一种光波导模斑转换器及其制作方法与流程

本发明涉及光通信与光互连技术领域，具体涉及一种光波导模斑转换器及其制作方法，用于解决硅基光子芯片与光纤的接口问题。

背景技术：

随着通信技术的快速发展，在大数据时代的背景下，数据流量急剧增长，对带宽的要求越来越大，而传统的电互连在带宽，距离，能耗等方面的局限性也越来越突出，已经难以满足高速通信以及高性能微电子芯片的发展需求。近年来，随着新兴硅基光子芯片集成技术的不断迅速发展，利用大规模集成光子芯片实现如芯片与芯片间的短距离光互连成为可能。

由于硅基光子器件具有与互补金属氧化物半导体工艺兼容，大带宽，低延迟，低能耗，低串扰等显著的优点，可以实现高性能，低成本，小尺寸，高集成的片上光互联。而对于硅基光子芯片来说，一个亟待解决的问题是实现芯片片内的光信号与片外的光信号的高效耦合连接。由于硅和二氧化硅或者空气具有很大的折射率差，硅基光波导具有很强的限制光场的能力，硅基光波导的尺寸通常很小，其截面尺寸小于0.5微米，而普通单模光纤的芯径约为8-10微米，两者尺寸相差很大，造成了严重的模场失配，从而导致很大的耦合损耗。为了实现光纤和小尺寸的波导的高效耦合，我们需要在芯片上设计出特殊的模斑转换器，来实现模场匹配，提高耦合效率。

模斑转换器有端面耦合和光栅耦合两种方式。光栅耦合是通过在硅波导上制作光栅结构，当光从光纤入射到光栅耦合器表面时，由于布拉格衍射效应实现与芯片上方摆放的光纤进行有效的耦合。这种方式可以提高光纤与耦合器的对准容差，但耦合效率较低且波长敏感，不利于封装，多被用来测试芯片。而端面耦合使得光信号直接在硅基波导的横截面和光纤的横截面直接相耦合。端面耦合器的优点在于耦合效率较高，而且能够在不改变光路的情况下进行对准。

因此，设计一种封装工艺简单，耦合效率高的硅基模斑转换器是非常重要和有意义的。

技术实现要素：

1、发明目的。

本发明在于解决传统用于端面耦合的模斑转换结构，解决需采用锥型透镜光纤且耦合效率较低的问题，提供一种可以直接与普通单模光纤对接的光波导模斑转换器，及其制作方法。

2、本发明所采用的技术方案。

本发明提出的一种光波导模斑转换器，包括：上包层，中间包层，绝缘体层，衬底，第一光波导和第二光波导，所述的绝缘体层置于所述衬底上，所述的绝缘体层上依次设置中间包层、上包层；所述第一光波导置于中间包层和所述绝缘体层之间，所述第二光波导置于所述上包层和所述中间包层之间；所述的第一光波导和第二光波导相对设置，第一光波导和第二光波导相对的一侧为锥型；所述的第二光波导与第一光波导相向的一侧也为锥型端，其尖端的模场与单模光纤中的模场相匹配；所述的第一光波导与第二光波导相向的一侧为矩形。

更进一步，所述的第一光波导锥型尖端未设置第一光波导的衬底上设置凹槽，通过中间包层填充成平面后制作第二光波导。

进一步的，所述上包层厚度在10-25um之间。

进一步的，所述第一光波导厚度在500nm以下。

进一步的，所述中间包层厚度在500nm以下。

进一步的，所述第二光波导厚度在600nm以下。

进一步的，所述绝缘体层厚度在1-5um之间。

进一步的，所述凹槽深度在10-15um之间。

进一步的，所述第一光波导为硅。

进一步的，所述第二光波导为氮化硅。

进一步的，所述上包层为二氧化硅。

进一步的，所述中间包层为二氧化硅。

进一步的，所述绝缘体层为二氧化硅。

进一步的，所述衬底为硅。

上述模斑转换器的制作方法，包括步骤：

(1)在绝缘体层上的硅基底上，采用电子束光刻或深紫外曝光以及干法刻蚀等集成微电子工艺制作第一光波导；

(2)在第一光波导的尖端之后，采用电子束光刻或深紫外曝光以及干法刻蚀等集成微电子工艺制作凹槽；

(3)沉积中间层二氧化硅对凹槽进行填充，并使用化学机械抛光方法，对整个芯片进行平面化，并控制中间层二氧化硅的厚度；

(4)在步骤(3)所得芯片上沉积一层氮化硅；

(5)采用电子束光刻或深紫外曝光以及干法刻蚀等集成微电子工艺，在氮化硅层上制作第二光波导；

(6)在步骤(5)所得芯片上沉积上包层二氧化硅。

3、本发明所产生的技术效果。

(1)本发明通过采用双波导锥型结构，使得光波导模斑转换器可以与普通单模光纤直接进行端面连接，而不必使用传统锥型透镜光纤。

(2)本发明降低了光从普通单模光纤到波导传播过程中从硅衬底的辐射损耗，提高了与单模光纤模斑匹配度，提高了光的耦合效率，便于大规模光路集成。

附图说明

图1是本发明光波导模斑转化器的结构示意图。为清楚表示波导结构，省略上包层。

图2是本发明制备方法步骤1所得中间结构正面示意图。

图3是本发明制备方法步骤1所得中间结构俯视示意图。

图4是本发明制备方法步骤2所得中间结构正面示意图。

图5是本发明制备方法步骤2所得中间结构俯视示意图。

图6是本发明制备方法步骤3所得中间结构正面示意图。

图7是本发明制备方法步骤4所得中间结构正面示意图。

图8是本发明制备方法步骤5所得中间结构正面示意图。

图9是本发明制备方法步骤5所得中间结构俯视示意图。

图10是本发明制备方法步骤6所得光波导模斑转换器正面示意图。

图11是横电模式光在本发明所述光波导模斑转换器中传输时，光场分布俯视图。

图12是横电模式光在本发明所述光波导模斑转换器中传输时，光场分布侧视图。

图13是横磁模式光在本发明所述光波导模斑转换器中传输时，光场分布俯视图。

图14是横磁模式光在本发明所述光波导模斑转换器中传输时，光场分布侧视图。

其中，1-上包层、2-中间包层、3-绝缘体层、4-衬底、5-第一光波导、6-第二光波导、7-氮化硅层、8-凹槽。

具体实施方式

实施例1

下面通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

如图1所示，本实施例一种光波导模斑转换器，包括上包层1、中间包层2、绝缘体层3、衬底4。通常的硅光芯片中，绝缘体层3的厚度通常在1-5um之间，第一光波导5的厚度通常在500nm以下。

在本实施例所述光波导模斑转换器中，衬底4为硅，衬底4上制作有绝缘体层3。绝缘体层3表面制作有第一光波导5，第一光波导5材料为硅，包含一段锥型光波导，第一光波导5放置于中间包层2和绝缘体层3之间。第二光波导6包含一段反向锥型光波导6a和一段正向锥型光波导6b。第二光波导6为氮化硅材料，置于上包层1和中间包层2之间。

本实施例提供一种上述光波导模斑转换器的制作方法，具体步骤如下：

步骤1：在绝缘体层上的硅基底上，采用电子束光刻或深紫外曝光以及干法刻蚀等集成微电子工艺制作第一光波导。该步骤完成后，其结构如图2、3所示。

步骤2：在第一光波导的尖端之后，采用电子束光刻或深紫外曝光以及干法刻蚀等集成微电子工艺制作凹槽。该步骤完成后，其结构如图4、5所示。

步骤3：沉积中间层二氧化硅对凹槽进行填充，并使用化学机械抛光方法，对整个芯片进行平面化，并控制中间层二氧化硅的厚度。该步骤完成后，其结构如图6所示。

步骤4：在步骤(3)所得芯片上沉积一层氮化硅。该步骤完成后，其结构如图7所示。

步骤5：采用电子束光刻或深紫外曝光以及干法刻蚀等集成微电子工艺，在氮化硅层上制作第二光波导。该步骤完成后，其结构如图8、9所示。

步骤6：在步骤(5)所得芯片上沉积上包层二氧化硅。该步骤完成后，其结构如图10所示。

在使用本发明的结构时，光从左侧入射。反向锥型光波导6a左侧尖端的模场与单模光纤中的模场相匹配，可以将单模光纤中的光导藕合入第二光波导6中。普通单模光纤模场的直径在一般10um左右，为避免光场泄露到衬底4中，需要使反向锥型光波导6a下方的绝缘层厚度不能太薄。绝缘体层3的通常厚度不能满足要求，因此，在反向锥型光波导6a下面制作凹槽8，深度在10-15um之间，并填充二氧化硅。同时为保证波导结构的上下对称性，反向锥型光波导6a的上下包层应该一致，因此本发明中上包层1的材料为二氧化硅，厚度在10-25um之间。随着反向锥型光波导6a的宽度逐渐增大，光场被更好的限制在反向锥型光波导6a中，光场直径也相应缩小。到达反向锥型光波导6a和正向锥型光波导6b的交界处时，绝缘体层3的通常厚度已经可以保证光场不会泄露到衬底4中，因此凹槽8的边缘也位于该处。之后，正向锥型光波导6b的宽度逐渐减小，同时第一光波导5的宽度逐渐增大，由于耦合，光场转移到第一光波导5中。为保证正向锥型光波导6b和第一光波导5之间具有一定的耦合强度，中间包层2的厚度在500nm以下。本发明结构的最终效果为，实现光场从单模光纤到硅波导的耦合

图11、12中，对横电模式光在本发明实现的光波导模斑转换器中的传输情况进行数值模拟。光从左侧输入，从右侧硅波导出射。传输过程直观地演示了以上描述。

图13、14中，对横磁模式光在本发明实现的光波导模斑转换器中的传输情况进行数值模拟。光从左侧输入，从右侧硅波导出射。传输过程直观地演示了以上描述。

上面对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。