一种基于亚波长光栅的lnoi模斑转换器和制备方法
阅读说明：本技术 一种基于亚波长光栅的lnoi模斑转换器和制备方法 (LNOI (Low noise optical insulator) spot size converter based on sub-wavelength grating and preparation method ) 是由 周奉杰 钱广 顾晓文 唐杰 孔月婵 于 2020-12-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于亚波长光栅的LNOI模斑转换器,包括：顶层锥形波导、底层锥形波导、锥形亚波长光栅、SiO-2倒锥形厚脊波导包层、SiN亚波长光栅薄层和光纤固定槽；制备方法涉及的工艺包括：顶层锥形波导和底层锥形波导制备、锥形亚波长光栅制备、SiO-2倒锥形厚脊波导制备、SiN亚波长光栅制备、光纤固定槽制备。本发明采用双层锥形波导结合锥形亚波长光栅、SiN亚波长光栅和SiO-2倒锥形厚脊波导的结构,通过调节波导芯层以及包层的有效折射率,实现LNOI光波导中小尺寸光模场的放大功能,进而提高LNOI光波导与单模光纤的耦合效率。(The invention discloses an LNOI spot-size converter based on a sub-wavelength grating, which comprises: top layer conical waveguide, bottom layer conical waveguide, conical sub-wavelength grating and SiO 2 The optical fiber fixing structure comprises an inverted cone-shaped thick ridge waveguide cladding, a SiN sub-wavelength grating thin layer and an optical fiber fixing groove; the preparation method relates to a process comprising the following steps: preparation of top layer tapered waveguide and bottom layer tapered waveguide, preparation of tapered sub-wavelength grating and SiO 2 Preparing an inverted conical thick ridge waveguide, preparing a SiN sub-wavelength grating and preparing an optical fiber fixing groove. The invention adopts double-layer tapered waveguide combined with tapered sub-wavelength grating, SiN sub-wavelength grating and SiO 2 The structure of the inverted cone-shaped thick ridge waveguide is realized by adjusting the effective refractive indexes of a waveguide core layer and a cladding layerAnd the LNOI optical waveguide has the function of amplifying a small-size optical mode field, so that the coupling efficiency of the LNOI optical waveguide and the single-mode optical fiber is improved.)
技术领域
本发明涉及LNOI模斑转换器和制备方法，尤其涉及一种基于亚波长光栅的LNOI模斑转换器和制备方法。
背景技术
薄膜铌酸锂(LNOI，Lithium Niobate on Insulator)材料是一种新兴的光电子集成材料，其结构与绝缘体上硅(SOI，Silicon on Insulator)类似，为三层结构，顶层铌酸锂薄膜具有高电光系数的优点，是制备高速电光调制器和光开关的首选材料，中间绝缘层与铌酸锂具有大的折射率差(Δn＝nLiNbO3-nSiO2＝2.2-1.44＝0.76)，可以降低器件尺寸以及波导传输损耗，衬底具有多种选择，以硅衬底的应用最为广泛。
模斑转换器主要有光栅耦合器与端面耦合器两种，现有的端面耦合器多采用锥形波导结构，随着波导宽度变窄，波导对光模式的限制能力也减弱，波导芯层的模场就会扩散到包层中，若采用折射率与波导芯层相近的包层就能进一步放大光模场，但锥形波导一般比较长，对光模场的放大能力也有限。采用悬臂梁与三维锥形波导的端面耦合器，虽提高了耦合效率，但其制备工艺难，稳定性差，难以实现规模化的LNOI光芯片生产。因此，亟需研制一种高耦合、低损耗、小尺寸与易制备的LNOI模斑转换器。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种高耦合效率、低损耗、小尺寸的LNOI模斑转换器和制备方法。
技术方案：本发明的LNOI模斑转换器，包括顶层锥形波导、底层锥形波导、锥形亚波长光栅、SiO2上包层、SiO2倒锥形厚脊波导包层、SiN亚波长光栅(SWG，sub-wavelengthgrating)、光纤固定槽、SiO2绝缘层、芯片衬底；顶层锥形波导位于底层锥形波导上；顶层锥形波导的末端与底层锥形波导的末端相重合；锥形亚波长光栅与底层锥形波导的厚度一致，并且锥形亚波长光栅与底层锥形波导的末端相连接；SiO2上包层覆盖于顶层锥形波导、底层锥形波导和锥形亚波长光栅上；SiN亚波长光栅嵌入SiO2倒锥形厚脊波导包层中，覆盖于顶层锥形波导、底层锥形波导上；所述光纤固定槽位于模斑转换器与光纤对接端面；SiO2绝缘层设于芯片衬底与SiO2上包层之间。
所述顶层锥形波导的波导宽度为700nm～2μm，波导厚度为200nm～400nm，耦合过渡区长度为50μm～200μm，锥形波导末端宽度为30nm～200nm；底层锥形波导的波导宽度为4μm～8μm，波导厚度为200nm～400nm，耦合过渡区长度为50μm～300μm，锥形波导末端宽度为30nm～200nm；所述锥形亚波长光栅的光栅周期为500nm～1μm，占空比为0.3～0.7，亚波长光栅末端波导宽度为30nm～200nm，亚波长光栅周期数为10～100，锥形过渡区长度为30μm～150μm；SiO2上包层为矩形波导，波导宽度为6μm～10μm，波导长度为200μm～400μm，波导厚度为0.5μm～2μm；SiO2倒锥形厚脊波导包层，窄波导端覆盖于顶层锥形波导的过渡区，波导宽度为3μm～5μm；宽波导端为模斑转换器的光纤接入端面，波导宽度为6μm～15μm，厚度为2μm～8μm；SiN亚波长光栅的周期为500nm～2μm，占空比为0.3～0.7，光栅周期数为10～100，SiN波导厚度为20nm～80nm，每层间隔为500nm～1.5μm，光纤耦合端面波导宽度为4μm～8μm，光栅末端波导宽度为1μm～2μm，锥形过渡区长度为50μm～400μm。
SiO2倒锥形厚脊波导包层为单层或双层，或三层的结构。
SiN亚波长光栅设于顶层锥形波导、底层锥形波导上方500nm～1μm处，呈锥形过渡，与SiO2倒锥形厚脊波导包层形状一致；SiN亚波长光栅为单层或双层，或三层的结构。
光纤固定槽是在芯片衬底上通过腐蚀或者刻蚀形成V槽或凹槽形状的结构。
顶层锥形波导、底层锥形波导、锥形亚波长光栅的波导宽度均逐渐变窄，过渡区形状均为线性或抛物线形，或平方根形，或指数形，或阶梯形。
优选的，所述SiO2倒锥形波导为厚脊波导。
本发明LNOI模斑转换器的制备方法，包括步骤如下：
步骤s1，顶层锥形波导刻蚀掩膜制备；
步骤s2，顶层锥形波导刻蚀；
步骤s3，底层锥形波导以及锥形亚波长光栅刻蚀掩膜制备；
步骤s4，底层锥形波导以及锥形亚波长光栅刻蚀；
步骤s5，SiO2介质生长；
步骤s6，SiN介质生长；
步骤s7，SiN亚波长光栅制备；
步骤s8，SiO2介质生长；
步骤s9，SiO2倒锥形厚脊波导制备；
步骤s10，SiO2上包层制备；
步骤s11，光纤固定槽制备。
优选的，所述SiO2以及SiN介质均采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD，Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)生长。
采用LNOI制作的铌酸锂底层锥形波导厚度为200nm～500nm，SiO2绝缘层厚度为2μm～3μm，芯片衬底为铌酸锂或者硅；所述铌酸锂波导刻蚀掩膜包括光刻胶以及金属掩膜，光刻胶包括HSQ负胶、ZEP 520A正胶和7908正胶，金属掩膜为Ni或Ti/Ni，或Cr/Ni；
所述铌酸锂波导刻蚀采用干法刻蚀工艺，采用反应离子刻蚀或电感耦合离子体刻蚀，刻蚀气体包括Ar，或SF6/Ar的混合气体；
所述SiO2介质以及SiN介质采用离子体增强化学气相沉积(PECVD)生长，生长厚度根据设计设定；
所述刻蚀掩膜制备采用光刻胶，包括7908正胶、701正胶和UV 135正胶，采用旋涂双层或三层增加光刻胶厚度，用于厚波导刻蚀；
所述SiO2介质以及SiN介质刻蚀采用F基干法刻蚀工艺，刻蚀气体选用SF6或CHF3，或SF6/Ar，或CHF3/Ar等气体；
所述光纤固定槽的制备，当衬底为硅时，采用湿法腐蚀硅工艺制备光纤固定槽，腐蚀溶液包括KOH、TMAH溶液；当衬底为铌酸锂时，采用F基干法刻蚀工艺制备光纤固定槽，刻蚀气体选用SF6或CHF3，或SF6/Ar，或CHF3/Ar等气体。
本发明与现有技术相比，其显著效果如下：1、采用双层锥形波导与亚波长光栅的结构，降低波导有效折射率，放大LNOI脊波导中小尺寸的光模场，提高与单模光纤的耦合效率，实现了LNOI光波导器件的低插损、高耦合与小尺寸的要求；2、引入SiO2层之间的SiN亚波长光栅结构，调节包层有效折射率(nSiO2<nSWG<nSiN)，降低LNOI波导芯层与包层的折射率差，结合锥形过渡的波导芯层，实现对光模式尺寸横向、纵向的放大，同时减小了由于包层折射率不匹配引入的损耗；3、引入SiO2层之间的SiN亚波长光栅结构，将铌酸锂波导芯层中的光场模式放大，并向上牵引限制在SiO2的倒锥形厚脊波导中，有利于与外接光纤对接；4、模斑转换器光纤接入端面处设置了光纤固定槽，有助于光纤与LNOI光芯片的对接，有利推进LNOI高速调谐芯片的实用化应用。
附图说明
图1为本发明的LNOI模斑转换器结构示意图；
图2为本发明的LNOI模斑转换器光纤接入端面的立体图，图中51为第一层SiO2倒锥形包层、52为第二层SiO2倒锥形包层、53为第三层SiO2倒锥形包层；61为第一层SiN亚波长光栅、62为第二层SiN亚波长光栅；
图3为本发明的锥形波导过渡区形状结构图，其中，(a)为线形锥形波导结构图、(b)为平方根形锥形波导结构图、(c)为抛物线形锥形波导结构图、(d)为指数形锥形波导结构图、(e)为阶梯形锥形波导结构图；
图4为本发明的LNOI双层锥形波导结构示意图，图中8为SiO2绝缘层，4为SiO2上包层；
图5为本发明的LNOI模斑转换器的光纤接入端结构剖面示意图，(a)单层结构示意图、(b)双层结构示意图、(c)三层结构示意图；图中51为第一SiO2包层、52为第二SiO2包层、53为第三SiO2包层、54为第四SiO2包层、61为第一层SiN亚波长光栅、62为第二层SiN亚波长光栅、63为第三层SiN亚波长光栅、9为芯片衬底；
图6为本发明的实现基于亚波长光栅的LNOI模斑转换器的工艺示意图，其中，
(a)为LNOI顶层锥形波导刻蚀掩膜制备与顶层锥形波导刻蚀示意图；
(b)为LNOI底层锥形波导以及锥形亚波长光栅刻蚀示意图；
(c)为SiO2包层介质生长示意图；
(d)为SiN介质生长示意图；
(e)为双层SiN亚波长光栅端面示意图；
(f)为SiO2倒锥形厚脊波导端面示意图；
(g)为光纤固定槽端面示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。
如图1所示为本发明的LNOI模斑转换器的结构示意图，包括顶层锥形波导1、底层锥形波导2、锥形亚波长光栅3、SiO2上包层4、SiO2倒锥形厚脊波导包层5、SiN亚波长光栅6、光纤固定槽7、SiO2绝缘层8和芯片衬底9。光纤固定槽7用于固定外接光纤，使用光纤固化剂可以将光纤固定在光纤固定槽7中并与模斑转换器端面对准，如图2所示，SiO2上包层4和SiO2倒锥形厚脊波导包层5采用厚脊波导与锥形波导过渡的设计，降低光场传输损耗。SiN亚波长光栅6嵌于SiO2倒锥形厚脊波导包层5中，位于顶层锥形波导1和底层锥形波导2的上方，SiN亚波长光栅6用于实现包层有效折射率的过渡渐变(nSiO2<nSWG<nSiN)，SiN亚波长光栅6呈锥形过渡，与SiO2倒锥形厚脊波导包层5形状一致。锥形波导亚波长光栅3与宽平板的底层锥形波导2末端相连接，未与顶层锥形波导1重合，锥形波导亚波长光栅3用于降低底层波导2的有效折射率、放大模斑尺寸。如图4所示，本发明的LNOI模斑转换器主要采用双层锥形波导结合锥形亚波长光栅、SiN亚波长光栅和SiO2倒锥形厚脊波导的结构，通过调节波导芯层以及包层的有效折射率，放大LNOI光波导中小尺寸的光模场，用于增强模式限制，降低光传输损耗，提高LNOI光波导与单模光纤的耦合效率，同时，满足LNOI光芯片低插损、高耦合与小尺寸的需求。
详细参数如下：
本发明的LNOI双层锥形波导：顶层锥形波导1的波导宽度为700nm～2μm，波导高度为200nm～400nm，耦合过渡区长度为50μm～200μm，锥形波导末端宽度为30nm～200nm；底层锥形波导2的波导宽度为4μm～8μm，波导宽度为200nm～400nm，耦合过渡区长度为50μm～300μm，锥形波导末端宽度为30nm～200nm；LNOI顶层锥形波导1与底层锥形波导2的过渡区形状为线形或抛物线形，或平方根形，或指数形或阶梯形等形状，如图3所示。
锥形亚波长光栅3的周期为500nm～1000nm，占空比为0.3～0.7，亚波长光栅末端波导宽度为50nm～200nm，光栅周期数为10～100，锥形过渡区长度30μm～150μm；锥形亚波长光栅3过渡区形状为线形或抛物线形，或平方根形，或指数形或阶梯形等形状，如图3所示。
SiO2上包层4为矩形波导，波导宽度为6μm～10μm，波导长度为200μm～400μm，波导厚度为1μm～2μm。
SiO2倒锥形厚脊波导5的窄波导端覆盖于顶层锥形波导1的过渡区，波导宽度为3μm～5μm，宽波导端为模斑转换器光纤接入端面，波导宽度为6μm～15μm，波导厚度为2μm～8μm。
SiN亚波长光栅6嵌于SiO2倒锥形厚脊波导5中，覆盖于锥形波导亚波长光栅3上方500nm～1μm处，SiN亚波长光栅6的周期为500nm～2μm，占空比为0.3～0.7，光栅周期数为10～100，波导厚度为20nm～80nm，光纤耦合端面波导宽度为4μm～8μm，SiN亚波长光栅6末端宽度为1μm～2μm，锥形过渡区长度为50μm～400μm，SiN亚波长光栅6为单层或双层，或三层等结构，如图5所示，SiN亚波长光栅6的每层间隔为500nm～1.5μm。
光纤固定槽7设于模斑转换器光纤端面上，刻蚀去除对应的SiO2上包层4和SiO2绝缘层8，在芯片衬底9上腐蚀或者刻蚀形成V槽或凹槽等形状。
如图6所示为本发明的LNOI模斑转换器的制备方法的工艺步骤，包括以下步骤：
步骤s1，顶层锥形波导1刻蚀掩膜制备。波导刻蚀掩膜包括光刻胶以及金属掩膜，光刻胶包括HSQ负胶、ZEP 520A正胶和7908正胶，金属掩膜材质为Ni或Ti/Ni，或Cr/Ni。
步骤s2，顶层锥形波导1刻蚀。波导刻蚀采用干法刻蚀工艺，采用反应离子刻蚀或电感耦合等离子体刻蚀，刻蚀气体为Ar，或SF6/Ar的混合气体。
步骤s3，底层锥形波导2以及锥形亚波长光栅3刻蚀掩膜制备。
步骤s4，底层锥形波导2以及锥形亚波长光栅3刻蚀。
步骤s5，SiO2介质生长：采用PECVD生长SiO2，SiO2厚度为1μm～2μm。
步骤s6，SiN介质生长：采用PECVD生长SiN，SiN厚度为20nm～80nm。
步骤s7，SiN亚波长光栅6刻蚀掩膜制备：SiN刻蚀掩膜采用光刻胶，包括7908正胶、701正胶和UV 135正胶。
步骤s8，SiN亚波长光栅6刻蚀：SiN介质刻蚀采用干法刻蚀工艺，刻蚀气体选用SF6或CHF3，或SF6/Ar，或CHF3/Ar等气体。
步骤s9，SiO2倒锥形厚脊波导5制备：SiO2刻蚀掩膜采用光刻胶，包括7908正胶、701正胶和UV 135正胶，采用旋涂双层或三层等技术增加光刻胶厚度，用于厚SiO2波导刻蚀。SiO2刻蚀采用干法刻蚀工艺，刻蚀气体选用SF6或CHF3，或SF6/Ar，或CHF3/Ar等气体。
步骤s10，SiO2上包层4矩形波导制备：SiO2刻蚀工艺同步骤s9。
步骤s11，光纤固定槽7制备：当衬底为硅时，采用湿法腐蚀硅工艺制备光纤固定槽7，腐蚀溶液包括KOH、TMAH溶液；当衬底为铌酸锂时，采用干法刻蚀工艺制备光纤固定槽7，刻蚀气体为SF6、或SF6/Ar的混合气体。
实施例一
选用3英寸x切LNOI圆片，铌酸锂薄膜厚度为600nm，SiO2绝缘层厚度为2μm，衬底为Si材料，制备工艺步骤为：
A1)顶层锥形波导1刻蚀掩膜制备：旋涂负胶HSQ，转速为2000rpm/min，在150℃热板上烘烤120秒。
A2)顶层锥形波导1刻蚀：Ar等离子体ICP刻蚀，波导刻蚀深度为300nm。
A3)底层锥形波导2以及锥形亚波长光栅3刻蚀掩膜制备：旋涂负胶HSQ，转速为2000rpm/min，在150℃热板上烘烤120秒。
A4)底层锥形波导2以及锥形亚波长光栅3刻蚀：采用Ar等离子体ICP干法刻蚀，波导刻蚀深度为300nm。
A5)第一SiO2包层51介质生长：PECVD生长SiO2包层介质，厚度为1μm。
A6)第一层SiN亚波长光栅61介质生长：PECVD生长SiN，厚度为20nm。
A7)第一层SiN亚波长光栅61制备：旋涂光刻胶7908，转速为3000rpm/min，在110℃热板上烘烤110秒，曝光显影后采用ICP干法刻蚀，刻蚀气体为CHF3，刻蚀功率为100W，刻蚀深度为20nm，刻蚀后用丙酮去除光刻胶。
A8)第二SiO2包层52介质生长：PECVD生长SiO2包层介质，厚度为2μm。
A9)SiO2倒锥形厚脊波导5制备：旋涂光刻胶701，转速为1500rpm/min，在110℃热板上烘烤110秒。曝光显影后采用ICP干法刻蚀，刻蚀气体为CHF3，刻蚀功率为200W，刻蚀深度约2.5μm，刻蚀材料包括第二SiO2包层52、第一层SiN亚波长光栅61和第一SiO2包层51，剩余的SiO2约0.5μm为SiO2上包层4，刻蚀后用丙酮去除剩余光刻胶。
A10)SiO2上包层4矩形波导制备：旋涂光刻胶701，转速为1500rpm/min，在110℃热板上烘烤110秒。曝光显影后采用ICP干法刻蚀，刻蚀气体为CHF3，刻蚀功率为200W，刻蚀深度约0.5μm，刻蚀材料为剩余的SiO2(约0.5μm)，刻蚀后用丙酮去除剩余光刻胶。
A11)光纤固定槽7制备：旋涂光刻胶7908，转速为3000rpm/min，在110℃热板上烘烤110秒，曝光显影后，在85℃水浴下，用体积比稀释到5％的TMAH溶液腐蚀硅衬底，腐蚀时间约1小时。
实施例二
选用3英寸x切LNOI圆片，铌酸锂薄膜厚度为600nm，SiO2绝缘层厚度为2μm，衬底为Si材料，主要制备工艺步骤为：
B1)顶层锥形波导1刻蚀掩膜制备：旋涂光刻胶7908，曝光显影后蒸发金属Ti/Ni20/150nm，并用丙酮浸泡、超声去除光刻胶，接着在乙醇中超声5分钟，然后用去离子水冲洗干净，最后放入甩干机内甩干。
B2)顶层锥形波导1刻蚀：Ar等离子体ICP刻蚀，波导刻蚀深度为300nm。
B3)底层锥形波导2以及亚波长光栅3刻蚀掩膜制备：旋涂光刻胶7908，曝光显影后蒸发金属Ti/Ni 20/150nm，并用丙酮浸泡、超声去除光刻胶，接着在乙醇中超声5分钟，然后用去离子水冲洗干净，最后放入甩干机内甩干。
B4)底层锥形波导2以及亚波长光栅3刻蚀：采用Ar等离子体ICP刻蚀，波导刻蚀深度为300nm。
B5)第一SiO2包层51介质生长：PECVD生长SiO2，厚度为1μm。
B6)第一层SiN亚波长光栅61介质生长：PECVD生长SiN，厚度为20nm。
B7)第一层SiN亚波长光栅61制备：旋涂光刻胶7908，转速为2500rpm/min，在110℃热板上烘烤110秒，曝光显影后采用ICP干法刻蚀，刻蚀气体为CHF3，刻蚀功率为150W，刻蚀深度为20nm，刻蚀后用丙酮去除光刻胶。
B8)第二SiO2包层52介质生长：PECVD生长SiO2，厚度为2μm。
B9)第二层SiN亚波长光栅62介质生长：PECVD生长SiN，厚度为20nm。
B10)第二层SiN亚波长光栅62制备：旋涂光刻胶7908，转速为3000rpm/min，在110℃热板上烘烤110秒，曝光显影后采用ICP干法刻蚀，刻蚀气体为CHF3，刻蚀功率为150W，SiN刻蚀深度为20nm，刻蚀后用丙酮去除光刻胶。
B11)第三SiO2包层53介质生长：PECVD生长SiO2，厚度为2μm。
B12)SiO2倒锥形厚脊波导5制备：旋涂双层光刻胶701，转速为1500rpm/min，在110℃热板上烘烤110秒。曝光显影后采用ICP干法刻蚀，刻蚀气体为CHF3，刻蚀功率为200W，刻蚀深度约4.5μm，刻蚀材料包括第三SiO2包层53、第二层SiN亚波长光栅62、第二SiO2包层52、第一层SiN亚波长光栅61和第一SiO2包层51，剩余的SiO2约0.5μm为SiO2上包层4，刻蚀后用丙酮去除剩余光刻胶。
B13)SiO2上包层4矩形波导制备：旋涂光刻胶701，转速为1500rpm/min，在110℃热板上烘烤110秒。曝光显影后采用ICP干法刻蚀，刻蚀气体为CHF3，刻蚀功率为200W，刻蚀深度约0.5μm，刻蚀材料为剩余的SiO2约0.5μm，刻蚀后用丙酮去除剩余光刻胶。
B14)光纤固定槽7制备：旋涂光刻胶7908，转速为3000rpm/min，在110℃热板上烘烤110秒，曝光显影后，在85℃水浴下，用体积比稀释到5％的TMAH溶液腐蚀硅衬底，腐蚀时间约1小时。