[發明專利]一種應用于通訊波段的高效三維硫化物端面耦合器及其制備方法

在審

• 申請號: 202010219600.2
• 申請日: 2020-03-25
• 公開（公告）號: CN111427118A
• 公開（公告）日: 2020-07-17
• 發明（設計）人: 張斌;孫耀東;李朝暉;曾平羊;夏迪;楊澤林;宋景翠;朱鶯
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: G02B6/122
• 分類號: G02B6/122;G02B6/12;G02B6/136;G02B6/132;G02B6/27
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 王曉玲

本發明屬于半導體技術領域，涉及一種應用于通訊波段的高效三維硫化物端面耦合器及其制備方法。端面耦合器由下至上依次包括基片、下包層、纖芯、上包層；所述的纖芯為三維倒錐形結構，所述的纖芯的寬度值和高度值沿光束傳播方向自耦合器一端端面處至另一端端面處逐漸增大。耦合器纖芯的截面尺寸在高度和寬度上沿光傳播方向同時變化，可以在橫向和縱向上同時放大波導的模式尺寸，實現空間光和芯片的高效率耦合，有效解決了傳統端面耦合器耦合效率低的問題；本發明選擇硫化物作為耦合器纖芯材料，可避免引入間接插損，具有低插損、結構緊湊、偏振不敏感等特性，有利于半導體集成光電子學、全光信號處理等領域的推廣應用。

技術領域

本發明屬于半導體技術領域，更具體地，涉及一種應用于通訊波段的高效三維硫化物端面耦合器及其制備方法。

背景技術

當前，隨著人們對信息的需求呈爆炸式增長，信息傳輸量和傳輸速率的日益增加使得傳統的光電通信模式的功耗越來越大。片上集成器件具有集成度高體積小，功耗低，傳輸速率快，噪聲低，可靠性高等顯著優勢，在通訊領域的應用等領域具有重要潛在應用，是一個解決傳統通信器件發展瓶頸的優選方案。

然而，通訊波段的片上器件中的波導尺寸一般為亞微米到微米量級。因此其模場尺寸相比于輸入輸出光纖而言非常小，直接將兩者進行對準耦合會產生很大的模場失配損耗，因此，片上器件的插損高的問題一直是困擾的難題。端面耦合器具有傳統的片上端面耦合器件，因為只調節波導的寬度一個參數，可調節參數較小，理論耦合效率較低(目前是50％-60％)。因此，如何設計和制備耦合效率高的耦合器，對于實現片上集成光電子器件的應用至關重要。

發明內容

本發明為克服上述現有技術中的缺陷，提供一種應用于通訊波段的高效三維硫化物端面耦合器及其制備方法，耦合器具有耦合效率高、結構緊湊、偏振不敏感等特性，適用于半導體集成光電子學、全光信號處理等領域。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種應用于通訊波段的高效三維硫化物端面耦合器，由下至上依次包括基片、下包層、纖芯、上包層；所述的纖芯為三維倒錐形結構，所述的纖芯的寬度值和高度值均沿光束傳播方向自耦合器一端端面處至另一端端面處逐漸增大。

作為優選的，所述的纖芯的寬度值和高度值逐漸增大至與其連接的光器件上的直波導的寬度值和高度值相同。

作為優選的，所述的纖芯的一端的寬度值為150nm～400nm，高度值為200nm～600nm；另一端的寬度值為1200nm～2000nm，高度值為600nm～900nm。

作為優選的，所述的纖芯采用在通訊波段損耗低的硫化物材料；所述的硫化物材料包括硫化砷As-S、鍺砷硫Ge-As-S、鍺銻硫Ge-Sb-S中的任意一種或其組合。硫化物材料是以硫元素結合鍺、砷、銻等形成的一種非晶材料，具有較高的折射率(在2.1-2.8之間)，和較高的非線性系數(為氧化硅材料的100倍)，折射率溫度系數低(比硅小1-2個數量級)，可在低溫下實現薄膜沉積，兼容CMOS工藝：而且，硫化物材料還具有較低的振動聲子能量、玻璃成分和物化性能連續可調等優點，便于非線性系數和色散靈活調控，更重要的是，它具有相對于硅等平臺材料在通訊波段具有可以忽略的雙光子吸收，這對實現高品質非線性片上器件具有重要和關鍵的優勢，在集成光路中的全光信號處理和非線性器件領域具有重要的潛在應用。

作為優選的，所述的纖芯的折射率為2.1～3；所述的上包層和下包層的折射率不高于2.1。

作為優選的，所述的上包層和下包層的材料包括二氧化硅和IPG材料；所述的基片的材料包括硅、氧化硅、藍寶石、聚合物。

本發明還提供一種應用于通訊波段的高效三維硫化物端面耦合器的制備方法，包括以下步驟：

S1.在下包層薄膜上通過電子束曝光形成設計形狀的電子膠掩膜；