[發(fā)明專利]一種光波導(dǎo)模斑轉(zhuǎn)換裝置及其制造方法

在審

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• 申請日: 2022-12-27
• 公開（公告）號: CN116243422A
• 公開（公告）日: 2023-06-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 田斌;馮大增;武愛民
• 申請（專利權(quán)）人: 上海羲禾科技有限公司
• 主分類號: G02B6/122
• 分類號: G02B6/122;G02B6/136;G02B6/132
• 代理公司: 廣州三環(huán)專利商標(biāo)代理有限公司 44202
• 代理人: 王若愚

本申請涉及集成光芯片技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種光波導(dǎo)模斑轉(zhuǎn)換裝置及其制造方法，該裝置包括半導(dǎo)體襯底、下波導(dǎo)、包層和上波導(dǎo)層；包層設(shè)置于半導(dǎo)體襯底上；楔形結(jié)構(gòu)的下波導(dǎo)設(shè)置于包層內(nèi)；上波導(dǎo)層設(shè)置于包層上，上波導(dǎo)層用于在下波導(dǎo)的小頭端與光纖耦合；上波導(dǎo)層的第一折射率小于下波導(dǎo)的第二折射率，且大于包層的第三折射率；上波導(dǎo)層上表面且靠近下波導(dǎo)的小頭端處設(shè)置有刻蝕條紋；刻蝕條紋基于下波導(dǎo)的小頭端的位置設(shè)置，并從上波導(dǎo)層的端面沿著下波導(dǎo)的延伸方向延伸；刻蝕條紋用于限制上波導(dǎo)層的端面上的模斑尺寸。可以降低模斑尺寸轉(zhuǎn)換時對楔形波導(dǎo)的小頭端尺寸的敏感性；降低光偏振相關(guān)損耗；降低工藝難度，降低模斑轉(zhuǎn)換的失配損耗。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請涉及集成光芯片技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種光波導(dǎo)模斑轉(zhuǎn)換裝置及其制造方法。

背景技術(shù)

硅光波導(dǎo)具有模斑尺寸小，集成度高，可為光互連提供低損耗、高性能的解決方案等特點，逐漸得到發(fā)展和應(yīng)用。

由于硅光波導(dǎo)與普通單模光纖的端面尺寸相差較大，因此在硅光波導(dǎo)與普通光纖之間進(jìn)行端面耦合時，存在失配損耗高的問題。

通常采用模斑轉(zhuǎn)換裝置將硅光波導(dǎo)的模斑尺寸轉(zhuǎn)換到光纖的模斑尺寸，從而減少失配損耗。例如，采用楔形波導(dǎo)來實現(xiàn)模斑轉(zhuǎn)換裝置。楔形波導(dǎo)(相當(dāng)于下述下波導(dǎo))包括大頭端和小頭端，大頭端用于與硅光波導(dǎo)耦合；小頭端用于與光纖耦合；楔形波導(dǎo)的小頭端的寬度很小(約100nm)。其中，楔形波導(dǎo)從大頭端至小頭端的寬度逐漸變窄，可以擴(kuò)大硅光波導(dǎo)的模斑尺寸，實現(xiàn)硅光波導(dǎo)模斑和光纖模斑的匹配。

然而，由于模斑尺寸對模斑轉(zhuǎn)換裝置的波導(dǎo)(如楔形波導(dǎo))的寬度和厚度很敏感，導(dǎo)致工藝容差小，模斑轉(zhuǎn)換裝置的均勻性差。例如，模斑轉(zhuǎn)換裝置中楔形波導(dǎo)的小頭端的模斑尺寸和大頭端的輸入光的偏振方向有關(guān)，容易產(chǎn)生較大的偏振相關(guān)損耗，對光集成芯片性能產(chǎn)生較大影響，尤其是光接收器的性能產(chǎn)生較大影響。

因此，亟需提供一種光波導(dǎo)模斑轉(zhuǎn)換裝置及其制造方法，可以降低模斑尺寸對模斑轉(zhuǎn)換裝置中光纖耦合端尺寸的敏感性；降低光偏振相關(guān)損耗；降低工藝難度，降低硅光波導(dǎo)與光纖之間模斑轉(zhuǎn)換的失配損耗。

發(fā)明內(nèi)容

本申請實施例提供了一種光波導(dǎo)模斑轉(zhuǎn)換裝置及其制造方法，可以降低模斑尺寸(在光纖耦合端放大后的模斑尺寸)對模斑轉(zhuǎn)換裝置中波導(dǎo)的結(jié)尾端(即光纖耦合端)尺寸的敏感性；降低光偏振相關(guān)損耗；降低工藝難度，降低硅光波導(dǎo)與光纖之間模斑轉(zhuǎn)換的失配損耗。

一方面，本申請的實施方式提供一種光波導(dǎo)模斑轉(zhuǎn)換裝置，包括：

半導(dǎo)體襯底、下波導(dǎo)、包層和上波導(dǎo)層；

所述包層設(shè)置于所述半導(dǎo)體襯底上；

所述下波導(dǎo)設(shè)置于所述包層內(nèi)，所述下波導(dǎo)為楔形結(jié)構(gòu)，所述下波導(dǎo)的大頭端用于與硅光波導(dǎo)連接；

所述上波導(dǎo)層設(shè)置于所述包層上，所述上波導(dǎo)層用于在所述下波導(dǎo)的小頭端與光纖耦合；所述上波導(dǎo)層的第一折射率小于所述下波導(dǎo)的第二折射率，且大于所述包層的第三折射率；

所述上波導(dǎo)層上表面且靠近所述下波導(dǎo)的小頭端處設(shè)置有刻蝕條紋；所述刻蝕條紋基于所述下波導(dǎo)的小頭端的位置設(shè)置，并從所述上波導(dǎo)層的端面沿著所述下波導(dǎo)的延伸方向延伸；所述刻蝕條紋用于限制所述上波導(dǎo)層的所述端面上的模斑尺寸。

本實施例中，半導(dǎo)體襯底由下述硅襯底和氧化硅埋層構(gòu)成；下波導(dǎo)相當(dāng)于下述楔形波導(dǎo)，上波導(dǎo)層相當(dāng)于下述輔助波導(dǎo)層。包層包括上包層和下包層，上包層為下述電介質(zhì)層，下包層為下述絕緣體層。

一些可選的實施例中，所述刻蝕條紋包括第一刻蝕條紋和第二刻蝕條紋；所述第一刻蝕條紋和所述第二刻蝕條紋基于所述下波導(dǎo)的小頭端橫向位置對稱設(shè)置。

一些可選的實施例中，所述刻蝕條紋包括第三刻蝕條紋，所述第三刻蝕條紋與所述下波導(dǎo)的小頭端之間的橫向位置一致。