[发明专利]硅基复合介质模斑转换器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及集成光电子技术领域，特别涉及一种硅基复合介质模斑转换器及其制备方法。

背景技术

光子器件的发展趋势是小型化、集成化。由于硅与氧化硅两种材料的折射率差接近2，使得基于绝缘体上硅(SOI)衬底的硅波导对光场有很强的限制作用，单模传输的硅波导仅有几百纳米，拐弯半径也仅在微米级，这使得光子器件的小型化、集成化成为可能。且由于硅纳米波导中光功率密度能够很高，与玻璃光纤相比非线性效应能够增加几个数量级，可用于实现光通信中的变频、混频功能。此外，基于SOI衬底的光子器件便于与CMOS工艺兼容，能够实现光子器件和电子器件的集成，便于批量化生产，降低成本。

但是，基于硅基的微纳光子器件并没有在实际通信系统中大规模应用，这其中的一个主要原因就是由于微纳光波导和普通光纤它们各自传导的光斑模场不同。在连接时，模场的失配会产生严重的耦合损耗。通常情况下，单模硅基微纳光波导模场尺寸在几百纳米，而单模光纤模场尺寸则在10微米左右，如果不加特殊处理直接将硅基微纳波导与光纤对接耦合，将会有20dB以上的能量损耗。因此，长久以来光纤与硅基微纳光波导的高效耦合连接一直是集成光电子学领域中的一个技术问题。

国内外研究人员针对这一问题提出了多种解决方法，通常采用的有正向椎形模斑转换器、反向椎形模斑转换器、光栅耦合器。但是这些结构或多或少还存在一些问题，比如：正向锥形耦合器需要在三维空间实现波导尺寸大的变化，无论是采用灰度光刻亦或其他方法其工艺加工难度都很大；反向锥形耦合器因为尖端需要从几百纳米的尺寸连续变化到几十纳米，这对加工设备要求很高，且由于尺寸是连续降低侧壁刻蚀粗糙度产生的影响将不可忽略，这又使得其加工重复性面临考验；光栅耦合器由于其耦合机理使得其本身是一种波长敏感型器件，这使得一种结构的光栅耦合器往往只适合于固定带宽的光谱，使用时会带来一定的局限性。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种硅基复合介质模斑转换器及其制备方法，以克服上述耦合器件或波长敏感或制作上的困难，解决在微纳光波导与光纤之间高效耦合连接的技术问题。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种硅基复合介质模斑转换器，该模斑转换器具有一芯层及一包层，该包层包覆于该芯层，该芯层由硅和氧化硅两种材料构成；在沿光的传输方向上硅和氧化硅两种材料交替排列构成周期结构，在每个周期内硅和氧化硅两种材料的组分比例发生变化。

上述方案中，在该模斑转换器与微纳光波导的连接端，硅材料在周期结构中占主要成分；在该模斑转换器与光纤的连接端，氧化硅材料在周期结构中占主要成分；从与微纳光波导的连接端到与光纤的连接端，硅材料逐渐减少，氧化硅材料逐渐增多，硅与氧化硅材料在周期结构中的比例呈单调线性变化。

上述方案中，所述芯层是通过以下方式制作的：首先通过光刻定义出渐变结构的周期尺寸以及每个周期中硅材料所占的尺寸，经过干法刻蚀制备出硅结构，再经过氧化工艺填满周期结构中硅材料的空隙部分制备出氧化硅结构。

上述方案中，所述包层是通过高温氧化生长氧化硅，再经过平坦化工艺制成的。

为达到上述目的，本发明还提供了一种制作硅基复合介质模斑转换器的方法，该方法包括：

步骤1：制作模斑转换器芯层硅结构；

步骤2：制作模斑转换器芯层氧化硅结构；以及

步骤3：制作模斑转换器包层。

上述方案中，所述步骤1包括：首先在SOI衬底上经光刻定义出复合介质结构的周期长度以及在每个周期中硅结构所占的尺寸大小，再经干法刻蚀在SOI衬底的顶层硅上制作出复合介质模斑转换器芯层中的硅结构。所述复合介质结构的周期长度A＝300nm，所述硅结构尺寸分别为30、50......250、270nm。

上述方案中，所述步骤2包括：将所述模斑转换器芯层硅结构的图形衬底进行氧化，一段时间后，芯层中硅结构的间歇将被氧化硅填满形成复合介质模斑转换器芯层中的氧化硅结构，该氧化硅结构与模斑转换器芯层硅结构一同构成复合介质模斑转换器的芯层材料。所述氧化硅的尺寸为270、250......50、30nm。

上述方案中，所述步骤3包括：继续生长氧化硅达到设计厚度，然后再经表面平坦化形成氧化硅上包层。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有如下有益的技术效果：