[发明专利]提高亚微米硅波导与普通单模光纤耦合效率的结构

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及光纤通信与集成光学技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

有鉴于此，本发明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，本发明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；