[发明专利]硅波导端面耦合结构及其制作方法

说明书

本发明涉及光子集成器件技术领域，公开了硅波导端面耦合结构及其制作方法。该结构包括由下至上依次叠放的衬底硅、氧化层、硅波导和氮化硅层，氮化硅层的端部构造为脊形结构以形成脊形氮化硅波导，脊形氮化硅波导用于与普通单模光纤端面耦合。该方法包括：利用绝缘体上硅衬底中位于衬底硅上表面氧化层之上的薄膜硅层制备硅波导；在硅波导与光纤耦合的一端制备成宽度逐渐收窄的尖锥结构以形成硅波导尖锥结构；在硅波导与氧化层上方沉积一层氮化硅层；通过对氮化硅层进行浅刻蚀制备出脊形结构以形成脊形氮化硅波导。本发明的脊形氮化硅波导变换模场可以与普通单模光纤匹配，适合硅光子芯片封装过程中硅波导与普通单模光纤的低损耗耦合。

技术领域

本发明涉及光子集成器件技术领域，特别是涉及一种硅波导端面耦合结构及其制作方法。

背景技术

以硅波导为基础的硅光子集成已经成为发展高性能和低成本光通信组件和光子集成器件的关键技术。这种硅光子芯片一般在绝缘体上硅(silicon on insulator，简称：SOI)衬底上制备，采用硅材料作为波导芯区部分，芯区横截面尺寸在百纳米量级。波导包层材料一般采用二氧化硅。由于晶体硅和二氧化硅之间有较高折射率对比度，这种硅波导模场面积一般小于1平方微米，因此可以支持高密度的光子集成，在高性能和低成本的光通信组件和光子集成器件方面具有广阔的应用前景。

在硅光子芯片的实际应用中，硅波导需要与单模光纤之间实现低损耗的光耦合。然而，普通单模光纤的模场面积在80平方微米左右，硅波导非常小的模场面积使得它与普通单模光纤直接耦合非常困难。理论计算和实验表明，硅波导与普通单模光纤直接耦合会由于模场失配引入超过10dB的耦合损耗。这极大的限制了硅光子芯片的实际应用。

因此，实现硅波导与普通单模光纤的高效率耦合是硅光子集成技术走向实际应用的关键问题。目前，硅波导与普通单模光纤的耦合主要采用两种技术路线。第一种是在硅波导上制备向上衍射的光栅实现硅波导与普通单模光纤之间的垂直耦合，通过调整硅波导的尺寸和光栅的设计，可以使得向上衍射的光场有效面积与普通单模光纤的模场匹配，从而提高耦合效率。然而，这种垂直耦合的技术路线工作带宽受到光栅衍射带宽的限制，同时由于存在向其他方向的散射使得耦合效率有很大限制，且具有偏振相关性。此外，光栅的制备工艺也较复杂。第二种技术路线是采用端面耦合，这种方法耦合带宽较宽且偏振无关，具有更广泛的适应性。然而，由于硅波导和光纤模场失配很大，需要在硅波导的一侧设计模场变换结构，使得波导的输出模场与光纤匹配，从而减小耦合损耗。通常采用将硅波导的一端设计成锥形结构来改善光纤和波导之间的模场失配。锥形结构中随着硅波导尺寸逐渐变小，硅波导的模场逐渐变大，可以起到模场变换的作用。然而由于微细加工的限制，硅波导尺寸难以做到非常小，使得单纯的锥形结构模场变换能力有限。进一步发展出锥形结构外面包裹大尺寸氮化硅波导或聚合物波导的模场变换结构。然而，这种结构为了避免氮化硅波导或聚合物波导形成多模传输，尺寸不能做大。此外，氮化硅刻蚀工艺在刻蚀深度上的限制也制约了模场变换结构支持的模场尺寸。因此，这种基于锥形结构的模场变换结构用于硅波导和普通单模光纤的耦合依然会引入较大的损耗。因此，有必要发展一种制备工艺简单，模场变换尺寸与普通单模光纤匹配的端面耦合结构用于硅波导和普通单模光纤之间的低损耗耦合。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明实施例的目的是提供一种硅波导端面耦合结构及其制作方法，以解决现有技术中存在的硅波导模场尺寸小，和普通单模光纤耦合损耗较大的技术问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供一种硅波导端面耦合结构，包括：由下至上依次叠放的衬底硅、氧化层、硅波导和氮化硅层，所述氮化硅层的端部构造为脊形结构以形成脊形氮化硅波导，所述脊形氮化硅波导用于与普通单模光纤端面耦合。

其中，还包括二氧化硅保护层，所述二氧化硅保护层位于所述氧化层与所述氮化硅层之间，且所述二氧化硅保护层覆盖于所述硅波导的上表面。