一种硅基光栅耦合器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种硅基光栅耦合器，所述耦合器包括一绝缘体上硅芯片和光纤，光纤垂直放置在绝缘体上硅芯片的上方；绝缘体上硅芯片由顶硅层、掩埋绝缘体层、硅衬底组成，顶硅层表面制作有一段硅光波导，硅光波导包括依次相连的第一贴合段、倾斜段和第二贴合段，第一贴合段贴合固定在掩埋绝缘体层之上，从第一贴合段和倾斜段相交位置开始，顶硅层下方的掩埋绝缘体层被腐蚀掏空，于是第二贴合段贴合固定在硅衬底上，倾斜段上制作有耦合光栅，光纤放置在耦合光栅的上方。采用这种结构的光栅耦合器与外部光纤进行耦合，不仅降低了二阶反射，提高了耦合效率，而且由于其制作方法简单和垂直耦合的特性更加便于芯片的检测与封装，便于大规模集成。
【专利说明】
一种硅基光栅耦合器
技术领域
[0001]本实用新型涉及光耦合技术以及光电集成领域，特别涉及一种硅基光栅耦合器。
【背景技术】
[0002]随着通信技术的迅速发展，云计算和大数据时代的到来对带宽的要求越来越大，人们越来越重视数据中心及高性能计算应用的带宽和密度。而传统的电互连由于其物理特性限制，在带宽拓展、传输延迟、损耗控制、信噪提升等方面亟待根本性突破。要达到处理速度快、数据量存储大以及功耗低这些要求，急需光电芯片来打破微电子产业摩尔定律的限制。
[0003]娃基光子器件米用光传输信号，相比于电子，光子传输速度远大于电子运动速度，而且光传递信号的机理是波阻抗变换，这种变换消耗的能量很低，在传输时信号不易发生畸变，在大带宽条件下可以获得更大的传输容量。而且硅基光子器件还具有与互补金属氧化物半导体工艺兼容、尺寸小、通讯波段透明、抗辐射等优点。正是由于具备大带宽、低延迟、低能耗、低串扰等优势，基于硅光子集成的光通信、光互连和光传感等新兴信息技术展现出构建新型信息硬件的发展趋势，正成为新一代信息系统和网络的重要基础。
[0004]对于娃基光子集成芯片而言，不容忽视的一个关键问题是光信号的输入与输出。尤其是硅作为间接带隙材料，目前发光效率还未能达到实用要求。为克服上述缺陷，现有技术中是从光子芯片外部引入独立光源或采用片上混合集成的光增益材料。因此，光子集成芯片在片内和片外都需要高效率、大带宽、易集成的光耦合结构。常用的耦合方式是在硅波导上制作光栅结构，通过光栅衍射效应实现与芯片垂直方向附近摆放的光纤进行有效耦入口 ο
[0005]为了降低二阶反射，提高耦合效率，光栅耦合器的衍射方向需要尽量避免与芯片完全垂直，通常呈10°左右的偏角。这使得封装上具有一定的难度，对系统性能造成一定的影响。
[0006]因此，设计一种便于封装的、可进行高效光耦合的硅基光栅耦合器是非常必要和重要的。
【实用新型内容】
[0007]本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种硅基光栅耦合器，该耦合器在光纤与芯片进行耦合时可以直接与芯片垂直耦合，降低了二阶反射，提高了耦合效率，且具有较大的工作波长带宽。
[0008]本实用新型的目的通过以下的技术方案实现:一种硅基光栅耦合器，包括一绝缘体上硅芯片和光纤，所述光纤垂直放置在绝缘体上硅芯片的上方;所述绝缘体上硅芯片由顶硅层、掩埋绝缘体层、硅衬底组成，所述顶硅层表面制作有一段硅光波导，所述硅光波导包括依次相连的第一贴合段、倾斜段和第二贴合段，第一贴合段贴合固定在掩埋绝缘体层之上，从第一贴合段和倾斜段相交位置开始，顶硅层下方的掩埋绝缘体层被腐蚀掏空，于是第二贴合段贴合固定在硅衬底上，所述倾斜段上制作有耦合光栅，所述光纤放置在耦合光栅的上方。
[0009]优选的，所述绝缘体上硅芯片的顶硅层厚度在500nm以下，掩埋绝缘体层厚度在1-5μηι之间。
[0010]更进一步的，所述硅光波导刻蚀深度为70-500nm，耦合光栅的刻蚀深度为70-500nmo
[0011 ]优选的，所述倾斜段与水平方向的夹角在4° -15°之间。
[0012]本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果:
[0013]本实用新型可以在保持较高的耦合效率、较低反射率和较大的工作波长带宽的要求下，实现硅光波导与垂直方向摆放的光纤的耦合，可以降低测试过程的对准难度，同时由于其垂直耦合结构设计更加便于集成，可提高集成度。
【附图说明】
[0014]图1是本实用新型绝缘体上硅芯片结构示意图。
[0015]图2是本实用新型硅基光栅耦合器的结构示意图。
[0016]图3(a)是本实用新型制备方法步骤2所得中间结构俯视示意图。
[0017]图3(b)是本实用新型制备方法步骤2所得中间结构正面示意图。
[0018]图4(a)是本实用新型制备方法步骤3所得中间结构俯视示意图。
[0019]图4(b)是本实用新型制备方法步骤3所得中间结构正面示意图。
[0020]图5(a)是本实用新型制备方法步骤4所得中间结构俯视示意图。
[0021]图5(b)是本实用新型制备方法步骤4所得中间结构正面示意图。
[0022]图6(a)是本实用新型制备方法步骤5所得中间结构俯视示意图。
[0023]图6(b)是本实用新型制备方法步骤5所得中间结构正面示意图。
[0024]其中:丨一顶硅层、2—掩埋绝缘体、3—硅衬底、4一光纤、5—第一贴合段、6—倾斜段、7—第二贴合段、8—耦合光栅、9一光刻胶。
【具体实施方式】
[0025]下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。
[0026]实施例1
[0027]如图1所示，本实施例一种硅基光栅耦合器是基于一绝缘体上硅芯片结构的，该结构包含顶硅层1、掩埋绝缘体2、硅衬底3。顶硅层I厚度在500nm以下，掩埋绝缘体层厚度在1μm-5ym之间。
[0028]如图2所示，在本实施例所述光栅耦合器中，顶硅层I表面制作有一段硅光波导，所述硅光波导包括依次相连的第一贴合段5、倾斜段6和第二贴合段7，第一贴合段5贴合固定在掩埋绝缘体层2之上，从第一贴合段5和倾斜段6相交位置开始，顶硅层下方的掩埋绝缘体层2被腐蚀掏空，第二贴合段7贴合固定在硅衬底3上。耦合光栅8制作于硅光波导的倾斜段6之上，可实现垂直放置的光纤4与硅光波导的光耦合。虽然光纤4与绝缘体上硅芯片垂直，但由于制作有耦合光栅8的硅光波导水平方向有一定的倾角，于是光纤4与耦合区域的硅光波导，即:倾斜段6，实际上是成一定的倾角。因此，本实用新型中实现的垂直光栅耦合器可以达到传统的光栅耦合器接近的性能。
[0029]本实施例中，硅光波导刻蚀深度为70-500nm，耦合光栅8的刻蚀深度为70-500nm。親合光栅8宽度为9-14μηι，面积为70-130μηι2，与单模光纤的模斑尺寸相当。親合光栅8由亚微米周期性结构组成，周期数5以上，周期为250nm-750nm。倾斜段6与水平方向的夹角在4°-15°之间。
[0030]本实施例所述硅基光栅耦合器的制造方法，具体步骤如下:
[0031 ] 步骤1:在硅衬底3上依次制作掩埋绝缘体2和顶硅层I，形成绝缘体上硅芯片。
[0032]步骤2:采用传统电子束光刻或深紫外光刻方法，形成硅光波导以及耦合光栅的图形，之后通过干法刻蚀的方法，在顶硅层I上制作出硅光波导以及耦合光栅8。如果硅光波导以及耦合光栅刻蚀深度不同，可多次重复使用该方法，对每一种刻蚀深度进行相应制作。该步骤完成后，其结构如图3(a)、(b)所示。
[0033]步骤3:在以上芯片上旋涂一层光刻胶9，并进行前烘。通过曝光和显影的传统光刻方法，将耦合光栅区域处的光刻胶去除掉，使得其余部分用光刻胶9保护起来。该步骤完成后，其结构如图4(a)、(b)所示。
[0034]步骤4:将芯片置于氢氟酸溶液或者氟化氢气相腐蚀设备之中，将露出部分的掩埋绝缘体(即制作有耦合光栅的顶硅层下方的掩埋绝缘体)腐蚀掏空。由于氟化氢不能腐蚀硅和光刻胶9，因此光栅结构、硅光波导以及被光刻胶9保护起来的部分不会得到破坏。对于硅光波导，最终形成悬浮结构，其通过硅光波导的第一贴合段5支撑于掩埋绝缘体层之上。该步骤完成后，其结构如图5(a)、(b)所示。
[0035]步骤5:通过丙酮或其他去胶液去除光刻胶9，并用去离子水冲洗芯片，而后烘干。由于在干燥过程中水的表面张力，娃光波导的悬浮结构会被拉向娃衬底3，并由于静电吸附力的作用吸附在硅衬底3之上，并最终形成倾斜段6和第二贴合段7。该步骤完成后，其结构如图6(a)、(b)所示。
[0036]步骤6:将一光纤垂直放置在绝缘体上硅芯片的上方，光纤在耦合光栅的上方。结构如图2所示，即完成了硅基光栅耦合器的制作。
[0037]上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型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实用新型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，都包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种硅基光栅耦合器，其特征在于，包括一绝缘体上硅芯片和光纤，所述光纤垂直放置在绝缘体上硅芯片的上方;所述绝缘体上硅芯片由顶硅层、掩埋绝缘体层、硅衬底组成，所述顶硅层表面制作有一段硅光波导，所述硅光波导包括依次相连的第一贴合段、倾斜段和第二贴合段，第一贴合段贴合固定在掩埋绝缘体层之上，从第一贴合段和倾斜段相交位置开始，顶硅层下方的掩埋绝缘体层被腐蚀掏空，于是第二贴合段贴合固定在硅衬底上，所述倾斜段上制作有耦合光栅，所述光纤放置在耦合光栅的上方。2.根据权利要求1所述的硅基光栅耦合器，其特征在于，所述绝缘体上硅芯片的顶硅层厚度在500nm以下，掩埋绝缘体层厚度在1-5μπι之间。3.根据权利要求2所述的硅基光栅耦合器，其特征在于，所述硅光波导刻蚀深度为70-500nm，耦合光栅的刻蚀深度为70-500nm。4.根据权利要求1所述的硅基光栅耦合器，其特征在于，所述倾斜段与水平方向的夹角在4°-15°之间。
【文档编号】G02B6/26GK205427235SQ201520845532
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2015年10月27日
【发明人】刘柳, 张晨昭, 金驰超, 王思亚
【申请人】华南师范大学