阅读说明：本技术 一种硅光光模斑模式转换器及其制造方法 (Silicon optical mode spot mode converter and manufacturing method thereof ) 是由 朱云鹏 田斌 黄小伟 夏晓亮 于 2019-11-19 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种硅光光模斑模式转换器及其制造方法,包括二氧化硅悬臂、过渡波导、主波导、硅衬底、第一包层、第二包层、第三包层,所述第一包层置于所述硅衬底上方,所述主波导置于第一包层上方,所述主波导与过渡波导中间为第二包层,所述过渡波导上设置第三包层；所述二氧化硅悬臂接于过渡波导外侧,所述二氧化硅悬臂光路中心与所述过渡波导光路中心在同一纵向截面；所述二氧化硅悬臂宽度和厚度沿输入光路方向逐渐减小。可以解决硅基光电子芯片与光纤或激光器的光模斑不匹配,导致的耦合效率低的问题,能有效提高硅光芯片与外界光源/光纤的耦合效率。(The invention provides a silicon optical mode spot mode converter and a manufacturing method thereof, and the silicon optical mode spot mode converter comprises a silicon dioxide cantilever, a transition waveguide, a main waveguide, a silicon substrate, a first cladding, a second cladding and a third cladding, wherein the first cladding is arranged above the silicon substrate, the main waveguide is arranged above the first cladding, the second cladding is arranged between the main waveguide and the transition waveguide, and the third cladding is arranged on the transition waveguide; the silica cantilever is connected to the outer side of the transition waveguide, and the center of the optical path of the silica cantilever and the center of the optical path of the transition waveguide are on the same longitudinal section; the width and thickness of the silicon dioxide cantilever are gradually reduced along the direction of an input optical path. The problem of low coupling efficiency caused by mismatching of the optical mode spots of the silicon-based optoelectronic chip and the optical fiber or the laser can be solved, and the coupling efficiency of the silicon-based optoelectronic chip and an external light source/optical fiber can be effectively improved.)

一种硅光光模斑模式转换器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种硅光光模斑模式转换器及其制造方法，主要是一种利用片上集成型微透镜实现的硅光光模斑模式转换器，应用于硅光子集成领域。

背景技术

随着近些年技术的进步，尺寸小、高集成度的光芯片成为未来发展趋势，综合成本与制造工艺成熟度，硅基光电子越来越可能成为未来主流的商用光子集成平台。传统的低折射率差光子集成平台，例如二氧化硅、磷化铟平台，由于其利用的光波导为弱限制光波导，其波导截面一般较大，且波导的弯曲半径也比较大（通常为几百微米至毫米量级），难以在单个晶圆上集成多个光学功能器件。硅基光电子技术，利用SOI（Silicon-on-insulator）晶圆工艺。该平台利用硅材料的高折射率，限制光波在硅波导材料中传输，由于硅波导的芯层和包层的折射率差很大，不仅实现了纳米尺度的强限制光波导，而且使得在该平台上的波导能够实现超小的弯曲半径（约5 μm）。但是，硅波导的尺寸一般在亚微米量级，一般的单模光纤直径通常在8 μm左右，如何实现硅波导与外置光源以及光纤的低损耦合慢慢成为了技术的难点和关键。

为了实现硅波导和外置光源和光纤的耦合，一般使用两大类方法。一类方法是采用SOI片上刻蚀二阶光栅作为耦合结构，这类方法需要精准控制耦合光的角度，并且其带宽受限，对工艺要求比较敏感，大规模应用有一定困难。另外一类方法是利用波导结构对硅波导中的光模式进行扩束，使其能够匹配激光器或者光纤模式。但是由于硅波导的光模斑一般在亚微米量级，而光纤或者激光器的光模斑通常在几个微米量级，需要比较长的结构用于实现低损耗的扩束。

发明内容

本发明提供一种硅光光模斑模式转换器，包括二氧化硅悬臂、过渡波导、主波导、硅衬底、第一包层、第二包层、第三包层，所述第一包层置于所述硅衬底上方，所述主波导置于第一包层上方，所述主波导与过渡波导中间为第二包层，所述过渡波导上设置第三包层；所述二氧化硅悬臂接于过渡波导外侧，所述二氧化硅悬臂光路中心与所述过渡波导光路中心在同一纵向截面；所述二氧化硅悬臂宽度和厚度沿输入光路方向逐渐减小。可以解决硅基光电子芯片与光纤或激光器的光模斑不匹配，导致的耦合效率低的问题。

本发明设计一种二氧化硅微透镜结构，将光模斑转换器集成到单个芯片中，可以实现高集成度情景下高效率的光汇聚收束效果，提高硅基光电子芯片与光纤或激光器之间的耦合效率，降低传统方案中渐变波导的长度。

进一步，所述二氧化硅悬臂在其宽度方向设置为台阶状，可以实现宽度方向的高效率光汇聚收束效果。

进一步，所述二氧化硅悬臂在其高度方向设置为台阶状，可以实现高度方向的高效率光汇聚收束效果。

进一步，所述过渡波导两端横截面为倒锥形，所述主波导接近过渡波导的一端横截面为倒锥形，可以实现芯片内部高效率光耦合。

进一步，所述主波导为硅波导，所述过渡波导折射率范围在1.445 - 3.42之间，一般选用氮化硅材质，根据需求可以选用氮氧化硅。过渡波导的折射率在二氧化硅和硅之间，由于光倾向于耦合进折射率更高的材料，选取这段过渡波导可以提高光从二氧化硅悬臂到硅波导之间的耦合效率。

进一步，所述过渡波导为氮化硅或氮氧化硅。

进一步，所述二氧化硅悬臂设置在模斑模式转换器前段，所述第一包层、第二包层、第三包层为二氧化硅层。

进一步，所述主波导厚度为210±10 nm，所述过渡波导厚度为400±15 nm，所述第一包层厚度范围为2-4 μm，所述第二包层厚度范围为80±1 nm，所述第三包层厚度范围为6.5-8.5 μm。

本发明还提供一种硅光光模斑模式转换器的制造方法，包括如下步骤：

第一步，在SOI上采用刻蚀工艺制作主波导；

第二步，在主波导层上沉积二氧化硅层作为第二包层，用化学机械抛光方式（Chemical-mechanical Polishing）抛光第二包层的表面，同时控制主波导上层二氧化硅包层厚度为80±1 nm;

第三步，在第二包层上沉积过渡波导层，控制其厚度为400±15 nm，之后采用刻蚀工艺制作过渡波导;

第四步，在上述步骤完成后的芯片上沉积二氧化硅层作为第三包层,之后用化学机械抛光方式方式抛光第三包层的表面;

第五步，在上述步骤完成后，可以使用分布刻蚀的方式实现二氧化硅悬臂波导在纵向上的阶梯渐变；

第六步，在上述步骤完成后，先用干法刻蚀刻蚀穿二氧化硅包层至硅衬底层，之后使用反应离子刻蚀的方式继续刻蚀硅衬底，实现二氧化硅的悬臂波导。

附图说明

图1 为实施例1硅光光模斑模式转换器俯视剖面示意图

图2 为实施例2硅光光模斑模式转换器侧面示意图

图3 为实施例3硅光光模斑模式转换器侧面示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。

实施例一：

如图1所示，本实施例提供一种硅光光模斑模式转换器，包括置于硅衬底、第一包层、第二包层、第三包层，第一包层置于硅衬底上，硅波导置于第一包层上、第二包层下，过渡波导置于第二包层上、第三包层下。同时本实施例提供的硅光光模斑模式转换器还包括一二氧化硅悬臂，该二氧化硅悬臂宽度沿光输入方向逐渐减小，其高度和宽度方向为台阶状。

在制造该硅光光模斑模式转换器时，先在SOI上采用刻蚀工艺制作主波导，SOI层厚度为2 μm，可选择硅作为主波导，主波导一端为倒锥形。在主波导层上沉积二氧化硅层作为第二包层，用化学机械抛光方式（Chemical-mechanical Polishing）对第二包层表面抛光处理，同时控制第二包层厚度为80 nm。

在第二包层上沉积过渡波导层，过渡波导层可选择氮化硅或氮氧化硅，控制过渡波导层厚度在400 nm,然后采用刻蚀工艺制作过渡波导。

上述步骤完成后，在芯片上沉积二氧化硅层作为第三包层，并采用化学机械抛光方式抛光第三包层的表面，将第三包层厚度控制在7.5 μm左右。

完成上述步骤后，采用分布式刻蚀的方式实现二氧化硅悬臂波导在纵向上的阶梯渐变，将二氧化硅悬臂高度方向与宽度方向制造为台阶状。

本实施例提供的硅光光模斑转换器，通过采用片上制造二氧化硅悬臂的方式，在片上集成微透镜，可有效提高光耦合效率。外置光纤或者光源输出光经二氧化硅悬臂，二氧化硅悬臂靠近光纤或光源的一端宽度较大，可以很好地匹配光纤或者光源的光模斑。随着二氧化硅悬臂宽度减小，可以实现低损耗的扩束。由于本实施例采用的强限制波导，光导入过渡波导后，光损耗较小，几乎可以实现完整光束导入到主波导中。

实施例二：

如图2所示，本实施例提供一种硅光光模斑模式转换器，包括硅衬底、第一包层、第二包层、第三包层，第一包层置于硅衬底上，硅波导置于第一包层上、第二包层下，过渡波导置于第二包层上、第三包层下，还包括一二氧化硅悬臂，该二氧化硅悬臂宽度沿光输入方向逐渐减小，其宽度方向为台阶状。

在制造该硅光光模斑模式转换器时，先在SOI上采用刻蚀工艺制作主波导，SOI中的掩埋二氧化硅层厚度为3 μm，硅波导层为210 nm可选择硅作为主波导，主波导一端为倒锥形。在主波导层上沉积二氧化硅层作为第二包层，用化学机械抛光方式（Chemical-mechanical Polishing）对第二包层表面抛光处理，同时控制第二包层厚度为81 nm。

在第二包层上沉积过渡波导层，过渡波导层可选择氮化硅或氮氧化硅，控制过渡波导层厚度在415 nm，然后采用刻蚀工艺制作过渡波导。

上述步骤完成后，在芯片上沉积二氧化硅层作为第三包层，并采用化学机械抛光方式抛光第三包层的表面，将第三包层厚度控制在8.5 μm左右。

完成上述步骤后，采用分布式刻蚀的方式实现二氧化硅悬臂波导在纵向上的阶梯渐变，将二氧化硅悬臂宽度方向制造为台阶状。

实施例三：

如图3所示，本实施例提供一种硅光光模斑模式转换器，包括置于硅衬底、第一包层、第二包层、第三包层，第一包层置于硅衬底上，硅波导置于第一包层上、第二包层下，过渡波导置于第二包层上、第三包层下。还包括一二氧化硅悬臂，该二氧化硅悬臂宽度沿光输入方向逐渐减小，其高度方向为台阶状。

在制造该硅光光模斑模式转换器时，先在SOI上采用刻蚀工艺制作主波导，SOI层厚度为3 μm，可选择硅作为主波导，主波导一端为倒锥形。在主波导层上沉积二氧化硅层作为第二包层，用化学机械抛光方式（Chemical-mechanical Polishing）对第二包层表面抛光处理，同时控制第二包层厚度为79 nm。

在第二包层上沉积过渡波导层，过渡波导层可选择氮化硅或氮氧化硅，控制过渡波导层厚度在385 nm左右，然后采用刻蚀工艺制作过渡波导。

上述步骤完成后，在芯片上沉积二氧化硅层作为第三包层，并采用化学机械抛光方式抛光第三包层的表面，将第三包层厚度控制在6.5 μm左右。

完成上述步骤后，采用分布式刻蚀的方式实现二氧化硅悬臂波导在纵向上的阶梯渐变，将二氧化硅悬臂高度方向制造为台阶状。

上述实施例仅列举了较佳的具体技术方案及技术手段，不排除在本发明权利要求范围内，有其他可以解决该技术问题的等换技术手段的替换形式，也应当理解为本发明要求保护的内容。