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CN111367016B - 一种模斑转换器及其制备方法 - Google Patents

一种模斑转换器及其制备方法 Download PDF

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CN111367016B CN202010277886.XA CN202010277886A CN111367016B CN 111367016 B CN111367016 B CN 111367016B CN 202010277886 A CN202010277886 A CN 202010277886A CN 111367016 B CN111367016 B CN 111367016B
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Abstract

本发明公开了一种模斑转换器及其制备方法，包括：硅衬底以及埋氧层；位于埋氧层之上的第一波导以及与之平行的至少两个第二波导，第二波导设置于第一波导两侧；第一波导的宽度从入光面一侧到出光面一侧逐渐减小；位于所述埋氧层、第一波导及第二波导之上的上包层；位于上包层中高于第一波导且与之平行的至少两个低折射率波导，低折射率波导设置于所述第一波导两侧；低折射率波导的宽度从入光面一侧到出光面一侧逐渐增大，低折射率波导的折射率低于所述第一波导的折射率。本发明不但对准容差大，衬底吸收损耗还小。

Description

一种模斑转换器及其制备方法
技术领域
本发明属于硅光技术领域，具体涉及一种模斑转换器及其制备方法。
背景技术
为了实现光源/光纤输出模场与硅波导的模场匹配，目前多采用倒锥型模斑转换结构或光栅耦合器。倒锥型模斑转换结构原理为波导的尺寸逐渐减小，当波导的尺寸小到一定值时，波导无法实现对光的限制，从而实现模场的放大，与光源/光纤输出模场相匹配；然而倒锥型的模斑转换结构的对准容差较小，对光源/光纤对准精度的要求较高。光栅耦合器在与光源/光纤耦合时虽然具有较大的对准容差，但其损耗较大；并且对于边发射激光器(如DFB激光器)光源，要实现光源与光栅耦合器的耦合，需要额外增加反射镜面将光源的输出方向由水平发射转换为垂直于光栅耦合器的方向，结构较为复杂。
发明内容
针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种对准容差较大、衬底吸收损耗小的模斑转换器及其制备方法。
第一方面，一种模斑转换器，包括：
硅衬底以及位于所述硅衬底之上的埋氧层；
位于所述埋氧层之上的第一波导以及与所述第一波导平行的至少两个第二波导，所述第二波导设置于所述第一波导两侧；所述第一波导的宽度从入光面一侧到出光面一侧逐渐减小；
位于所述埋氧层、第一波导及第二波导之上的上包层；
位于所述上包层中高于所述第一波导且与所述第一波导平行的至少两个低折射率波导，所述低折射率波导设置于所述第一波导两侧；所述低折射率波导的宽度从入光面一侧到出光面一侧逐渐增大，所述低折射率波导的折射率低于所述第一波导的折射率。
进一步地，所述低折射率波导的数量与所述第二波导相同或比所述第二波导多两个；所述低折射率波导相对于所述第一波导和第二波导错位排列。
进一步地，所述上包层的材料为SiO2。
进一步地，所述低折射率波导的材料为SiN或SiON。
进一步地，所述第一波导的入光面一侧宽度为350～500nm，出光面一侧宽度为80～160nm，长度为50～500um。
进一步地，所述第二波导为直波导或楔形波导，其宽度为80～300nm，长度为50～500um。
进一步地，所述低折射率波导的宽度为80～600nm，其高于第一波导100～600nm。
另一方面，一种模斑转换器制备方法，包括如下步骤：
在SOI晶圆的顶层硅上刻蚀出第一波导和两个第二波导，所述两个第二波导平行设置于所述第一波导两侧；所述第一波导的宽度从入光面一侧到出光面一侧逐渐减小；
在埋氧层、所述第一波导和第二波导之上生长第一上包层；
在所述第一上包层上制作两个平行的低折射率波导，所述两个低折射率波导分别位于所述第一波导两侧，所述两个低折射率波导的宽度从入光面一侧到出光面一侧逐渐增大，所述两个低折射率波导的折射率低于硅折射率；
在所述第一上包层和低折射率波导之上生长第二上包层。
进一步地，所述在所述第一上包层上制作两个平行的低折射率波导，具体包括：在所述第一上包层上生长低折射率波导层，所述低折射率波导层的折射率高于所述第一上包层材料的折射率，低于硅折射率；
在所述低折射率波导层上刻蚀出两个平行的低折射率波导。
相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、通过在第一波导两侧设置第二波导，采用辅助模场放大硅波导，将模场进行横向放大，增大了横向的对准容差；
2、通过采用低折射率波导，使模场能量中心远离衬底，不仅减小了衬底的吸收损耗，还可以增大垂直方向的对准容差；
3、通过硅波导端面与出光面采用低折射率材料(如SiO2)包裹，增大了出光模场尺寸，进一步提高了与光纤模场的匹配效果。
附图说明
图1为本发明中一种模斑转换器的实施例结构示意图；
图2为本发明中一种模斑转换器制备方法的实施例步骤S1的结构示意图；
图3为本发明中一种模斑转换器制备方法的实施例步骤S2的结构示意图；
图4为本发明中一种模斑转换器制备方法的实施例步骤S3的结构示意图；
图5为本发明中一种模斑转换器制备方法的实施例步骤S4的结构示意图；
图6为本发明中一种模斑转换器制备方法的实施例步骤S5的结构示意图；
图7为本发明中一种模斑转换器制备方法的实施例步骤S6的结构示意图；
图8为本发明中一种模斑转换器的制备方法流程示意图。
其中，硅衬底1，埋氧层2，顶层硅3，第一波导31，第二波导32，上包层4，第一上包层41，第二上包层42，低折射率波导层5，低折射率波导51。
具体实施方式
为了使发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
本发明的一个方面，一种模斑转换器，如图1所示，包括：
硅衬底1以及位于所述硅衬底之上的埋氧层2；
位于所述埋氧层2之上的第一波导31以及与所述第一波导31平行的第二波导32；所述第二波导32设置于所述第一波导31两侧，所述第一波导31的宽度从入光面一侧到出光面一侧逐渐减小；
位于所述埋氧层2、第一波导31及第二波导32之上的上包层4；
位于所述上包层4中同一高度的与所述第一波导31平行的至少两个低折射率波导51，所述低折射率波导51设置于所述第一波导31两侧；所述低折射率波导51的宽度从入光面一侧到出光面一侧逐渐增大，所述低折射率波导51的折射率高于所述上包层4材料的折射率，低于所述第一波导的折射率。
所述第一波导和第二波导可采用硅波导。所述第一波导为楔形波导，第一波导的入光面一侧宽度可以为350～500nm，出光面一侧宽度可以为80～160nm，长度可以为50～500um；所述第二波导可以是(矩形)直波导也可以是楔形波导，其宽度可以为80～300nm，长度可以为50～500um；所述第一波导及第二波导的厚度可以为0.2～0.4um。所述低折射率波导为楔形波导，其宽度可以为80～600nm；所述低折射率波导位于第一波导上方100～600nm处。所述两个低折射率波导分别位于所述第一波导两侧，是指两个低折射率波导在埋氧层上的投影的位置在第一波导两侧，即不与第一波导对齐。特别地，所述两个低折射率波导在埋氧层上的投影可分别位于所述第一波导与一侧第二波导之间以及所述第一波导与另一侧第二波导之间，如图1所示；此外也可分别位于两个第二波导的外侧。
本方案中的模斑转换器，当光从第一波导入光面一侧进入后，随着第一波导的宽度缩小，波导无法对光场进行完全限制，光场能量向外辐射，往第二波导中间聚集；此时随着低折射率波导逐渐变宽，所述光场能量中心向低折射率波导移动，在到达出光面一侧时，光场能量聚集在低折射率波导以及第一、第二波导之间，起到光斑放大的作用。另外硅波导与出光面之间采用低折射率材料(如SiO2)包裹，能够进一步放大模场，进一步提高了与光纤模场的匹配效果。
本方案一方面通过在第一波导两侧设置第二波导，采用辅助模场放大硅波导，将模场进行横向放大，增大了横向的对准容差；另一方面通过采用低折射率波导，使模场能量中心远离衬底，不仅减小了衬底的吸收损耗，还增大了垂直方向的对准容差。
作为进一步优化的方案，所述低折射率波导的数量与所述第二波导相同或比所述第二波导多两个；所述低折射率波导相对于所述第一波导和第二波导错位排列。所述错位排列是指低折射率波导并不与第一波导或第二波导在竖直方向上对齐，而是错开设置。换句话说，所述低折射率波导在埋氧层上的投影位于第一波导与最近的第二波导之间、相邻第二波导之间或最远的第二波导外侧；容易理解，此时低折射率波导的数量要么与第二波导相同，要么比第二波导多两个。本方案中低折射率波导的位置采用与所述第一波导和第二波导错位排列，可以更好地控制调整对准容差以及光斑放大的效果。
特别地，所述上包层的材料为SiO2。通过硅波导端面与出光面采用SiO2包裹，增大了出光模场尺寸，进一步提高了与光纤模场的匹配效果。
本发明的另一方面，一种模斑转换器制备方法，如图2-8所示，包括如下步骤：
S1：准备一个SOI晶圆，如图2所示；
S2：在所述SOI晶圆的顶层硅3上刻蚀出第一波导31和两个第二波导32，所述两个第二波导32平行(可对称)设置于所述第一波导31两侧；所述第一波导31的宽度从入光面一侧到出光面一侧逐渐减小，如图3所示；
S3：在埋氧层2、所述第一波导31和第二波导32之上生长第一上包层41，如图4所示；
S4：在所述第一上包层41上生长低折射率波导层5，如图5所示，所述低折射率波导层5的折射率高于所述第一上包层41材料的折射率，低于硅折射率；
S5：在所述低折射率波导层5上刻蚀出两个平行的低折射率波导51，所述两个低折射率波导51分别位于所述第一波导31两侧，如图6所示；所述两个低折射率波导51的宽度从入光面一侧到出光面一侧逐渐增大；
S6：在所述第一上包层41和低折射率波导51之上生长第二上包层42，形成上包层4，如图7所示。之后刻蚀端面，完成器件制作。
本方案步骤S1中的SOI晶圆包括硅衬底、埋氧层以及顶层硅。步骤S2中的第一波导为楔形波导，第一波导的入光面一侧宽度可以为350～500nm，出光面一侧宽度可以为80～160nm，长度可以为50～500um；所述第二波导可以是直波导也可以是楔形波导，其宽度可以为80～300nm，长度可以为50～500um；所述第一波导及第二波导的厚度可以为0.2～0.4um。步骤S3中的埋氧层和上包层材料的折射率应低于低折射率波导层，特别地，所述埋氧层可以是SiO2，所述第一上包层可以是SiO2。步骤S4中低折射率波导层的材料可采用如SiN或SiON等折射率低于硅的材料。所述步骤S5中低折射率波导为楔形波导，所述低折射率波导的宽度可以为80～600nm；所述低折射率波导位于第一波导上方100～600nm处。所述两个低折射率波导分别位于所述第一波导两侧，是指两个低折射率波导在埋氧层上的投影的位置在第一波导两侧。特别地，所述两个低折射率波导在埋氧层上的投影可分别位于所述第一波导与一侧第二波导之间以及所述第一波导与另一侧第二波导之间，如图6所示；此外也可分别位于两个第二波导的外侧。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述实施方式，凡是属于本发明原理的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理的前提下进行的若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种模斑转换器，其特征在于，包括：
硅衬底以及位于所述硅衬底之上的埋氧层；
位于所述埋氧层之上的第一波导以及与所述第一波导平行的至少两个第二波导，所述第二波导设置于所述第一波导两侧；所述第一波导的宽度从入光面一侧到出光面一侧逐渐减小；
位于所述埋氧层、第一波导及第二波导之上的上包层；
位于所述上包层中高于所述第一波导且与所述第一波导平行的至少两个低折射率波导，所述低折射率波导设置于所述第一波导两侧；所述低折射率波导的宽度从入光面一侧到出光面一侧逐渐增大，所述低折射率波导的折射率低于所述第一波导的折射率。
2.根据权利要求1所述的一种模斑转换器，其特征在于：
所述低折射率波导的数量与所述第二波导相同或比所述第二波导多两个；所述低折射率波导相对于所述第一波导和第二波导错位排列。
3.根据权利要求1所述的一种模斑转换器，其特征在于：
所述上包层的材料为SiO2。
4.根据权利要求1所述的一种模斑转换器，其特征在于：
所述低折射率波导的材料为SiN或SiON。
5.根据权利要求1所述的一种模斑转换器，其特征在于：
所述第一波导的入光面一侧宽度为350～500nm，出光面一侧宽度为80～160nm，长度为50～500um。
6.根据权利要求1所述的一种模斑转换器，其特征在于：
所述第二波导为直波导或楔形波导，其宽度为80～300nm，长度为50～500um。
7.根据权利要求1所述的一种模斑转换器，其特征在于：
所述低折射率波导高于第一波导100～600nm。
8.一种模斑转换器制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
在SOI晶圆的顶层硅上刻蚀出第一波导和两个第二波导，所述两个第二波导平行设置于所述第一波导两侧；所述第一波导的宽度从入光面一侧到出光面一侧逐渐减小；
在埋氧层、所述第一波导和第二波导之上生长第一上包层；
在所述第一上包层上制作两个平行的低折射率波导，两个所述低折射率波导分别位于所述第一波导两侧，两个所述低折射率波导的宽度从入光面一侧到出光面一侧逐渐增大，两个所述低折射率波导的折射率低于硅折射率；
在所述第一上包层和低折射率波导之上生长第二上包层。
9.根据权利要求8所述的一种模斑转换器制备方法，其特征在于：
所述在所述第一上包层上制作两个平行的低折射率波导，具体包括：
在所述第一上包层上生长低折射率波导层，所述低折射率波导层的折射率高于所述第一上包层材料的折射率，低于硅折射率；
在所述低折射率波导层上刻蚀出两个平行的低折射率波导。
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