阅读说明：本技术 硅波导与氧化硅波导模式转换器及其制备方法 (Silicon waveguide and silicon oxide waveguide mode converter and preparation method thereof ) 是由 孙德贵 于汀 于 2020-03-31 设计创作，主要内容包括：硅波导与氧化硅波导模式转换器及其制备方法涉及光通信和光传感技术领域,该转换器包括：硅基底、二氧化硅底包层、单模硅波导芯、楔形波导芯、单模二氧化硅波导芯和二氧化硅上包层；二氧化硅底包层设置在硅基底上,在二氧化硅底包层上从一端到另一端依次设置单模硅波导芯、楔形波导芯和单模二氧化硅波导芯；单模硅波导芯、楔形波导芯和单模二氧化硅波导芯为一体化结构,单模二氧化硅波导芯为条型结构；楔形波导芯靠近单模硅波导芯的部分为硅波导芯,靠近单模二氧化硅波导芯的部分为二氧化硅波导芯。通过此方法使其达到从单模到单模的转化效果,即实现了硅单模波导与氧化硅单模波导之间的波导内模式转化,最终满足波导与光纤之间的能量转化效率。(A silicon waveguide and silicon oxide waveguide mode converter and a preparation method thereof relate to the technical field of optical communication and optical sensing, and the converter comprises: the silicon substrate, the silicon dioxide bottom cladding, the single-mode silicon waveguide core, the wedge-shaped waveguide core, the single-mode silicon dioxide waveguide core and the silicon dioxide upper cladding; the silicon dioxide bottom cladding is arranged on the silicon substrate, and a single-mode silicon waveguide core, a wedge-shaped waveguide core and a single-mode silicon dioxide waveguide core are sequentially arranged on the silicon dioxide bottom cladding from one end to the other end; the single-mode silicon waveguide core, the wedge-shaped waveguide core and the single-mode silicon dioxide waveguide core are of an integrated structure, and the single-mode silicon dioxide waveguide core is of a strip structure; the part of the wedge-shaped waveguide core, which is close to the single-mode silicon waveguide core, is a silicon waveguide core, and the part of the wedge-shaped waveguide core, which is close to the single-mode silicon dioxide waveguide core, is a silicon dioxide waveguide core. The method achieves the effect of converting a single mode into a single mode, namely realizes the mode conversion in the waveguide between the silicon single mode waveguide and the silicon oxide single mode waveguide, and finally meets the energy conversion efficiency between the waveguide and the optical fiber.)

硅波导与氧化硅波导模式转换器及其制备方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域和光传感技术领域，具体涉及一种硅波导与氧化硅波导模式转换器及其制备方法。

背景技术

当前，光通信网络容量与速度都在快速增长，因而要求超大信息量数据传输与处理，云计算对计算机的容量和速度也提出了越来越高的要求，因此计算机的数据传输和存储使电子线路芯片承载超大信息量而引起的热能耗和电磁干扰是下一代计算机所面临的主要压力。在现代光纤通信系统中，无论是基于氧化硅在硅上(silica-on-silicon,SOS)波导的平面光波线路(planar lightwave circuit,PLC)技术，还是基于绝缘体上硅(silicon-on-insulator,SOI)的光子集成线路(photonic integrated circuit,PIC)技术，已经在光发射系统与WDM光传输ROADM中发挥越来越重要的作用。由光互连和光学功能器件实现的数据存储与传输，是光学数据中心(Optical Datacenter)和数据通信(Datacom)的主要功能。另外，基于硅光波导技术的生物医学传感器件也正在迅速发展。

自二十一世纪以来，基于微纳米SOI波导的光子集成线路(PIC)和光电集成线路(opto-electronic integrated circuit,OEIC)也逐渐在光功分器、光开关、光偏振分束器件、可调光衰减器、光调制器和波分复用器件以及光生物传感器等方面的产品上得到了成功应用，而且其加工技术与微电子CMOS工艺相兼容性，所以是被普遍接受的技术平台。

然而，基于SOI技术的产品研发表明，该技术也存在其固有的缺点。芯层与包层之间较大的折射率差值造成波导芯片与光纤之间的端面耦合模式失配，从而造成了光子集成线路芯片与光纤之间很低的耦合效率问题；波导芯层与光纤芯层过大的折射率差也形成菲涅耳反射损耗，因此在过去二十多年一直是本领域所研究的关键技术问题。目前被普遍应用的是基于物理上的导波模式转化，代表性的有两种技术：一、在波导输出端部分设计加工纵向耦合光栅结构实现更有效的波导-光纤端面耦合，但是这种工艺技术难度较大，且迄今仍未有＜1.0dB/facet耦合损耗的研究报道；二、将波导输出端部分设计成梯形并制作出端面耦合光栅，然后光纤端面从芯片上面与光栅形成耦合，该技术使光纤与波导在不同平面上，适用于实验室检测，不适用于批量封装，况且迄今尚未见到＜1.0dB/facet耦合损耗的研究报道。所以，波导芯片与光纤耦合损耗问题一直是限制硅波导集成器件从实验室走向工业化的‘瓶颈’问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种硅波导与氧化硅波导模式转换器及其制备方法，以减小硅光波导-光纤耦合的模式失配，进而解决光纤-硅波导耦合损耗问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

硅波导与氧化硅波导模式转换器，该转换器包括：硅基底、二氧化硅底包层、单模硅波导芯、楔形波导芯、单模二氧化硅波导芯和二氧化硅上包层；所述二氧化硅底包层设置在硅基底上，在所述二氧化硅底包层上从一端到另一端依次设置单模硅波导芯、楔形波导芯和单模二氧化硅波导芯；所述单模硅波导芯、楔形波导芯和单模二氧化硅波导芯为一体化结构，所述单模二氧化硅波导芯为条形结构；所述楔形波导芯靠近所述单模硅波导芯的部分为硅波导芯，靠近单模二氧化硅波导芯的部分为二氧化硅波导芯。

优选的，所述单模硅波导芯的截面积小于所述单模二氧化硅波导芯的截面积。

优选的，所述单模硅波导芯的一端与SOI硅光子器件的输入或者输出波导相连，所述单模二氧化硅波导芯的一端与输入或输出光纤端面耦合。

优选的，所述单模硅波导芯和楔形波导芯为脊型结构或条型结构。

优选的，所述单模硅波导芯的宽度和高度与所述单模二氧化硅波导芯的宽度和高度的尺寸比为2-3∶1。

优选的，所述二氧化硅底包层和所述二氧化硅上包层的厚度都大于3微米。

优选的，所述二氧化硅上包层的折射率小于所述单模二氧化硅波导芯。

优选的，所述单模硅波导芯和单模二氧化硅波导芯或为多模硅波导芯和多模二氧化硅波导芯。

硅波导与氧化硅波导模式转换器的制备方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：SOI基底从下到上依次包括：硅基底、二氧化硅底包层和单晶硅膜；在所述单晶硅膜上通过刻蚀制作第一单模脊型硅波导芯、楔形硅波导芯和第二单模脊型硅波导芯，所述单模硅波导芯、楔形波导芯和单模二氧化硅波导芯为一体化结构，所述第一单模脊型硅波导芯比第二单模脊型硅波导芯的截面小；

步骤二：对所述第二单模脊型硅波导芯进行第二次刻蚀，将所述第二单模脊型硅波导芯刻蚀成单模条型硅波导芯；

步骤三：对所述单模条型硅波导芯进行局部氧化，形成单模二氧化硅波导芯；所述楔形硅波导芯部分被氧化，形成部分楔形硅波导和部分楔形二氧化硅波导；

步骤四：在所述第一单模脊型硅波导芯、楔形波导芯和单模二氧化硅波导芯的上表面沉积一层折射率小于所述单模二氧化硅波导芯的上包层。

本发明的有益效果是：本发明采用物理学的几何结构匹配、波导刻蚀和化学方法的局部氧化实现SOI波导向SOS波导的转变，从而形成SOS波导的芯层，与原包层形成低折射率差波导结构，可同时解决波导芯片端面与匹配材料之间产生的菲涅尔损耗和波导-光纤模式失配损耗，即从根本上解决SOI波导芯片与光纤之间端面耦合损耗这一亟待解决问题。通过此方法可以控制转化后的二氧化硅波导的横截面尺寸、形状和折射率，使其达到从单模导单模的转化效果。通过化学方法实现波导芯层材料和波导结构的转化，进而实现波导模式的转化，最终满足波导与光纤之间的能量转化效率。

附图说明

图1本发明硅波导与氧化硅波导模式转换器原理结构图

图2本发明硅波导与氧化硅波导模式转换器单模硅波导芯侧视图。

图3本发明硅波导与氧化硅波导模式转换器单模二氧化硅波导芯侧视图。

图4本发明硅波导与氧化硅波导模式转换器在硅未氧化成氧化硅之前的整体结构图。

图5在SOI波导器件两端制作成本发明的硅波导与氧化硅转换器后输入端和输出端的氧化硅波导与输入端光纤和输出端光纤耦合连接后的应用系统结构图。

图6是本发明中实施例1：加入模式转换器后单模SOS波导端面与单模光纤端面的耦合损耗模拟结果。

图中：1、硅基底，2、二氧化硅底包层，3、单模硅波导芯，3a、单模硅波导芯a，4、楔形波导芯，4a、楔形波导芯a，5、单模二氧化硅波导芯，5a、单模二氧化硅波导芯a，6、二氧化硅上包层，7、楔形硅波导芯，8、第二单模脊型硅波导芯，9、入射光纤，9a、出射光纤，10、包层，11、入射光信号，11a、出射光信号，12、第三模式转换器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，硅波导与氧化硅波导模式转换器，该转换器包括：硅基底1、二氧化硅底包层2、单模硅波导芯3、楔形波导芯4、单模二氧化硅波导芯5和二氧化硅上包层6；所述二氧化硅底包层2设置在硅基底1上，在所述二氧化硅底包层2上从一端到另一端依次设置单模硅波导芯3、楔形波导芯4和单模二氧化硅波导芯5；所述单模硅波导芯3、楔形波导芯4和单模二氧化硅波导芯5为一体化结构，所述楔形波导芯4靠近所述单模硅波导芯3的部分为硅波导芯，靠近单模二氧化硅波导芯5的部分为二氧化硅波导芯。所述单模硅波导芯3靠近楔形波导芯4的一面的面积与所述楔形波导芯4靠近所述单模硅波导芯3一面的面积相等，所述楔形波导芯4靠近所述单模二氧化硅波导芯5一面的面积与所述单模二氧化硅波导芯5靠近楔形波导芯4的一面的面积相等。

从该结构的正视和背视方向上可分别获得如图2和图3所示的硅波导芯和氧化硅波导芯端面图，所以该结构是一个SOI波导与SOS波导转换器：SOI波导，即单模硅波导芯3一端与SOI硅光子器件的输入波导或输出波导相连接，而SOS波导芯，即单模二氧化硅波导芯5一端与输入或输出光纤9端面进行光场模式耦合。

其中，所述单模硅波导芯3的截面积小于所述单模二氧化硅波导芯5的截面积。所述单模硅波导芯3为高折射率波导，宽度为2-3微米，高为0.3-1微米，所述单模二氧化硅波导芯5为低折射率波导，其宽度和高度与所述单模硅波导芯3的宽度和高度的比值为2-3∶1。当所述二氧化硅底包层2和所述二氧化硅上包层6的厚度近似，并且大于5微米的时候，折射率差能控制在1.5％左右。所述二氧化硅上包层2的折射率小于所述单模二氧化硅波导芯5。

所述单模硅波导芯3和楔形波导芯4为脊型结构或条型结构，当所述单模硅波导芯3和楔形波导芯4为脊型结构时，耦合效率更高。所述单模硅波导芯3和单模二氧化硅波导芯5或为多模硅波导芯和多模二氧化硅波导芯，与光纤9直接耦合。

硅波导与氧化硅波导模式转换器的制备方法，该方法包括如下步骤：

步骤一：SOI基底从下到上依次包括：硅基底1、二氧化硅底包层2和单晶硅膜；所述单晶硅膜的厚度为1.5-2.5微米，如图4所示，在所述单晶硅膜上通过光刻和刻蚀，或者CMOS制作第一单模脊型硅波导芯、楔形硅波导芯7和第二单模脊型硅波导芯8，所述第一单模脊型硅波导芯、楔形硅波导芯7和第二单模脊型硅波导芯8为一体化结构，所述第一单模脊型硅波导芯比第二单模脊型硅波导芯8的截面小；所述第一单模脊型硅波导芯靠近楔形硅波导芯7的一面的面积与所述楔形硅波导芯7靠近所述第一单模脊型硅波导芯一面的面积相等，所述楔形硅波导芯7靠近所述第二单模脊型硅波导芯8一面的面积与所述第二单模脊型硅波导芯8靠近楔形硅波导芯7的一面的面积相等。所述第一单模脊型硅波导芯为高折射率波导，宽度为2-3微米，高为0.3-1微米。

步骤二：对所述第二单模脊型硅波导芯8进行第二次刻蚀，将所述第二单模脊型硅波导芯8刻蚀成单模条形硅波导芯，使其两侧和上层都暴露在空气当中；

步骤三：对所述单模条形硅波导芯进行局部氧化，形成单模二氧化硅波导芯5，利用氮化硅做掩膜对非氧化硅部分进行保护；所述楔形硅波导芯7部分被氧化，形成部分楔形硅波导和部分楔形二氧化硅波导的楔形波导4；所述单模二氧化硅波导芯5为低折射率波导，其宽度和高度与所述单模硅波导芯3的宽度和高度的比值为2-3∶1。

步骤四：清除氮化硅掩膜，在所述第一单模脊型硅波导芯、楔形波导芯4和单模二氧化硅波导芯5的上表面沉积一层折射率小于所述单模二氧化硅波导芯5的二氧化硅上包层6，形成低折射率差SOS波导的输入端和输出端。所述二氧化硅底包层2和所述二氧化硅上包层6的厚度都大于3微米，其中所述二氧化硅底包层2的厚度尽量厚。

综上所述，在设计加工的SOI波导光子或光电子功能器件的输入端和输出端的宽度和长度设计与所要转化后的单模二氧化硅波导芯5输入端和输出端的宽度和长度相对应，并通过一个楔形波导芯4与其它不需转化的SOI波导宽度相连接。然后，通过光刻与干刻工艺技术将SOI基底上的硅膜的其它部分刻蚀掉形成硅条，硅条的两侧是深槽使其上侧和两侧都暴露在空气中，进而对此硅条进行LOCOS处理形成低折射率单模二氧化硅波导芯5。最后，在此单模二氧化硅波导芯5上沉积一层折射率更低的二氧化硅上包层6，从而形成了低折射率差SOS波导的输入端和输出端。这就是图1所示的SOI-SOS波导模式转换器。

在制作的过程中，单模条型硅波导芯向单模二氧化硅波导芯5转化的化学反应方程式为：

Si(solid)+2H₂O(vapor)＝SiO₂(solid)+2H₂(vapor) (1)

即气态水分子与固态硅分子之间在700-1300℃温度下的化学反应生成固态二氧化硅和氢气的过程。从单模条型硅波导转化为单模二氧化硅波导芯5几何尺寸比的关系为：

其中，X_Si和X_SiO2分别代表单模条型硅波导和单模二氧化硅波导芯5几何尺寸，可以是宽度，也可以是厚度，通常情况下R_dim的取值范围为0.4-0.5之间。

作为本发明的通用型应用方式，让单模二氧化硅波导5输入端和输出端分别与输入光纤9和输出光纤9a进行端面耦合对接后则形成了如图5所示的应用系统结构，其中以从左向右作为本应用系统的从输入端到输出端的过程。操作中，如图5所示，当输入光信号11从输入光纤9输出时，首先与输入端模式转换器的单模二氧化硅波导5进行端面耦合，进而经过作为连接体的楔形波导芯4转化为单模硅波导3单模模式，当从单模硅波导a 3a输出时，首先通过输出端楔形波导a 4a转化为单模二氧化硅波导a 5a的导波模式输出，然后再与输出端光纤9a的进行端面耦合。

设定：从输入光纤9端面到单模硅波导3端面之间的结构为第一模式转换器(MC₁)，从单模硅波导a 3a端面到输出光纤端面9a的结构为第二模式转换器(MC₂)。设E_f、E_C1,in、E_C1,out、E_WG,in、E_WG,out、E_C2,in和E_C2,out分别代表输入光纤9和输出光纤9a端面、第一模式转换器输入端面、第一模式转换器输出端面、单模二氧化硅波导5输入端面、单模硅波导3输出端面、模式转换器2单模硅波导a 3a输入端面和模式转换器2单模二氧化硅波导a 5a输出端面的归一化光场振幅，P_in和P_out分别是入射光信号和出射光信号功率，由导波模式转换器连接而成的光纤-波导系统的功率转化效率则由方程(3)定义为：

η_c(z)＝(P_out/P_in)＝(EC_I1)·η_mc1·(EC_I2)·η_mc0·(EC_O1)·η_mc2·(EC_O2) (3)

图5中四个界面上的光场转化率EC_I1、EC_I2、EC_O1和EC_O2分别由方程(4a)、(4b)、(4c)和(4d)定义为：

其中输入光纤9端面和单模二氧化硅波导芯5之间界面光场转化率为EC_I1；单模二氧化硅波导芯5和楔形波导芯4之间界面的光场转化率为EC_I2；楔形波导芯a4a和单模二氧化硅波导芯a5a之间界面的光场转化率为EC_O1；单模二氧化硅波导芯a5a和出射光纤端面9a之间界面光场转化率为EC_O2。方程(3)中η_mc1、η_mc0和η_mc2分别是第一模式转换器、直波导结构(称为第三模式转换器12)和第二模式转换器的功率转化效率，通常直波导结构的转化效率设定为1.0，或者是根据这一段波导实际产生的光损耗使转化效率为一个小于1的数，所以没有转换器方程，于是另两个模式转换器的功率转化效率分别定义为：

利用方程(3)-(5)对本发明中图5所示的SOI波导与光纤耦合系统，引入SOI波导与SOS波导模式转换器后的耦合损耗与端面间隙的依赖关系进行了模拟，在假定两个转换器的效率为1.0的条件下，获得了如图6所示的结果。可以看出，如果间隔不大于1.0微米时，两端的耦合损耗只能达到0.12dB。