[发明专利]基于聚合物波导的光纤与硅波导耦合结构及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及光通信器件领域，具体涉及基于聚合物波导的光纤与硅波导耦合结构及其制作方法。

背景技术

光纤耦合是光集成器件封装中的一项重要技术，常采用小波导截面，它能够使高折射率波导器件非常紧凑。但是，这种方案中光纤与高折射率波导之间产生的巨大的模式失配，会导致较高的耦合损耗。为此，现有技术采用倒锥形耦合器解决光纤与高折射率波导模式失配问题，原理为：光首先从光纤耦合到一个低折射率波导；然后从低折射率波导耦合到高折射率倒锥耦合器。

目前，与平面光纤耦合的倒锥耦合器采用的是悬臂梁结构，这种结构不仅制作工艺复杂，还可能降低光纤耦合结构的可靠性降低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是光纤耦合结构工艺复杂、可靠性低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种基于聚合物波导的光纤与硅波导耦合结构，包括一个绝缘体上硅晶圆和设置在所述绝缘体上硅晶圆的光纤；所述绝缘体上硅晶圆从上至下依次包括上层硅、埋氧层和衬底硅，

所述上层硅上设有自右而左依次布置的聚合物直波导和聚合物渐变波导，并在所述上层硅没有布置所述聚合物直波导和聚合物渐变波导的部分覆盖一层二氧化硅覆盖层，所述聚合物渐变波导的窄端与所述聚合物直波导连接，宽端与所述光纤的纤芯对准；

所述上层硅上设有硅波导，所述硅波导的左端为宽度渐变的倒锥结构，右端为直硅波导，所述倒锥结构和部分所述直硅波导包覆在所述聚合物直波导内，所述直硅波导的其余部分覆盖在所述二氧化硅覆盖层，所述直硅波导的右端面与所述二氧化硅覆盖层的右端面平齐，作为光输出或输入端口；

在所述绝缘体上硅晶圆的左端顶面上设有V型槽，所述V型槽在深度方向上依次贯穿所述二氧化硅覆盖层、上层硅和埋氧层，底端位于所述衬底硅；所述光纤固定在所述V型槽内。

在上述耦合结构中，所述二氧化硅覆盖层的厚度H满足条件：2μm≤H≤3μm。

在上述耦合结构中，所述倒锥结构的尖端宽度小于等于180nm，长度L满足条件：200μm≤L≤400μm。

在上述耦合结构中，所述倒锥结构的尖端与所述聚合物直波导与聚合物渐变波导连接处的距离L1满足条件：2μm≤L1≤5μm。

在上述耦合结构中，所述聚合物直波导宽度W、厚度H1满足条件：1μm≤W≤3μm，8μm≤H1≤9μm。

在上述耦合结构中，所述聚合物渐变波导宽端宽度为W1，长度为L2，折射率为n，且8μm≤W1≤9μm，100μm≤L2≤300μm，1.5≤n≤2。

在上述耦合结构中，所述聚合物渐变波导厚度与所述聚合物直波导厚度相同；所述聚合物渐变波导的窄端宽度与所述聚合物直波导宽度相同。

本发明还提供了一种基于聚合物波导的光纤与硅波导耦合结构的制作方法，具体包括以下步骤：

首先在绝缘体上硅晶圆上通过光刻和刻蚀制作直硅波导和倒锥结构；

其次通过气相沉积的方式沉积二氧化硅覆盖层；

再将倒锥结构和与倒锥结构相邻的部分直硅波导上方的二氧化硅覆盖层刻蚀掉；

最后通过旋涂的方式将聚合物覆盖在绝缘体上硅晶圆上，在绝缘体上硅晶圆的上层硅上制作聚合物渐变波导，以及包覆倒锥结构和与倒锥结构相邻的部分直硅波导的聚合物直波导。

本发明利用旋涂和光刻在SOI晶圆上制作的聚合物渐变波导和聚合物直波导，实现高折射率硅波导的倒锥结构尖端与光纤间的模场尺寸转换，不仅提高耦合效率，还由于不再采用悬臂梁工艺，使得工艺复杂度降低，保证光纤耦合结构的可靠性。

附图说明

图1为本发明提供的基于聚合物波导的光纤与硅波导耦合结构的主视图；

图2为本发明提供的基于聚合物波导的光纤与硅波导耦合结构的俯视图；

图3为本发明提供的基于聚合物波导的光纤与硅波导耦合结构的左视图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做出详细的说明。

如图1、2、3所示，本发明提供的基于聚合物波导的光纤与硅波导耦合结构，包括一个SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘体上硅)晶圆和设置在SOI晶圆的光纤1。

SOI晶圆从上至下依次包括上层硅8、埋氧层10和衬底硅9；