InP基的無源線波導(dǎo)的光纖光斑轉(zhuǎn)換耦合器及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種InP基的無源線波導(dǎo)的光纖光斑轉(zhuǎn)換耦合器及制備方法，所述InP基的無源線波導(dǎo)的光纖光斑轉(zhuǎn)換耦合器，包括：一襯底；一下包層，其制作在襯底的中間部位，其形狀為鏟子形，一端為鏟子的頭部，另一端為柄部；鏟形頭部的前半部分為矩形結(jié)構(gòu)，后半部分的寬度逐漸減小并對接到柄部；一芯層，其制作在下包層的上面，其形狀與下包層一致；一上包層，其制作在芯層柄部的上面及鏟子頭部的后半部分，且其形狀為條狀結(jié)構(gòu)。本發(fā)明可以解決邊入射器件中與光纖耦合效率較低的問題。
【專利說明】InP基的無源線波導(dǎo)的光纖光斑轉(zhuǎn)換耦合器及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖耦合領(lǐng)域，具體是指一種InP基的無源線波導(dǎo)的光纖光斑轉(zhuǎn)換耦合器及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]對于未來要實現(xiàn)的復(fù)雜的光通信網(wǎng)絡(luò)，其所需的各種元件的工藝技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了比較成熟的狀態(tài)。一方面，各種各樣的光電半導(dǎo)體器件，如激光器、放大器、調(diào)制器、定向率禹合器和探測器等都已具備了良好的性能；另一方面，光纖的傳輸性能也在不斷地接近理論極限，傳輸距離也早已達(dá)到了應(yīng)用所需的范圍。然而，阻礙光通信網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展的瓶頸在于光纖與芯片之間的耦合損耗很大。其根本原因在于光纖模斑與器件波導(dǎo)中的光斑模式之間不匹配，造成了很大的插入損耗和很高的封裝成本。
[0003]基于上述問題人們提出的解決方案主要有兩類:光柵耦合和漸變波導(dǎo)耦合。人們已經(jīng)提出了一種基于SOI緊湊的矩形光柵耦合器，然而SOI并不適合制作半導(dǎo)體有源器件，而InP / InGaAsP系材料適合制作有源器件但I(xiàn)nP系材料的垂直方向折射率的差值較低，不能夠做類似SOI的強(qiáng)限制的矩形光柵。對于邊入射的器件來說另一個解決方法是在器件的波導(dǎo)邊緣制作一個水平方向的漸變波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，使得靠近光纖一端的波導(dǎo)尺寸接近于光纖芯層尺寸。但是這種漸變波導(dǎo)連接到尺寸很小的深脊波導(dǎo)時，由于波導(dǎo)中光場模式比較擴(kuò)展，所以在模式轉(zhuǎn)變中會損耗掉很大一部分，耦合效率不是很高。而我們在水平漸變波導(dǎo)層上又增加了一個很窄的脊波導(dǎo)，從而改變了波導(dǎo)芯層橫向的折射率分布，使得中心折射率比兩邊高，降低了光場模式橫向的擴(kuò)展，減小了耦合損耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的主要目的在于提供一種InP基的無源線波導(dǎo)的光纖光斑轉(zhuǎn)換耦合器及制備方法，其是以較高效率實現(xiàn)光纖與線波導(dǎo)之間光斑轉(zhuǎn)換耦合的器件結(jié)構(gòu)及制備方法，以解決邊入射器件中與光纖耦合效率較低的問題。
[0005]本發(fā)明提出一種InP基的無源線波導(dǎo)的光纖光斑轉(zhuǎn)換耦合器，包括:
[0006]一襯底；
[0007]一下包層，其制作在襯底的中間部位，其形狀為鏟子形，一端為鏟子的頭部，另一端為柄部；鏟形頭部的前半部分為矩形結(jié)構(gòu)，后半部分的寬度逐漸減小并對接到柄部；
[0008]一芯層，其制作在下包層的上面，其形狀與下包層一致；
[0009]一上包層，其制作在芯層柄部的上面及鏟子頭部的后半部分，且其形狀為條狀結(jié)構(gòu)。
[0010]本發(fā)明還提供一種InP基無源線波導(dǎo)的光纖光斑轉(zhuǎn)換耦合器的制備方法，包括如下步驟:
[0011]步驟1:取一襯底；
[0012]步驟2:在襯底上依次生長下包層、芯層和上包層；[0013]步驟3:在上包層上生長二氧化硅層；
[0014]步驟4:采用刻蝕的方法，在二氧化硅層的上面向下刻蝕，刻蝕深度到達(dá)襯底的表面，刻蝕的形狀為一鏟子形，該鏟子形分為頭部和柄部；柄部為較窄的線波導(dǎo)，頭部的前半部分為較寬的直波導(dǎo)，后半部分為拋物線形波導(dǎo)，波導(dǎo)寬度逐漸減小對接在柄部的線波導(dǎo)上;
[0015]步驟5:去掉刻蝕后剩余的二氧化硅層；
[0016]步驟6:刻蝕鏟子形的頭部上的上包層，刻蝕深度小于上包層的厚度；
[0017]步驟7:在鏟子形的頭部所剩余的上包層上制作圖形，刻蝕成一窄條狀結(jié)構(gòu)，其位于鏟子形頭部的后半部分的漸變波導(dǎo)之上，條狀結(jié)構(gòu)的厚度為0.3-0.4，寬度為1.5-2.5微米，完成制備。
[0018]從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0019]1、本發(fā)明提供的InP基光纖光斑轉(zhuǎn)換耦合器結(jié)構(gòu)，通過增加垂直方向的結(jié)構(gòu)限制，增加了芯層中心區(qū)域的有效折射率，從而降低了光場在橫向的擴(kuò)展，提高了器件的光纖耦合效率。
[0020]2、本發(fā)明提供的InP基光纖光斑轉(zhuǎn)換耦合器結(jié)構(gòu)，通過寬的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)擴(kuò)大了光纖對接時的容差范圍，降低了器件封裝和測試的難度，提高了器件的穩(wěn)定性。
[0021]3、本發(fā)明提供的InP基光纖光斑轉(zhuǎn)換稱合器的結(jié)構(gòu)十分簡單,制備工藝相比于光柵結(jié)構(gòu)十分簡便，而且沒有增加任何新的工藝要求且其實現(xiàn)工藝十分成熟，完全可以兼容到所要集成器件的制備工藝中。
[0022]4、本發(fā)明提供的InP基光纖光斑轉(zhuǎn)換耦合器的外延結(jié)構(gòu)十分簡單，而且下包層與上包層的材料可以適當(dāng)?shù)淖兓瑥亩梢愿鶕?jù)所要集成的器件的外延結(jié)構(gòu)選取適當(dāng)?shù)纳舷掳鼘?，降低了集成難度，擴(kuò)大了器件的應(yīng)用范圍。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例及附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，其中:
[0024]圖1為本發(fā)明的制備流程圖；
[0025]圖2為本發(fā)明的外延結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖3為在外延結(jié)構(gòu)上生長二氧化硅層的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖4為刻蝕后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖5為刻蝕上包層后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖6為本發(fā)明制備完成后的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0030]請參閱圖6所示，本發(fā)明提供一種InP基的無源線波導(dǎo)的光纖光斑轉(zhuǎn)換耦合器，包括:
[0031 ] 一襯底I，該襯底I的材料為未摻雜的InP ；
[0032]一下包層2，其制作在襯底I的中間部位，其形狀為鏟子形，一端為鏟子的頭部41，另一端為柄部42，鏟形頭部41的前半部分為矩形結(jié)構(gòu)，后半部分的寬度逐漸減小并對接到柄部42，所述下包層2的材料為InP或InP / InGaAsP量子阱周期結(jié)構(gòu)，厚度為25微米；實例中我們選用未參雜的InP做下包層，厚度為3微米。
[0033]一芯層3，其制作在下包層2的上面，所述芯層3的材料為未摻雜的InGaAsP,厚度為0.30.6微米；這里我們所用材料中Ga和As的組分分別為0.11,0.25，厚度選為0.5微米，其形狀大小與下包層相一致。
[0034]一上包層4，其制作在芯層3柄部42的上面，及鏟子頭部41的后半部分，且其形狀為條狀結(jié)構(gòu)411，該上包層是未摻雜的InP，鏟形頭部后半部分上包層411厚度為0.3-0.4微米，寬度為1.5—2.5微米；鏟形柄部的上包層厚度為1.2-1.8微米。
[0035]鏟形頭部41的下包層2和芯層3構(gòu)成了波導(dǎo)的基本結(jié)構(gòu)，前半部分為直波導(dǎo)，后半部分為漸變波導(dǎo)；漸變波導(dǎo)上面的條形結(jié)構(gòu)的上包層411為脊波導(dǎo)。鏟形柄部42的下包層2、芯層3和上包層4構(gòu)成線波導(dǎo)。
[0036]直波導(dǎo)的尺寸大小與光纖模斑大小相匹配，所以光纖與這段直波導(dǎo)之間的光I禹合過程中的損耗會很小，同時由于芯層材料的折射率高于下包層2材料的折射率，隨著光在波導(dǎo)中的傳輸，光場會逐漸集中到芯層3，這有利于下一步的光場模式的轉(zhuǎn)變；后半部分的波導(dǎo)寬度逐漸變窄，直到對接到鏟形柄部42的線波導(dǎo)，波導(dǎo)寬度的漸變導(dǎo)致光場分布的變化，從而使得光場更多的集中到線波導(dǎo)中。
[0037]脊波導(dǎo)通過增加了垂直方向的結(jié)構(gòu)從而改變了過渡波導(dǎo)芯層3的橫向折射率的分布，使得芯層3的有效折射率中心高而兩邊較低，從而在光場的模式轉(zhuǎn)變中降低了光場的橫向擴(kuò)展，因而降低了光場的模式轉(zhuǎn)變損耗，使得更多的光耦合到了線波導(dǎo)，提高了耦合效率。
[0038]請參閱圖1至圖6所示，本發(fā)明還提供InP基無源線波導(dǎo)的光纖光斑轉(zhuǎn)換耦合器的制備方法，包括如下步驟:
[0039]步驟1:取一襯底1，該襯底I的材料為未摻雜的InP ；
[0040]步驟2:在襯底I上依次生長下包層2、芯層3和上包層4 (參閱圖2)，該下包層2的材料為InP或InP / InGaAsP量子阱周期結(jié)構(gòu)，厚度為2_5微米，該芯層3的材料為0.30.6微米厚未摻雜的InGaAsP,該上包層是1.21.8微米厚的未摻雜的InP ;實例中我們所用的下包層材料為未參雜的InP，厚度為3微米，芯層材料中Ga和As的組分分別為0.11,0.25，厚度選為0.5微米，上包層為未參雜的InP，厚度為1.5微米。
[0041]步驟3:在上包層4上生長一層I微米厚的二氧化硅層5 (參閱圖3)；
[0042]步驟4:采用刻蝕的方法，在二氧化硅層5的上面向下刻蝕，刻蝕深度到達(dá)襯底I的表面，刻蝕的形狀為一鏟子形，該鏟子形分為頭部41和柄部42。柄部42為較窄的線波導(dǎo)，頭部41的前半部分為較寬的直波導(dǎo)，后半部分為拋物線形波導(dǎo)，波導(dǎo)寬度逐漸減小對接在柄部42的線波導(dǎo)上；實例中，鏟形頭部前50微米為矩形直波導(dǎo)，寬度為12微米，后半部分為拋物線形狀的過渡波導(dǎo)，寬度由12微米漸變到2.5微米，長度為50微米，柄部為矩形的線波導(dǎo)，寬度為2.5微米。；
[0043]步驟5:用HF酸溶液去掉刻蝕后剩余的二氧化硅層5 (參閱圖4)；
[0044]步驟6:刻蝕上包層4鏟子形的頭部41，刻蝕深度小于上包層4的厚度，實例中刻蝕1.1-1.2微米(參閱圖5)；
[0045]步驟7:在鏟子形的頭部41剩余的上包層4上制作圖形，刻蝕鏟子形的頭部41為一條狀結(jié)構(gòu)411，這一條形結(jié)構(gòu)的厚度為0.3—0.4微米，寬度為1.5—2.5微米，其位于鏟形頭部的后半部分漸變波導(dǎo)之上，長度與過渡波導(dǎo)相一致。完成制備(參閱圖6)。
[0046]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種InP基的無源線波導(dǎo)的光纖光斑轉(zhuǎn)換耦合器，包括: 一襯底； 一下包層，其制作在襯底的中間部位，其形狀為鏟子形，一端為鏟子的頭部，另一端為柄部；鏟形頭部的前半部分為矩形結(jié)構(gòu)，后半部分的寬度逐漸減小并對接到柄部； 一芯層，其制作在下包層的上面，其形狀與下包層一致； 一上包層，其制作在芯層柄部的上面及鏟子頭部的后半部分，且其形狀為條狀結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的InP基的無源線波導(dǎo)的光纖光斑轉(zhuǎn)換耦合器，其中襯底的材料為未摻雜的InP。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的InP基的無源線波導(dǎo)的光纖光斑轉(zhuǎn)換耦合器，其中下包層的材料為InP或InP / InGaAsP量子阱周期結(jié)構(gòu)，厚度為2_5微米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的InP基的無源線波導(dǎo)的光纖光斑轉(zhuǎn)換耦合器，其中芯層的材料為未摻雜的InGaAsP,厚度為0.3—0.6微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的InP基的無源線波導(dǎo)的光纖光斑轉(zhuǎn)換耦合器，其中上包層是未摻雜的InP，鏟形頭部后半部分上包層厚度為0.3—0.4，寬度為1.5-2.5微米；鏟形柄部的上包層厚度為1.2-1.8微米。
6.一種InP基無源線波導(dǎo)的光纖光斑轉(zhuǎn)換耦合器的制備方法，包括如下步驟: 步驟1:取一襯底； 步驟2:在襯底上依次生長下包層、芯層和上包層； 步驟3:在上包層上生長二氧化硅層； 步驟4:采用刻蝕的方法，在二氧化硅層的上面向下刻蝕，刻蝕深度到達(dá)襯底的表面，刻蝕的形狀為一鏟子形，該鏟子形分為頭部和柄部；柄部為較窄的線波導(dǎo)，頭部的前半部分為較寬的直波導(dǎo)，后半部分為拋物線形波導(dǎo)，波導(dǎo)寬度逐漸減小對接在柄部的線波導(dǎo)上； 步驟5:去掉刻蝕后剩余的二氧化硅層； 步驟6:刻蝕鏟子形的頭部上的上包層，刻蝕深度小于上包層的厚度； 步驟7:在鏟子形的頭部所剩余的上包層上制作圖形，刻蝕成一窄條狀結(jié)構(gòu)，其位于鏟子形頭部的后半部分的漸變波導(dǎo)之上，條狀結(jié)構(gòu)的厚度為0.3-0.4，寬度為1.5-2.5微米，完成制備。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的InP基的無源線波導(dǎo)的光纖光斑轉(zhuǎn)換耦合器的制備方法，其中襯底的材料為未摻雜的InP。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的InP基的無源線波導(dǎo)的光纖光斑轉(zhuǎn)換耦合器的制備方法，其中下包層的材料為InP或InP / InGaAsP量子阱周期結(jié)構(gòu)，厚度為2— 5微米。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的InP基的無源線波導(dǎo)的光纖光斑轉(zhuǎn)換耦合器的制備方法，其中芯層的材料為未摻雜的InGaAsP,厚度為0.3-0.6微米。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的InP基的無源線波導(dǎo)的光纖光斑轉(zhuǎn)換耦合器的的制備方法，其中上包層是未摻雜的InP，其厚度為1.2-1.8微米厚。
【文檔編號】G02B6/136GK103487883SQ201310424535
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月17日
【發(fā)明者】呂倩倩, 韓勤, 崔榮, 李彬, 尹偉紅, 楊曉紅 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所