[发明专利]InP基的无源线波导的光纤光斑转换耦合器及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及光纤耦合领域，具体是指一种InP基的无源线波导的光纤光斑转换耦合器及制备方法。

背景技术

对于未来要实现的复杂的光通信网络，其所需的各种元件的工艺技术已经达到了比较成熟的状态。一方面，各种各样的光电半导体器件，如激光器、放大器、调制器、定向耦合器和探测器等都已具备了良好的性能；另一方面，光纤的传输性能也在不断地接近理论极限，传输距离也早已达到了应用所需的范围。然而，阻碍光通信网络不断发展的瓶颈在于光纤与芯片之间的耦合损耗很大。其根本原因在于光纤模斑与器件波导中的光斑模式之间不匹配，造成了很大的插入损耗和很高的封装成本。

基于上述问题人们提出的解决方案主要有两类：光栅耦合和渐变波导耦合。人们已经提出了一种基于SOI紧凑的矩形光栅耦合器，然而SOI并不适合制作半导体有源器件，而InP／InGaAsP系材料适合制作有源器件但InP系材料的垂直方向折射率的差值较低，不能够做类似SOI的强限制的矩形光栅。对于边入射的器件来说另一个解决方法是在器件的波导边缘制作一个水平方向的渐变波导结构，使得靠近光纤一端的波导尺寸接近于光纤芯层尺寸。但是这种渐变波导连接到尺寸很小的深脊波导时，由于波导中光场模式比较扩展，所以在模式转变中会损耗掉很大一部分，耦合效率不是很高。而我们在水平渐变波导层上又增加了一个很窄的脊波导，从而改变了波导芯层横向的折射率分布，使得中心折射率比两边高，降低了光场模式横向的扩展，减小了耦合损耗。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种InP基的无源线波导的光纤光斑转换耦合器及制备方法，其是以较高效率实现光纤与线波导之间光斑转换耦合的器件结构及制备方法，以解决边入射器件中与光纤耦合效率较低的问题。

本发明提出一种InP基的无源线波导的光纤光斑转换耦合器，包括：

一衬底；

一下包层，其制作在衬底的中间部位，其形状为铲子形，一端为铲子的头部，另一端为柄部；铲形头部的前半部分为矩形结构，后半部分的宽度逐渐减小并对接到柄部；

一芯层，其制作在下包层的上面，其形状与下包层一致；

一上包层，其制作在芯层柄部的上面及铲子头部的后半部分，且其形状为条状结构。

本发明还提供一种InP基无源线波导的光纤光斑转换耦合器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：取一衬底；

步骤2：在衬底上依次生长下包层、芯层和上包层；

步骤3：在上包层上生长二氧化硅层；

步骤4：采用刻蚀的方法，在二氧化硅层的上面向下刻蚀，刻蚀深度到达衬底的表面，刻蚀的形状为一铲子形，该铲子形分为头部和柄部；柄部为较窄的线波导，头部的前半部分为较宽的直波导，后半部分为抛物线形波导，波导宽度逐渐减小对接在柄部的线波导上；

步骤5：去掉刻蚀后剩余的二氧化硅层；

步骤6：刻蚀铲子形的头部上的上包层，刻蚀深度小于上包层的厚度；

步骤7：在铲子形的头部所剩余的上包层上制作图形，刻蚀成一窄条状结构，其位于铲子形头部的后半部分的渐变波导之上，条状结构的厚度为0.3-0.4，宽度为1.5-2.5微米，完成制备。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的InP基光纤光斑转换耦合器结构，通过增加垂直方向的结构限制，增加了芯层中心区域的有效折射率，从而降低了光场在横向的扩展，提高了器件的光纤耦合效率。

2、本发明提供的InP基光纤光斑转换耦合器结构，通过宽的波导结构扩大了光纤对接时的容差范围，降低了器件封装和测试的难度，提高了器件的稳定性。

3、本发明提供的InP基光纤光斑转换耦合器的结构十分简单，制备工艺相比于光栅结构十分简便，而且没有增加任何新的工艺要求且其实现工艺十分成熟，完全可以兼容到所要集成器件的制备工艺中。

4、本发明提供的InP基光纤光斑转换耦合器的外延结构十分简单，而且下包层与上包层的材料可以适当的变化，从而可以根据所要集成的器件的外延结构选取适当的上下包层，降低了集成难度，扩大了器件的应用范围。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，其中：

图1为本发明的制备流程图；

图2为本发明的外延结构示意图；

图3为在外延结构上生长二氧化硅层的结构示意图；

图4为刻蚀后的结构示意图；

图5为刻蚀上包层后的结构示意图；