一种光波导模斑转换装置及其制造方法与流程

本申请涉及集成光芯片，特别涉及一种光波导模斑转换装置及其制造方法。

背景技术：

1、硅光波导具有模斑尺寸小，集成度高，可为光互连提供低损耗、高性能的解决方案等特点，逐渐得到发展和应用。

2、由于硅光波导与普通单模光纤的端面尺寸相差较大，因此在硅光波导与普通光纤之间进行端面耦合时，存在失配损耗高的问题。

3、通常采用模斑转换装置将硅光波导的模斑尺寸转换到光纤的模斑尺寸，从而减少失配损耗。例如，采用楔形波导来实现模斑转换装置。楔形波导(相当于下述下波导)包括大头端和小头端，大头端用于与硅光波导耦合；小头端用于与光纤耦合；楔形波导的小头端的宽度很小(约100nm)。其中，楔形波导从大头端至小头端的宽度逐渐变窄，可以扩大硅光波导的模斑尺寸，实现硅光波导模斑和光纤模斑的匹配。

4、然而，由于模斑尺寸对模斑转换装置的波导(如楔形波导)的宽度和厚度很敏感，导致工艺容差小，模斑转换装置的均匀性差。例如，模斑转换装置中楔形波导的小头端的模斑尺寸和大头端的输入光的偏振方向有关，容易产生较大的偏振相关损耗，对光集成芯片性能产生较大影响，尤其是光接收器的性能产生较大影响。

5、因此，亟需提供一种光波导模斑转换装置及其制造方法，可以降低模斑尺寸对模斑转换装置中光纤耦合端尺寸的敏感性；降低光偏振相关损耗；降低工艺难度，降低硅光波导与光纤之间模斑转换的失配损耗。

技术实现思路

1、本申请实施例提供了一种光波导模斑转换装置及其制造方法，可以降低模斑尺寸(在光纤耦合端放大后的模斑尺寸)对模斑转换装置中波导的结尾端(即光纤耦合端)尺寸的敏感性；降低光偏振相关损耗；降低工艺难度，降低硅光波导与光纤之间模斑转换的失配损耗。

2、一方面，本申请的实施方式提供一种光波导模斑转换装置，包括：

3、半导体衬底、下波导、包层和上波导层；

4、所述包层设置于所述半导体衬底上；

5、所述下波导设置于所述包层内，所述下波导为楔形结构，所述下波导的大头端用于与硅光波导连接；

6、所述上波导层设置于所述包层上，所述上波导层用于在所述下波导的小头端与光纤耦合；所述上波导层的第一折射率小于所述下波导的第二折射率，且大于所述包层的第三折射率；

7、所述上波导层上表面且靠近所述下波导的小头端处设置有刻蚀条纹；所述刻蚀条纹基于所述下波导的小头端的位置设置，并从所述上波导层的端面沿着所述下波导的延伸方向延伸；所述刻蚀条纹用于限制所述上波导层的所述端面上的模斑尺寸。

8、本实施例中，半导体衬底由下述硅衬底和氧化硅埋层构成；下波导相当于下述楔形波导，上波导层相当于下述辅助波导层。包层包括上包层和下包层，上包层为下述电介质层，下包层为下述绝缘体层。

9、一些可选的实施例中，所述刻蚀条纹包括第一刻蚀条纹和第二刻蚀条纹；所述第一刻蚀条纹和所述第二刻蚀条纹基于所述下波导的小头端横向位置对称设置。

10、一些可选的实施例中，所述刻蚀条纹包括第三刻蚀条纹，所述第三刻蚀条纹与所述下波导的小头端之间的横向位置一致。

11、一些可选的实施例中，所述上波导层的厚度大于5μm。

12、一些可选的实施例中，所述装置还包括覆盖层，所述覆盖层设置于所述上波导层上，所述覆盖层的第四折射率大于或等于所述上波导层的第一折射率。

13、一些可选的实施例中，所述覆盖层的第四折射率的范围为1.448-1.47之间。

14、一些可选的实施例中，所述刻蚀条纹的条纹宽度范围为10μm～20μm；所述刻蚀条纹的条纹深度范围为1μm～2μm。

15、一些可选的实施例中，所述刻蚀条纹的延伸长度的范围为大于或等于所述下波导的延伸长度的1/6。

16、一些可选的实施例中，所述第一刻蚀条纹和所述第二刻蚀条纹之间的间隔距离范围为2μm-10μm。

17、另一方面，本申请提供一种光波导模斑转换装置的制造方法，包括：

18、在半导体衬底上沉积下包层；

19、在所述下包层上采用微电子工艺形成楔形结构的下波导；所述下波导的大头端用于与硅光波导连接；

20、在所述下包层上沉积上包层，所述上包层覆盖所述下波导；

21、在所述上包层上沉积上波导层；所述上波导层用于在靠近所述下波导的小头端，所述上波导层端面与光纤耦合；

22、基于所述下波导的小头端的位置，在所述上波导层的上表面刻蚀，得到刻蚀条纹；所述刻蚀条纹从所述上波导层的端面沿着所述下波导的延伸方向延伸；所述上波导层的第一折射率小于所述下波导的第二折射率，且大于所述上包层的第三折射率。

23、本申请实施例提供了一种光波导模斑转换装置，该装置包括半导体衬底、下波导、包层和上波导层；所述包层设置于所述半导体衬底上；所述下波导设置于所述包层内，所述下波导为楔形结构，所述下波导的大头端用于与硅光波导连接；所述上波导层设置于所述包层上，所述上波导层用于在所述下波导的小头端与光纤耦合；所述上波导层的第一折射率小于所述下波导的第二折射率，且大于所述包层的第三折射率；所述上波导层上表面且靠近所述下波导的小头端处设置有刻蚀条纹；所述刻蚀条纹基于所述下波导的小头端的位置设置，并从所述上波导层的端面沿着所述下波导的延伸方向延伸；所述刻蚀条纹用于限制所述上波导层的所述端面上的模斑尺寸。可以降低模斑尺寸(在光纤耦合端放大后的模斑尺寸)对模斑转换装置中波导的结尾端(即光纤耦合端)尺寸的敏感性；降低光偏振相关损耗；降低工艺难度，降低硅光波导与光纤之间模斑转换的失配损耗。

技术特征：

1.一种光波导模斑转换装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述刻蚀条纹包括第一刻蚀条纹和第二刻蚀条纹；所述第一刻蚀条纹和所述第二刻蚀条纹基于所述下波导的小头端横向位置对称设置。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述刻蚀条纹包括第三刻蚀条纹，所述第三刻蚀条纹与所述下波导的小头端之间的横向位置一致。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述上波导层的厚度大于5μm。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括覆盖层，所述覆盖层设置于所述上波导层上，所述覆盖层的第四折射率大于或等于所述上波导层的第一折射率。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述覆盖层的第四折射率的范围为1.448-1.47之间。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述刻蚀条纹的条纹宽度范围为10μm～20μm；所述刻蚀条纹的条纹深度范围为1μm～2μm。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述刻蚀条纹的延伸长度的范围为大于或等于所述下波导的延伸长度的1/6。

9.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于，所述第一刻蚀条纹和所述第二刻蚀条纹之间的间隔距离范围为2μm-10μm。

10.一种光波导模斑转换装置的制造方法，其特征在于，所述方法包括：

技术总结
本申请涉及集成光芯片技术领域，特别涉及一种光波导模斑转换装置及其制造方法，该装置包括半导体衬底、下波导、包层和上波导层；包层设置于半导体衬底上；楔形结构的下波导设置于包层内；上波导层设置于包层上，上波导层用于在下波导的小头端与光纤耦合；上波导层的第一折射率小于下波导的第二折射率，且大于包层的第三折射率；上波导层上表面且靠近下波导的小头端处设置有刻蚀条纹；刻蚀条纹基于下波导的小头端的位置设置，并从上波导层的端面沿着下波导的延伸方向延伸；刻蚀条纹用于限制上波导层的端面上的模斑尺寸。可以降低模斑尺寸转换时对楔形波导的小头端尺寸的敏感性；降低光偏振相关损耗；降低工艺难度，降低模斑转换的失配损耗。

技术研发人员：田斌,冯大增,武爱民
受保护的技术使用者：上海羲禾科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13