一种表面突起的波导三维模斑转换器及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种波导三维模斑转换器，包含平板形状的衬底、设置在所述衬底上的下包层以及设置在所述下包层上传输、转换光模斑的芯层，其特征在于：所述芯层包括沿光传播方向上宽度变化的楔形；所述楔形表面排布多条条状突起，条状突起与光传播方向之间的夹角在‑45°～45°之间；以及所述条状突起的高度和楔形宽度按照预定规律变化。本发明专利技术公开了一种波导三维模斑转换器的制备方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光电子
，具体涉及一种基于波导楔形结构的表面突起的三维模斑转换器设计，以及使用半导体微加工工艺针对该三维结构的制备方法。
技术介绍
近年来，随着高速率、大容量光通信技术的成熟和逐渐实用化，人们对光电子器件的集成度提出了越来越高的要求，高折射率差的材料可以大大减小波导的尺寸和弯曲半径的大小，是制作高集成度光电子器件的一个很好的选择。虽然小尺寸波导拥有广阔的应用前景，但是它和大尺寸波导之间的模斑转换一直是一个严重的问题，如光纤和纳米线波导之间，就存在着很严重的模式失配。为了解决这一问题，人们提出了使用具有楔形结构的模斑转换器。目前研究较成熟的有二维楔形模斑转换器，它结构简单，仅在水平方向上实现尺寸的变化。虽然这种转换器工艺实现容易，但垂直方向的限制会大大降低模斑转换的效率，很难实用化。三维模斑转换器提供了水平和垂直两个方向的尺寸变化，可以有效提高大小模场间的匹配。然而，在三维模斑转换器的制作中，如何利用现有的半导体微加工工艺实现垂直方向上的尺寸变化成为新的难点。现有的制作三维斜面的方案有制作灰度掩膜板、倾斜压印、多次曝光刻蚀等，工艺复杂、成本高昂，并不能被普遍采用。
技术实现思路
本专利技术公开了一种波导三维模斑转换器，包含平板形状的衬底、设置在所述衬底上的下包层以及设置在所述下包层上传输、转换光模斑的芯层，其特征在于：所述芯层包括沿光传播方向上宽度变化的楔形；所述楔形表面排布多条条状突起，条状突起与光传播方向之间的夹角在-45°～45°之间；以及所述条状突起的高度和楔形宽度按照预定规律变化。可选地，所述楔形宽度和条状突起高度的变化过程包括以下中的任意一种：随楔形宽度变化，条状突起高度同时改变；或者当楔形宽度变化时，条状突起高度不变，而当条状突起高度变化时，楔形宽度不变，即楔形宽度和条状突起高度的变化交替发生。可选地，所述楔形宽度和条状突起高度的变化趋势包括以下中的任意一种：楔形宽度和条状突起高度沿光传播方向都逐渐增大或都逐渐减小；或者楔形宽度和条状突起高度沿光传播方向以相反的趋势变化。可选地，所述条状突起的高度、宽度和相邻条状突起之间的间距具有如下任意一种关系：随条状突起高度的增大，单个条状突起的宽度变大，相邻条状结构之间间距增大；沿条状突起高度的增大，单个条状突起的宽度不变，相邻条状结构之间间距增大；或者沿条状突起高度的增大，单个条状突起的宽度变大，相邻不同条状结构之间间距增大。本专利技术还公开了一种波导三维模斑转换器的制备方法，包括：在包括衬底、下包层和芯层的结构的芯层上涂覆光刻胶，在光刻胶上写出条状图形阵列；以光刻胶为掩膜，在芯层上刻蚀出条状突起；以及去除光刻胶并清洗，得到波导三维模斑转换器。可选地，条状图形阵列中每个条状图形与光传播方向的夹角在-45°～45°之间。可选地，条状图形的俯视图外轮廓包括宽度逐渐变化的部分。可选地，条状图形的俯视图外轮廓还包括宽度不变的部分。可选地，随着条状图形的间距变大，所述条状图形的宽度变大、不变、或变小。可选地，条状图形阵列的外轮廓宽度与条状图形的宽度同时变化或交替变化。根据本专利技术的具有表面突起的模斑转换器设计，利用间距细密的条状掩膜，使用平面曝光和刻蚀工艺，通过控制条状图形的密度，产生不同的刻蚀深度，同时保留表面的条状突起。同时，条状突起和光传播方向的夹角在-45°～45°之间，条状突起向中心汇聚，能够降低散射损耗的大小。该设计利用简单的工艺实现楔形三维的变化，能有效地改善模斑匹配的问题。附图说明图1是根据本专利技术实施例的波导三维模斑转换器外观的顶视图和沿光传播方向观看的侧视图；图2示出了根据本专利技术实施例的波导三维模斑转换器结构示意图及其制备方法；图3示出了根据本专利技术实施例的波导三维模斑转换器结构示意图及其制备方法。具体实施方式为了使本专利技术的技术手段、系统架构及优点易于明白了解，下面结合附图，进一步阐述本专利技术。在实现不同尺寸的模斑转换的方法中，使用二维模斑转换器效率低，而三维模斑转换器难以制作，工艺繁琐。为了有效地实现模斑转换，本专利技术提出一种表面突起的三维模斑转换器的设计，使用简单的一次曝光和刻蚀，实现底部楔形宽度和高度上的变化。图1是根据本专利技术实施例的波导三维模斑转换器外观的顶视图和沿光传播方向A-A’观看的侧视图。如图1所示，该波导三维模斑转换器基于半导体材料，包含平板形状的衬底1、设置在所述衬底上的下包层2以及设置在所述下包层上用于传输和转换光模斑的芯层3。其中芯层3包括沿光传播方向上宽度和高度变化的楔形以及楔形表面的条状突起。根据本专利技术的实施例，衬底材料可以是Si，下包层材料可以是SiO2，芯层材料可以是Si。这种表面突起的模斑转换器的设计原理为：若刻蚀掩膜上图形的开口足够小，则刻蚀深度和图形开口大小正相关。本专利技术采用的刻蚀技术可以包括紫外光刻、电子束光刻、反应离子刻蚀(RIE)或感应耦合等离子体(ICP)刻蚀。设计掩膜中条状图形的分布，使得图形密度大的区域刻蚀深度小，即形成条状突起的深度小、楔形底部高度高，而图形密度小的区域刻蚀深度大，即形成条状突起的深度大、底部楔形高度低。对于整个结构，条状突起的深度越大，等效折射率高的区域中心越靠近楔形底部，在传输光场时，光场容易被束缚在底部。当条状突起深度逐渐增大、楔形宽度逐渐减小时，光场就会向底部、向中心压缩，模斑逐渐变小。另外需要说明的是，如果条状突起的宽度足够小，条状突起部分等效于三维楔形的低折射率包层，使得光场只在底部楔形分布而不会“泄漏”在条状突起中。根据上述原理，在版图设计中，根据楔形设计高度排布条状密度的变化，具体原则是：以密度增大为例，需条状图形的宽度增大，条状图形之间的间距减小或增大。为了减小散射损耗，条状密度图形沿光传播方向排布，图形的每一部分与光传播方向的夹角都在-45°～45°之间。根据本专利技术的实施例，条状图形阵列中每个条状图形与光传播方向的夹角在-45°～45°之间。根据本专利技术的实施例，条状图形的俯视图外轮廓包括宽度逐渐变化的部分。根据本专利技术的实施例，条状图形的俯视图外轮廓还包括宽度不变的部分。根据本专利技术的实施例，随着条状图形的间距变大，所述条状图形的宽度变大、不变、或变小。根据本专利技术的实施例，条状图形阵列的外轮廓宽度与条状图形的宽度同时变化或交替变化；并且/或者沿光传播方向，条状图形的俯视图外轮廓都逐渐增大或都逐渐减小或以相反趋势变化。这种表面突起的模斑转换器的制作步骤为：步骤1：按照上述原则设计条状密度图形的版图；步骤2：利用电子束或紫外曝光将条状的密度图形阵列转移到光刻胶上，如图2中(a)和(b)所示。步骤3：通过刻蚀将掩模图形转移到基片上。由于条状的宽度和间距尺寸足够小，在干法刻蚀中，反应气体并不能完全作用于空隙底部，使得条状彼此之间空隙大时刻蚀深度大，而条状彼此之间空隙小时刻蚀深度小；对于湿法刻蚀，刻蚀的速率和接触表面积、溶液的流动性等因素相关，在反应溶液不搅拌的条件下，空隙小的条状中接触面积小、溶液更新相对缓慢，因此刻蚀深度小，反之空隙大的条状刻蚀深度大。因此，不同密度的密度图形分布会造成不同的刻蚀深度，底部三维楔形的高度变化。步骤4：去除光刻胶、清洗。在步骤4完成后，得到的三维波导模斑转换器的两侧端面视图分别如图2中(c)和(d)所示。下面说明根据本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种波导三维模斑转换器，包含平板形状的衬底、设置在所述衬底上的下包层以及设置在所述下包层上传输、转换光模斑的芯层，其特征在于：所述芯层包括沿光传播方向上宽度变化的楔形；所述楔形表面排布多条条状突起，条状突起与光传播方向之间的夹角在‑45°～45°之间；以及所述条状突起的高度和楔形宽度按照预定规律变化。

【技术特征摘要】
1.一种波导三维模斑转换器，包含平板形状的衬底、设置在所述衬底上的下包层以及设置在所述下包层上传输、转换光模斑的芯层，其特征在于：所述芯层包括沿光传播方向上宽度变化的楔形；所述楔形表面排布多条条状突起，条状突起与光传播方向之间的夹角在-45°～45°之间；以及所述条状突起的高度和楔形宽度按照预定规律变化。2.根据权利要求1所述的波导三维模斑转换器，其特征在于，所述楔形宽度和条状突起高度的变化过程包括以下中的任意一种：随楔形宽度变化，条状突起高度同时改变；或者当楔形宽度变化时，条状突起高度不变，而当条状突起高度变化时，楔形宽度不变，即楔形宽度和条状突起高度的变化交替发生。3.根据权利要求1所述的波导三维模斑转换器，其特征在于，所述楔形宽度和条状突起高度的变化趋势包括以下中的任意一种：楔形宽度和条状突起高度沿光传播方向都逐渐增大或都逐渐减小；或者楔形宽度和条状突起高度沿光传播方向以相反的趋势变化。4.根据权利要求1所述的波导三维模斑转换器，其特征在于，所述条状突起的高度、宽度和相邻条状突起之间的间距具有如下任意一种关系：随条状突起高度的增大，...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶彤，储涛，付云飞，吴维轲，李锟，王莹，付志明，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，中兴通讯股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11