光波导的制作方法

本发明涉及光通信领域，尤其涉及一种光波导。

背景技术：

硅光技术是以绝缘体上硅(Silicon-on-insulator，SOI)作为基础材料，利用互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)工艺进行制作光芯片，实现光电信号转化的技术。如图1所示，SOI由衬底(Substrate)、埋氧层(Buried Oxide，Box)和波导层(Waveguide layer)构成，其中衬底的材料为Si，埋氧层的材料为SiO₂，波导层的材料为Si。由于SiO₂的折射率比较小(约为1.44)，而Si的折射率很大(约为3.47)，因此SOI波导的折射率差很大，对光的限制很强，其波导可以尺寸很小，典型的波导尺寸是400nm×220nm。

现有方案中，通常还会在SOI波导的波导层上设置包层，包层一般采用SiO₂材料，由于在该SOI波导所处环境的湿度变化的情况下，SiO₂材料的折射率会发生改变，相应的，采用该SiO₂材料的包层的折射率也会发生改变，进而导致光波导的模场分布和模场大小发生变化。

技术实现要素：

本发明提供了一种光波导，用于在该光波导所处环境的湿度变化的情况下，减小该光波导的模场分布和模场大小的变化幅度，以减少湿度变化对该光波导的模场分布和模场大小的影响。

第一方面，提供了一种光波导，包括：

依次堆叠的衬底(01)、埋氧层(02)、波导层(06)、包层(03)和防潮层(05)；

所述防潮层(05)覆盖所述包层(03)表面上的至少部分区域，所述至少部分区域包括与所述波导层(06)正对的区域。

本发明实施例的光波导，通过在包层表面设置防潮层，能够提高光波导的防潮性能，以减少该光波导所处环境的湿度变化对该光波导的模场分布和模场大小的影响。

在一些可能的实现方式中，所述埋氧层(02)覆盖所述衬底(01)的第一表面的至少部分区域，所述波导层(06)覆盖所述埋氧层(02)的第一表面的第一区域，所述包层(03)覆盖所述埋氧层(02)的第一表面上除所述第一区域之外的至少部分区域和所述波导层(06)，

其中，所述衬底(01)的第一表面为所述衬底(01)上靠近所述埋氧层(02)的一侧的表面，所述埋氧层(02)的第一表面为所述埋氧层(02)上远离所述衬底(01)的一侧的表面。

在一些可能的实施方式中，所述埋氧层(02)覆盖所述衬底(01)的第一表面，所述埋氧层(02)的第一表面上除所述第一区域之外的区域包括第二区域、第三区域、第四区域和第五区域，所述第二区域与所述第三区域之间间隔所述第五区域，所述第三区域和第四区域均与所述第一区域相邻，所述第三区域位于所述第一区域的一侧，所述第四区域位于所述第一区域的另一侧；

所述包层(03)包括第一包层(031)和第二包层(032)，所述第一包层(031)覆盖所述第二区域，所述第二包层(032)覆盖所述第三区域、所述波导层(06)和所述第四区域；

所述防潮层(05)覆盖所述第一包层(031)的第一表面的至少部分区域、所述第二包层(032)的第一表面、所述第一包层(031)上靠近所述第二包层(032)的侧壁、所述第二包层(032)上靠近所述一包层(031)的侧壁以及所述第五区域，

其中，所述第一包层(031)的第一表面为所述第一包层(031)上远离所述埋氧层(02)的一侧的表面，所述第二包层(032)的第一表面为所述第二包层(032)上远离所述埋氧层(02)的一侧的表面。

这样，防潮层(05)还能够覆盖第二包层(032)的侧壁，防止了水汽从包层的侧壁沁入，能够进一步提高光波导的防潮性能，以进一步减少该光波导所处环境的湿度变化对该光波导的模场分布和模场大小的影响。

在一些可能的实施方式中，所述埋氧层(02)覆盖所述衬底(01)的第一表面，所述埋氧层(02)的第一表面上除所述第一区域之外的至少部分区域包括第二区域、第三区域和第四区域，所述第三区域和第四区域均与所述第一区域相邻，所述第三区域位于所述第一区域的一侧，所述第四区域位于所述第一区域的另一侧；

所述埋氧层(02)上具有凹槽，所述凹槽的槽口的朝向背离所述衬底(01)，所述第二区域位于所述凹槽的第一内侧壁的一侧，所述第三区域、所述第一区域和所述第四区域位于所述凹槽的第二内侧壁的一侧，所述凹槽的第一内侧壁与所述第二凹槽的第二内侧壁是相对的，

所述包层(03)包括第一包层(031)和第二包层(032)，所述第一包层(031)覆盖所述第二区域，所述第二包层(032)覆盖所述第三区域、所述波导层(06)和所述第四区域；

所述防潮层(05)覆盖所述第一包层(031)的第一表面的至少部分区域、所述第二包层(032)的第一表面、所述第一包层(031)上靠近所述第二包层(032)的侧壁、所述第二包层(032)上靠近所述第一包层(031)的侧壁以及所述凹槽的内表面，

其中，所述第一包层(031)的第一表面为所述第一包层(031)上远离所述埋氧层(02)的一侧的表面，所述第二包层(032)的第一表面为所述第二包层(032)上远离所述埋氧层(02)的一侧的表面，所述凹槽的内表面包括所述第一内侧壁、所述第二内侧壁和所述凹槽的底面。

这样，防潮层(05)还能够覆盖埋氧层(02)上的凹槽的内表面，能够进一步提高光波导的防潮性能，以进一步减少该光波导所处环境的湿度变化对该光波导的模场分布和模场大小的影响。

在一些可能的实施方式中，所述衬底(01)的第一表面包括第六区域、第七区域和第八区域，所述第六区域与所述第七区域之间间隔所述第八区域；

所述埋氧层(02)包括第一埋氧层(021)和第二埋氧层(022)，所述第一埋氧层(021)覆盖所述第六区域，所述第二埋氧层(022)覆盖所述第七区域，所述波导层(06)覆盖所述第二埋氧层(02)的第一表面的第一区域，所述第二埋氧层(022)的第一表面为所述第一埋氧层(022)上远离所述衬底(01)的一侧的表面；

所述包层(03)包括第一包层(031)和第二包层(032)，所述第一包层(031)覆盖所述第一埋氧层(021)的第一表面，所述第二包层(032)覆盖所述波导层(06)和所述第二埋氧层(022)的第一表面上除所述第一区域之外的区域，所述第一埋氧层(021)的第一表面为所述第一埋氧层(021)上远离所述衬底(01)的一侧的表面；

所述防潮层(05)覆盖所述第一包层(031)的第一表面的至少部分区域、所述第二包层(032)的第一表面、所述第一包层(031)上靠近所述第二包层(032)的侧壁、所述第二包层(032)上靠近所述第一包层(031)的侧壁、所述第一埋氧层(021)上靠近所述第二埋氧层(022)的侧壁、所述第二埋氧层(022)上靠近所述第一埋氧层(021)的侧壁以及所述第八区域，

其中，所述第一包层(031)的第一表面为所述第一包层(031)上远离所述埋氧层(02)的一侧的表面，所述第二包层(032)的第一表面为所述第二包层(032)上远离所述埋氧层(02)的一侧的表面。

这样，防潮层(05)还能够覆盖波导层(06)所在的第二埋氧层(022)的两侧侧壁，能够进一步提高光波导的防潮性能，以进一步减少该光波导所处环境的湿度变化对该光波导的模场分布和模场大小的影响。

在一些可能的实施方式中，所述包层(03)覆盖所述埋氧层(02)的第一表面上除所述第一区域之外的区域和所述波导层(06)。

这样有利于简化光波导的制作工艺。

在一些可能的实施方式中，光波导还包括：上包层(07)，所述上包层(07)覆盖所述防潮层(05)上远离所述包层(03)的一侧表面。

通过在防潮层上设置上包层，能够进一步提高光波导的防潮性能。

在一些可能的实施方式中，所述防潮层(05)包括一层或多层子防潮层。

在一些可能的实施方式中，所述防潮层(05)包括以下至少一种材料：Si_xN_1-x、SiON、Al和Al_1-xO_x，其中0<x<1。

在一些可能的实施方式中，所述防潮层(05)与所述波导层(06)之间的距离大于或等于1μm且小于或等于20μm。

通过使防潮层与波导层之间间隔合适的距离，能够减小防潮层对光波导的模场的影响，进而能够减小防潮层对光波导的性能的影响。

在一些可能的实施方式中，所述防潮层(05)的厚度大于或等于2nm且小于或等于200nm。

例如，防潮层(05)的厚度还可以大于或等于3nm且小于或等于100nm。

通过为防潮层设置合适的厚度，能够减小防潮层对光波导的模场的影响，进而能够减小防潮层对光波导的性能影响。

在一些可能的实施方式中，所述光波导为模斑转换器。

本发明实施例的模斑转换器能够减小该反向楔形模斑转换器所处环境的湿度变化对其模场分布和模场大小带来的影响，从而能够改善模斑转换器与光纤之间的模场失配，减小模斑转换器的插入损耗。

在一些可能的实施方式中，所述光波导为反向楔形模斑转换器。

附图说明

图1是绝缘体上硅的截面结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的光波导的截面结构示意图；

图3是模斑转换器的整体结构示意图；

图4是根据本发明另一实施例的光波导的截面结构示意图；

图5是根据本发明另一实施例的光波导的截面结构示意图；

图6是根据本发明另一实施例的光波导的截面结构示意图；

图7是根据本发明另一实施例的光波导的截面结构示意图；

图8是根据本发明另一实施例的光波导的截面结构示意图。

具体实施方式

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描述。

图2是根据本发明实施例的光波导的示意图。如图2所示，光波导包括依次堆叠的衬底(01)、埋氧层(02)、波导层(06)、包层(03)和防潮层(05)。

防潮层(05)覆盖包层(03)表面上的至少部分区域，至少部分区域包括与波导层(06)正对的区域。

本发明实施例的光波导，通过在包层表面设置防潮层，能够提高光波导的防潮性能，以减少该光波导所处环境的湿度变化对该光波导的模场分布和模场大小的影响。

具体地，埋氧层(02)覆盖衬底(01)的第一表面的至少部分区域，波导层(06)覆盖埋氧层(02)的第一表面的第一区域(11)，包层(03)覆盖埋氧层(02)的第一表面上除第一区域(11)之外的至少部分区域和波导层(06)。

其中，衬底(01)的第一表面为衬底(01)上靠近埋氧层(02)的一侧的表面，埋氧层(02)的第一表面为埋氧层(02)上远离衬底(01)的一侧的表面。

如图2所示，如果光波导中的衬底(01)、埋氧层(02)、波导层(06)、包层(03)和防潮层(05)沿着从下至上的方向依次堆叠，则衬底(01)的第一表面即为衬底(01)的上表面，埋氧层(02)的第一表面即为埋氧层(02)的上表面。为便于描述，可以将如图2所示光波导中各层的上表面统一描述为第一表面，各层的下表面统一描述为第二表面。

需要说明的是，埋氧层(02)覆盖衬底(01)的第一表面的至少部分区域，意味着埋氧层(02)的第二表面与衬底(01)的第一表面的至少部分区域相接触。波导层(06)覆盖埋氧层(02)的第一表面的第一区域(11)，意味着波导层(06)的第二表面与埋氧层(02)的第一表面的第一区域(11)相接触。类似地，包层(03)覆盖埋氧层(02)的第一表面上除第一区域(11)之外的至少部分区域和波导层(06)，意味着包层(03)的第二表面与埋氧层(02)的第一表面上除第一区域(11)之外的至少部分区域、波导层(06)第一表面和波导层(06)两侧的侧壁相接触。

在一些实施例中，图2所示光波导可以为模斑转换器(Spot Size Converter，SSC)。如图3所示为SSC的整体结构示意图，SSC可以将光耦合进其他光波导(如光纤)中。应理解，SSC可以采用图3所示的楔形结构，但本发明实施例中并不限于图3所示的楔形SSC结构。

应理解，图2所示光波导还可以作为其他光波导器件。

例如，波导层(06)的尺寸可以设计为130nm×220nm，其中220nm可以为波导层(06)的高度值，130nm可以为波导层(06)的宽度值。应理解，波导层(06)的还可以设计为其他尺寸。

需要说明的是，如果模斑转换器采用图3所示的楔形结构，则130nm×220nm可以指的是楔形结构的最窄端的波导层的尺寸。

本发明实施例的模斑转换器能够减小环境的湿度变化对其模场分布和模场大小(mode field size)带来的影响，从而能够改善模斑转换器与光纤之间的模场失配，减小模斑转换器的插入损耗。

衬底(01)的材料为Si，埋氧层(02)的材料为SiO₂，波导层(06)的材料为Si，包层(03)的材料为SiO₂。

在一些实施例中，防潮层(05)可以包括一层子防潮层。在另一些实施例中，如图4所示，防潮层(05)还可以包括多层子防潮层。通过设置多层子防潮层，能够进一步增强防潮效果。

应理解，图4中仅以两层子防潮层(051)和(052)为例，防潮层(05)还可以包括其他数量的多层子防潮层。

防潮层(05)的材料能够对潮气有防护作用，同时防潮层(05)的材料的折射率可以大于等于1.4且小于等于3，这样能够减小防潮层对光波导的模场的影响。例如，防潮层(05)的材料可以为Si_xN_1-x、SiON、Al或Al_1-xO_x，其中0<x<1。但本发明实施例对此并不限定，防潮层(05)的材料还可以为其他防潮材料。

当防潮层(05)包括多层子防潮层时，该多层子防潮层的材料可以相同，也可以不同，本发明实施例对此不做限定。

波导层(06)紧邻的包层(03)的折射率与光波导的模场大小强相关，通过在包层表面设置防潮层，能够避免水汽进入包层(03)，进而能够降低水汽对光波导的模场分布和模场大小的影响。

可选地，如图5所示，图2所示的光波导还可以包括上包层(04)。上包层(04)覆盖防潮层(05)上远离包层(03)的一侧表面。

在一些实施例中，上包层(04)的材料可以与包层(03)的材料相同，也可以与包层(03)的材料不同，本发明实施例对此不做限定。例如，上包层(04)的材料可以为SiO₂，也可以为Si₃N₄，也可以为掺杂Si_1-xO_x，例如可以掺磷(P)或硼(B)。

应理解，当上包层(04)位于光波导的最外层时，上包层(04)也可以称为钝化层。

通过在防潮层上设置上包层，能够进一步提高光波导的防潮性能，以进一步减少该光波导所处环境的湿度变化对该光波导的模场分布和模场大小的影响。

如图2所示，通过在光波导上设置一层平面的防潮层，能够避免水汽从上表面沁入，结构简单、实用性强。但是水汽可以从侧壁沁入，因此本发明实施例还提出了一种能够实现三面包覆的结构，如图6至图8所示。应理解，图6至图8为图2所示光波导的例子，为避免重复，适当省略了相应的内容。

图6至图8所示光波导中的包层(03)包括第一包层(031)和第二包层(032)，第一包层(031)的第一表面为第一包层(031)上远离埋氧层(02)的一侧的表面，第二包层(032)的第一表面为第二包层(032)上远离埋氧层(02)的一侧的表面。

可选地，如图6所示，埋氧层(02)覆盖衬底(01)的第一表面，埋氧层(02)的第一表面上除第一区域(11)之外的区域包括第二区域(12)、第三区域(13)、第四区域(14)和第五区域(15)，第二区域(12)与第三区域(13)之间间隔第五区域(15)，第三区域(13)和第四区域(14)均与第一区域(11)相邻，第三区域(13)位于第一区域(11)的一侧，第四区域(14)位于第一区域(11)的另一侧；

第一包层(031)覆盖第二区域，第二包层(032)覆盖第三区域、波导层(06)和第四区域(14)；

防潮层(05)覆盖第一包层(031)的第一表面的至少部分区域、第二包层(032)的第一表面、第一包层(031)上靠近第二包层(032)的侧壁、第二包层(032)上靠近第一包层(031)的侧壁以及第五区域(15)。

这样，通过进一步增大防潮层(05)覆盖的面积，使得防潮层(05)还能够覆盖第二包层(032)的侧壁，防止了水汽从包层的侧壁沁入，能够进一步提高光波导的防潮性能，以进一步减少湿度变化对该光波导的模场分布和模场大小的影响。

在一些实施例中，防潮层(05)可以仅覆盖第二包层(032)的第一表面、第二包层(032)上靠近第一包层(031)的侧壁以及第五区域(15)。

需要说明的是，在一些实施例中，光波导中包层(03)还可以包括一个第一包层(031)和一个第二包层(032)，第一包层(031)位于第二包层(032)的一侧。

在一些实施例中，如图6所示，光波导中包层(03)还可以包括两个第一包层(031)和一个第一第二包层(032)，且两个第一包层(031)分别位于第二包层(032)的两侧。两个第一包层(031)中的每个第一包层(031)与光波导中的其他部分的位置关系可以参考上文描述，在此不再重复。

可选地，如图7所示，埋氧层(02)覆盖衬底(01)的第一表面，埋氧层(02)的第一表面上除第一区域(11)之外的至少部分区域包括第二区域(12)、第三区域(13)和第四区域(14)，第三区域(13)和第四区域(14)均与第一区域(11)相邻，第三区域(13)位于第一区域(11)的一侧，第四区域(14)位于第一区域(11)的另一侧；

埋氧层(02)上具有凹槽，凹槽的槽口的朝向背离衬底(01)，第二区域(12)位于凹槽的第一内侧壁的一侧，第三区域(13)、第一区域(11)和第四区域(14)位于凹槽的第二内侧壁的一侧，凹槽的第一内侧壁与第二凹槽的第二内侧壁是相对的；

第一包层(031)覆盖第二区域(12)，第二包层(032)覆盖第三区域(13)、波导层(06)和第四区域(14)；

防潮层(05)覆盖第一包层(031)的第一表面的至少部分区域、第二包层(032)的第一表面、第一包层(031)上靠近第二包层(032)的侧壁、第二包层(032)上靠近第一包层(031)的侧壁以及凹槽的内表面。

其中，凹槽的内表面包括第一内侧壁、第二内侧壁和凹槽的底面。

这样，通过进一步增大防潮层(05)覆盖的面积，使得防潮层(05)还能够覆盖埋氧层(02)上的凹槽的内表面，能够进一步提高光波导的防潮性能，以进一步减少该光波导所处环境的湿度变化对该光波导的模场分布和模场大小的影响。

在一些实施例中，防潮层(05)可以仅覆盖第二包层(032)的第一表面、第二包层(032)上靠近第一包层(031)的侧壁、凹槽的第二内侧壁和凹槽的地面。

在一些实施例中，第一包层(031)上靠近第二包层(032)的侧壁和凹槽的第一内侧壁可以位于同一平面。

在一些实施例中，第一包层(031)上靠近第二包层(032)的侧壁和凹槽的第一内侧壁也可以位于不同的平面。例如，该凹槽的第一内侧壁可以突出于第一包层(031)上靠近第二包层(032)的侧壁。

类似地，第二包层(032)上靠近第一包层(031)的侧壁和凹槽的第二内侧壁可以位于同一平面，也可以位于不同的平面。

需要说明的是，在一些实施例中，光波导中包层(03)还可以包括一个第一包层(031)和一个第二包层(032)，第一包层(031)位于第二包层(032)的一侧。埋氧层(02)上具有一个凹槽，该凹槽位于第一包层(031)与第二包层(032)之间的区域正对的位置。

在一些实施例中，如图7所示，包层(03)还可以包括两个第一包层(031)和一个第一第二包层(032)，且两个第一包层(031)分别位于第二包层(032)的两侧。埋氧层(02)上具有两个凹槽，该两个凹槽分别位于两个第一包层(031)与第二包层(032)之间的区域正对的位置。两个第一包层(031)中的每个第一包层(031)与光波导中的其他各层的位置关系，以及两个凹槽中的每个凹槽与光波导中的其他部分的位置关系可以参考上文描述，在此不再重复。

可选地，如图8所示，衬底(01)的第一表面包括第六区域(16)、第七区域(17)和第八区域(18)，第六区域(16)与第七区域(17)之间间隔第八区域(18)；

埋氧层(02)包括第一埋氧层(021)和第二埋氧层(022)，第一埋氧层(021)覆盖第六区域(16)，第二埋氧层(022)覆盖第七区域(17)，波导层(06)覆盖第二埋氧层(02)的第一表面的第一区域(11)，第二埋氧层(022)的第一表面为第一埋氧层(022)上远离衬底(01)的一侧的表面；

第一包层(031)覆盖第一埋氧层(021)的第一表面，第二包层(032)覆盖波导层(06)和第二埋氧层(022)的第一表面上除第一区域之外的区域，第一埋氧层(021)的第一表面为第一埋氧层(021)上远离衬底(01)的一侧的表面；

防潮层(05)覆盖第一包层(031)的第一表面的至少部分区域、第二包层(032)的第一表面、第一包层(031)上靠近第二包层(032)的侧壁、第二包层(032)上靠近第一包层(031)的侧壁、第一埋氧层(021)上靠近第二埋氧层(022)的侧壁、第二埋氧层(022)上靠近第一埋氧层(021)的侧壁以及第八区域(18)。

这样，防潮层(05)还能够覆盖埋氧层(02)的整个侧壁，能够进一步提高光波导的防潮性能，以进一步减少该光波导所处环境的湿度变化对该光波导的模场分布和模场大小的影响。

在一些实施例中，防潮层(05)可以仅覆盖第二包层(032)的第一表面、第二包层(032)上靠近第一包层(031)的侧壁、第二埋氧层(022)上靠近第一埋氧层(021)的侧壁和第八区域。

需要说明的是，在一些实施例中，光波导中包层(03)还可以包括一个第一包层(031)和一个第二包层(032)，该第一包层(031)位于第二包层(032)的一侧。埋氧层(02)包括一个第一埋氧层(021)和一个第二埋氧层(022)，该第一埋氧层(031)位于第二埋氧层(032)的一侧。

在一些实施例中，如图8所示，光波导中包层(03)还可以包括两个第一包层(031)和一个第一第二包层(032)，且两个第一包层(031)分别位于第二包层(032)的两侧。埋氧层(02)上具有两个第一埋氧层(021)和两个第二埋氧层(022)，该两个第一埋氧层(021)分别位于第二埋氧层(022)的两侧。两个第一包层(031)中的每个第一包层(031)与光波导中的其他各层的位置关系，以及两个第一埋氧层(021)中的每个第一埋氧层(021)与光波导中的其他部分的位置关系可以参考上文描述，在此不再重复。

可以采用刻蚀工艺将包层(03)和/或埋氧层(02)的部分区域刻蚀掉，得到如图6至图8所示的结构，以增大防潮层覆盖的区域。

可选地，如图6、图7和图8所示，防潮层(05)覆盖第一包层(031)的第一表面的部分区域。

这样能够简化光波导的制作工艺。

应理解，防潮层(05)也可以覆盖第一包层(031)的第一表面的全部区域。

可选地，防潮层(05)与波导层(06)之间的距离大于或等于1μm且小于或等于20μm。如图2、图4至图8中所示，防潮层05的下边缘与波导层(06)的上边缘之间的纵向距离大于或等于1μm且小于或等于20μm。如图6至图8中所示，防潮层(05)靠近第二包层(032)左侧的边缘与波导层(06)左侧的边缘的横向距离大于或等于1μm且小于或等于20μm，或者防潮层(05)靠近第二包层(032)右侧的边缘与波导层(06)右侧的边缘的横向距离大于或等于1μm且小于或等于20μm。

通过使防潮层与波导层之间间隔合适的距离，能够减小防潮层对光波导的模场的影响，进而能够减小防潮层对光波导的性能的影响。

可选地，防潮层(05)的厚度大于或等于3nm且小于或等于100nm。

可选地，防潮层(05)的厚度大于或等于2nm且小于或等于200nm。

通过为防潮层设置合适的厚度，能够减小防潮层对光波导的模场的影响，进而能够减小防潮层对光波导的性能的影响。

应注意，本发明实施例对光波导的制作工艺不做限定。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。