專利名稱：一種絕緣體上的硅基槽縫式光波導耦合器及其制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光子器件技術領域，是一種槽縫式低耗光波導耦合器，該 波導耦合器的結構可有效降低器件尺寸以及光纖和波導的耦合損耗，廣泛 應用于光通訊，芯片光互聯(lián)以及高速硅基光集成中。
背景技術：
近年來，隨著硅基材料在光子學領域的不斷發(fā)展，人們對硅光子器件 也提出了更高的要求。絕緣體上的硅基波導結構的期間能夠更大程度的提 高波導對光的限制作用，從而得到了很廣泛的應用。目前報導的絕緣體上
的硅基波導的尺寸大都在亞微米量級，折射率在3.5左右，然而標準光纖 的尺寸大都在九微米左右，折射率僅為1.5左右。如此大的尺寸差異和折 射率差必然引入輻射模和背反射，給光纖和波導耦合帶來巨大的耦合損 耗，在實際應用中，標準的光纖跟亞微米尺寸的硅基波導直接耦合的損耗 大于10分貝，從而給硅光子器件的廣泛應用帶來一定困難。
目前的硅基光波導耦合方法主要包括楔形波導耦合，反向楔形波導耦 合，光柵耦合，折射率漸變波導耦合等。在光纖和大尺寸波導耦合中廣泛 應用的是楔形波導耦合器。然而當波導尺寸降到微米以下，這種耦合器就 帶來很大的耦合損耗。而且當這種耦合器和光纖連接時，由于二者的折射 率失配，還需要制作一層特殊的抗反射層來降低強烈的背反射。給制作帶 來了麻煩。近來，反向楔形耦合器越來越引起人們的注意。然而這種耦合 器所引入的損耗仍然大于3分貝，而且偏振相關性顯著。另一種廣泛應用 的耦合器是采用光柵結構。據(jù)報導，這種光柵耦合器偏振無關，耦合損耗 也可以達到3分貝以下，但是它的帶寬卻僅為4納米。還不能滿足未來光 通訊的發(fā)展要求。
為了減小光纖和波導耦合時的損耗，耦合器輸入端的模場尺寸，模場形狀以及模場有效折射率必須與標準光纖的有效折射率差距在0.05之內， 即通過改變耦合器的模場形狀和有效折射率，來降低和光纖之間的模場尺 寸失配和折射率失配。傳統(tǒng)的光波導都是核心層采用高折射率材料，包覆 層采用低折射率材料，利用全反射原理對光進行傳輸。全反射機制可以有 效的把光限制在核心層。2004年，康奈爾大學的研究小組提出了一種新穎 的槽縫式波導結構，把光部分限制在低折射率材料中，引起了學術界的轟 動。根據(jù)麥克斯韋方程的表述，在折射率突變的波導邊界，為了保持電位 移矢量法向分量的連續(xù)性，相應的電場在折射率突變處就產(chǎn)生了不連續(xù)， 在高折射率處值小，在低折射率處值大?；谶@個原理，這種不連續(xù)能在 低折射率區(qū)提高光場強度和模場限制作用。這種槽縫式結構傳播的是本征 模，而且與集成光電子工藝兼容。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種槽縫式低耗光波導耦合器，整個結構制作 在絕緣體上的硅襯底上，它與其他耦合器相比，器件長度較小，耦合效率 高，而且使得標準光纖跟亞微米尺寸的波導達到很好的耦合，并將廣泛應 用在未來的光電集成當中。
本發(fā)明是一種絕緣體上的硅基槽縫式低耗光波導耦合器。其特征在 于，該結構基于絕緣體上的硅襯底，由兩側波導，狹縫，外包覆層構成。 光場在狹縫端口處有效折射率跟標準光纖的有效折射率達到很好的匹配， 有效的降低了耦合效率。在槽縫中，光場在折射率突變處達到產(chǎn)生交疊， 最終完全進入兩側的波導中，從而跟后端連接的光波導達到很好的耦合。
為達到上述目的，本發(fā)明的技術解決方案是
一種槽縫式低耗光波導耦合器，該結構基于絕緣體上的硅襯底，包括 兩側波導，槽縫，在光纖連接的輸入端設有槽縫結構，光場在槽縫端口處
有效折射率與標準光纖的有效折射率差距在0.05之內，提高了耦合效率、 降低了耦合損耗；在槽縫中，光場在低折射率材料中產(chǎn)生交疊，從而降低 了模場的有效折射率，與光纖的折射率差距在0.05之內，光場沿在z方向 傳播，逐漸分散到兩側波導中，最終完全進入兩側的波導中，從而與后端 連接的光波導達到良好的耦合。
5所述的槽縫式低耗光波導耦合器，其所述槽縫式的狹縫為楔形，槽縫 端口寬，沿軸向向內漸窄，對于準TM來說，槽縫中為空氣時，模式失配
損耗僅僅為ldB。
所述的槽縫式低耗光波導耦合器，其所述跟光纖連接的輸入端，其兩 側波導與槽縫層的總寬度小于500納米，隨著尺寸的縮小，模場在端口處 離域化，模場尺寸變大，增加了端口處模場跟光纖中模場的交疊，減少了 耦合損耗。
所述的槽縫式低耗光波導耦合器，其還包括包覆層，包覆層包覆于光 波導耦合器外周面，在本文特定的槽縫端口寬i二200納米(一般選取200 —300納米)，兩側波導端頭各寬wH=75納米(一般選取75 — 100納米)， 高h400納米(一般選取300 — 350納米)尺寸下，對于準TE模來說，包 覆層用二氧化硅，槽縫中為空氣，模式失配損耗僅僅為1.8dB。
所述的槽縫式低耗光波導耦合器，其槽縫波導中的狹縫部分隨著光場 的傳播越來越小，最后將光完全耦合進兩側的波導，從而跟輸出端連接的 300納米的波導達到耦合。
所述的槽縫式低耗光波導耦合器，其耦合器的模式轉換，對于準TE 模來說，當耦合器長度大于90納米以后，模式轉換損耗將小于0.5分貝； 對于準TM模來說，模式轉換損耗忽略不計。
所述的槽縫式低耗光波導耦合器的制作方法，其包括步驟
(1) 首先清洗絕緣體上的硅片襯底；
(2) 用4000轉每分鐘的轉速將烘干的晶片放于勻膠機中旋涂光刻膠 后，烘干；
(3) 用電子束曝光工藝在晶片上進行光刻。光刻出槽縫和兩側的波導。 我們選取的劑量是0.8 1.0。曝光后顯影，定影，時間均為17.5 18秒。
(4) 光刻完的絕緣體上的硅晶片在Alcate601E系統(tǒng)上進行ICP刻蝕1 分鐘30秒—l分鐘45秒?？涛g出的晶片可以明顯的看出槽縫層和兩側的 波導。
(5) 刻蝕完的片子用四氯化碳清洗去硅油，再按照步驟一清洗一遍， 然后用氮氣吹干，放入打膠機中去膠。
(6) 去膠的片子在用PECVD淀積一層二氧化硅形成包覆層。(7) 用電子束曝光套刻工藝在片子上進行光刻，光刻出晶片的矩形臺 面，曝光后顯影定影。
(8) 經(jīng)過二次ICP刻蝕形成臺面。
(9) 去膠清洗，打膠，同步驟五。
(10) 將晶片劃為三部分，波導兩側空白劃掉，露出波導的兩側端面， 并將中間波導部分拋光，進行損耗測試后，得成品。
所述的制作方法，其所述(1)步中，清洗絕緣體上的硅片襯底，是用 去離子水沖洗，再用丙酮溶液在65。C溫度下煮10分鐘，用乙醇去除丙酮， 再用去離子水沖洗后，以濃硫酸與雙氧水混合液(4:1)煮10分鐘，再用去 離子水沖洗，然后用氮氣吹干后，放入烘箱中在9(TC溫度下烘10分鐘，烘 干。
所述的制作方法，其所述(2)步中，光刻膠是厚膠，型號AR-P 679.04， 在烘片機上18(TC溫度下烘2分鐘。


圖1是絕緣體上的硅基槽縫式光波導耦合器橫截面示意圖2是準TE模水平分量Ex三維分布示意圖(nH-3.45，n^l.45，n^1.0， Ws-200納米，Wh-75納米，^)=1.55微米)；
圖3是準TE模水平分量Ex橫向示意圖(nH=3.45， nc=1.45， ns=1.0， w產(chǎn)200納米，wj^75纟內米，入0=1.55微米)；
圖4是準TM模水平分量Ey三維分布示意圖(nf3.45，r^l.45,ns-1.0， w產(chǎn)200納米，w^75納米，入0=1.55微米);
圖5是準TM模水平分量Ey縱向示意圖(nH=3.45， nc=1.45， ns=1.0， w產(chǎn)200納米，wp^75納米，入0=1.55微米)；
圖6是不同波導寬度情況下槽縫式波導端口處準TE模有效折射率隨 狹縫寬度的變化模擬圖7是不同波導寬度情況下槽縫式波導端口處準TE模與光纖模場的 模場失配損耗隨狹縫寬度的變化模擬圖8是準TE和準TM模式的模場傳播損耗隨耦合長度的變化模擬圖 (wH =75納米，ws=200納米)；
具體實施例方式
為進一步說明本發(fā)明的內容及特點，以下結合附圖及實施例對本發(fā)明 作一詳細的描述
請參閱圖l所示的絕緣體上的硅基槽縫式低耗光波導耦合器外形示意 圖。如圖1所示，該器件使用絕緣體上的硅晶片，結構包括槽縫層，兩側 波導，外包覆層j選取二氧化硅)。槽縫式的狹縫為楔形，槽縫端口寬， 沿軸向向內漸窄，其中兩側波導，包覆層以及槽縫層的有效折射率分別為
n =3.45， n。二1.45， ns=1.0,在本文特定的槽縫端口寬ws=200納米(一般選 取200 300納米)，兩側波導端頭各寬w^75納米(一般選取75 100納 米)，高11=300納米(一般選取300 350納米)尺寸下，輸出端連接的波 導是300納米。
本發(fā)明的槽縫式低耗光波導耦合器的制作方法，包括步驟 (1)首先清洗絕緣體上的硅片襯底，，步驟是去離子水一丙酮65攝 氏度煮10分鐘一乙醇去除丙酮一去離子水一濃硫酸與雙氧水混合液(4:1) 煮10分鐘一去離子水沖洗，然后用氮氣吹干，再放入烘箱中90攝氏度10 分鐘烘干。 二
(2) 用4000轉每分鐘的轉速將烘干的絕緣體上的硅晶片放于勻膠機中 旋涂光刻膠，所用的膠是厚膠，AR-P 679.04，任何在烘片機上180攝氏度 20分鐘烘干。
(3) 用電子束曝光工藝在晶片上進行光刻。光刻出槽縫和兩側的波導。 我們選取的劑量是0.8 1.0。曝光后顯影，定影，時間均為17.5 18秒。
(4) 光刻完的絕緣體上的硅晶片在Alcate601E系統(tǒng)上進行ICP刻蝕1 分鐘30秒 1分鐘45秒?？涛g出的晶片可以明顯的看出槽縫層和兩側的波 導。
(5) 刻蝕完的片子用四氯化碳清洗去硅油，再按照步驟一清洗一遍， 然后用氮氣吹干，放入打膠機中去膠。
(6) 去膠的片子在用PECVD淀積一層二氧化硅形成包覆層。
(7) 用電子束曝光套刻工藝在片子上進行光刻，光刻出晶片的矩形臺面，曝光后顯影定影。
(8) 經(jīng)過二次ICP刻蝕形成臺面。
(9) 去膠清洗，打膠，同步驟五。
(10) 將晶片劃為三部分，波導兩側空白劃掉，露出波導的兩側端面， 并將中間波導部分拋光，進行損耗測試后，得成品。
圖2，圖3是器件橫截面準TE模的Ex的三維分布圖和橫向示意圖， 從圖中可以看出模場在槽縫處的交疊。
圖4，圖5是器件橫截面準TM模的Ey的三維分布圖和橫向示意圖， 從圖中可以看出模場在槽縫處的交疊。
圖6，圖7是器件模場失配損耗模擬圖，從圖中可以看出，模場失配 損耗是隨著狹縫的變寬先減小后增加的，而且兩側波導的寬度越大，損耗 越大。
圖8是器件模場轉換損耗模擬圖，從圖中可以看出，對于準TE模， 模場轉換損耗是隨著耦合長度的變大而減小的，而對于準TM模，模場轉 換損耗基本可以忽略。
模擬結果表明，如果狹縫部分始終保持相同的寬度，這樣的耦合器的 耦合效率要比本發(fā)明的耦合器的耦合效率小一半。
以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不 局限于此，任何熟悉該技術的人在本發(fā)明所揭露的技術范圍內，可輕易想 到的變換或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的包含范圍之內。因此，本發(fā)明的保 護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。
權利要求
1. 一種槽縫式低耗光波導耦合器，其特征在于，所述耦合器基于絕緣體上的硅襯底，包括兩側波導，槽縫；在與光纖連接的輸入端設有槽縫結構，光場在槽縫端口處有效折射率與標準光纖的有效折射率差距小于或等于0.05，提高了耦合效率、降低了耦合損耗；在槽縫中，光場在低折射率材料中產(chǎn)生交疊，從而降低了模場的有效折射率，與光纖的折射率差距在小于或等于0.05，光場沿在z方向傳播，逐漸分散到兩側波導中，最終完全進入兩側的波導中，從而與后端連接的光波導達到良好的耦合。
2. 根據(jù)權利要求1所述的耦合器，其特征在于，所述槽縫為楔形，槽 縫端口寬，沿軸向向內漸窄，對于準TM來說，包覆層和槽縫中為空氣時， 模式失配損耗為ldB。
3. 根據(jù)權利要求1所述的耦合器，其特征在于，所述與光纖連接的輸 入端，其兩側波導與槽縫層的總寬度小于500納米，隨著尺寸的縮小，模 場在端口處離域化，模場尺寸變大，增加了端口處模場跟光纖中模場的交 疊，減少了耦合損耗。
4. 根據(jù)權利要求1所述的耦合器，其特征在于，所述還包括包覆層， 包覆層包覆于光波導耦合器外周面，槽縫端口寬為200—300納米，兩側 波導端頭寬為75 —IOO納米，高為300—350納米，對于準TE模來說，包 覆層用二氧化硅，槽縫中為空氣，模式失配損耗為1.8dB。
5. 根據(jù)權利要求1所述的耦合器，其特征在于，所述槽縫隨著光場的 傳播越來越小，最后將光完全耦合進兩側的波導，從而跟輸出端連接的300 納米的波導達到耦合。
6. 根據(jù)權利要求1所述的耦合器，其特征在于，所述耦合器的模式轉 換，對于準TE模來說，當耦合器長度大于90納米以后，模式轉換損耗將 小于0.5分貝；對于準TM模來說，模式轉換損耗忽略不計。
7. —種槽縫式低耗光波導耦合器的制作方法，其特征在于，包括步驟(1) 首先清洗絕緣體上的硅片襯底；(2) 用4000轉每分鐘的轉速將烘干的晶片放于勻膠機中旋涂光刻膠 后，烘干；(3 )用電子束曝光工藝在晶片上進行光刻。光刻出槽縫和兩側的波導; 選取的劑量是0.8 1.0;曝光后顯影，定影，時間均為17.5 18秒；(4) 光刻后的絕緣體上的硅晶片在Alcate601E系統(tǒng)上進行ICP刻蝕1 分鐘30秒 1分鐘45秒；(5) 將刻蝕完的片子用四氯化碳清洗去硅油，再清洗一遍，然后用氮 氣吹干，放入打膠機中去膠；(6) 去膠的片子在用PECVD淀積一層二氧化硅形成包覆層；(7) 用電子束曝光套刻工藝在片子上進行光刻，光刻出晶片的矩形臺 面，曝光后顯影定影；(8) 經(jīng)過二次ICP刻蝕形成臺面；(9) 去膠清洗，打膠，同步驟(5);(10) 將晶片劃為三部分，將波導兩側空白劃掉，露出波導的兩側端 面，并將中間波導部分拋光，進行損耗測試后，完成耦合器的制作。
8. 根據(jù)權利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述(1)步驟中， 清洗絕緣體上的硅片襯底，是用去離子水沖洗，再用丙酮溶液在65°C溫 度下煮10分鐘，用乙醇去除丙酮，再用去離子水沖洗后，以濃硫酸與雙 氧水混合液(4:1)煮10分鐘，再用去離子水沖洗，然后用氮氣吹干后， 放入烘箱中在90'C溫度下烘10分鐘，烘干。
9. 根據(jù)權利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述(2)步中， 光刻膠是厚膠，型號AR-P679.04，在烘片機上18(TC溫度下烘20分鐘。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種槽縫式低耗光波導耦合器，涉及光子器件技術，整個結構制作在SOI襯底上，是基于槽縫式波導的一種新穎的連接標準光纖和光波導的耦合器，槽縫式波導兩側是硅材料，中間的狹縫為空氣，外包覆層也可以淀積二氧化硅。槽縫式波導直接跟亞微米光波導連接。槽縫端的模場有效折射率跟標準光纖的有效折射率非常差距在0.05之內，從而有效的降低了光纖和波導連接時的耦合損耗。器件具有尺寸小，耦合效率高的優(yōu)點，并且制作工藝與傳統(tǒng)微電子工藝兼容。
文檔編號G02B6/24GK101452095SQ20071017833
公開日2009年6月10日 申請日期2007年11月29日 優(yōu)先權日2007年11月29日
發(fā)明者余金中, 艷 劉 申請人:中國科學院半導體研究所