[發明專利]硅波導端面耦合結構及其制作方法

有效

• 申請號: 202010484964.3
• 申請日: 2020-06-01
• 公開（公告）號: CN111679363B
• 公開（公告）日: 2021-06-15
• 發明（設計）人: 張巍;頓鵬翔;黃翊東;馮雪;劉仿;崔開宇
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G02B6/122
• 分類號: G02B6/122;G02B6/136;G02B6/13
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 周琦

本發明涉及光子集成器件技術領域，公開了硅波導端面耦合結構及其制作方法。該結構包括由下至上依次疊放的襯底硅、氧化層、硅波導和氮化硅層，氮化硅層的端部構造為脊形結構以形成脊形氮化硅波導，脊形氮化硅波導用于與普通單模光纖端面耦合。該方法包括：利用絕緣體上硅襯底中位于襯底硅上表面氧化層之上的薄膜硅層制備硅波導；在硅波導與光纖耦合的一端制備成寬度逐漸收窄的尖錐結構以形成硅波導尖錐結構；在硅波導與氧化層上方沉積一層氮化硅層；通過對氮化硅層進行淺刻蝕制備出脊形結構以形成脊形氮化硅波導。本發明的脊形氮化硅波導變換模場可以與普通單模光纖匹配，適合硅光子芯片封裝過程中硅波導與普通單模光纖的低損耗耦合。

技術領域

本發明涉及光子集成器件技術領域，特別是涉及一種硅波導端面耦合結構及其制作方法。

背景技術

以硅波導為基礎的硅光子集成已經成為發展高性能和低成本光通信組件和光子集成器件的關鍵技術。這種硅光子芯片一般在絕緣體上硅(silicon on insulator，簡稱：SOI)襯底上制備，采用硅材料作為波導芯區部分，芯區橫截面尺寸在百納米量級。波導包層材料一般采用二氧化硅。由于晶體硅和二氧化硅之間有較高折射率對比度，這種硅波導模場面積一般小于1平方微米，因此可以支持高密度的光子集成，在高性能和低成本的光通信組件和光子集成器件方面具有廣闊的應用前景。

在硅光子芯片的實際應用中，硅波導需要與單模光纖之間實現低損耗的光耦合。然而，普通單模光纖的模場面積在80平方微米左右，硅波導非常小的模場面積使得它與普通單模光纖直接耦合非常困難。理論計算和實驗表明，硅波導與普通單模光纖直接耦合會由于模場失配引入超過10dB的耦合損耗。這極大的限制了硅光子芯片的實際應用。

因此，實現硅波導與普通單模光纖的高效率耦合是硅光子集成技術走向實際應用的關鍵問題。目前，硅波導與普通單模光纖的耦合主要采用兩種技術路線。第一種是在硅波導上制備向上衍射的光柵實現硅波導與普通單模光纖之間的垂直耦合，通過調整硅波導的尺寸和光柵的設計，可以使得向上衍射的光場有效面積與普通單模光纖的模場匹配，從而提高耦合效率。然而，這種垂直耦合的技術路線工作帶寬受到光柵衍射帶寬的限制，同時由于存在向其他方向的散射使得耦合效率有很大限制，且具有偏振相關性。此外，光柵的制備工藝也較復雜。第二種技術路線是采用端面耦合，這種方法耦合帶寬較寬且偏振無關，具有更廣泛的適應性。然而，由于硅波導和光纖模場失配很大，需要在硅波導的一側設計模場變換結構，使得波導的輸出模場與光纖匹配，從而減小耦合損耗。通常采用將硅波導的一端設計成錐形結構來改善光纖和波導之間的模場失配。錐形結構中隨著硅波導尺寸逐漸變小，硅波導的模場逐漸變大，可以起到模場變換的作用。然而由于微細加工的限制，硅波導尺寸難以做到非常小，使得單純的錐形結構模場變換能力有限。進一步發展出錐形結構外面包裹大尺寸氮化硅波導或聚合物波導的模場變換結構。然而，這種結構為了避免氮化硅波導或聚合物波導形成多模傳輸，尺寸不能做大。此外，氮化硅刻蝕工藝在刻蝕深度上的限制也制約了模場變換結構支持的模場尺寸。因此，這種基于錐形結構的模場變換結構用于硅波導和普通單模光纖的耦合依然會引入較大的損耗。因此，有必要發展一種制備工藝簡單，模場變換尺寸與普通單模光纖匹配的端面耦合結構用于硅波導和普通單模光纖之間的低損耗耦合。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本發明實施例的目的是提供一種硅波導端面耦合結構及其制作方法，以解決現有技術中存在的硅波導模場尺寸小，和普通單模光纖耦合損耗較大的技術問題。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發明實施例提供一種硅波導端面耦合結構，包括：由下至上依次疊放的襯底硅、氧化層、硅波導和氮化硅層，所述氮化硅層的端部構造為脊形結構以形成脊形氮化硅波導，所述脊形氮化硅波導用于與普通單模光纖端面耦合。

其中，還包括二氧化硅保護層，所述二氧化硅保護層位于所述氧化層與所述氮化硅層之間，且所述二氧化硅保護層覆蓋于所述硅波導的上表面。