[發明專利]脊型光波導和倒錐耦合器集成的制作方法

無效

• 申請號: 200910093176.5
• 申請日: 2009-09-25
• 公開（公告）號: CN102033264A
• 公開（公告）日: 2011-04-27
• 發明（設計）人: 陳少武;程勇鵬;任光輝
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: G02B6/13
• 分類號: G02B6/13;G02B6/138
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 湯保平

技術領域

本發明涉及集成光學領域，提供了一種脊型光波導和倒錐耦合器集成的制作方法。

背景技術

在光學領域，經常會遇到不同截面尺寸的光波導的光耦合問題，由于不同光波導截面尺寸的不一致，當大尺寸光波導的光耦合進小尺寸的光波導中時，會造成很大的光損耗。

還有就是會遇到不同結構的光波導。脊型光波導的大體形狀如‘凸’字形，隆起的中間區域為主要的導光區域，稱為內脊區或脊型區，而脊型區的兩旁是開放延伸的，在其間傳輸的光很少，稱為平板區。此結構的優點是大大放寬了光在其間傳輸的單模條件，因此可以把波導尺寸做得適當大一些，這在一定程度上可以提高和光纖的耦合效率。在做有源器件的時候，平板區還能成為摻雜區域，做上電極結構，所以脊型光波導應用廣泛。條形光波導，顧名思義，就是橫截面為矩形的長條狀的光波導。由于其工藝簡單，所以應用也相當廣泛。并且倒錐耦合器用的就是條形光波導。當光傳輸到用于倒錐耦合器的條形光波導的尖端時，光場會去局域化，從而光場會從條形光波導中溢出，形成大截面的光場傳輸模式，這樣就大大地提高了其和光纖或其他大尺寸波導的耦合效率。

近年來熱點研究的集成光電子學領域，由于硅高效光源的研究尚待突破，目前現實的方法就是引入外來光源，將光通過光纖耦合進芯片的硅基光回路和器件中，耦合問題便成為硅基光互連的瓶頸。為滿足單模條件，硅基條形波導的芯層截面必須滿足＜300nm×300nm，而這么小的尺寸和光纖(芯徑9μm)的直接耦合，耦合損耗高達20dB。這一切歸因于光纖和波導的模式失配和有效折射率失配帶來的輻射模和背反射。國內外研制出了許多各種不同結構的光耦合器如楔形耦合器、棱鏡耦合器、透鏡耦合器、光柵耦合器等。這些耦合器特性各不相同，總的發展趨勢是追求耦合損耗低、器件尺寸小、對準誤差不敏感和制作簡便。

最近，SOI(Silicon?On?Insulator)基的倒錐形結構耦合器研究發展的很快，已將耦合損耗降低到了1dB以下，成為效率最高的耦合器。其制作方法就是將器件結構都做在頂層硅上。當頂層硅某一長條區域兩邊的頂層硅材料被刻蝕完全后，就形成條形光波導；當頂層硅某一長條區域兩邊的頂層硅材料被刻蝕掉一部分后，就形成脊型光波導。而此結構的工作機理就是將條形光波導芯層的截面逐漸減小，直到和光纖連接的端口小到使其中的光場去局域化，形成消逝場，從而增加了波導中光的模場與光纖中的模場的重疊程度，增大了耦合效率，故又可稱其為模斑變換器。并且由于尖端波導中的光溢出到了二氧化硅包層中，使其中的光的有效折射率更加接近光纖中的有效折射率，所以又減小了耦合處的背反射。

NTT公司在08年把耦合損耗一下從7.5dB減小到驚人的0.7dB，可以說解決了長期以來困擾著光子集成中的小尺寸波導和光纖耦合的問題。其工藝細節是在SOI的平臺上將原來脊型波導的平板區刻掉，使其形成適合倒錐形結構的條形波導，然后逐漸減小其橫截面，使其在300μm長度內將橫截面積從600nm(寬)×200nm(高)減小到80nm(寬)×200nm(高)。實驗測得盡管在耦合端面處觀察到了少許的反射損耗，但脊型波導過渡到條形波導的那個臺階結構的損耗可以忽略不計。

在傳統的制作和脊型光波導集成的倒錐耦合器的過程中，由于倒錐耦合器是條形光波導，沒有脊型光波導兩邊的平板區，所以這種刻蝕深度的不一致性就要求我們進行兩次光刻和刻蝕，第一次光刻和刻蝕制作出脊型光波導，第二次光刻和刻蝕制作出為條形光波導的倒錐耦合器。在這樣的過程中，二次光刻的套刻是二維精度的，而且和光波導方向水平垂直的套刻誤差所帶來的后果是很嚴重的，甚至造成光波導結構的不通光。至于沿著光波導的那個方向上的誤差，給此光波導結構帶來的影響卻是很小的。所以消除和光波導方向水平垂直的套刻誤差是至關重要的。

發明內容

本發明的目的在于，提供一種脊型光波導和倒錐耦合器集成的制作方法，其可消除光波導方向水平垂直的套刻誤差。

本發明提供一種脊型光波導和倒錐耦合器集成的制作方法，包括如下步驟：

步驟1：在襯底上旋涂一層光刻膠，利用光刻技術形成第一掩膜圖形，該第一掩膜圖形表面的一側為矩形另一側為錐形；

步驟2：利用刻蝕技術將掩膜圖形長方向兩側的襯底刻蝕掉，刻蝕深度小于襯底的厚度，在掩膜圖形兩側形成平板區；

步驟3：在襯底上再旋涂一層光刻膠，利用光刻技術在掩膜圖形的矩形區及其兩側的平板區形成第二掩膜圖形；

步驟4：利用刻蝕技術將掩膜圖形的錐形部分的兩側平板區刻蝕掉；

步驟5：去掉第一及第二掩膜圖形，完成器件的制作。