[实用新型]一种光波导模斑转换器

说明书

技术领域

本实用新型涉及光通信与光互连技术领域，具体涉及一种光波导模斑转换器，用于解决硅基光子芯片与光纤的接口问题。

背景技术

随着通信技术的快速发展，在大数据时代的背景下，数据流量急剧增长，对带宽的要求越来越大，而传统的电互连在带宽，距离，能耗等方面的局限性也越来越突出，已经难以满足高速通信以及高性能微电子芯片的发展需求。近年来，随着新兴硅基光子芯片集成技术的不断迅速发展，利用大规模集成光子芯片实现如芯片与芯片间的短距离光互连成为可能。

由于硅基光子器件具有与互补金属氧化物半导体工艺兼容，大带宽，低延迟，低能耗，低串扰等显著的优点，可以实现高性能，低成本，小尺寸，高集成的片上光互联。而对于硅基光子芯片来说，一个亟待解决的问题是实现芯片片内的光信号与片外的光信号的高效耦合连接。由于硅和二氧化硅或者空气具有很大的折射率差，硅基光波导具有很强的限制光场的能力，硅基光波导的尺寸通常很小，其截面尺寸小于0.5微米，而普通单模光纤的芯径约为8-10微米，两者尺寸相差很大，造成了严重的模场失配，从而导致很大的耦合损耗。为了实现光纤和小尺寸的波导的高效耦合，我们需要在芯片上设计出特殊的模斑转换器，来实现模场匹配，提高耦合效率。

模斑转换器有端面耦合和光栅耦合两种方式。光栅耦合是通过在硅波导上制作光栅结构，当光从光纤入射到光栅耦合器表面时，由于布拉格衍射效应实现与芯片上方摆放的光纤进行有效的耦合。这种方式可以提高光纤与耦合器的对准容差，但耦合效率较低且波长敏感，不利于封装，多被用来测试芯片。而端面耦合使得光信号直接在硅基波导的横截面和光纤的横截面直接相耦合。端面耦合器的优点在于耦合效率较高，而且能够在不改变光路的情况下进行对准。

因此，设计一种封装工艺简单，耦合效率高的硅基模斑转换器是非常重要和有意义的。

实用新型内容

1、实用新型目的。

本实用新型在于解决传统用于端面耦合的模斑转换结构，解决需采用锥型透镜光纤且耦合效率较低的问题，提供一种可以直接与普通单模光纤对接的光波导模斑转换器，及其制作方法。

2、本实用新型所采用的技术方案。

本实用新型提出的一种光波导模斑转换器，包括：上包层，中间包层，绝缘体层，衬底，第一光波导和第二光波导，所述的绝缘体层置于所述衬底上，所述的绝缘体层上依次设置中间包层、上包层；所述第一光波导置于中间包层和所述绝缘体层之间，所述第二光波导置于所述上包层和所述中间包层之间；所述的第一光波导和第二光波导相对设置，第一光波导和第二光波导相对的一侧为锥型；所述的第二光波导与第一光波导相向的一侧也为锥型端，其尖端的模场与单模光纤中的模场相匹配；所述的第一光波导与第二光波导相向的一侧为矩形。

更进一步，所述的第一光波导锥型尖端未设置第一光波导的衬底上设置凹槽，通过中间包层填充成平面后制作第二光波导。

进一步的，所述上包层厚度在10-25um之间。

进一步的，所述第一光波导厚度在500nm以下。

进一步的，所述中间包层厚度在500nm以下。

进一步的，所述第二光波导厚度在600nm以下。

进一步的，所述绝缘体层厚度在1-5um之间。

进一步的，所述凹槽深度在10-15um之间。

进一步的，所述第一光波导为硅。

进一步的，所述第二光波导为氮化硅。

进一步的，所述上包层为二氧化硅。

进一步的，所述中间包层为二氧化硅。

进一步的，所述绝缘体层为二氧化硅。

进一步的，所述衬底为硅。

上述模斑转换器的制作方法，包括步骤：

(1)在绝缘体层上的硅基底上，采用电子束光刻或深紫外曝光以及干法刻蚀等集成微电子工艺制作第一光波导；

(2)在第一光波导的尖端之后，采用电子束光刻或深紫外曝光以及干法刻蚀等集成微电子工艺制作凹槽；

(3)沉积中间层二氧化硅对凹槽进行填充，并使用化学机械抛光方法，对整个芯片进行平面化，并控制中间层二氧化硅的厚度；

(4)在步骤(3)所得芯片上沉积一层氮化硅；

(5)采用电子束光刻或深紫外曝光以及干法刻蚀等集成微电子工艺，在氮化硅层上制作第二光波导；

(6)在步骤(5)所得芯片上沉积上包层二氧化硅。

3、本实用新型所产生的技术效果。