一种硅光波导端面耦合器的制作方法

本发明涉及一种硅光波导端面耦合器，属于半导体光通信技术领域。

背景技术：

硅光子芯片是近20多年火热的通信研究领域，基于长期的研究和发展，目前部分产品已经逐步得到小量产应用，包括intel的100gpsm4光收发模块和acacia的100g相干光收发模块，仅此2个模块产品年产值已经到达10亿美金。相比传统分立结构的光收发模块，400g的硅光收发模块更具有巨大优势，几乎所有有能力的国内外光通信领域的公司和研究单位都在致力于开发400g的硅光收发模块。除了硅光收发模块外，硅光子其他结构的芯片也在广泛研发之中。

抑制硅光子芯片广泛应用的关键问题之一的是光纤与硅光子芯片的耦合。与光纤的耦合问题是任何一个硅光子芯片或产品必须解决的问题。目前基于二氧化硅光芯片或者iii-v族光芯片的光波导尺寸较大，可以与芯层直径为10微米的光纤进行有效耦合。硅光子芯片中的光波导是纳米线结构，其尺寸在几百纳米，其光波导的模场尺寸与标准光纤的模斑尺寸相差巨大，因模斑失配产生的硅光子-光纤耦合损耗高。针对此问题，目前有两种方案来解决光纤与硅光子光波导的耦合问题。一是基于光栅结构的耦合器，优点是耦合容差大、易于封装，其耦合损耗与硅光子光波导的厚度对应，硅光子光波导厚度越厚，光栅耦合器的损耗越低。在220nm厚的硅光子波导上设计光栅耦合器，其与光纤耦合损耗约3~4db/facet；在340nm后的硅光子波导上设计，光栅耦合器与光纤耦合损耗约2db/facet，对于光模块产品其耦合损耗过高。光栅耦合器的性能缺陷严重影响了其应用，尤其是光栅耦合器偏振敏感、窄的波长带宽。另一种硅光耦合器是悬空耦合器，该耦合器是基于常规soi晶圆开发出来的，为减小耦合器的损耗，该耦合器需要通过刻蚀技术掏空耦合器下方的衬底层，耦合器关键部位处于悬空状态，通过二氧化硅梁来支撑耦合器的核心部分。虽然该耦合器的光学性能优良，比如低的耦合损耗、大的波长带宽、低的偏振敏感性等，但该结构的可靠性不高，在晶圆划片和芯片封装过程中容易折断，使得成本增高、抑制了产量。以上两种耦合器是目前硅光芯片或产品中可以使用的耦合结构，但各自特性限制了其大规模使用，也阻碍了硅光产品的大批量生产与应用。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种硅光波导端面耦合器。本发明中的硅光波导端面耦合器解决了现有两种应用中的硅光-光纤耦合器存在的关键问题，具有全面的优良光纤性能、高可靠性以及易于封装的特性。本发明通过以下技术方案实现。

一种硅光波导端面耦合器，包括芯层光波导1、模斑压缩光波导2、衬底硅3、下包层4和上包层5，芯层光波导1包括依次连接的芯层光波导的反向锥形波导7和芯层光波导的直波导6，模斑压缩光波导2包括依次连接的输入直波导8、模斑压缩锤形波导9和模斑压缩输出波导10，衬底硅3顶面上设有下包层4，下包层4顶面上设有模斑压缩光波导2，模斑压缩光波导2四周被上包层5完全覆盖，芯层光波导1位于模斑压缩光波导2内部且被斑压缩光波导2完全包裹，下包层4和上包层5材料折射率低于模斑压缩光波导2材料折射率，模斑压缩光波导2材料折射率低于芯层光波导1材料折射率，模斑压缩光波导2中输入直波导8模斑尺寸与光纤输出的光信号光纤模斑尺寸相匹配，模斑压缩光波导2中模斑压缩输出波导10光模场尺寸与芯层光波导1中芯层光波导的反向锥形波导7模场尺寸相匹配。

所述芯层光波导1位于模斑压缩光波导2中心位置。芯层光波导1厚度在微纳米量级；芯层光波导的反向锥形波导7的顶部宽度为纳米量级，如0.1nm~150nm等。

所述芯层光波导的直波导6、芯层光波导的反向锥形波导7、输入直波导8、模斑压缩锤形波导9和模斑压缩输出波导10波导类型均为条形波导或脊型波导。

所述芯层光波导1材料为si、sin或sion高折射率的材料；模斑压缩光波导2为sin、sion或高折射率sio2高折射率的材料；下包层4或上包层5为sion或sio2低折射率的材料。sion材料折射率随o含量比例而变，其折射率范围在1.5~2.0之间，高于sio2的折射率，而低于sin的折射率。材料部分对应关系如下表1所示。

表1

所述芯层光波导的反向锥形波导7为单个反向锥形波导或者重叠的多个反向锥形波导。多个重叠叠加的反向锥形波导可以有效增大其模场在垂直方向的尺寸，与大尺寸的输入光模场相匹配。

所述输入直波导8、模斑压缩锤形波导9顶部均设有一个或多个重叠的近似折射率材料水平锤形波导。此结构可以在垂直方向上有效压缩输入光的模斑尺寸，使其能与芯层光波导1匹配。

上述输入直波导8的截面尺寸在微米量级，如3µm×3µm~10µm×10µm等。芯层光波导的反向锥形波导7的顶部可位于输出直波导10内部，也可以位于模斑压缩锥形波导9或输入直波导8内部。

本硅光波导端面耦合器工作原理为：从光纤输出的光信号首先与模斑压缩光波导2的输入直波导8相耦合，当输入直波导8的模斑尺寸与光纤模斑尺寸相匹配时，光信号能够从光纤低损耗耦合进入输入直波导8；光信号进入输入直波导8后，输入直波导8的外层为折射率较低的下包层4和上包层5，所有光在输入直波导8中能够稳定传输。光信号从输入直波导8中进入模斑压缩锥形波导9中后，光模场被模斑压缩锥形波导9在水平方向压缩后进入输出直波导10中。通过设计，使芯层光波导1中芯层光波导的反向锥形波导7的模场尺寸与输出直波导10的光模场相匹配，输出直波导10中的光信号也能够低损耗进入芯层光波导的反向锥形波导7，即进入芯层波导1，由于芯层光波导1的材料折射率高于其对应包层材料（此时，模斑压缩光波导2为芯层光波导1的包层），光信号能够在芯层光波导1中低损传输。最后，芯层光波导的反向锥形波导7的尾端结构与芯层光波导的直波导6输入端结构相同，光信号从芯层光波导的反向锥形波导7中进入芯层光波导的直波导6，完成光信号从光纤进入芯层光波导1的耦合。

本发明的耦合器是基于双层隔离层的soi晶片（靠近衬底的隔离层折射率偏低，靠近顶层硅的隔离层折射率偏高），采用与cmos工艺兼容的半导体工艺可以实现，主要集成工艺流程如下。

步骤一、在双层隔离层的soi晶片上进行光刻工艺，通过甩胶、曝光、显影、烘烤等步骤在顶层硅上形成芯层光波导的光刻胶图形。

步骤二、通过半导体刻蚀技术，以光刻胶为掩膜，对顶层硅进行刻蚀，形成硅基光波导结构，即芯层光波导。随后进行去胶、清洗。

步骤三、在硅基光波导上进行介质材料沉积，介质材料与隔离层的上层材料（即靠近顶层硅的隔离层材料）相同或两者折射率近似。此层介质材料和隔离层的上层材料是模斑压缩光波导的组成部分。沉积介质材料后，通过物理化学抛光工艺，对介质材料层上表面进行抛光，形成光滑的平面。

步骤四、在沉积介质层上进行进行光刻工艺，通过甩胶、曝光、显影、烘烤等步骤在顶层硅上形成模斑压缩光波导的光刻胶图形。

步骤五、通过半导体刻蚀技术，以光刻胶为掩膜，对沉积介质层和隔离层上层进行刻蚀，形成光波导结构，即模斑压缩光波导。随后进行去胶、清洗。

步骤六、在模斑压缩光波导上沉积上包层，上包层的材料与下包层材料（soi晶片靠近衬底硅层的隔离层）相同或两者折射率近似，并进行表面抛光。通过划片，得到本发明提出的端面耦合器。

本发明的有益效果是：本发明基于双层隔离层结构的soi晶圆，实现光纤与纳米线硅光波导之间的端面耦合器，其工艺与cmos工艺完全兼容。本发明中的端面耦合器在结构上完全解决了现有悬空耦合器的缺点，具有低耦合损耗、低偏振损耗、大耦合容差、结构稳定性高、易封装和大批量生产等特性，可以实现低成本，有助于硅光器件的广泛应用。本发明在在通信、军事、医疗、生物等研究领域有着广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明三维结构示意图；

图2是本发明侧面截面示意图；

图3是本发明结构俯视示意图。

图4是本发明结构对应的一种工艺加工流程图。

图中：1-芯层光波导，2-模斑压缩光波导，3-衬底硅，4-下包层，5-上包层，6-芯层光波导的直波导，7-芯层光波导的反向锥形波导，8-输入直波导，9-模斑压缩锤形波导，10-模斑压缩输出波导。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1至3所示，该硅光波导端面耦合器，包括芯层光波导1、模斑压缩光波导2、衬底硅3、下包层4和上包层5，芯层光波导1包括依次连接的芯层光波导的反向锥形波导7和芯层光波导的直波导6，模斑压缩光波导2包括依次连接的输入直波导8、模斑压缩锤形波导9和模斑压缩输出波导10，衬底硅3顶面上设有下包层4，下包层4顶面上设有模斑压缩光波导2，模斑压缩光波导2四周被上包层5完全覆盖，芯层光波导1位于模斑压缩光波导2内部且被斑压缩光波导2完全包裹，下包层4和上包层5材料折射率低于模斑压缩光波导2材料折射率，模斑压缩光波导2材料折射率低于芯层光波导1材料折射率，具体材料如表2所示。模斑压缩光波导2中输入直波导8模斑尺寸与光纤输出的光信号光纤模斑尺寸相匹配，模斑压缩光波导2中模斑压缩输出波导10光模场尺寸与芯层光波导1中芯层光波导的反向锥形波导7模场尺寸相匹配；所述芯层光波导1位于模斑压缩光波导2中心位置，芯层光波导的反向锥形波导7顶部可位于输出直波导10内部。

所述芯层光波导的直波导6、芯层光波导的反向锥形波导7、输入直波导8、模斑压缩锤形波导9和模斑压缩输出波导10波导类型均为条形波导。

表2

所述芯层光波导的反向锥形波导7为单个反向锥形波导。所述输入直波导8、模斑压缩锤形波导9顶部均设有一个近似折射率材料水平锤形波导。

器件尺寸和制作过程如下：选用直径为8英寸的双隔离层soi晶圆，其参数如下：衬底硅厚度为725µm；下包层4（上层隔离层靠近衬底硅的隔离层）为纯sio2层，其厚度为500nm，在通信波段折射率为1.45；双层隔离层的上层（即靠近顶层硅的隔离层，此隔离层为模斑压缩光波导2的一部分，如图4所示）为低掺杂的sio2层，厚度为5µm，折射率为1.46；顶层硅为本征硅材料，厚度为110nm，通信波段折射率为3.47。首先，通过光刻和硅刻蚀工艺，在顶层硅上制作出芯层光波导1，芯层光波导1的芯层光波导的反向锥形波导7的尖端宽度为50nm且该结构长度为25µm，芯层光波导的直波导6的宽度为500nm；而后，在芯层光波导1上沉积折射率为1.46的sio2层，其厚度为5.3µm；通过反向刻蚀200nm的沉积sio2层后进行抛光，得到表面平滑的芯层光波导1上方沉积sio2层，且厚度为厚度为5.3µm；通过光刻和sio2刻蚀技术，刻蚀沉积sio2层和soi隔离层的上层，形成模斑压缩光波导2（即模斑压缩光波导2是由沉积sio2层和soi隔离层的上层组成，折射率均为1.46），输入直波导8的截面为10µm×10µm（与光纤模场相匹配）且长度为50µm，模斑压缩锥形波导9输出宽度为5µm且长度为100µm；最后在模斑压缩光波导2上沉积2~4µm厚度、折射率为1.45的sio2层作为上包层，抛光后得到光滑的上表面。

实施例2

如图1至3所示，该硅光波导端面耦合器，包括芯层光波导1、模斑压缩光波导2、衬底硅3、下包层4和上包层5，芯层光波导1包括依次连接的芯层光波导的反向锥形波导7和芯层光波导的直波导6，模斑压缩光波导2包括依次连接的输入直波导8、模斑压缩锤形波导9和模斑压缩输出波导10，衬底硅3顶面上设有下包层4，下包层4顶面上设有模斑压缩光波导2，模斑压缩光波导2四周被上包层5完全覆盖，芯层光波导1位于模斑压缩光波导2内部且被斑压缩光波导2完全包裹，下包层4和上包层5材料折射率低于模斑压缩光波导2材料折射率，模斑压缩光波导2材料折射率低于芯层光波导1材料折射率，具体材料如表3所示。模斑压缩光波导2中输入直波导8模斑尺寸与光纤输出的光信号光纤模斑尺寸相匹配，模斑压缩光波导2中模斑压缩输出波导10光模场尺寸与芯层光波导1中芯层光波导的反向锥形波导7模场尺寸相匹配；所述芯层光波导1位于模斑压缩光波导2中心位置，芯层光波导的反向锥形波导7顶部可位于输出直波导10内部。

所述芯层光波导的直波导6、芯层光波导的反向锥形波导7、输入直波导8、模斑压缩锤形波导9和模斑压缩输出波导10波导类型均为脊型波导。

表3

所述输入直波导8、模斑压缩锤形波导9顶部均设有多个重叠的近似折射率材料水平锤形波导。

器件尺寸和制作过程如下：选用直径为8英寸的单晶硅晶圆，其硅厚度为725µm；通过氧化生产厚度为2µmsio2层作为下包层4；再通过pecvd沉积法在下包层4上沉积3µm厚、折射率为1.60的sion层作为双隔离层的上层，表面进行抛光；在通过lpcvd方法，在sion层上沉积300nm厚的sin层（此层为芯层光波导1的核心层），sin层在通信波段折射率为2.0；通过光刻和sin刻蚀工艺，在顶层sin层上制作出芯层光波导1，芯层光波导1的反向锥形波导7的尖端宽度为100nm且该结构长度为50µm，芯层光波导的直波导6的宽度为600nm；而后，在芯层光波导1上沉积折射率为1.60的sion层，其厚度为3.4µm；通过反向刻蚀300nm的沉积sion层后进行抛光，得到表面平滑的芯层光波导1上方沉积sion层，且厚度为厚度为3µm；通过光刻和sion刻蚀技术，刻蚀沉积sion层和隔离层的上层sion层，形成模斑压缩光波导2（即模斑压缩光波导2是sion层，折射率均为1.60），输入直波导8的截面为6µm×6µm（与光纤模场相匹配）且长度为50µm，模斑压缩锥形波导9输出宽度为5µm且长度为100µm；最后在模斑压缩光波导2上沉积2~4µm厚度、折射率为1.45的sio2层作为上包层，抛光后得到光滑的上表面。

实施例3

如图1至3所示，该硅光波导端面耦合器，包括芯层光波导1、模斑压缩光波导2、衬底硅3、下包层4和上包层5，芯层光波导1包括依次连接的芯层光波导的反向锥形波导7和芯层光波导的直波导6，模斑压缩光波导2包括依次连接的输入直波导8、模斑压缩锤形波导9和模斑压缩输出波导10，衬底硅3顶面上设有下包层4，下包层4顶面上设有模斑压缩光波导2，模斑压缩光波导2四周被上包层5完全覆盖，芯层光波导1位于模斑压缩光波导2内部且被斑压缩光波导2完全包裹，下包层4和上包层5材料折射率低于模斑压缩光波导2材料折射率，模斑压缩光波导2材料折射率低于芯层光波导1材料折射率，具体材料如表4所示。模斑压缩光波导2中输入直波导8模斑尺寸与光纤输出的光信号光纤模斑尺寸相匹配，模斑压缩光波导2中模斑压缩输出波导10光模场尺寸与芯层光波导1中芯层光波导的反向锥形波导7模场尺寸相匹配；所述芯层光波导1位于模斑压缩光波导2中心位置，芯层光波导的反向锥形波导7顶部可位于输出直波导10内部。

所述芯层光波导的直波导6、芯层光波导的反向锥形波导7、输入直波导8、模斑压缩锤形波导9和模斑压缩输出波导10波导类型均为脊型波导。

表4

所述芯层光波导的反向锥形波导7为叠的多个反向锥形波导。所述输入直波导8、模斑压缩锤形波导9顶部均设有多个重叠的近似折射率材料水平锤形波导。

器件尺寸和制作过程如下：选用直径为8英寸的双隔离层soi晶圆，其参数如下：衬底硅厚度为725µm；下包层4（上层隔离层靠近衬底硅的隔离层）为纯sio2层，其厚度为500nm，在通信波段折射率为1.45；双层隔离层的上层（即靠近顶层硅的隔离层，此隔离层为模斑压缩光波导2的一部分，如图4所示）为低掺杂的sio2层，厚度为5µm，折射率为1.46；顶层硅为本征硅材料，厚度为220nm，通信波段折射率为3.47。首先，通过光刻和两步硅刻蚀工艺，在顶层硅上制作出芯层光波导1，芯层光波导1的反向锥形波导7由重叠的反向双锥形波导构成，两个锥形波导尖端宽度均为为50nm且长度均为25µm，下方锥形波导的尖端在前且厚度为100nm，上方锥形波导位于下方锥形波导的上方且其尖端在下方锥形波导尖端的后方15µm，重叠双锥形波导厚度的和与顶层硅的厚度220nm相同；芯层光波导的直波导6的宽度为500nm；而后，在芯层光波导1上沉积折射率为1.46的sio2层，其厚度为5.3µm；通过反向刻蚀200nm的沉积sio2层后进行抛光，得到表面平滑的芯层光波导1上方沉积sio2层，且厚度为厚度为5.3µm；通过光刻和sio2刻蚀技术，刻蚀沉积sio2层和soi隔离层的上层，形成模斑压缩光波导2（即模斑压缩光波导2是由沉积sio2层和soi隔离层的上层组成，折射率均为1.46），输入直波导8的截面为10µm×10µm（与光纤模场相匹配）且长度为50µm，模斑压缩锥形波导9输出宽度为5µm且长度为100µm；最后在模斑压缩光波导2上沉积2~4µm厚度、折射率为1.45的sio2层作为上包层，抛光后得到光滑的上表面。

实施例4

该硅光波导端面耦合器，包括芯层光波导1、模斑压缩光波导2、衬底硅3、下包层4和上包层5，芯层光波导1包括依次连接的芯层光波导的反向锥形波导7和芯层光波导的直波导6，模斑压缩光波导2包括依次连接的输入直波导8、模斑压缩锤形波导9和模斑压缩输出波导10，衬底硅3顶面上设有下包层4，下包层4顶面上设有模斑压缩光波导2，模斑压缩光波导2四周被上包层5完全覆盖，芯层光波导1位于模斑压缩光波导2内部且被斑压缩光波导2完全包裹，下包层4和上包层5材料折射率低于模斑压缩光波导2材料折射率，模斑压缩光波导2材料折射率低于芯层光波导1材料折射率，具体材料如表4所示。模斑压缩光波导2中输入直波导8模斑尺寸与光纤输出的光信号光纤模斑尺寸相匹配，模斑压缩光波导2中模斑压缩输出波导10光模场尺寸与芯层光波导1中芯层光波导的反向锥形波导7模场尺寸相匹配；所述芯层光波导1位于模斑压缩光波导2中心位置，芯层光波导的反向锥形波导7顶部可位于输入直波导8内部。

实施例5

该硅光波导端面耦合器，包括芯层光波导1、模斑压缩光波导2、衬底硅3、下包层4和上包层5，芯层光波导1包括依次连接的芯层光波导的反向锥形波导7和芯层光波导的直波导6，模斑压缩光波导2包括依次连接的输入直波导8、模斑压缩锤形波导9和模斑压缩输出波导10，衬底硅3顶面上设有下包层4，下包层4顶面上设有模斑压缩光波导2，模斑压缩光波导2四周被上包层5完全覆盖，芯层光波导1位于模斑压缩光波导2内部且被斑压缩光波导2完全包裹，下包层4和上包层5材料折射率低于模斑压缩光波导2材料折射率，模斑压缩光波导2材料折射率低于芯层光波导1材料折射率，具体材料如表4所示。模斑压缩光波导2中输入直波导8模斑尺寸与光纤输出的光信号光纤模斑尺寸相匹配，模斑压缩光波导2中模斑压缩输出波导10光模场尺寸与芯层光波导1中芯层光波导的反向锥形波导7模场尺寸相匹配；所述芯层光波导1位于模斑压缩光波导2中心位置，芯层光波导的反向锥形波导7顶部可位于模斑压缩锤形波导9内部。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。