本公开涉及光纤通信与集成光学技术领域，尤其涉及一种具有倾斜波导端面的光纤-硅光芯片耦合器。
背景技术：
传统的大截面尺寸波导由于其弯曲半径大(通常为几百微米至毫米量级)，难以在单个晶圆上集成多个光学功能器件，限制了大规模集成光路的发展。随着半导体加工水平的进步，硅纳米线光波导及器件成为了当今热门研究领域之一。硅纳米线波导通常采用soi(silicon-on-insulator，绝缘层上的硅)基片制作，其芯层与包层的折射率差很大，可以对光场形成很强的限制，从而实现超小的波导尺寸和弯曲半径，而且其制作工艺与已经成熟的cmos工艺技术相兼容，为大规模光电集成芯片的研究与应用奠定了良好的基础。
然而，随着硅纳米线波导的截面越来越小，波导与光纤之间光信号的耦合变得越来越困难。硅纳米线波导的尺寸在亚微米量级，而光纤的芯径常为几个微米量级。二者尺寸上的差异使得直接对接耦合的损耗大于10db，无法满足实际应用的需求。
为了解决硅纳米线波导与光纤的耦合问题，一种方法是采用光栅耦合结构，该种方法虽然可以直接与单模光纤耦合，但是带宽受限而且需要光纤保持特定的角度不利于大规模应用。另一种是根据模斑变换采用端面耦合。通常将埋在平板介质或者聚合物中的硅纳米线波导的端头逐步收窄成倒锥型结构，使其与光纤之间的模场尺寸尽可能的匹配来提高耦合效率。然而这种方法又容易引起端面处激光反射回光纤，引起入射器件的损坏。
公开内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种具有倾斜波导端面的光纤-硅光芯片耦合器，以缓解现有技术中波导与光纤耦合时带宽受限、不利大规模应用、激光反射回光纤强度大易损坏器件等技术问题。
(二)技术方案
本公开的一个方面，提供一种具有倾斜波导端面的光纤-硅光芯片耦合器，由soi基片制备而成，包括：衬底层，上表面刻蚀有凹槽；以及波导层，设置于衬底层上，用于光的传导；包括：sio2波导，设置于衬底层的凹槽的上方；包括：第一sio2波导，为输入波导，其和外接光纤耦合的波导端面与光传输的方向有一倾角θ，θ＜90°；锥形sio2波导，一侧与第一sio2波导相连接，横截面尺寸沿着光传输的方向渐缩；第二sio2波导，一侧与锥形sio2波导的另一侧相连接；以及sio2平板结构，与第二sio2波导的另一侧相连接；支撑梁，设置于sio2波导的两侧；以及硅纳米线波导，用于将光耦合并输出。
在本公开实施例中，所述硅纳米线波导包括：锥形硅波导，由第二sio2波导包覆，横截面尺寸沿着光传输的方向渐扩；以及硅输出波导，由sio2平板结构包覆，与锥形硅波导相连接。
在本公开实施例中，所述的具有倾斜波导端面的光纤-硅光芯片耦合器的所述倾角θ，70≤θ≤88°。
在本公开实施例中，所述衬底层上的凹槽横截面为：三角形、半圆形、双半圆形、梯形、矩形或不规则形状，凹槽宽度大于悬空的sio2波导的宽度，长度达到或超过第二sio2波导与sio2平板结构分界处。
在本公开实施例中，所述依次相连的第一sio2波导，锥形sio2波导和第二sio2波导处于衬底层的凹槽的上侧，构成一悬空波导结构，而所述支撑梁用于支撑该悬空波导结构，防止sio2波导的结构塌陷。
在本公开实施例中，所述支撑梁的数量设置为n个，n≥1。在本公开实施例中，所述soi基片包括：衬底层，其为纯净的硅；埋氧层，设置于衬底层上，厚度为2～3μm；以及顶层硅，设置于埋氧层上，厚度小于800nm，用于制备硅纳米线波导。
在本公开实施例中，所述硅纳米小波导完全被所述sio2波导所包覆，且位于第二sio2波导和sio2平板结构的沿光传输方向的中心对称轴位置。
本公开的另一个方面，提供一种制备方法，用于制备以上任一项所述的具有倾斜波导端面的光纤-硅光芯片耦合器，包括：步骤1：在soi基片上制备硅纳米线波导；步骤2：在步骤1中制备好的硅纳米线波导的表面沉积sio2，形成sio2覆盖层；步骤3：对步骤2所制备的器件进行光刻和刻蚀，制成sio2波导和支撑梁；以及步骤4：将步骤3完成的器件进行湿法腐蚀，制备衬底层上的凹槽，完成具有倾斜波导端面的光纤-硅光芯片耦合器的制备。
在本公开实施例中，所述步骤2中所制备的sio2覆盖层与soi基片的埋氧层厚度一致。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开具有倾斜波导端面的光纤-硅光芯片耦合器至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)相对容易制备且成本低；
(2)提高了耦合结构对光场的限制能力，降低了倒锥形耦合结构端头的弥散损耗，消除了光场向衬底的泄漏损耗。
(3)采用支撑梁提高了悬挂结构的可靠性。
(4)不需要额外加入折射率匹配溶液就能实现低损耗耦合，保证了其稳定性，且降低了成本，有利于大规模的生产与应用。
(5)采用一定角度的耦合结构倾斜，降低了激光反射回光纤的强度，减小了对入射器件的损伤。
附图说明
图1为本公开实施例具有倾斜波导端面的光纤-硅光芯片耦合器的俯视结构示意图。
图2为本公开实施例具有倾斜波导端面的光纤-硅光芯片耦合器沿着中轴线竖向剖开的剖视图。
图3为本公开实施例图1所示具有倾斜波导端面的光纤-硅光芯片耦合器沿着a-a’所示方向剖开的剖视图。
图4为本公开实施例图1所示具有倾斜波导端面的光纤-硅光芯片耦合器沿着b-b’所示方向剖开的剖视图。
图5为本公开实施例图1所示具有倾斜波导端面的光纤-硅光芯片耦合器沿着c-c’所示方向剖开的剖视图。
图6为本公开实施例图1所示具有倾斜波导端面的光纤-硅光芯片耦合器沿着d-d’所示方向剖开的剖视图。
图7是本公开实施例图1所示具有倾斜波导端面的光纤-硅光芯片耦合器与外接光纤耦合原理解释示意图。
图8是本公开实施例图1所示具有倾斜波导端面的光纤-硅光芯片耦合器的制备方法流程示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
100-衬底层；
200-波导层；
210-sio2波导；
211-第一sio2波导；212-锥形sio2波导；
213-第二sio2波导；214-sio2平板结构；
220-支撑梁；
230-硅纳米线波导；
231-锥形硅波导；232-硅输出波导。
具体实施方式
本公开提供了一种具有倾斜波导端面的光纤-硅光芯片耦合器及制备方法，其和外接光纤耦合的波导端面与光传输的方向有一夹角θ，θ＜90°，使光纤所发出的光经所述波导端面反射后不直接垂直入射回光纤之中，而会有部分光在倾斜波导端面和光纤界面不断反射并发散出去，降低了激光反射回光纤的强度，减小了对入射器件的损伤；同时结构简单，制备相对容易，成本低，有利于大规模的生产与应用。
本公开实施例中，制备所述具有倾斜波导端面的光纤-硅光芯片耦合器所用的soi基片包括：衬底层100，其为纯净的硅；其上为埋氧层，埋氧层是sio2，埋氧层上为顶层硅，其为亚微米厚度的硅，用于后期制备硅纳米线波导230，纳米线波导制备完成后，在包含纳米线波导的整个器件表面制备厚度与所述埋氧层厚度一致的sio2覆盖层，其与埋氧层共同用于制备sio2波导210以及支撑梁220。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在本公开实施例中，提供一种具有倾斜波导端面的光纤-硅光芯片耦合器，图1为本公开实施例具有倾斜波导端面的光纤-硅光芯片耦合器的俯视图，图2为本公开实施例具有倾斜波导端面的光纤-硅光芯片耦合器沿着中轴线竖向剖开的剖视图。结合图1和图2所示，所述具有倾斜波导端面的光纤-硅光芯片耦合器包括：
衬底层100，上表面刻蚀有凹槽；以及
波导层200，设置于衬底层100上，用于光的传导；包括：
sio2波导210，设置于衬底层100的凹槽的上方；包括：
第一sio2波导211，为输入波导，其和外接光纤耦合的波导端面与光传输的方向有一倾角θ，θ＜90°；
锥形sio2波导212，一侧与第一sio2波导相连接，横截面尺寸沿着光传输的方向渐缩；
第二sio2波导213，一侧与锥形sio2波导的另一侧相连接；以及
sio2平板结构214，与第二sio2波导的另一侧相连接；
支撑梁220，设置于sio2波导210的两侧；以及
硅纳米线波导230，用于将光耦合并输出；包括：
锥形硅波导231，由第二sio2波导213包覆，横截面尺寸沿着光传输的方向渐扩；以及
硅输出波导232，由sio2平板结构214包覆，与锥形硅波导231相连接。
本公开实施例中，如图1所示，其中虚线箭头所示方向为光路传输方向，其与所述具有倾斜波导端面的光纤-硅光芯片耦合器的器件轴向方向相同，本公开实施例中所示倾斜波导端面与器件的夹角θ，即是与轴向或光传输方向的夹角，后续描述中涉及长度的，均为轴向方向对应尺寸，描述宽度的，均为同一水平面内与轴向垂直方向的对应尺寸，描述厚度的，均为与轴向所在水平面垂直的平面内的对应尺寸。
本公开实施例中，图3为本公开实施例图1所示具有倾斜波导端面的光纤-硅光芯片耦合器沿着a-a’所示方向剖开的剖视图。图4为本公开实施例图1所示具有倾斜波导端面的光纤-硅光芯片耦合器沿着b-b’所示方向剖开的剖视图。图5为本公开实施例图1所示具有倾斜波导端面的光纤-硅光芯片耦合器沿着c-c’所示方向剖开的剖视图。图6为本公开实施例图1所示具有倾斜波导端面的光纤-硅光芯片耦合器沿着d-d’所示方向剖开的剖视图。结合图3至图6所示，所述依次相连的第一sio2波导211，锥形sio2波导212和第二sio2波导213处于衬底层100的凹槽的上侧，构成一悬空波导结构，而支撑梁220用于支撑该悬空波导结构，防止sio2波导210结构塌陷。
本公开实施例中，衬底层100的湿法腐蚀形成的凹槽横截面也可为其它形状，包括：三角形、半圆形、双半圆形、梯形、矩形等，也可以为不规则的形状，只要满足凹槽宽度大于悬空的sio2波导的宽度，长度达到或超过第二sio2与sio2平板结构214分界处，使sio2波导达到悬空的效果，进而大大降低光场向衬底的泄漏损耗。
本公开实施例中，支撑梁220是通过刻蚀衬底层100上的埋氧层和覆盖层直至衬底层100的上表面得到的，支撑梁220的数量设置为n个，n≥1，且每个支撑梁的尺寸可以相同，电可以不同，而且其设置的位置也不局限于本实施例中提到的位置，只要能实现支撑功能即可。
本公开实施例中，所述第一sio2波导211的横截面为对称结构，优选既是轴对称又是中心对称的结构。
本公开实施例中，所述倾角θ，70≤θ≤88°。
光纤中的光从第一sio2波导211的输入端输入锥形sio2波导212，所述锥形sio2波导212沿着光传输的方向，厚度保持一致，其沿着水平面剖开的截面呈现梯形的结构，输入端宽，输出端窄，即锥形sio2波导212的截面尺寸沿着光传输的方向渐缩，因此，沿着第一sio2波导211输入的光经过锥形sio2波导212，在横向上实现了压缩，然后输出到第二sio2波导213；经过锥形sio2波导212压缩后的光进入第二sio2波导213后，在第二sio2波导213所包覆的锥形硅波导231中逐步实现耦合，并沿着锥形硅波导231输出进入硅输出波导232中，进而实现光的输出。
本公开实施例中，所述第二sio2波导213的输入端与锥形sio2波导212的输出端横截面相同。
本公开实施例中，锥形硅波导231沿着光传输的方向，厚度保持一致，其沿着水平面剖开的截面呈现锥形的结构，输入端窄，输出端宽，即横截面尺寸沿着光传输的方向渐扩，因此光场经过锥形硅波导231和硅输出波导232的耦合作用，在sio2平板结构214中实现将光全部耦合至硅输出波导232，因而在包覆该硅输出波导232的sio2平板结构214的输出端，可以直接连接各种功能器件。
本公开实施例中，制备具有倾斜波导端面的光纤-硅光芯片耦合器所用的soi基片包括：衬底层100，其为纯净的硅；其上为埋氧层，埋氧层是sio2，埋氧层上为顶层硅，其为亚微米厚度的硅，用于制备硅纳米线波导230。
其中，锥形硅波导212端头的宽度由于受到工艺精度的限制，一般不会收窄至零，该宽度越小，对提高耦合效率越有利。
本公开实施例中，图7为本公开实施例图1所示具有倾斜波导端面的光纤-硅光芯片耦合器与外接光纤耦合原理解释示意图，如图所示，光纤-硅光芯片耦合器的倾斜端面结构，使光纤发出的光在倾斜端面反射后，不再直入射回光纤，而会有部分光在倾斜波导端面和光纤界面不断反射并发散出去，不需要额外加入折射率匹配液就能实现高的耦合效率。
本公开一具体实施例中，选用基于硅绝缘体soi材料的硅纳米线光波导，厚度为220nm；埋氧层sio2厚度为3μm。具体实施相关结构参数为：与端面夹角为82度，第一sio2波导高度6μm，宽度6μm，锥形sio2波导长度100μm，第二sio2波导宽度4μm，支撑梁220宽度2um，锥形硅波导长度200μm，硅输出波导宽度400nm，改进后的耦合结构中，光在光纤-硅光芯片耦合器界面反射后，不再像以前一样直入射回波导，而会有部分光在波导界面和光纤界面不断反射并发散出去。
在本公开实施例中，提供一种具有倾斜波导端面的光纤-硅光芯片耦合器的制备方法，图8为根据本公开实施例具有倾斜波导端面的光纤-硅光芯片耦合器的制备方法流程图。如图所示，所述制备方法，包括：
步骤1：在soi基片上制备硅纳米线波导230，即制成锥形硅波导231和硅输出波导232；
所述步骤1包括：在soi基片的顶层硅上刻蚀制备硅纳米线波导；
所述硅纳米线波导的形状如下：靠近器件边缘的一部分两端宽度相同，作为硅输出波导，另一部分与硅输出波动相连，为倒锥型结构，即端头宽度越来越小，作为锥形硅波导；该宽度越小，对提高耦合效率越有利。
该soi基片从上至下依次包括：顶层硅，埋氧层以及衬底层；顶层硅为亚微米厚度，厚度小于800nm，埋氧层的厚度一般为2～3μm，衬底层硅为纯净的硅材料，这里的纯净指的是纯度在99.9999％以上的单晶硅；本公开不以此为限，市面上的soi晶片都可作为基片。
步骤2：在步骤1中制备好的硅纳米线波导的表面沉积sio2，形成sio2覆盖层；
本实施例中，采用等离子体增强化学气相淀积(pecvd)在制备好的硅纳米线波导表面沉积sio2，利用ch4与n2o在350℃左右反应生成sio2，同时为了使得sio2波导的模场与光纤的模场尽量匹配，sio2覆盖层的厚度与soi基片的埋氧层厚度一致，然后进行化学机械抛光，实现表面平整化处理。
步骤3：对步骤2所制备的器件进行光刻和刻蚀，制成sio2波导210和支撑梁220；
制作光刻板，光刻板为包含第一sio2波导211、锥形sio2波导212、第二sio2波导213、支撑梁220和sio2平板结构214上表面的形状，利用光刻在sio2覆盖层上形成对应图案之后，采用反应离子刻蚀工艺对sio2覆盖层和soi基片的埋氧层进行干法刻蚀，刻蚀sio2至衬底层100表面，得到第一sio2波导211、锥形sio2波导212、第二sio2波导213、sio2平板结构214以及支撑梁220；
反应离子刻蚀工艺中，采用cf4与h2的混合气体作为sio2的刻蚀气体，其中h2在混合气体内中的体积分数为50％，该组分的cf4/h2混合气体对sio2和硅的选择刻蚀性较好，选择比超过40∶1。在等离子体环境中，cf4可以产生氟原子，氟原子与sio2发生反应，从而刻蚀sio2至衬底层100，而几乎不与硅发生反应。
步骤4：将步骤3完成的器件进行湿法腐蚀，制备衬底层100上的凹槽；
将步骤3所完成的器件浸入koh腐蚀液中，腐蚀掉第一sio2波导211、锥形sio2波导212以及第二sio2波导213下一定厚度的衬底层100，那么在此侧衬底层的表面，腐蚀掉的部分变为中空，如此，形成由支撑梁支撑的悬空结构，完成具有倾斜波导端面的光纤-硅光芯片耦合器的制备。
koh腐蚀液对硅和sio2也具有很高的选择刻蚀比，该腐蚀液可以与硅发生反应，而不与sio2反应，因此采用koh腐蚀液进行图案腐蚀的目的是腐蚀部分厚度的衬底层的硅，形成悬空结构，而由sio2埋氧层包覆的硅纳米线波导230不会被腐蚀液腐蚀，因而在第二sio2波导213中包含的锥形硅波导231得以保留，在sio2平板结构214中包含的硅输出波导232结构得以保留。
其中，衬底层100的对应区域被湿法腐蚀，由于晶向的缘故，会形成倒三角式的悬空区域，如图3所示，在衬底层100被湿法腐蚀过的部分存在一个倒三角式的悬空区域；结合图3至图6来看，用作支撑梁220的部分二氧化硅在反应离子刻蚀工艺中没有被刻蚀，如图4中第二sio2波导213两侧的支撑梁220所示，而在不含支撑梁结构的部分，在光刻过程中sio2覆盖层被曝光，然后被刻蚀掉。
经上述步骤，制成具有倾斜波导端面的光纤-硅光芯片耦合器。
本公开提供了一种具有倾斜波导端面的光纤-硅光芯片耦合器，其和外接光纤耦合的波导端面与光传输的方向有一夹角θ，θ＜90°，使光纤所发出的光经所述波导端面反射后不直接垂直入射回光纤之中，而会有部分光在倾斜波导端面和光纤界面不断反射并发散出去，降低了激光反射回光纤的强度，减小了对入射器件的损伤；结构简单，设计方便，制备相对容易，成本低，有利于大规模的生产与应用。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：
(1)衬底层还可以用背衬底硅来代替；
(2)硅纳米线波导可以硅波导来代替；
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开具有倾斜波导端面的光纤-硅光芯片耦合器有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供了一种具有倾斜波导端面的光纤-硅光芯片耦合器，其和外接光纤耦合的波导端面与光传输的方向有一夹角θ，θ＜90°，使所述波导端面反射的光不垂直返回光纤之中，降低了激光反射回光纤的强度，减小了对入射器件的损伤；结构简单，设计方便，制备相对容易，成本低，有利于大规模的生产与应用。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。