波导三维模斑转换器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光电子技术领域，具体涉及一种基于波导楔形结构的三维模斑转换器设计，以及具体的使用半导体微加工工艺针对该三维结构的制备方法。
【背景技术】
[0002]近年来，随着高速率、大容量光通信技术的成熟和逐渐实用化，人们对光电子器件的集成度提出了越来越高的要求，高折射率差的材料是制作高集成度光电子器件的一个很好的选择，可以大大减小波导的尺寸和弯曲半径的大小。但这会带来一个新的难题。以SOI材料为例，硅和二氧化硅的折射率分别为3.45和1.44，以硅为芯层的单模波导截面尺寸小于I μπι。而大尺寸波导如普通单模光纤中的模斑尺寸在8?10 μm，在大尺寸波导和小尺寸波导间普遍存在着严重的模式失配。
[0003]为了解决这一问题，人们提出了使用具有楔形结构的模斑转换器在大模斑和小模斑之间进行转换。目前研究较成熟的二维楔形模斑转换器结构简单，仅在水平方向上实现尺寸的变化，这种转换器虽然工艺实现容易，但垂直方向的限制会大大降低模斑转换的效率，很难实用化。而三维的模斑转换器提供了水平和垂直两个方向的尺寸变化，可以有效提高大小模场间的匹配。然而在三维模斑转换器的制作中，如何利用半导体微加工工艺实现垂直方向上的尺寸变化成为新的难点。
[0004]在制作三维斜面中，目前研究人员采用了一些方案:①利用高能光束制作灰度掩膜板，实现灰度曝光，从而制作倾斜斜面。这种方案成本高昂、需要使用特殊设备、并且对于大尺寸的倾斜面制作困难，实用性不强。②纳米压印光刻胶制作倾斜面。纳米压印方法同样需要特殊设备，这种方法基于一些非传统的工艺，并不能普遍地被采用。③使用多次曝光刻蚀的方法，制作台阶型尺寸变化。多次曝光刻蚀的工艺复杂，且数次的刻蚀只能做出在垂直方向上很少级次的变化，并不是理想的楔形效果。④使用柱状密度图形或棱状密度图形制作斜面。其基本原理和本发明类似，但目前的方案中，棱状图形的排布方向均为垂直于光的传播方向，会造成很大散射损耗；柱状图形被消除后会留下一些凸起，同样对光的传播不利。
[0005]因此，本发明拟提出一种三维模斑转换结构，该结构使用棱状的密度图形，棱状和光传播方向的夹角在-45° -45°之间，棱状向中心汇聚，能够降低散射损耗的大小；工艺简单，利用刻蚀、腐蚀、氧化等加工工艺，只需一次曝光和最多两次刻蚀就能制作出水平和垂直方向变化的三维结构，能有效地改善模斑匹配的问题。
【发明内容】
[0006](一 )要解决的技术问题
[0007]使用具有三维结构的模斑转换器是解决不同尺寸波导之间以及波导和光纤之间模斑失配的一个有效方案，然而现有的三维结构设计难以制作，工艺繁琐，很难实用化。
[0008]为了解决这个问题，应从三维结构的设计方案和工艺步骤上加以创新。本发明的目的为设计一种三维模斑转换结构，使其工艺简单且有效地实现功能。
[0009]( 二)技术方案
[0010]为实现上述目的，根据本发明，这种波导三维模斑转换器的设计可以描述为:
[0011]基于平板结构，包含平板形状的衬底、设置在所述衬底上的下包层以及设置在所述下包层上传输、转换光模斑的芯层。其中芯层由沿光传播方向上宽度和高度变化的楔形组成。楔形表面并非一定是光滑的，可具有一些沿光传播方向的棱排布，棱状结构与光传播方向之间的夹角在-45° -45°之间。
[0012]这种模斑转换器的工艺步骤为:
[0013]步骤1:设计棱状图形的分布版图。棱状密度图形沿光传播方向排布，图形的每一部分与光传播方向的夹角都在-45° -45°之间。楔形结构的宽度变化由刻蚀区域的宽度决定，高度变化由棱状密度图形的排布决定。设计高度变高，则所需密度图形的密度变大，具体表现为:棱状图形的宽度增大，棱状图形之间的间距减小或二者同时变化。在设计中应当满足，条形的宽度和间距必须足够小，以SOI波导为例，条形的宽度和间距应在50nm-l μ m之间变化。
[0014]步骤2:利用电子束或紫外曝光将条形的密度图形阵列转移到光刻胶上，如图1 (b)所示。
[0015]步骤3:刻蚀。由于条形的宽度和间距尺寸足够小，在干法刻蚀中，反应气体并不能完全的作用于空隙底部，使得棱状彼此之间空隙大时刻蚀深度大，而棱状彼此之间空隙小时刻蚀深度小；对于湿法刻蚀，刻蚀的速率和接触表面积、溶液的流动性等因素相关，在反应溶液不搅拌的条件下，空隙小的棱状中接触面积小、溶液更新相对缓慢，因此刻蚀深度小，反之空隙大的棱状刻蚀深度大。因此，不同密度的密度图形分布会造成不同的刻蚀深度，产生高度落差。
[0016]步骤4:去除光刻胶、清洗、采用湿法腐蚀或氧化的方案去除表面的棱状密度图形。根据基体材料的不同选择腐蚀或者氧化的方案，并使用相应的腐蚀液。其原理分别为:对于湿法腐蚀，腐蚀液作用速率和接触表面积呈正比，凸起部分的表面积大，首先被腐蚀，因此图形底部的高度变化部分得以保存，而棱状结构腐蚀成棱，形成所述楔形面；对于氧化方式，氧原子和材料表面的原子相互作用，形成表面氧化物，其中凸起的密度图形与氧气接触面积大，氧化速率快，待密度图形氧化后，可以选择用腐蚀氧化物的溶液漂洗表面，达到去除密度图形的效果，如图1(e) (f)所示，同时如果氧化物的折射率小于芯层折射率，也可以选择保留表面氧化物当做包层。
[0017]在本发明中，可以合理的设计条形密度图形的分布和排列，达到高度和宽度的不同组合变化的形式。值得注意的一点是，由于腐蚀形成的棱状结构始终沿光传播方向排布，并且夹角小于45°，因而带来很小的散射损耗，利于减小光模斑转换过程中的能量损失。
[0018](三)有益效果
[0019]从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果:
[0020]1.本发明提供的这种波导三维模斑转换器，具有水平和垂直两个方向上的尺寸变换，有利于减小模斑转换过程中的模场失配。
[0021]2.本发明提供的这种波导三维模斑转换器，表面形成的棱状结构与光传播方向的夹角小于45°，有利于