[发明专利]绝缘体上硅基三维楔形模斑转换器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属光电子技术领域，特别是涉及一种基于微机械加工的SOI(Silicon-On-Insulator绝缘体上硅)基三维楔形模斑转换器，具体的说是一种利用硅晶片不同晶面的选择性腐蚀特性，采用体硅微机械加工工艺实现SOI基三维楔形模斑转换器的制作方法。

背景技术

20世纪60年代以来，光电子集成获得了长足的发展。集成电路发展的主流趋势就是集成系统的小型化。在用于通信波段的众多波导材料中，SOI材料特有的三明治结构在光电子器件的制备上有着得天独厚的优势，硅和二氧化硅材料的折射率分别为3.45和1.4，高对比的折射率大大提高了光信号在SOI基光电子器件中的传输效率，而SiO₂材料的折射率与空气(折射率为1)极为相近，即使没有表面覆盖层，SOI基光电子器件仍具有很好的对称环境，很大程度的简化了大部分光电子集成器件的制作工艺。除此之外，SOI材料还有着无与伦比的成本优势、工艺成熟性、与IC工艺兼容等特点，成为最有竞争力的实现光学集成和光电子集成的候选材料。

长期以来，SOI亚微米器件并没有大规模的应用于实际通信系统。一个很重要的原因是由于单模传输波导中的模斑尺寸小于1μm，而普通单模光纤中的模斑尺寸为8-10μm，由于二者之间模斑尺寸及有效折射率失配，光从光纤进入这种小尺寸的波导通常会带来很大的损耗。所以在集成光电子学领域，小尺寸光电子器件与光纤之间的耦合问题是一个长期具有挑战性的课题。

自60年代光电子研究开始，基于损耗分析，为了降低光纤和波导以及光纤和光子晶体之间的模式失配和有效折射率失配，国内外研究人员已经提出了许多耦合方法。在集成电路中，通常采用楔形结构作为模斑转换器来跟外界的元件连接。楔形模斑转换器的功能就是把光纤中的模式转化为波导中的模式。正向楔形结构是最直观的一种结构，与光纤连接的一端扩展为光纤尺寸大小，与小尺寸光电子器件连接的一端拉成楔形，一般包括二维楔形模斑转换器和三维楔形模斑转换器两种结构。其中，二维楔形模斑转换器结构较简单，研究较成熟，目前已通过对边界曲线形状和耦合长度的控制实现了较高的耦合效率。然而，由于在垂直方向的尺寸限制，其模场分布一般为扁平的椭圆形，与通用光纤的圆形高斯模场分布严重失配，大大降低了光纤与耦合器入射波导的耦合效率，在实际应用上具有很大的局限性。目前三维楔形模斑转换器的研究主要集中在理论分析和模拟上，水平方向和垂直方向灵活的尺寸变化使其有效提高了与光纤模场的匹配，具有更高的实用价值。由于工艺水平的限制，SOI基三维模斑转换器的实现，主要采用灰度掩膜技术(参见文献：Fabrication and characterization of three-dimensional silicon tapers，29 December 2003/Vol.11，No.26/OPTICS EXPRESS)。该方法主要采用深紫外曝光技术实现，工艺要求高，过程较复杂，曝光及刻蚀过程可控性较差，器件尺寸精度较低。因此我们提出了一种利用硅微机械加工工艺制作的SOI上的三维耦合器，制作工艺稳定可靠，而且能够大大提高光纤与硅基波导之间的耦合效率。

目前，针对硅晶体的各向异性特性的研究日臻成熟，体硅微机械加工工艺也日益完善，硅晶圆在各向异性腐蚀溶液如KOH中的腐蚀遇到(111)面会产生近乎腐蚀停止的特性。这是由于硅(111)面上每一个硅表面原子仅一个悬挂键，其初始反应仅与一个OH^-结合，紧接着的反应打断硅表面原子的三个背键，需转移3个电子到导带，且要结合三个OH^-，形成含水的硅化合物Si(OH)₄后，再与KOH进一步反应形成硅络合物，从而实现对硅表面的腐蚀。相比较而言，(111)表面硅原子有三个背键，且背键上的电子对应的能级较低，而(100)面每个硅原子只有两个背键，(110)面虽然每一个表面原子也有三个背键，但其背键表面态能级较高，且(110)面与隧道方向相应，H₂O容易穿透，所以，在KOH溶液中，(111)面的腐蚀速率远小于(100)面和(110)面，在50℃浓度为40％的KOH溶液中，(110)面、(100)面与(111)面的腐蚀速率比约为650∶400∶1。

发明内容