提高亚微米硅波导与普通单模光纤耦合效率的结构制造技术

本发明专利技术公开了一种提高亚微米硅波导与普通单模光纤耦合效率的结构。在该结构中，制作亚微米硅波导的基底材料为绝缘衬底上的硅晶片，其由下往上包含三层材料：衬底硅，埋氧层，顶层硅，其中埋氧层为掺杂的二氧化硅。在该晶片的顶层硅上通过光刻与刻蚀形成亚微米硅波导后，第一层掺杂的二氧化硅被淀积在该硅波导上方，将其完全包覆。该层掺杂的二氧化硅经过光刻与刻蚀后，在其上方再淀积第二层掺杂的二氧化硅。这样形成的二氧化硅波导作为与普通单模光纤的连接通道，可以减小亚微米硅波导与普通单模光纤耦合时的模场失配损耗和反射损耗，提高二者的耦合效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光纤通信与集成光学
，尤其涉及一种提高亚微米硅波导与普通单模光纤耦合效率的结构。
技术介绍
传统的硅基大截面波导由于其弯曲半径大(几百微米至毫米量级)，难以在单个晶片上集成多个光学功能器件，限制了大规模集成光路的发展。随着半导体平面加工工艺的进步，截面尺寸为亚微米的硅波导开始出现，其半径可以小至数微米而不带来显著的损耗。亚微米硅波导因其具有潜在的高集成度的特点而引起人们的广泛重视。由于亚微米硅波导的截面面积在0.1平方微米量级，而单模光纤的芯径为100平方微米量级。二者直接对接耦合的耦合损耗在10dB以上，这在实际应用中是无法接受的。为了解决亚微米硅波导与单模光纤的耦合问题，目前常用的结构是：将亚微米硅波导的端头制成倒锥型结构，即在波导端头区波导宽度逐渐缩小，以将其模场发散来增大模场面积，使其与光纤之间的模场尺寸尽可能的匹配来提高耦合效率。但是这种做法增大硅波导模场的程度有限，仍需要采用具有小模场的锥型光纤与波导倒锥结构耦合，成本高且耦合容差小，难以用于实际器件的封装中。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种提高亚微米硅波导与普通单模光纤耦合效率的结构。为达到上述目的，本专利技术提供了一种提高亚微米硅波导与普通单模光纤耦合效率的结构，自下往上包括以下结构：衬底硅结构，其为绝缘衬底上的硅晶片三层结构的最下层，材料组分为硅，其起到支撑整个晶片的作用；埋氧层结构，其为绝缘衬底上的硅晶片三层结构的中间层，材料组分为进行了掺杂的二氧化硅，掺杂的目的是将纯净二氧化硅的折射率降低，用于形成二氧化硅波导的下包层；顶层硅结构，其为绝缘衬底上的硅晶片三层结构的最上层，材料组分为硅，它经过光刻与刻蚀工艺形成波导结构，波导两端为倒锥型结构，即两端为宽度逐渐缩小的硅波导；第一层二氧化硅覆盖层结构，其为通过淀积工艺形成的掺杂二氧化硅，覆盖在顶层硅波导之上，在其淀积后通过化学机械抛光进行平整化处理，然后通过光刻与刻蚀形成二氧化硅波导的芯层；第二层二氧化硅覆盖层结构，其为通过淀积工艺形成的掺杂二氧化硅，覆盖在第一层二氧化硅之上，作为二氧化硅波导的上包层；上述方案中，衬底硅结构可以是纯净的硅材料，也可以是掺杂硅材料；上述方案中，埋氧层为掺杂的二氧化硅，其材料折射率比纯净的二氧化硅的材料折射率低，可以通过掺入硼或氟等元素来实现；上述方案中，顶层硅结构可以是纯净的硅材料，也可以是掺杂硅材料；上述方案中，第一层二氧化硅覆盖层结构由掺杂的二氧化硅构成，其材料折射率比纯净的二氧化硅的材料折射率高，可以通过掺入锗或磷等元素来实现；上述方案中，第一层二氧化硅覆盖层结构，其在光传输方向的延伸长度要大于顶层硅波导，即它完全包覆了两个倒锥型硅波导之间的区域，并在两端继续向前延伸；上述方案中，第二层二氧化硅覆盖层结构由掺杂的二氧化硅构成，其材料折射率比纯净的二氧化硅的材料折射率低，可以通过掺入硼或氟等元素来实现；上述方案中的第二层二氧化硅覆盖层结构，其在光传输方向的延伸长度与第一层二氧化硅覆盖层结构相同；上述方案中的提高亚微米硅波导与普通单模光纤耦合效率的结构，其中，单模光纤与波导之间的连接通过粘合剂连接；上述方案中的粘合剂连接，所选用的粘合剂固化后的材料折射率与二氧化硅相近，以降低两个连接界面处的菲涅尔反射损耗。由上述技术方案可以看出，本专利技术提出的结构的有益效果是：光首先从亚微米硅波导器件缓慢地过渡到二氧化硅波导中，该二氧化硅波导具有与普通单模光纤接近的几何尺寸及芯区-包层折射率差，而后光从二氧化硅波导传输到普通单模光纤中，二者由折射率与二氧化硅材料折射率相近的粘合剂相连。这样既可以降低由于模式突变带来的模式失配损耗，又可以降低由于折射率突变带来的菲涅尔反射损耗。附图说明为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明，其中：图1(a)为绝缘衬底上的硅晶片；图1(b)为经过光刻与刻蚀后的亚微米硅波导侧视图；图1(c)为包含倒锥结构的亚微米硅波导顶视图；图2(a)为淀积第一层二氧化硅覆盖层并经过化学机械抛光后的结构；图2(b)为经过光刻与刻蚀后的二氧化硅波导结构侧视图；图2(c)为经过光刻与刻蚀后的二氧化硅波导结构顶视图；图3(a)为淀积第二层二氧化硅覆盖层后的结构；图3(b)为亚微米硅波导与普通单模光纤耦合的结构图。附图标记说明：图1中101、104：衬底硅；102、105：掺杂的二氧化硅埋氧层；103：顶层硅；106、107：顶层硅刻蚀形成的波导；108：硅波导两端的倒锥型结构；图2中201、205：衬底硅；202、206、209：掺杂的二氧化硅埋氧层；203、207、211：顶层硅刻蚀形成的波导；204：掺杂的二氧化硅覆盖层；208，210：204刻蚀形成的二氧化硅波导；211：硅波导两端的倒锥型结构；图3中301：衬底硅；302：掺杂的二氧化硅埋氧层；303：顶层硅；304、309：第一层二氧化硅覆盖层；305，308：第二层二氧化硅覆盖层；306、313：普通单模光纤；307、312：粘合剂；310：顶层硅；311：硅波导两端的倒锥型结构；具体实施方式图1(a)为绝缘衬底上的硅晶片，其自下往上包括以下结构：101为衬底硅结构，其为绝缘衬底上的硅晶片三层结构的最下层，材料组分为硅，可以是纯净的硅材料，也可以是掺杂硅材料，它其起到支撑整个晶片的作用；102为埋氧层结构，其为绝缘衬底上的硅晶片三层结构的中间层，埋氧层为掺杂的二氧化硅，其材料折射率比纯净的二氧化硅的材料折射率低，可以通过掺入硼或氟等元素来实现，用于形成二氧化硅波导的下包层；103为顶层硅结构，其为绝缘衬底上的硅晶片三层结构的最上层，材料组分为硅，顶层硅结构可以是纯净的硅材料，也可以是掺杂硅材料。图1(b)为经过光刻与刻蚀后的亚微米硅波导侧视图，106为硅波导的截面，为保证单模式传输，其横向尺寸及高度一般均在1微米以下。图1(c)为经过光刻与刻蚀后的亚微米硅波导顶视图，108为硅波导两端的倒锥型结构，往端头方向波导宽度越来越小。受制于工艺精度，该端头的宽度一般不会收窄至零。该宽度越小，对提高耦合效率越有利。可以通过采用更高精度的半导体加工技术来实现窄的端头，还可以通过热氧化的方式，将端头的硅材料氧化成二氧化硅本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高亚微米硅波导与普通单模光纤耦合效率的结构，其自下往上包括：衬底硅(301)，其为绝缘衬底上的硅晶片三层结构的最下层，材料组分为硅；埋氧层(302)，其为绝缘衬底上的硅晶片三层结构的中间层，材料组分为进行了掺杂的二氧化硅；顶层硅(303)，其为绝缘衬底上的硅晶片三层结构的最上层，材料组分为硅，经过光刻与刻蚀工艺形成波导结构，波导两端为倒锥型结构；第一层二氧化硅覆盖层(304)，其为通过淀积工艺形成的掺杂二氧化硅，覆盖在顶层硅波导之上，在其淀积后通过化学机械抛光进行平整化处理，然后通过光刻与刻蚀形成二氧化硅波导的芯层；第二层二氧化硅覆盖层(305)，其为通过淀积工艺形成的掺杂二氧化硅，覆盖在第一层二氧化硅之上，作为二氧化硅波导的上包层。

【技术特征摘要】
1.一种提高亚微米硅波导与普通单模光纤耦合效率的结构，其自下往
上包括：
衬底硅(301)，其为绝缘衬底上的硅晶片三层结构的最下层，材料组
分为硅；
埋氧层(302)，其为绝缘衬底上的硅晶片三层结构的中间层，材料组
分为进行了掺杂的二氧化硅；
顶层硅(303)，其为绝缘衬底上的硅晶片三层结构的最上层，材料组
分为硅，经过光刻与刻蚀工艺形成波导结构，波导两端为倒锥型结构；
第一层二氧化硅覆盖层(304)，其为通过淀积工艺形成的掺杂二氧化
硅，覆盖在顶层硅波导之上，在其淀积后通过化学机械抛光进行平整化处
理，然后通过光刻与刻蚀形成二氧化硅波导的芯层；
第二层二氧化硅覆盖层(305)，其为通过淀积工艺形成的掺杂二氧化
硅，覆盖在第一层二氧化硅之上，作为二氧化硅波导的上包层。
2.根据权利要求1所述的提高亚微米硅波导与普通单模光纤耦合效率
的结构，其特征在于，衬底硅(301)是纯净的硅材料或掺杂硅材料。
3.根据权利要求1所述的提高亚微米硅波导与普通单模光纤耦合效率
的结构，其特征在于，埋氧层(302)为掺杂的二氧化硅，掺杂元素为硼
或氟。
4.根据权利要求1所述的提高亚微米硅波导与普通单模光纤耦合效率
的结构，其特征在于，顶层硅(30...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨林，贾浩，张磊，
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