一种基于梯度折射率倒脊形波导的边缘耦合器

1.本发明属于二氧化硅波导集成光学技术领域，具体涉及一种基于梯度折射率倒脊形波导的边缘耦合器。


背景技术：

2.随着集成光学的快速发展，面向光计算、存储和信息处理等应用的小型化光器件获得广泛关注，特别在网络通讯等方面得到了大量应用。成熟的cmos工艺为集成光学发展提供了良好的加工平台，有力促进了光子芯片的小型化和集成化。但不同功能的集成光器件，如半导体激光器、光学滤波器、波长转换器、光逻辑门、光延时器、光调制器/光开关、光学传感器等，仍面临着与外界低损耗地实现光信息交换的需求。
3.对于波导型光子集成芯片而言，需要接收来自光纤的信号，或通过光纤向外发送光信号。因此，光纤与波导的低损耗耦合对保证光集成芯片的性能具有重要作用。但与片上光波导相比，目前商用光纤的smf-28单模光纤芯径约为8μm，远大于片上二氧化硅波导或硅波导的模斑尺寸，从而造成了光纤与波导间模场失配导致的耦合损耗。因此，通过匹配光纤和波导之间的模斑尺寸，减少由于光纤-波导耦合带来的额外光学耦合损耗，增强光器件性能。
4.目前，光纤与波导间的耦合方式主要包括光栅耦合及水平端面耦合。光栅耦合具有很好的灵活度，可以在片上的任何位置进行耦合，但光栅耦合方式对波长较敏感，偏振相关性较强。端面耦合可使波导中的模场增大，或使光纤中的模场变小，从而实现光纤与波导的模场尺寸匹配。端面耦合对于波长不敏感，偏振相关性较小，耦合效率高，且易于封装。因此，端面耦合在光纤和集成光子芯片耦合方面占有重要地位，研究端面耦合器对于发展光子芯片具有重要的意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于梯度折射率倒脊形波导的边缘耦合器，用于实现光纤和波导之间的低损耗互连。由于脊形结构波导相较于普通结构波导的模场尺寸更大，利用脊形结构的这个特点，可以设计一种边缘耦合器，实现单模光纤和波导的模场匹配，减低耦合损耗。
6.本发明所述的一种基于梯度折射率倒脊形波导的边缘耦合器，如图1和图2所示，从下至上依次由衬底(1)、低折射率二氧化硅下包层(2)、低折射率二氧化硅中间包层(3)和低折射率二氧化硅上包层(4)组成，在低折射率二氧化硅中间包层(3)之中包覆有高折射率二氧化硅第一波导芯层(5)，且高折射率二氧化硅第一波导芯层(5)和低折射率二氧化硅中间包层(3)具有相同的厚度；在低折射率二氧化硅上包层(4)之中包覆有高折射率二氧化硅第二波导芯层(6)，高折射率二氧化硅第二波导芯层(6)位于高折射率二氧化硅第一波导芯层(5)和低折射率二氧化硅中间包层(3)之上，其厚度小于低折射率二氧化硅上包层(4)的厚度；低折射率二氧化硅上包层(4)、低折射率二氧化硅中间包层(3)和低折射率二氧化硅
下包层(2)具有相同的折射率，高折射二氧化硅第二波导芯层(6)的折射率大于高折射率二氧化硅第一波导芯层(5)的折射率，高折射率二氧化硅第一波导芯层(5)的折射率大于低折射率二氧化硅下包层(2)的折射率。
7.进一步，本发明所述的衬底(1)采用硅材料，低折射率二氧化硅上包层(4)、低折射率二氧化硅中间包层(3)和低折射率二氧化硅下包层(2)采用相同折射率的二氧化硅材料，折射率为1.4470；高折射率二氧化硅第一波导芯层(5)由掺锗的高折射率二氧化硅构成，其折射率为1.4687；高折射二氧化硅第二波导芯层(6)由掺锗的高折射率二氧化硅构成，其折射率为1.4832。
8.如图3和图4所示，二氧化硅第一波导芯层(5)为锥形波导，沿光的传输方向(+x方向)，二氧化硅第一波导芯层(5)的宽度逐渐变窄，其最宽处宽度为w1，其最窄处宽度为w4；二氧化硅第二波导芯层(6)由锥形波导core1和直波导core2组成，沿光的传输方向，二氧化硅第一波导芯层(6)的宽度逐渐变窄，其最宽处宽度为w2，其最窄处宽度为w3；锥形波导core1和高折射率二氧化硅第一波导芯层(5)的长度相同，且锥形波导core1居中设置于高折射率二氧化硅第一波导芯层(5)的上表面，两者共同构成梯度折射率倒脊形波导边缘耦合器；直波导core2的宽度为w3。沿+x方向，来自光纤的光信号首先耦合至脊形结构波导中，然后由直波导core2将耦合至脊形结构波导内的信号光传输至光芯片等其他器件中。
9.进一步的，脊形结构中，二氧化硅第一波导芯层(5)与二氧化硅第二波导芯层(6)的高度分别为h1和h2，且h1+h2＝6.5μm；锥形波导core1的起始宽度w2为8μm，二氧化硅第一波导芯层(5)的起始宽度w1为12μm，从而增大模场尺寸，实现与单模光纤的模场匹配，增强光纤和波导之间的耦合效率。二氧化硅第一波导芯层(5)的高度h1为3μm，沿+x方向，二氧化硅第一波导芯层(5)的宽度由w1＝12μm逐渐减小至w4＝6μm；二氧化硅第二波导芯层(6)高度h2为3.5μm，二氧化硅第二波导芯层(6)之锥形波导core1的宽度由w2＝8μm逐渐减小至w3＝3.5μm。由二氧化硅第一波导芯层(5)与锥形波导core1组成的脊形结构波导长度l1＝70μm，输出端直波导core2宽度w3＝3.5μm，高度h2＝3.5μm，从而使得模场沿+x方向逐渐变小；器件总长度l3＝0.1mm，l1+l2＝l3。低折射率二氧化硅下包层(2)和低折射率二氧化硅上包层(4)的高度均为15μm，低折射率二氧化硅中间包层(3)的高度为h1＝3μm。
10.图5为边缘耦合器的整体模场分布图，从图中可以清晰的看到，沿+x传输方向，来自单模光纤的输入光信号在x＝0处耦合进入由高折射率二氧化硅第一波导芯层(5)和高折射率二氧化硅第二波导芯层(6)之锥形波导core1共同构成的梯度折射率倒脊形波导边缘耦合器中，经过宽度逐渐减小的脊型波导耦合器，光斑面积被压缩，逐渐变小，在x＝70μm处耦合进入直波导core2中。图6为高折射率二氧化硅第二波导芯层(6)之直波导core2截面模场分布，可见，单模光纤中的信号光通过梯度折射率倒脊形波导边缘耦合器，成功耦合至高度和宽度均为3.5μm的直波导core2中。
11.高折射率二氧化硅第二波导芯层(6)和高折射率二氧化硅第一波导芯层(5)的折射率不同，首先是因为二氧化硅第一波导芯层(5)的宽度在长度为l1的锥形结构区域内大于二氧化硅第二波导芯层(6)的宽度，如第二波导芯层(6)和第一波导芯层(5)折射率相同，则第一波导芯层(5)有效折射率大于第二波导芯层(6)，不利于光模场由第一波导芯层(5)耦合至第二波导芯层(6)从而由直波导core2输出。通过减小第一波导芯层(5)折射率，可降低其有效折射率，使得第一波导芯层(5)中光模场能够耦合至第二波导芯层(6)的锥形波导
core1中，并由直波导core2输出，减小传输过程中的光损耗。其次，减小第一波导芯层(5)的折射率，可以减小倒脊形结构边缘耦合器的整体有效折射率，从而减少光纤和边缘耦合器的折射率差，增强模场匹配，提高光耦合效率。
附图说明
12.图1是本发明所述梯度折射率倒脊形波导边缘耦合器三维结构示意图；
13.图2是本发明所述梯度折射率倒脊形波导边缘耦合器沿光的传输方向的剖面结构示意图；
14.图3是本发明所述梯度折射率倒脊形波导边缘耦合器波导芯层沿光的传输方向的俯视图；
15.图4是本发明所述梯度折射率倒脊形波导边缘耦合器波导芯层沿光的传输方向的侧视图；
16.图5是本发明所述梯度折射率倒脊形波导边缘耦合器第二波导芯层(6)内模场传输图；
17.图6是本发明所述梯度折射率倒脊形波导边缘耦合器第二波导芯层(6)直波导core2截面输出光模场图；
18.图7是本发明所述梯度折射率倒脊形波导边缘耦合器耦合损耗随波长变化曲线；
19.图8是本发明所述梯度折射率倒脊形波导边缘耦合器制备工艺流程。
具体实施方式
20.实施例1
21.1、确定二氧化硅第一波导芯层波导(5)的宽度w1和高度h1，以及二氧化硅第二波导芯层波导(6)core1的宽度w2和输出端直波导core2的宽度w3和高度h2。实施例选用纤芯直径为8μm的单模光纤。为匹配单模光纤模场分布，本实施例设计的二氧化硅第一波导芯层波导(5)的宽度w1＝12μm，h1＝3μm，二氧化硅第二波导芯层波导宽度w2＝8μm。因为选用的高折射率二氧化硅波导芯层(6)的折射率为1.4832，为满足二氧化硅第二波导芯层波导core2的单模条件，选取w3＝3.5μm，h2＝3.5μm。
22.2、确定二氧化硅第二波导芯层core1的长度以及二氧化硅第一波导的长度l1和宽度w4。为保证光纤中光场在二氧化硅第一波导芯层和二氧化硅第二波导芯层core1中稳定传输，且高效耦合进入二氧化硅第二波导芯层core2直波导中，通过时域有限差分法(finite-difference time-domain，fdtd)计算以及优化，确定二氧化硅第二波导芯层core1波导长度l1＝70μm，二氧化硅第一波导芯层宽度w4＝5μm，长度为l1＝70μm时，二氧化硅第一波导芯层以及二氧化硅第二波导芯层core1中的光模场可以最大效率耦合进入core2直波导中。
23.3、本结构中芯层波导为掺锗二氧化硅材料，二氧化硅第一波导芯层折射率为1.4687，与二氧化硅包层间的折射率差为1.5％，二氧化硅第二波导芯层折射率为1.4832，与二氧化硅包层间折射率差为2.5％。光沿锥形结构向第二波导芯层的直波导core2传输，波导宽度沿光传输方向逐渐变小。二氧化硅第二波导芯层core1波导和二氧化硅第一波导芯层波导组合形成脊形结构波导，可光纤中模场匹配，有利于提高光纤与光波导的耦合效
率。二氧化硅第一波导芯层和二氧化硅第二波导芯层之间存在的折射率差，由光纤耦合进入二氧化硅第一波导芯层的光信号更容易由低折射率二氧化硅第一波导芯层耦合进入高折射率二氧化硅第二波导芯层，从而增强耦合进入core2直波导中的光场能量。
24.4、图7显示了光纤与梯度折射率倒脊形波导边缘耦合器的耦合效率随着信号光波长的变化情况。结果表明，在1520nm～1620nm波长范围内，耦合损耗变化范围为0.33～0.37db；在信号光波长1550nm处，耦合损耗为0.357db，可满足波长不敏感要求。
25.实施例2：如图8所示，本发明所述器件的具体制备步骤如下：
26.1)清洗硅衬底：选用硅片作为衬底，用丙酮、乙醇和去离子水依次超声清洗硅衬底上的各种杂质以及油污等物质；
27.2)热氧化生长sio2下包层：在1000℃条件下，利用湿法热氧化工艺，在清洗干净的硅衬底上生长一层折射率为1.4470的二氧化硅薄膜作为低折射率二氧化硅下包层(2)，通过控制水汽流量、衬底温度和反应时间，使二氧化硅下包层厚度h3为15μm；
28.3)沉积高折射率sio2第一波导芯层薄膜：利用等离子体增强化学气相沉积法(plasma enhanced chemical vapor deposition，pecvd)在低折射率二氧化硅下包层(2)上沉积掺锗(ge)的高折射率二氧化硅，在射频功率为50w，衬底温度200℃条件下，控制反应气体gecl4、sih4和n2o流量分别为32sccm、20sccm和40sccm，使高折射率sio2第一波导芯层的折射率为1.4687，控制反应时间，使高折射率sio2第一波导芯层的厚度h1＝3μm；
29.4)生长多晶硅掩膜层：以sih4和h2作为反应气体，采用热丝cvd法，在生长气压1pa、衬底温度200℃、稀释比v(h2)/(v(sih4)+v(h2))为98.4％的条件下，通过控制反应时间，在高折射率sio2第一波导芯层表面生长一层1μm厚的多晶硅层作为高折射率sio2第一波导芯层的刻蚀掩膜层；
30.5)光刻、多晶硅刻蚀形成波导掩膜图形：在步骤4)所形成多晶硅层表面旋涂光刻胶az1500，经i线(365nm)紫外光刻、显影后，将掩膜板上与所要制备的高折射率sio2第一波导芯层结构相同的波导图形转移至光刻胶表面，利用反应离子刻蚀(rie)方法，在射频功率100w条件下，控制sf6、chf3和o2气体流量为25sccm、50sccm和35sccm，通过氟离子的化学腐蚀和物理轰击作用，去除无光刻胶保护的多晶硅层，曝光、显影去除光刻胶后，得到与需要制备的高折射率sio2第一波导芯层结构相同的多晶硅掩膜层；
31.6)刻蚀形成sio2第一波导芯层：利用步骤5)所述反应离子刻蚀(rie)方法，在射频功率100w条件下，控制sf6、chf3和o2气体流量为25sccm、50sccm和35sccm，通过氟离子的化学腐蚀和物理轰击作用，去除无多晶硅掩膜保护的高折射率sio2波导芯层薄膜；
32.7)去除多晶硅掩膜层：利用质量分数15％的koh水溶液去除多晶硅掩膜层，从而在低折射率二氧化硅下包层(2)上制备得到高折射率sio2第一波导芯层(5)；
33.8)沉积低折射率sio2中间包层：利用pecvd法，通过控制反应时间，在低折射率二氧化硅下包层(2)和高折射率sio2第一波导芯层(5)表面沉积生成一层折射率1.4470的二氧化硅薄膜，通过化学机械抛光方法控制sio2中间包层表面平整度，并使其厚度为3μm，即与高折射率sio2第一波导芯层(5)的厚度h1一致，得到低折射率sio2中间包层(3)；
34.9)沉积高折射率sio2第二波导芯层薄膜：利用与步骤3)相同的方法，在反应气体gecl4、sih4和n2o的流量分别为35sccm、22sccm和40sccm，射频功率50w，衬底温度200℃条件下，在二氧化硅中间包层(3)和第一波导芯层(5)上表面沉积折射率为1.4832的高折射二氧
化硅薄膜，控制反应时间，使高折射二氧化硅薄膜厚度为3.5μm；
35.10)生长多晶硅掩膜层：利用步骤4)所述方法，在高折射率sio2薄膜表面生长一层1μm厚多晶硅层作为高折射率sio2的刻蚀掩膜层；
36.11)光刻、多晶硅刻蚀形成波导掩膜图形：在步骤10)所形成多晶硅层表面旋涂光刻胶az1500，i线(365nm)紫外光刻、显影后，将掩膜板上与需要制备的高折射率sio2第二波导芯层结构相同的波导图形转移至光刻胶表面，利用反应离子刻蚀(rie)方法，去除无光刻胶保护部分的多晶硅层，曝光、显影去除光刻胶后，得到与高折射率sio2第二波导芯层图形相同的多晶硅掩膜层；
37.12)刻蚀形成高折射率sio2第二波导芯层：利用步骤11)所述的反应离子刻蚀(rie)方法，控制sf6、chf3和o2气体流量比，利用氟离子的化学腐蚀和物理轰击作用，去除无多晶硅掩膜保护的高折射率sio2波导芯层；
38.13)去除多晶硅掩膜层：利用质量分数15％的koh水溶液去除多晶硅掩膜层，从而在高折射率sio2第一波导芯层(5)和低折射率sio2中间包层(3)上得到高折射率sio2第二波导芯层(6)；
39.14)沉积低折射率sio2上包层：利用pecvd法，通过控制反应时间，在步骤13)所获得结构表面沉积生成一层折射率为1.4470的二氧化硅上包层，通过化学机械抛光方法控制二氧化硅上包层表面平整度，并使其位于低折射率sio2中间包层(3)之上的厚度为15μm，得到低折射率sio2上包层(4)，从而制备得到本发明所述的基于梯度折射率倒脊形波导的边缘耦合器。