阅读说明：本技术 光波模式转换装置及其制造方法 (Light wave mode conversion device and manufacturing method thereof ) 是由 王庆 方青 汪巍 涂芝娟 曾友宏 蔡艳 王书晓 余明斌 于 2018-07-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及半导体技术领域,尤其涉及一种光波模式转换装置及其制造方法。所述光波模式转换装置,包括同层设置的第一波导和第二波导,且所述第一波导的折射率大于所述第二波导；所述第二波导朝向所述第一波导的端部具有开口,所述开口的直径沿所述第二波导指向所述第一波导的方向逐渐增大,且所述第一波导的光耦合端面与所述开口对齐设置。本发明不仅降低了光学器件的工艺复杂度,而且提高了两种波导之间的耦合效率,实现了两种波导之间的低损耗互连。(The present invention relates to the field of semiconductor technology, and more particularly, to a light wave mode conversion device and a method for manufacturing the same. The optical wave mode conversion device comprises a first waveguide and a second waveguide which are arranged on the same layer, and the refractive index of the first waveguide is larger than that of the second waveguide; the end part of the second waveguide, which faces the first waveguide, is provided with an opening, the diameter of the opening is gradually increased along the direction that the second waveguide points to the first waveguide, and the optical coupling end surface of the first waveguide is aligned with the opening. The invention not only reduces the process complexity of the optical device, but also improves the coupling efficiency between the two waveguides, and realizes the low-loss interconnection between the two waveguides.)

光波模式转换装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种光波模式转换装置及其制造方法。

背景技术

随着网络产品的更新换代，网络中使用模块的尺寸和功耗都在不断变小，以满足成本不断降低、性能不断提高的需求。硅基光子器件因其低成本、超小型尺寸、低功耗等独特特性，近几年受到产业界的广泛关注，成为网络产品更新换代中重点考虑的方向之一。

现有技术中，由于氮化硅波导非线性低、允许输入更大能量、以及能够实现更低的传输损耗的特点，因而在需要有较大能量的输入中具有天然的优势。但是，氮化硅材料的性质决定了其不适合制作有源器件比如调制器。为了解决这一问题，现有技术中已经出现了光波模式转换装置。所谓光波模式转换装置是一种光子器件，其配置是用于将氮化硅波导中的光耦合到硅中，进行有源器件的制作，或者使光模在第一模尺寸与第二模尺寸之间转换。模尺寸是指模在光波导中某一方向上的大小，例如能量在横向上的分布。模形状是指模尺寸在两个不同方向(例如水平方向与竖直方向)上的相对大小。

但是，现有的光波模式转换器都是针对位于不同层中的波导在竖直面内进行光线的耦合，这不仅导致光学器件制造工艺复杂度的增加，而且耦合效率极低，光损耗较为严重。

因此，如何实现具有不同模场的光波导之间的低损耗耦合，降低光学器件的工艺复杂度，是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种光波模式转换装置及其制造方法，用以解决现有具有不同模场的光波导之间光耦合效率低的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种光波模式转换装置，包括同层设置的第一波导和第二波导，且所述第一波导的折射率大于所述第二波导；所述第二波导朝向所述第一波导的端部具有开口，所述开口的直径沿所述第二波导指向所述第一波导的方向逐渐增大，且所述第一波导的光耦合端面与所述开口对齐设置。

优选的，所述第一波导为硅波导，所述第二波导为氮化硅波导，所述开口内填充有硅锥形结构，所述硅锥形结构的底面与所述第一波导的光耦合端面对齐连接。

优选的，还包括SOI衬底，所述第一波导及所述硅锥形结构由所述SOI衬底的顶层硅制造而成，所述第二波导位于所述SOI衬底的埋氧化层表面。

优选的，所述第一波导与所述第二波导厚度相同。

优选的，还包括覆盖于所述第一波导与所述第二波导表面的上包层。

优选的，所述上包层的材料为二氧化硅。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种光波模式转换装置的制造方法，包括如下步骤：

提供衬底；

形成第一波导于所述衬底表面；

形成第二波导于所述衬底表面，所述第二波导的折射率小于所述第一波导，且所述第二波导朝向所述第一波导的端部具有开口，所述开口的宽度沿所述第二波导指向所述第一波导的方向逐渐增大，且所述第一波导的光耦合端面与所述开口对齐设置。

优选的，所述衬底为SOI衬底；形成第一波导于所述衬底表面的具体步骤包括：

刻蚀所述SOI衬底的顶层硅，同时形成第一波导及硅锥形结构、并限定出第二波导区域；所述硅锥形结构的底面与所述第一波导的光耦合端面对齐设置。

优选的，所述第二波导区域具有开口，所述开口的宽度沿所述第二波导区域指向所述第一波导的方向逐渐增大，所述硅锥形结构位于所述开口内；形成第二波导于所述衬底表面的具体步骤包括：

刻蚀所述第二波导区域的顶层硅，暴露所述SOI衬底的埋氧化层；

沉积第二波导材料于所述第二波导区域的所述埋氧化层表面，形成所述第二波导层。

优选的，还包括如下步骤：

沉积二氧化硅于所述第一波导、所述第二波导表面，形成上包层。

本发明提供的光波模式转换装置及其制造方法，将具有不同折射率的两种波导同层设置，且在低折射率的波导中设置锥形开口，高折射率波导与低折射率波导通过锥形开口进行光波耦合，实现光波模式的转换，不仅降低了光学器件的工艺复杂度，而且提高了两种波导之间的耦合效率，实现了两种波导之间的低损耗互连。

附图说明

附图1是本发明

具体实施方式

中光波模式转换装置的俯视结构示意图；

附图2是本发明具体实施方式中光波模式转换装置的剖面结构示意图；

附图3是本发明具体实施方式中光波模式转换装置的制造方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的光波模式转换装置及其制造方法的具体实施方式做详细说明。

本具体实施方式提供了一种光波模式转换装置，附图1是本发明具体实施方式中光波模式转换装置的俯视结构示意图，附图2是本发明具体实施方式中光波模式转换装置的剖面结构示意图。

如图1、图2所示，本具体实施方式提供的光波模式转换装置，包括同层设置的第一波导11和第二波导12，且所述第一波导11的折射率大于所述第二波导12；所述第二波导12朝向所述第一波导11的端部具有开口13，所述开口13的宽度沿所述第二波导12指向所述第一波导11的方向逐渐增大，且所述第一波导11的光耦合端面与所述开口13对齐设置。

在本具体实施方式中所述第一波导11与所述第二波导12同层设置，能够在很大程度上降低光波导、乃至光学器件的制造工艺复杂度。同时，通过在所述第二波导12朝向所述第一波导11的端部设置开口13，所述开口13的直径沿所述第二波导12指向所述第一波导11的方向逐渐增大，即在所述第二波导12的端部形成一锥形狭缝，且所述锥形狭缝的底面朝向所述第一波导11设置，使得所述第二波导12的所述端部呈现倒锥形结构。所述第一波导11的光耦合端面与锥形的所述开口13的底面对齐设置，则光能够经锥形的所述开口13在所述第一波导11与所述第二波导12之间进行模式转换，例如光由第一波导11传输至所述第二波导12时，由较小的光模转换为较大的光模。同时，将光的耦合限定在锥形的所述开口13的区域内，能够有效减少光损耗，提高光耦合效率。

在本具体实施方式中，所述开口13的宽度，本领域技术人员可以根据实际需要，例如根据待转换的光的波段进行选择。本具体实施方式中，所述开口13与所述第一波导11相连接的末端(即锥形的开口13的底面)的宽度优选与所述第一波导11的宽度相等，例如为400nm-600nm，更优选为500nm。其中，所述开口13沿平行于衬底方向的截面可以为三角形、也可以为梯形。

优选的，所述第一波导11为硅波导，所述第二波导12为氮化硅波导，所述开口13内填充有硅锥形结构，所述硅锥形结构的底面与所述第一波导11的光耦合端面对齐设置。其中，所述硅锥形结构包括相对设置的底面和顶面，所述顶面朝向所述第二波导12设置，所述底面朝向所述第一波导11设置，且所述硅锥形结构的宽度沿所述顶面指向所述底面的方向逐渐增大。氮化硅材料具有更低的非线性、低损耗以及允许更大的能量输入等优点，因而在需要有较大能量输入的应用中具有天然的优势。但是，氮化硅材料的性质决定了其不适合于有源器件的制作。本具体实施方式实现了硅波导与氮化硅波导之间的模式转换，可以在需要高能量输入的应用领域实现无源结构与有源结构之间的连接，实现多种材料的集成，提高硅光集成工艺的应用范围。

优选的，本具体实施方式提供的光波模式转换装置还包括SOI衬底，所述第一波导11及所述硅锥形结构由所述SOI衬底的顶层硅制造而成，所述第二波导12位于所述SOI衬底的埋氧化层表面。具体来说，如图2所述，所述光波模式转换装置沿其轴向方向依次层叠有底层硅20、埋氧化层21以及波导层，所述波导层包括所述第一波导11、所述硅锥形结构及所述第二波导12。

为了进一步提高光耦合效率，优选的，所述第一波导11与所述第二波导12厚度相同。其中，所述第一波导11与所述第二波导12的具体厚度，本领域技术人员可以根据实际需要，例如根据待转换的光的波段进行选择，本具体实施方式中优选为100nm-300nm，更优选为220nm。

优选的，本具体实施方式提供的光波模式转换装置还包括覆盖于所述第一波导11与所述第二波导12表面的上包层22。更优选的，所述上包层22的材料为二氧化硅。具体来说，所述上包层覆盖于所述第一波导11与所述第二波导12表面，所述开口13内填充硅锥形结构，以进一步减少光损耗。

为了解决上述问题，本具体实施方式还提供了一种光波模式转换装置的制造方法，附图3是本发明具体实施方式中光波模式转换装置的制造方法流程图，采用本具体实施方式提供的光波模式转换装置的制造方法制造出的光波模式转换装置的结构参见图1和图2。如图1-图3所示，本具体实施方式提供的光波模式转换装置的制造方法，包括如下步骤：

步骤S31，提供衬底。本具体实施方式中，所述衬底可以为硅衬底、SOI(Silicon OnInsulator，绝缘体上硅)衬底或GOI(Germanium On Insulator，绝缘体上锗)衬底等。

步骤S32，形成第一波导11于所述衬底表面。

优选的，所述衬底为SOI衬底；形成第一波导11于所述衬底表面的具体步骤包括：

刻蚀所述SOI衬底的顶层硅，同时形成第一波导11及硅锥形结构、并限定出第二波导区域；所述硅锥形结构的底面与所述第一波导11的光耦合端面对齐设置。

具体来说，所述SOI衬底包括依次层叠设置的底层硅20、埋氧化层21以及顶层硅，通过对所述顶层硅进行刻蚀，由所述顶层硅形成相互连接的所述第一波导11及硅锥形结构，并采用光刻工艺在所述顶层硅中限定出用于形成第二波导的第二波导区域。其中，所述第一波导11沿平行于所述底层硅20方向的截面可以是长度为500nm、宽度为220nm的矩形形状。

步骤S33，形成第二波导12于所述衬底表面，所述第二波导12的折射率小于所述第一波导11，且所述第二波导12朝向所述第一波导11的端部具有开口13，所述开口13的宽度沿所述第二波导12指向所述第一波导11的方向逐渐增大，且所述第一波导11的光耦合端面与所述开口13对齐设置。

优选的，所述第二波导区域具有开口13，所述开口13的宽度沿所述第二波导区域指向所述第一波导11的方向逐渐增大，所述硅锥形结构位于所述开口13内；形成第二波导12于所述衬底表面的具体步骤包括：

(S33-1)刻蚀所述第二波导区域的顶层硅，暴露所述SOI衬底的埋氧化层21。

(S33-2)沉积第二波导材料于所述第二波导区域的所述埋氧化层21表面，形成所述第二波导层12。其中，所述第二波导材料优选为氮化硅。沉积第二波导材料于所述第二波导区域的所述埋氧化层21表面的具体方法优选为LPCVD(Low Pressure Chemical VaporDeposition，低压力化学气相沉积)工艺。其中，所述第二波导层12与所述第一波导层11、所述硅锥形结构的厚度均相等，例如均为220nm。

优选的，具体实施方式提供的光波模式转换装置的制造方法还包括如下步骤：沉积二氧化硅于所述第一波导11和所述第二波导12表面，形成上包层22。其中，沉积二氧化硅的具体方法优选为PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积)工艺。

本具体实施方式提供的光波模式转换装置及其制造方法，将具有不同折射率的两种波导同层设置，且在低折射率的波导中设置锥形开口，高折射率波导与低折射率波导通过锥形开口进行光波耦合，实现光波模式的转换，不仅降低了光学器件的工艺复杂度，而且提高了两种波导之间的耦合效率，实现了两种波导之间的低损耗互连。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。