一种SOI平面波导布拉格光栅及制作方法技术

本发明专利技术提供了一种高端面反射率窄反射带宽的SOI平面波导布拉格光栅及其制作方法，该光栅能有效进行窄带滤波，减小背面反射，实现高的端面反射率，提高波导与光纤的耦合效率；同时，能够实现SOI波导光栅制作过程中高精度的对准以及制备，保证光栅在脊型波导内脊表面的均匀分布，保证光栅图形与脊型边缘的垂直特性，从而保证SOI波导光栅的性能。

A SOI planar waveguide Bragg grating and its fabrication method

The invention provides a SOI planar waveguide Bragg grating with high-end reflectivity and narrow reflection bandwidth and its fabrication method. The grating can effectively perform narrow-band filtering, reduce back reflection, achieve high end reflectivity, improve the coupling efficiency of waveguide and fiber, and realize high precision in the fabrication process of SOI waveguide grating. The alignment and fabrication of the grating can ensure the uniform distribution of the grating on the ridge surface of the ridge waveguide and the vertical characteristics of the grating pattern and the ridge edge, thus ensuring the performance of the SOI waveguide grating.

【技术实现步骤摘要】
一种SOI平面波导布拉格光栅及制作方法
本专利技术涉及光电子器件
，尤其涉及一种SOI平面波导布拉格光栅及制作方法。
技术介绍
平面波导光栅具有尺寸小、易于集成、温度稳定性高、抗振动能力强等特点，已经在硅基光电子集成、小型化光通信器件和硅基集成电路中，发挥着关键作用。其中，绝缘体上硅(Silicon-on-Insulator，SOI)波导，由于硅(折射率nsi＝3.5)光波导层的下侧是二氧化硅(折射率)，上侧是空气(折射率nair＝1.0)或者二氧化硅，两侧材料的折射率很低，形成高的折射率差，大部分光将集中在高折射率的硅波导层中传播，因此SOI波导对光的约束能力比其他波导要强很多，泄露损耗很小，尺寸能大幅度降低，达到几百纳米尺度的线宽。此外，SOI结构器件制备工艺还具有与微电子集成电路制作工艺兼容的特点。随着微纳光电集成技术的不断发展，芯片集成密度越来越大，绝缘体上硅波导的尺寸越来越小，硅波导中的光场模斑尺寸小于1μm。然而，与之耦合的光纤由于本身尺寸的原因，其模斑尺寸约为8～10μm，使得两者之间的模式匹配较差，从而带来辐射模，同时，有效折射率的失配还带来背向反射，因而这种小尺寸的硅波导光栅与光纤耦合时的损耗很大。同时，由于硅波导本身尺寸较小，且在制作中心波长为1550nm的波导光栅时，光栅周期约为223nm，其对制作工艺提出了十分高的要求。波导边缘刻蚀的光滑程度、光栅的形貌以及光栅与波导的相对位置都会极大的影响SOI波导光栅的传输损耗，而传统的脊型波导光栅采用先制作脊型波导，再在脊型上面或两侧刻蚀光栅的工艺步骤，很难保证光栅均匀的分布在脊型上面或两侧，同时难以控制光栅与脊型保持垂直的关系。目前制约SOI平面波导光栅发展的主要问题有：(1)SOI波导光栅与耦合的光纤尺寸不匹配导致了模式失配，造成了耦合损耗大、存在辐射模及背向散射等问题。(2)由于SOI波导光栅器件尺寸较小，与光纤或有源芯片耦合封装时，偏调容差较小，耦合工艺难度高，成品率低。(3)由于SOI波导刻蚀深度比光栅刻蚀深度大，导致制作时需要紫外光刻和电子束光刻配合进行，存在套刻误差，减小了工艺容差。(4)亚微米结构光栅的形貌和脊型波导的光滑垂直程度，以及脊型上光栅的分布和相对垂直关系，都将极大的影响波导光栅的性能，对光刻和刻蚀工艺提出了十分高的要求。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术的目的在于提供一种高端面反射率窄反射带宽的SOI平面波导布拉格光栅及其制作方法，其可实现高的端面反射率、窄的反射带宽，消除背向反射，提高光纤或有源芯片的高的耦合效率；同时，实现SOI波导光栅制作过程中高精度的对准以及制备，保证光栅在脊型波导内脊表面的均匀分布，保证光栅图形与脊型边缘的垂直特性。(二)技术方案本专利技术提供一种高端面反射率窄反射带宽的SOI平面波导布拉格光栅，其结构包括：SOI片；脊型波导结构4，其形成在SOI片上表面的中间位置，其中，脊型波导结构4包括光栅区域8和在两端与光栅区域8光滑链接的波导区域9，光栅区域8为直条型，波导区域9为弯曲脊型；布拉格光栅结构5，其形成在脊型波导结构4的内脊表面；SOI平面波导光栅7，其形成在SOI片上表面未覆盖有脊型波导结构4的位置。可选地，SOI片包括衬底层1、下限制层2和硅芯层3，其中所述下限制层2为热氧化层，组份为二氧化硅，厚度大于1μm，所述硅芯层3厚度为3±0.5μm。可选地，光栅区域8的长度为3mm～6mm，位于SOI平面波导光栅7的中间位置。可选地，波导区域9的弯曲角度为5°～10°，曲率半径为10mm～20mm，脊型波导结构4的刻蚀深度为0.6μm～1.5μm，脊型波导结构4的脊宽为3μm～5μm。可选地，布拉格光栅结构5为亚微米量级的均匀周期光栅，占空比为40％～60％，栅长为3mm～6mm，浅刻蚀深度为100nm～300nm，布拉格光栅结构5的周期Λ由硅材料的折射率和布拉格波长决定，对于布拉格波长为1550nm的周期Λ为223nm。可选地，布拉格光栅结构5的光栅图形垂直于直条脊型边缘。可选地，SOI平面波导光栅7，其总长度约为15mm～25mm。本专利技术提供一种高端面反射率窄反射带宽的SOI平面波导布拉格光栅的制作方法，包括如下步骤：步骤1：在SOI片上沉积二氧化硅层；步骤2：在二氧化硅层上形成光栅图形；步骤3：对有二氧化硅层的SOI片进行刻蚀，得到脊型波导区域，其中脊型波导区域的宽度小于所述光栅区域的宽度；步骤4：在包括脊型波导区域的SOI上沉积一层金属镍；步骤5：利用金属镍作为掩模刻蚀出脊型波导结构4，腐蚀掉金属层，暴露出脊型波导上的二氧化硅；步骤6：利用二氧化硅作为掩模对所述脊型波导进行刻蚀，形成布拉格光栅结构5。可选地，在步骤1中，在SOI片上沉积二氧化硅厚度层为30nm～60nm。可选地，步骤2还包括，在得到布拉格光栅结构5的光栅图形的同时也形成了电子束曝光刻标记，所述对电子束曝光刻标记用于固定脊型波导结构4和布拉格光栅结构5的相对位置。(三)有益效果本专利技术通过提供的一种高端面反射率窄反射带宽的SOI平面波导光栅及其制作方法，使得脊型波导光栅区域为直条型，两端面区域为弯曲脊型，实现了高的端面反射率和窄的反射带宽，消除有害背向反射；同时，在刻蚀光栅或者脊型波导之前先后沉积二氧化硅和镍两层硬质掩模，使得电子束曝光和光刻的步骤均是在一个相对平坦的表面上进行，可以保证光栅和脊型的形貌，解决了在一个相对较高的脊型表面刻蚀光栅难的问题；最后，脊型波导刻蚀的光刻标记是与光栅图形同时经过电子束曝光得到的，使得脊型波导和光栅的相对位置固定，保证了光栅图形与脊型边缘的垂直特性，提高了套刻的对准精度。附图说明图1是窄反射带宽的SOI平面波导光栅直条脊型区域的立体示意图；图2是高端面反射率窄反射带宽的SOI平面布拉格光栅的结构示意图；图3是平面波导布拉格光栅的截面示意图；图4是制作图1、图2和图3所示的高端面反射率窄反射带宽的SOI平面拉格光栅的工艺流程示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。请参阅图1、图2及图3，其中1为硅衬底，2为下限制层，3为硅芯层，4为脊型波导结构，5为布拉格光栅结构，6为上包层，7为SOI平面波导光栅，8为光栅区域(直条脊型波导区域)，9为弯曲脊型波导区域。本专利技术提供一种高端面反射率窄反射带宽的SOI平面波导光栅，其结构包括：SOI晶片，其由硅衬底1、下限制层2以及硅芯层3构成。下限制层2为二氧化硅的热氧化层，其厚度大于1μm，能有效阻止光向硅衬底1的泄露；硅芯层3制作在下限制层2上，其厚度为3±0.5μm，该厚度保证了制作的脊型波导结构能够限制一个相对较大的光场模斑，提高波导和光纤的光场模斑的重叠积分，提高耦合效率；脊型波导结构4，该脊型波导结构4总厚度H为3±0.5μm，脊型高度h为0.6μm～1.5μm，脊型宽度为3μm～5μm，脊型高度h小于总厚度H的一半，在3μm～5μm的脊型宽度下能够有效地保证脊型波导中单模的传输；该脊型波导结构4包括两部分：光栅区域8(直条脊型波导区域)和波导区域9(弯曲脊型波导区域)，两部分光滑连接，保证光在波导内的连续传输；具体来说，光栅区域8(直本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种SOI平面波导布拉格光栅结构，其特征在于，包括：SOI片；脊型波导结构(4)，其形成在所述SOI片上表面的中间位置，其中，所述脊型波导结构(4)包括光栅区域(8)和在两端与所述光栅区域(8)光滑连接的波导区域(9)，所述光栅区域(8)为直条脊型，所述波导区域(9)为弯曲脊型；布拉格光栅结构(5)，其形成在所述脊型波导结构(4)的内脊表面；SOI平面波导光栅(7)，其形成在所述SOI晶片上表面未覆盖有脊型波导结构(4)的位置。

【技术特征摘要】
1.一种SOI平面波导布拉格光栅结构，其特征在于，包括：SOI片；脊型波导结构(4)，其形成在所述SOI片上表面的中间位置，其中，所述脊型波导结构(4)包括光栅区域(8)和在两端与所述光栅区域(8)光滑连接的波导区域(9)，所述光栅区域(8)为直条脊型，所述波导区域(9)为弯曲脊型；布拉格光栅结构(5)，其形成在所述脊型波导结构(4)的内脊表面；SOI平面波导光栅(7)，其形成在所述SOI晶片上表面未覆盖有脊型波导结构(4)的位置。2.如权利要求1所述的SOI平面波导布拉格光栅结构，其特征在于，所述SOI片包括衬底层(1)、下限制层(2)和硅芯层(3)，其中，所述下限制层(2)为热氧化层，组分为二氧化硅，厚度大于1μm，所述硅芯层(3)厚度为3±0.5μm。3.如权利要求1所述的SOI平面波导布拉格光栅结构，其特征在于，所述光栅区域(8)的长度为3mm～6mm，位于所述SOI平面波导光栅(7)的中间位置。4.如权利要求1所述的SOI平面波导布拉格光栅结构，其特征在于，所述波导区域(9)的弯曲角度为5°～10°，曲率半径为10mm～20mm，脊型波导结构(4)的刻蚀深度为0.6μm～1.5μm，脊型波导结构(4)的脊宽为3μm～5μm。5.如权利要求1所述的SOI平面波导布拉格光栅结构，其特征在于，所述布拉格光栅结构(5)为亚微米量级的均匀周期光栅，占空比为40％～60％，栅长为3mm～6mm，浅刻蚀深度为10...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊迪，谭满清，郭文涛，焦健，郭小峰，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11