CN117092749A - 高效率光波传输的弯曲波导、设计方法及制作工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种高效率光波传输的弯曲波导，其特征在于：包括从下到上依次布置的硅基衬底、氧埋层、顶硅波导层及包覆层；顶硅波导层内设置三维结构的90°直角弯曲波导，90°直角弯曲波导位于顶硅波导层并与其底部的氧埋层和其上方的包覆层接触；所述90°直角弯曲波导的传输中心内外侧的高度不同,内侧高度小于外侧高度,90°直角弯曲波导的截面设计为台阶状六边形截面或非对称半圆截面；可减少弯曲波导向周围包层的辐射损耗，从而有效提高光波的传输效率；还公开对应设计方法及加工工艺；此弯曲波导的制作工艺成本低，易于实现；容易推广到其在模分复用器和模解复用器的工程应用。

Description

高效率光波传输的弯曲波导、设计方法及制作工艺
技术领域
本发明属于硅光集成领域，具体涉及一种高效率光波传输的三维90°直角弯曲波导结构、设计方法及加工工艺。
背景技术
光通讯的快速发展使光互连技术应运而生，与传统集成电路的铜互连系统相比，光互连系统具有抗电磁干扰性能好、功耗小、带宽大、信号传输稳定性好的显著优势。光互连系统中，光波导可连接不同的光学组件以实现光信号的传输。依据光波导的几何形状，可将其分为直波导和弯曲波导。与直波导相比，弯曲波导可以实现非共线光学组件的连接，改变光束的传播方向，并能实现复杂的光路集成而备受关注。其中，弯曲半径R越小，传输距离越短，越容易产生光路变换。弯曲波导可分为90°Z形直角弯曲和S形状弯曲，其中90°Z型直角弯曲波导易改变光路位置，连接非线性光路的输入和输出，实现复杂光路集成最为常见的光学器件而成为弯曲波导的研究重点。特别是制作工艺简单、低损耗的弯曲波导，可提高光路的集成度并降低器件成本。
光波在弯曲波导中以导模和辐射模的方式进行传输。光波以导模的方式传输时，大部分的光可被限制在波导芯层，形成导波。但大多数情况是，由于波导偏折或弯曲，光不能完全被限制在波导芯层，而不断的向包覆层辐射能量产生辐射模而引起大量的辐射损耗。弯曲波导的损耗主要是由于辐射损耗产生的。由此可得，通过优化弯曲波导的设计，降低辐射损耗对于研究低损耗的弯曲波导具有重要意义。为降低弯曲波导的辐射损耗，可从波导的材料和结构两方面开展研究。从波导材料方面而言，与低折射率对比度的材料相比，当波导的芯层和包覆层通常采用高折射率对比度的材料时，可增强光波在波导芯层的限制，降低传输损耗。绝缘体上的硅（SOI）是一种可制作波导结构的最佳材料之一，利用SOI材料制备光耦合和传输性质的波导结构具有显著的高效率传输的优势。从弯曲波导的结构方面分析，改变波导的弯曲形状，例如制作欧拉曲线和阿基米德曲线形状的弯曲波导可在一定程度上降低弯曲波导的形状。除此之外，在脊形弯曲波导外侧刻蚀空气槽，既可以增强对光场的约束又可以增加波导材料的折射率对比度以减少损耗。但此类弯曲波导增加了制作流程的工艺步骤，限制了其在大规模集成光路的应用。
发明内容
针对现有技术中的问题或缺陷，本发明要解决的是解决现有的弯曲波导需设计较大的传输半径以获得较低的传输损耗，限制了其在大规模集成光路应用的问题。
本发明的技术方案为：一种高效率光波传输的弯曲波导：包括从下到上依次布置的硅基衬底、氧埋层、顶硅波导层及包覆层；顶硅波导层内设置三维结构的90°直角弯曲波导，90°直角弯曲波导位于顶硅波导层并与其底部的氧埋层和其上方的包覆层接触；所述90°直角弯曲波导的传输中心内外侧的高度不同,内侧高度小于外侧高度,90°直角弯曲波导的截面设计为台阶状六边形截面或非对称半圆截面。
进一步的，所述台阶状六边形截面的传输中心内侧的高度设计为外侧高度的76%至86%（此时，与相同尺寸的矩形弯曲波导相比传输效率会有明显的提升；当传输中心内侧高度为外侧的79%时，传输效率的提升最大可达60%）。
进一步的，所述非对称半圆截面内侧的曲率半径为非对称半圆截面外侧曲率半径的47%至65%（与相同尺寸的矩形弯曲波导相比传输效率会有明显的提升，当内侧的曲率半径为外侧的50%时，传输效率的提升最为显著，非对称半圆弯曲波导的曲率半径的取值应与弯曲波导的截面宽度和高度相关）。
进一步的，所述氧埋层可为二氧化硅氧埋层或氮化硅氧埋层或氧化铝氧埋层。
进一步的，所述包覆层为二氧化硅包覆层。
作为本发明的另一方面，还涉及一种高效率光波传输的弯曲波导的设计方法，包括：
改变弯曲波导传输中心内外侧的高度，使传输中心外侧部分的高度大于传输中心内侧，抵消因光速在弯曲外侧的相速度高而引起的等效折射率的降低产生辐射损耗；另一方面，当光在不同曲率半径的波导侧传输时，模斑分布亦不相同；模斑在大曲率半径的波导侧传输时形成远场传输，模斑会向曲率中心靠拢；在小曲率半径波导侧传输时形成近场传输，也会向曲率半径中心靠拢；此时，在弯曲波导中传输的整体模场会分布在弯曲中心内侧部分，有效减少弯曲外侧部分的模式泄露损耗；通过非对称半圆结构截面的弯曲波导的设计使弯曲波导传输中心外侧部分的曲率半径大于传输中心内侧部分，并且高度高于内侧部分，既以利于降低弯曲波导内外侧等效折射率的差异，又有利于模场分布更接近传输中心内侧来实现弯曲波导的高效率光波的传输。
作为本发明的另一方面，还涉及一种高效率光波传输的弯曲波导的制作工艺，包括如下步骤：
(a) SOI的清洗:
使用过氧化氢和浓硫酸的混合溶液对SOI晶圆进行清洗，去除晶圆上的粒子污染、厚积灰尘等，确保晶圆表面清洁；
(b) 旋涂光刻胶和前烘:
使用旋涂匀胶机在SOI晶圆上均匀涂覆一层正性光刻胶，控制光刻胶厚度为1-3μm；然后进行低温前烘，使光刻胶层溶剂挥发，提高光刻胶的黏附力；
(c) 三维激光直写光刻曝光:
使用激光直写三维光刻技术,设置曝光参数进行曝光以获得非对称90°弯曲波导的三维结构，该弯曲波导截面为台阶状六边形截面或非对称半圆截面，所述台阶状六边形截面的传输中心内侧的高度设计为外侧高度的76%至86%；非对称半圆截面内侧的曲率半径为非对称半圆截面外侧曲率半径的47%至65%；
(d) 显影:
使用developer或者TMAH水溶液显影液进行显影,溶解曝光区域的光刻胶,显出波导的三维结构；随后使用DI水停止显影,获得期望的波导图案；
(e) 刻蚀:
加载晶圆至反应离子（RIE）刻蚀机中，使用刻蚀气体进行干法刻蚀，蚀刻掉曝光区域的硅，保留未曝光区域的硅，形成波导的三维结构；
(f) 划片:
使用划片机或者金刚石笔对晶片进行划分以方便测试；
(g) 端面抛光:
使用化学机械抛光技术在波导端面进行抛光,减少端面粗糙度,降低光传输的散射损耗，提高光的耦合效率；
(h) 沉积二氧化硅:
利用PECVD工艺沉积一层为0.5~1.5微米厚度的二氧化硅包覆层,也用作保护波导层。
进一步的，所述步骤(c)的设置曝光参数包括不同部位的曝光量分布，不同部位的曝光量分布的方法包括：
（1）根据弯曲波导的设计结构(如台阶六边形或非对称半圆),确定不同部位的理想高度/曲率分布；
（2）利用光刻仿真软件(比如T-CAD、SENTAURUS等),建立三维模型,设置各曝光参数,进行光刻过程模拟；
（3）通过多次迭代优化曝光参数,使模拟得到的光刻结果接近设计的三维结构；
（4）确定优化的曝光条件和灰阶设计后,交由版图绘制工艺完成实际的灰度版图设计；
（5）在实际曝光过程中,精确控制光源输出参数,保证不同部位得到预定的曝光量分布,以获得设计的三维波导结构；
进一步的，所述曝光参数包括:
灰度版图的设计:根据光刻胶厚度和曝光深度设置不同灰阶分配的区域；曝光光源参数:包括曝光剂量、激光扫描时间及数值孔径和扫描的光斑大小；制作前烘条件:包括温度及时间。
相对于现有技术，本发明具有以下效果：
（1）本发明的高效率光波传输的弯曲波导，通过调节内外侧的高度或曲率半径比例,平衡内外侧的相速度差异,使得光的模场分布更集中在弯曲波导的内侧,减少弯曲波导向包层的辐射损耗，从而有效提高光波的传输效率；
（2）本发明的高效率光波传输的弯曲波导，三维弯曲波导可通过一次灰度光刻和一次刻蚀工艺即可制作完成，成本低，易于实现；
（3）本发明的高效率光波传输的弯曲波导，可实现小尺寸、高效率的光波传输，容易推广到其在模分复用器和模解复用器的工程应用。
附图说明
图1是按照本发明优选实施例的制备完成的高效率光波传输的90°直角弯曲波导示意图（台阶六边形截面）；
图2是按照本发明优选实施例的制备完成的高效率光波传输的90°直角弯曲波导示意图（非对称半圆截面）；
图3是按照本发明优选实施例的高效率光波传输的台阶六边形截面的三维90°直角弯曲波导示意图（上层揭开）；
图4是按照本发明优选实施例的高效率光波传输的非对称半圆截面的三维90°直角弯曲波导示意图（上层揭开）；
图5是本发明优选实施例的台阶状六边形截面的弯曲波导内模斑分布示意图；
图6是本发明优选实施例的台阶状六边形截面的非对称半圆截面的弯曲波导内模斑分布；
图7是本发明优选实施例的弯曲波导制作工艺中灰度曝光示意图（台阶状六边形截面）；
图8是本发明优选实施例的弯曲波导制作工艺中灰度曝光示意图（非对称半圆截面）；
图9是本发明中弯曲波导制作工艺流程中台阶状六边形截面的弯曲波导刻蚀和沉积二氧化硅包覆层示意图；
图10是本发明较佳实施例三种不同结构的弯曲波导的截面形状示意图（从左到右依次为矩形截面、台阶六边形截面、非对称半圆截面，图中虚线表示传输中心）；
图11是本发明较佳实施例光波传输时三种不同截面结构的弯曲波导中的模斑分布图（从左到右依次为矩形截面、台阶六边形截面、非对称半圆截面）；
图中附图标记分别表示：1-90°直角弯曲波导、2-顶硅波导层、3-氧埋层、4-硅基衬底、5-包覆层、6-灰度曝光、7-光刻胶。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参考图1~图4，本实施提供了一种在三维结构方向优化，可实现低辐射损耗传输的90°弯曲波导结构，弯曲波导制作在SOI基片上，SOI基片从下到上依次为：硅基衬底4、二氧化硅氧埋层3、顶硅波导层1；90°直角弯曲波导位于顶硅波导层并与二氧化硅氧埋层3和其上方的包覆层5接触；所述90°直角弯曲波导的传输中心内外侧的高度不同,内侧高度小于外侧高度, 90°直角弯曲波导1的截面设计为台阶状六边形截面（图1、图10）或非对称半圆截面（图2、图10）。
请参考图5、图6，导模传输时，在本次设计的截面为台阶六边形截面和曲率半径不同的非对称半圆的三维直接弯曲波导中的整体模斑分布的示意图如图5、6所示。截面为台阶状六边形和非对称半圆形状的弯曲波导的设计如下：增加弯曲波导传输中心内外侧的高度差，可增强对光波模场的限制，单对三维弯曲波导的几何形状具有一定的要求。为保证传输中光波的完整性，传输中心内侧的高度不能低于传输中心外侧过多，并且也要避免两者的高度差太小，高度差过小不足以抵消因相速度导致的折射率的差异，传输效率的提升便不明显。仿真结果显示，
对于台阶状六边形弯曲波导而言，传输中心内侧的高度为外侧高度的76%至86%时，相比同等尺寸的矩形弯曲波导的传输效率会有明显的提升。当传输中心内侧高度为外侧的79%时，与相同截面尺寸和弯曲半径的矩形弯曲波导相比，其传输效率的提升最大可达60%。
对于非对称半圆截面的弯曲波导而言，既需要保证传输中心内外侧的高度差，又需要保证光波传输时模斑向传输中心内侧靠拢（见图11），降低外侧的辐射泄露损耗。因此，非对称半圆内侧的曲率半径可为外侧的47%至65%，当内侧的曲率半径为外侧的50%时，传输效率的提升最为显著。本发明中，非对称半圆弯曲波导的曲率半径的取值应与弯曲波导的截面宽度和高度相关。
请参考图7~图9，由于本次设计的弯曲波导的截面为渐变截面，可用灰度光刻技术实现三维结构的曝光。即通过调整不同结构的灰阶而分配曝光能量实现连续和阶跃高度变化的光刻曝光。本次弯曲波导的制备主要包括SOI衬底的清洗、光刻胶的旋涂、三维灰度光刻曝光、显影、刻蚀、划片、端面抛光和二氧化硅沉积等工艺。三维灰度光刻曝光的示意图如图7所示，对曝光后的SOI基片进行显影，可得所示的弯曲波导制作工艺流程中曝光后的光刻胶显影示意图。
干法刻蚀是一种各向异性、比湿法刻蚀效果更好的刻蚀方式，通过电感耦合反应离子刻蚀（ICP-RIE）可完成对弯曲波导的刻蚀。图8和图9是对刻蚀后的弯曲波导进行端面抛光处理后，在其上方沉积厚度为1微米的二氧化硅包覆层的示意图，即完成了本次发明的弯曲波导的制作。
为了使本次发明的三维弯曲波导的结构和性能的优越性得以清楚的阐释，可开展弯曲波导的性能测试，利用MFD单模光纤与弯曲波导耦合即可测试出本发明的弯曲波导单模条件传输的耦合效率。本次光纤耦合测试的结果显示，相比于弯曲半径为10微米，相同截面尺寸的矩形弯曲波导，台阶六边形截面的弯曲波导和非对称半圆截面的弯曲波导的传输效率分别可提高30%和40%。实验数据也说明两种三维结构的弯曲波导可提高光传输效率。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高效率光波传输的弯曲波导，其特征在于：包括从下到上依次布置的硅基衬底（4）、氧埋层（3）、顶硅波导层（2）及包覆层（5）；
顶硅波导层（2）内设置三维结构的90°直角弯曲波导（1），90°直角弯曲波导位于顶硅波导层（1）并与其底部的氧埋层（3）和其上方的包覆层（5）接触；所述90°直角弯曲波导的传输中心内外侧的高度不同,内侧高度小于外侧高度,90°直角弯曲波导的截面设计为台阶状六边形截面或非对称半圆截面。
2.根据权利要求1所述的高效率光波传输的弯曲波导，其特征在于：
所述台阶状六边形截面的传输中心内侧的高度为外侧高度的76%至86%。
3.根据权利要求1所述的高效率光波传输的弯曲波导，其特征在于：
所述非对称半圆截面内侧的曲率半径为非对称半圆截面外侧曲率半径的47%至65%，截面内侧高度为外侧高度的78%。
4.根据权利要求1所述的高效率光波传输的弯曲波导，其特征在于：
所述氧埋层（3）为二氧化硅氧埋层或氮化硅氧埋层或氧化铝氧埋层。
5.根据权利要求1所述的高效率光波传输的弯曲波导，其特征在于：所述包覆层（5）为二氧化硅包覆层。
6.根据权利要求1所述的高效率光波传输的弯曲波导的设计方法，其特征在于，包括：
改变弯曲波导传输中心内外侧的高度，使传输中心外侧部分的高度大于传输中心内侧，抵消因光速在弯曲外侧的相速度高而引起的等效折射率的降低产生辐射损耗；另一方面，当光在不同曲率半径的波导侧传输时，模斑分布不相同；模斑在大曲率半径的波导侧传输时形成远场传输，模斑会向曲率中心靠拢；在小曲率半径波导侧传输时形成近场传输，也会向曲率半径中心靠拢；此时，在弯曲波导中传输的整体模场会分布在弯曲中心内侧部分；通过非对称半圆结构截面的弯曲波导的设计使弯曲波导传输中心外侧部分的曲率半径大于传输中心内侧部分，并且高度高于内侧部分。
7.根据权利要求1-5任一权利要求所述的高效率光波传输的弯曲波导的制作工艺，其特征在于，包括如下步骤：
(a) SOI的清洗:
使用过氧化氢和浓硫酸的混合溶液对SOI晶圆进行清洗，去除晶圆上的粒子污染、厚积灰尘，确保晶圆表面清洁；
(b) 旋涂光刻胶和前烘:
使用旋涂匀胶机在SOI晶圆上均匀旋涂一层正性光刻胶，控制光刻胶厚度为2-3μm；然后进行低温前烘，使光刻胶层溶剂挥发，提高光刻胶的黏附力；
(c) 三维激光直写光刻曝光:
使用激光直写三维光刻技术,设置曝光参数进行曝光以获得非对称90°弯曲波导的三维结构，该弯曲波导截面为台阶状六边形截面或非对称半圆截面，所述台阶状六边形截面的传输中心内侧的高度设计为外侧高度的76%至86%；非对称半圆截面内侧的曲率半径为非对称半圆截面外侧曲率半径的47%至65%；
(d) 显影:
使用developer或者TMAH水溶液显影液进行显影,溶解曝光区域的光刻胶,显出波导的三维结构；随后使用DI水停止显影,获得期望的波导图案；
(e) 刻蚀:
加载晶圆至反应离子刻蚀机中，使用刻蚀气体进行干法刻蚀，蚀刻掉光刻胶显影后的硅，保留未曝光区域的硅层，形成波导的三维结构；
(f) 划片:
使用划片机或者金刚石笔对晶片进行划分以方便测试；
(g) 端面抛光:
使用化学机械抛光技术在波导端面进行抛光；
(h) 沉积二氧化硅:
利用PECVD工艺沉积一层为0.5~1.5微米厚度的二氧化硅包覆层,用作保护波导层。
8.根据权利要求7所述的高效率光波传输的弯曲波导的制作工艺，其特征在于，所述步骤(c)的设置曝光参数包括不同部位的曝光量分布方法，不同部位的曝光量分布方法包括：
（1）根据弯曲波导的设计结构,确定不同部位的理想高度/曲率分布；
（2）利用光刻仿真软件建立三维模型,设置曝光参数，进行光刻过程模拟；
（3）通过多次迭代优化曝光参数,使模拟得到的光刻结果接近设计的三维结构；
（4）确定优化的曝光条件和灰阶设计后,交由版图绘制工艺完成实际的灰度版图设计；
（5）在实际曝光过程中,精确控制光源输出参数,保证不同部位得到预定的曝光量分布,以获得设计的三维波导结构。
9.根据权利要求8所述的高效率光波传输的弯曲波导的制作工艺，其特征在于，所述曝光参数包括:
灰度版图的设计:根据光刻胶厚度和曝光深度设置不同灰阶分配的区域；曝光光源参数:包括曝光剂量、激光扫描时间及数值孔径和扫描的光斑大小；制作前烘条件:包括温度及时间。
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