[发明专利]一种硅纳米光波导与光纤的耦合封装方法

说明书

技术领域

本发明涉及光集成芯片的耦合封装技术领域，具体涉及一种硅纳米光波导与光纤的耦合封装方法。

背景技术

硅材料在光波长为1.31μm和1.55μm的光通信频段上是透明的，Si(硅)和SiO₂(二氧化硅)之间的高折射率差使得基于SOI(绝缘体上硅)衬底的硅波导对光场有极强的限制作用，可以限制在几百纳米的Si波导内，可以制成多功能、小型化、高密度集成的光子器件，同时具有与CMOS工艺兼容，能够实现光子器件和电子器件集成的优点，具有广阔的应用前景。然而，由于硅纳米波导的模斑尺寸在百纳米量级，单模光纤的模斑尺寸在8-9μm，两者之间的模场不仅存在着巨大的尺寸差异，模场形状也失配严重，而且各界面间折射率差失配也会带来额外的反射损耗，因此，硅纳米光波导和光纤之间可靠、高效、低成本的耦合与封装是光子器件应用的关键，是制约光子器件应用的主要障碍。

增强波导和光纤之间光耦合的方法有使用透镜光纤方法、光栅辅助非平面光耦合方法和采用模斑转换器等。使用透镜光纤能够缩小光纤模斑，但是与波导之间需要精确的对准，直接对准硅纳米光波导几乎是无法实现的。光栅辅助非平面光耦合方法利用一维或二维光栅从垂直芯片方向接近式光耦合，能够在片实现芯片上任何位置的光耦合，但由于光向衬底的衍射泄漏，以及光栅和光纤的模式失配，需要DBR反射镜衬底或不均匀光栅设计等，且光栅的与波长相关的属性决定了无法更大带宽的工作，光纤的入射角度要求苛刻，器件封装困难、可靠性差。模斑转换器可以实现硅纳米光波导中模场尺寸的变换，正锥形模斑转换器制作工艺复杂，且需要较长的尺寸渐变波导；反锥形模斑转换器能够更好地与CMOS工艺兼容，但是耦合损耗较大，仍需要光纤的精确对准，无法实现波导与光纤的可靠耦合与封装。V型槽是常用对准和固定光纤的基准，但单纯的V形槽无法满足硅纳米光波导和光纤之间的高效光耦合和可靠封装要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硅纳米光波导和光纤的耦合封装方法，实现硅纳米光波导与光纤的高效光耦合与简便封装。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种硅纳米光波导和光纤的耦合封装方法，其特殊之处在于：通过SOI衬底上的倒锥形模斑转换器将硅纳米光波导的小尺寸模斑转换成光纤的大尺寸模斑，并通过所述的SOI衬底上的V型光纤定位槽将光纤与硅纳米光波导对准耦合；所述硅纳米光波导、倒锥形模斑转换器和V型光纤定位槽是在所述SOI衬底上实现单片集成的。

上述倒锥形模斑转换器由朝向光纤方向宽度逐渐变细的倒锥形硅纳米光波导渐变段和设置于硅纳米光波导上的折射率相对较低的上层低折射率波导组成。

上述光纤的耦合端光纤头为锥形的透镜光纤。

上述硅纳米光波导的长度为100-300μm，锥尖宽度小于100nm。

上述上层低折射率波导通过采用光刻胶或金属为掩蔽的干法刻蚀形成，其厚度和宽度均为2～4μm，其材料为等离子体增强化学气相淀积或低压化学气相淀积生长的SiON或SiO₂。

上述光纤通过V型光纤定位槽使光纤中心与倒锥形模斑转换器中的上层低折射率波导中心对准。

上述V型光纤定位槽利用SOI衬底中的埋氧层作为V型光纤定位槽的腐蚀掩膜，V型光纤定位槽的腐蚀窗口图形与上层低折射率波导的图形在同一光刻掩膜版上，在刻蚀上层低折射率波导的过程中，同时刻蚀出V型光纤定位槽的腐蚀窗口，使V型光纤定位槽和上层低折射率波导在横向上精确对准。

上述V型光纤定位槽在V型光纤定位槽腐蚀窗口外的埋氧层的掩蔽下，用各向异性湿法腐蚀液对腐蚀窗口内Si衬底材料进行腐蚀，通过控制腐蚀窗口的宽度w来控制光纤的垂直高度，使光纤与上层低折射率波导在纵向上精确对准；

当光纤的中心与上层低折射率波导的中心对准，V型槽腐蚀窗口的宽度w由以下公式计算得到：其中光纤外径为d，埋氧层厚度为t，上层低折射率波导的中心高度为h。

上述光纤通过紫外固化胶和V型槽上盖板固定在V型光纤定位槽内。

上述上层低折射率波导和光纤的耦合端光纤头之间点滴折射率匹配液。

与现有技术相比，本发明技术方案产生的有益效果如下：

1、本发明中使用倒锥形模斑转换器，其高效、宽带光耦合特性和光模场尺寸转换能力与SOI衬底特性和V型光纤定位槽相结合，实现波导与光纤的精确中心对准和高效光耦合。

2、本发明中使用点滴折射率匹配液，可进一步减少界面反射损耗。

3、本发明中光纤的固定封装工艺简便，非常适用于实际生产应用。