图5所示，第一层二氧化硅51覆盖目标波导24，第一层二氧化硅51的厚度可以为0.5-2微米。

沉积第一层多晶硅52。如图6所示，第一层多晶硅52的厚度可以为200-300纳米。

通过光刻和干法刻蚀工艺对第一层多晶硅52进行加工，以使第一层多晶硅52形成第一层亚波长光栅结构40。如图6和图7所示，利用电感耦合等离子体刻蚀（InductivelyCoupled Plasma-Reactive Ion Etching，简称ICP-RIE）形成亚波长光栅结构40。

沉积第二层二氧化硅53，并利用化学机械抛光将第二层二氧化硅53的表面平坦化。如图8所示，第二层二氧化硅53的厚度大于第一层亚波长光栅结构40的厚度，第二层二氧化硅53的厚度可以为0.5-2微米。

沉积第二层多晶硅54。如图9所示，第二层多晶硅54的厚度可以为200-300纳米。

通过光刻和干法刻蚀工艺对第二层多晶硅54进行加工，以使第二层多晶硅54形成第二层亚波长光栅结构40。如图9和图10所示，第二层亚波长光栅结构40位于第一层亚波长光栅结构40上方。

沉积第三层二氧化硅55，并利用化学机械抛光将第三层二氧化硅55的表面平坦化。如图11所示，第三层二氧化硅55的厚度大于第二层亚波长光栅结构40的厚度，第三层二氧化硅55的厚度可以为0.5-2微米。

将光纤10端面对准多层亚波长光栅结构40，并进行涂胶固化。如图12所示，在光模块的侧面固定光纤10。

综上，本发明实施例中的光模块的制备方法中，通过在相邻两个第一介质层之间形成亚波长光栅结构，且所有的第一介质层形成介质层，亚波长光栅结构的数量大于或者等于，从而将至少两个亚波长光栅结构包覆在介质层内部。利用亚波长光栅结构的有效折射率可以调控的特点，对接收到的光进行模斑转换，并将转换后的光通过衰逝波耦合至目标波导中，使得硅光芯片的模场与光纤或者激光器等光斑相当，从而实现模式半径与光斑尺寸的匹配，其具有宽光谱和偏振不敏感的特点，并可以降低耦合损耗。同时亚波长光栅结构的结构较为简单，且还没有引入新的材料（例如氮化物），可以与半导体工艺兼容，例如采用CMOS工艺，使得光模块还具备工艺容差大且而简单的优点，并根据是与激光器耦合还是光纤耦合灵活调整亚波长光栅结构的参数，可制造性强，便于实现规模化。

本说明书中各实施例或实施方式采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分相互参见即可。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、 “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是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种光模块，其特征在于，包括：衬底、位于所述衬底内的目标波导、设置在所述衬底上的介质层，以及埋设在所述介质层内的至少两个亚波长光栅结构，所述至少两个亚波长光栅结构沿远离所述衬底的方向间隔排布，且相对设置，每个所述亚波长光栅结构在所述衬底上的正投影与所述目标波导在所述衬底上的正投影具有重合区。

2.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于，每个所述亚波长光栅结构包括亚波长光栅，以及与所述亚波长光栅一端连接的传输波导，所述亚波长光栅用于接收到的光进行模斑转换，并将转换后的光传输至所述传输波导，所述传输波导在所述衬底上的正投影与所述目标波导在所述衬底上的正投影具有重合区。

3.根据权利要求2所述的光模块，其特征在于，所述亚波长光栅包括相对设置的两层第一光栅，以及位于所述两层第一光栅之间的第二光栅，所述第一光栅和所述第二光栅均沿第一方向延伸；

沿所述第一方向，所述第一光栅的第一端凸出于所述第二光栅的第一端，且所述第二光栅的第二端凸出于所述第一光栅的第二端，所述第二光栅的第二端连接所述传输波导，所述第一光栅的第二端靠近所述传输波导。

4.根据权利要求3所述的光模块，其特征在于，所述第一光栅包括沿所述第一方向间隔排布的多个第一硅块，所述第二光栅包括沿所述第一方向间隔排布的多个第二硅块，以及连接在沿所述第一方向凸出所述第一硅块的相邻所述第二硅块之间的第三硅块，且沿远离所述第一硅块的方向，所述第三硅块的尺寸逐渐增加。

5.根据权利要求4所述的光模块，其特征在于，所述第三硅块为梯形硅块，所述梯形硅块的上底靠近所述第一硅块，且多个所述梯形硅块同一侧的腰位于一条直线上。

6.根据权利要求4所述的光模块，其特征在于，所述第一硅块和所述第二硅块均为矩形硅块，多个所述第一硅块等间隔排布，多个所述第二硅块等间隔排布，且所述第一硅块之间的间隔与所述第二硅块之间的间隔相等。

7.根据权利要求4所述的光模块，其特征在于，沿所述第一方向，所述第一硅块和所述第二硅块交叉设置。

8.根据权利要求4所述的光模块，其特征在于，所述第一硅块的大小与所述第二硅块的大小相同，所述第三硅块与所述第二硅块的厚度相同，且所述第三硅块的长度小于或者等于所述第二硅块的长度。

9.根据权利要求1-8任一项所述的光模块，其特征在于，所述衬底为绝缘体上硅衬底，所述绝缘体上硅衬底包括依次层叠设置的硅衬底层、埋氧层和硅顶层，所述目标波导设置在所述硅顶层。

10.一种光模块的制备方法，其特征在于，包括：

步骤a：提供衬底，所述衬底的顶层形成有目标波导；

步骤b：在所述衬底上沉积绝缘材料，形成覆盖所述目标波导的第一介质层，并对所述第一介质层的顶面平坦化处理；

步骤c：在所述第一介质层上形成初始亚波长光栅层；

步骤d：刻蚀所述初始亚波长光栅层，以形成亚波长光栅结构；

步骤e：在所述亚波长光栅结构上沉积绝缘材料，形成覆盖所述亚波长光栅结构的第二介质层，并对所述第二介质层的顶面平坦化处理，平坦化处理后的所述第二介质层形成新的所述第一介质层；

重复所述步骤c至所述步骤e，直至所述亚波长光栅结构的数量达到预设值，所述预设值大于或者等于2，所有的所述第一介质层形成介质层。