專利名稱：一種提高波導(dǎo)與光纖耦合效率的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過刻蝕制作二氧化硅波導(dǎo)和刻蝕耦合端襯底硅來 提高硅基納米線波導(dǎo)與光纖的耦合效率的方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的硅基大截面波導(dǎo)由于其彎曲半徑大(幾百微米至毫米量級)，
不能在單個SOI片上集成多個光學(xué)功能器件，限制了大規(guī)模集成光路的發(fā)
展，因此，硅基納米線波導(dǎo)引起人們的重視和研究。隨著硅基波導(dǎo)截面越 來越小，波導(dǎo)與光纖之間光信號的耦合越來越困難，硅基納米線波導(dǎo)的截
面面積在0. 1咖2量級，而單模光纖的芯徑為254. 5 um2，不考慮端面的反 射損耗，兩者之間的耦合損耗就大于15 dB，這在實(shí)際應(yīng)用中是無法接受 的。
為了解決納米線波導(dǎo)與光纖的耦合問題，目前常用的方法是 一方面 將單模光纖制作成錐形光纖，減小光纖的模場面積，另一方面是將硅基納 米線波導(dǎo)的端頭制成倒錐形(irwersed taper)結(jié)構(gòu)，增大波導(dǎo)端面的模 場面積，使兩者之間的模場能夠盡可能的匹配來提高耦合效率。通常在將 波導(dǎo)(包括倒錐形端頭)制作完成后會再淀積一層二氧化硅保護(hù)波導(dǎo)，該 結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個埋在平板介質(zhì)里的納米線波導(dǎo)與光纖的耦合，會有較大的 光場向平板區(qū)泄漏。同時由于S0工片的埋層二氧化硅厚度在1至3 inn左 右，而錐形光纖的出射模場半徑也在2 um左右，因此，由光纖向波導(dǎo)耦 合時會有部分的光信號向襯底硅泄漏，造成襯底泄漏損耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種通過刻蝕制作二氧化硅波導(dǎo)和部分刻蝕襯底硅來提 高納米線波導(dǎo)與單模光纖之間的耦合效率的方法。該方法的主要特征是，在制作好的波導(dǎo)表面淀積二氧化硅，將波導(dǎo)完全包裹住，然后刻蝕二氧化 硅至襯底硅，形成二氧化硅波導(dǎo)包裹硅波導(dǎo)的耦合端結(jié)構(gòu)，然后將襯底硅
向內(nèi)刻蝕10至50 um，形成10至50 um 二氧化硅波導(dǎo)包裹硅波導(dǎo)的懸空 的耦合端結(jié)構(gòu)，減小光纖向波導(dǎo)耦合時的襯底泄漏損耗。
具體地，本發(fā)明提出一種提高波導(dǎo)與光纖耦合效率的方法，包括以下
步驟
在納米線波導(dǎo)頂層淀積二氧化硅；
對二氧化硅進(jìn)行光刻和干法刻蝕，刻蝕二氧化硅至襯底；
在輸入/輸出端向內(nèi)刻蝕襯底，
在輸入/輸出端的耦合結(jié)構(gòu)處形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
進(jìn)--步，所述襯底為硅襯底。
進(jìn)一步，所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為以空氣為外包層、方形二氧化硅波導(dǎo)和被其 包裹的納米線倒錐形耦合波導(dǎo)為芯層。
進(jìn)一步，所述二氧化硅波導(dǎo)位于輸入/輸出端，長度為100微米，其截
面為方形。
進(jìn)一步，在所述輸入/輸出端向內(nèi)刻蝕硅襯底的刻蝕距離為io微米至
50微米。
進(jìn)一步，所述向內(nèi)刻蝕硅襯底的方法為濕法刻蝕。
進(jìn)一步，所述濕法刻蝕在KOH溶液中進(jìn)行。 采用本發(fā)明提出的方法可以形成以空氣為外包層、矩形二氧化硅波導(dǎo) 和倒錐形波導(dǎo)共同組成芯層的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有效的提高了耦合結(jié)構(gòu)對 光場的限制能力，降低了倒錐形耦合結(jié)構(gòu)端頭的彌散損耗，消除了光場擴(kuò) 散后向襯底的泄漏損耗；該耦合端結(jié)構(gòu)為方形，其方形的光場分布與光纖 的圓形光場分布可以較好匹配，光場失配損耗小，提高與光纖的耦合效率。


圖l (a)為納米線波導(dǎo)器件制成后的整體示意圖； 圖l (b)為器件表面淀積二氧化硅后的整體示意圖； 圖l (c)為刻蝕二氧化硅后的整體示意圖； 圖l (d)為刻蝕襯底硅后的整體示意圖；圖2 U)為未改進(jìn)的耦合結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2 (b)為改進(jìn)后的耦合結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí) 施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
圖1 (a)為納米線波導(dǎo)器件制成后的整體示意圖，納米線波導(dǎo)制作于 SOI晶片上，1為硅納米線波導(dǎo)，制作于SOI晶片的頂層硅上，2為SOI 晶片的埋層二氧化硅，該二氧化硅層厚度為1至3微米，3為S0I晶片的 襯底硅。
圖1 (b)為器件表面淀積二氧化硅后的整體示意圖，采用等離子體增 強(qiáng)化學(xué)氣相淀積PECVD工藝方法在制作好的納米線波導(dǎo)1表面淀積，利用 硅垸與一氧化二氮在350攝氏度反應(yīng)生成二氧化硅，反應(yīng)方程式如下
Si仏(氣態(tài))+2化0 (氣態(tài))——S瓜(固態(tài))+2N2 (氣態(tài))+2仏(氣態(tài))。
在納米線波導(dǎo)1表面生長一層厚度為1至3微米的上包層二氧化硅4， 上包層4的厚度與埋層二氧化硅2的厚度相同或略厚。
制作刻蝕二氧化硅圖形的光刻版，然后對包裹納米線波導(dǎo)的二氧化硅 層4、 2進(jìn)行光刻和刻蝕。采用反應(yīng)離子刻蝕工藝對二氧化硅層4、 2進(jìn)行 干法刻蝕，該刻蝕反應(yīng)中釆用CR與&的混合氣體作為Si02的刻蝕氣體， 其中H2在混合氣體內(nèi)的含量為混合氣體體積的50%,該組分的CFy仏混合 氣體對二氧化硅和硅的選擇刻蝕比超過40:1，刻蝕選擇性較好。在等離子 體環(huán)境中，CF4可以產(chǎn)生氟原子，氟原子與二氧化硅發(fā)生反應(yīng)，從而刻蝕 二氧化硅，反應(yīng)方程式如下，<formula>formula see original document page 5</formula>4F (自由基)十Si(X (固態(tài))——SiF,(氣態(tài))+02 (氣態(tài))。 H.J勺作用是降低CR與硅的反應(yīng)速率，提高CF,I對二氧化硅和硅的選擇 刻蝕比。該刻蝕過程一直刻蝕到硅襯底3，如圖l (c)所示，在每一個輸 入/輸出端均形成一定長度的矩形二氧化硅波導(dǎo)包裹硅納米線波導(dǎo)的結(jié)構(gòu) 6。由于光纖內(nèi)的光場分布是圓對稱的，為提高耦合效率，耦合端的結(jié)構(gòu)也應(yīng)該是對稱的，即刻蝕二氧化硅波導(dǎo)的截面為方形，其高度在2至6微 米，寬度與高度值相等或相近。該二氧化硅波導(dǎo)包裹納米線波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的長
度為ioo微米左右。
將兩個耦合端分別浸入硅的腐蝕液中，該腐蝕液為K0H質(zhì)量比占23% 和IPA質(zhì)量比占13%的的堿性混合溶液，該腐蝕液對硅和二氧化硅具有很 高的選擇刻蝕比。該腐蝕液將與硅襯底發(fā)生反應(yīng)，腐蝕硅襯底，頂層硅納 米線波導(dǎo)有二氧化硅層保護(hù)，不會被腐蝕液腐蝕。腐蝕硅襯底的反應(yīng)方程 式為如下，
S i + 2 K0H+H20——K2S i 0:, + 2H2
通過該刻蝕過程，分別在輸入/輸出端將硅襯底3向內(nèi)刻蝕10至50 微米?？涛g完成后的整體結(jié)構(gòu)如圖1 (d)所示，耦合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)6的一部 分四周被空氣包圍，即在輸入/輸出端形成約10至50微米長的懸空結(jié)構(gòu)。
改進(jìn)后的耦合結(jié)構(gòu)是以空氣為外包層、方形二氧化硅波導(dǎo)和其包裹的 倒錐形納米線波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)共同作為芯層的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，方形二氧化硅波導(dǎo) 的截面高度為2至6微米，寬度與高度相同或相近。
圖2 U)和圖2 (b)分別為改進(jìn)前和改進(jìn)后兩種納米線波導(dǎo)耦合結(jié) 構(gòu)與光纖耦合的的示意圖。
納米線波導(dǎo)采用的耦合結(jié)構(gòu)為倒錐形耦合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)沿波導(dǎo)向耦合 端頭逐漸變窄。改進(jìn)前的納米線波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)如圖2 (a)所示，耦合結(jié)構(gòu) 被包裹在二氧化硅層2和4組成的平板結(jié)構(gòu)內(nèi)，倒錐形結(jié)構(gòu)的端頭很窄， 寬度僅為50至100納米左右，在倒錐形耦合結(jié)構(gòu)的端頭波導(dǎo)的有效折射 率將與二氧化硅的有效折射率相近，該處波導(dǎo)對光場的限制變差，光場將 向二氧化硅平板擴(kuò)散，產(chǎn)生彌散損耗；耦合端頭的光場向四周擴(kuò)散，會有 一部分光進(jìn)入襯底，在襯底形成泄漏模，造成襯底泄漏損耗。光纖與波導(dǎo) 的耦合效率可以通過下式計算，
T) = |IffF(x,y)-fw(x,y)dxdyl2/(J]fF2(x,y)dxdy'nfvv2(x，y)dxdy).
其中fp(x，y)和fw(x，y)分別表示光纖的光場分布和波導(dǎo)的光場分布。由 上式可以知道，光纖與波導(dǎo)的光場分布越相似，兩者之間的耦合效率越高; 反之，兩者的光場分布差異越大，耦合效率就越低。光纖內(nèi)的光場分布為圓形的，未改進(jìn)的耦合結(jié)構(gòu)中耦合端的倒錐形耦合結(jié)構(gòu)被二氧化硅平板包 裹，其光場分布與平板波導(dǎo)類似，即在豎直方向?qū)鈭鲇邢拗?，在水平?向上沒有限制，這使得光纖的光場分布與耦合端的光場分布不匹配，耦合 時發(fā)生光場失配損耗，降低了耦合效率。
改進(jìn)后的納米線波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)如圖2 (b)所示，通過俯視圖和剖面圖 可以看出，改進(jìn)結(jié)構(gòu)中把2、 4構(gòu)成的平板二氧化硅結(jié)構(gòu)刻蝕成矩形二氧
化硅包裹納米線硅波導(dǎo)1的耦合結(jié)構(gòu)6。耦合結(jié)構(gòu)沿波導(dǎo)向端頭逐漸變窄，
光場逐漸擴(kuò)展至波導(dǎo)外部，由于有矩形二氧化硅波導(dǎo)的存在，使得擴(kuò)散出
來的光場被限制在矩形二氧化硅波導(dǎo)內(nèi)，而且由于襯底3被腐蝕了一部分， 形成了以空氣為外包層、矩形二氧化硅波導(dǎo)和倒錐形波導(dǎo)共同組成芯層的 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)有效的提高了耦合結(jié)構(gòu)對光場的限制能力，降低了倒錐 形耦合結(jié)構(gòu)端頭的彌散損耗，消除了光場擴(kuò)散后向襯底的泄漏損耗；該耦 合端結(jié)構(gòu)為方形，其方形的光場分布與光纖的圓形光場分布可以較好匹 配，光場失配損耗小，提高與光纖的耦合效率。
雖然參照上述實(shí)施例詳細(xì)地描述了本發(fā)明，但是應(yīng)該理解本發(fā)明并不 限于所公開的實(shí)施例，對于本專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，可對其形式和細(xì) 節(jié)進(jìn)行各種改變。本發(fā)明意欲涵蓋所附權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)的各種 變形。
權(quán)利要求
1、一種提高波導(dǎo)與光纖耦合效率的方法，其特征在于，包括以下步驟在納米線波導(dǎo)頂層淀積二氧化硅；對二氧化硅進(jìn)行光刻和干法刻蝕，刻蝕二氧化硅至襯底；在輸入/輸出端向內(nèi)刻蝕襯底；在輸入/輸出端的耦合結(jié)構(gòu)處形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述襯底為硅襯底。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為以空 氣為外包層、方形二氧化硅波導(dǎo)和被其包裹的納米線倒錐形耦合波導(dǎo)為芯 層。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述二氧化硅波導(dǎo)位 于輸入/輸出端，長度為100微米，其截面為方形。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在所述輸入/輸出端向 內(nèi)刻蝕硅襯底的刻蝕距離為10微米至50微米。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述向內(nèi)刻蝕硅襯底 的方法為濕法刻蝕。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述濕法刻蝕在KOH溶液中進(jìn)行。
全文摘要
本發(fā)明是一種提高波導(dǎo)與光纖耦合效率的方法。該方法包括，在制作好的波導(dǎo)表面淀積二氧化硅，將波導(dǎo)完全包裹住，然后刻蝕二氧化硅至襯底硅，形成二氧化硅波導(dǎo)包裹硅波導(dǎo)的耦合端結(jié)構(gòu)，然后將襯底硅向內(nèi)刻蝕10微米至50微米，形成10微米至50微米的二氧化硅波導(dǎo)包裹硅波導(dǎo)的懸空耦合端結(jié)構(gòu)。本發(fā)明有效地提高了耦合結(jié)構(gòu)對光場的限制能力，降低了倒錐形耦合結(jié)構(gòu)端頭的彌散損耗，消除了光場擴(kuò)散后向襯底的泄漏損耗，提高與光纖的耦合效率。
文檔編號G02B6/12GK101587207SQ20081011220
公開日2009年11月25日 申請日期2008年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月21日
發(fā)明者劉育梁, 磊 張, 林 楊, 耿敏明, 賈連希 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所