[发明专利]光波模式转换装置及其制造方法

说明书

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种光波模式转换装置及其制造方法。所述光波模式转换装置，包括同层设置的第一波导和第二波导，且所述第一波导的折射率大于所述第二波导；所述第二波导朝向所述第一波导的端部具有开口，所述开口的直径沿所述第二波导指向所述第一波导的方向逐渐增大，且所述第一波导的光耦合端面与所述开口对齐设置。本发明不仅降低了光学器件的工艺复杂度，而且提高了两种波导之间的耦合效率，实现了两种波导之间的低损耗互连。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种光波模式转换装置及其制造方法。

背景技术

随着网络产品的更新换代，网络中使用模块的尺寸和功耗都在不断变小，以满足成本不断降低、性能不断提高的需求。硅基光子器件因其低成本、超小型尺寸、低功耗等独特特性，近几年受到产业界的广泛关注，成为网络产品更新换代中重点考虑的方向之一。

现有技术中，由于氮化硅波导非线性低、允许输入更大能量、以及能够实现更低的传输损耗的特点，因而在需要有较大能量的输入中具有天然的优势。但是，氮化硅材料的性质决定了其不适合制作有源器件比如调制器。为了解决这一问题，现有技术中已经出现了光波模式转换装置。所谓光波模式转换装置是一种光子器件，其配置是用于将氮化硅波导中的光耦合到硅中，进行有源器件的制作，或者使光模在第一模尺寸与第二模尺寸之间转换。模尺寸是指模在光波导中某一方向上的大小，例如能量在横向上的分布。模形状是指模尺寸在两个不同方向(例如水平方向与竖直方向)上的相对大小。

但是，现有的光波模式转换器都是针对位于不同层中的波导在竖直面内进行光线的耦合，这不仅导致光学器件制造工艺复杂度的增加，而且耦合效率极低，光损耗较为严重。

因此，如何实现具有不同模场的光波导之间的低损耗耦合，降低光学器件的工艺复杂度，是目前亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种光波模式转换装置及其制造方法，用以解决现有具有不同模场的光波导之间光耦合效率低的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种光波模式转换装置，包括同层设置的第一波导和第二波导，且所述第一波导的折射率大于所述第二波导；所述第二波导朝向所述第一波导的端部具有开口，所述开口的直径沿所述第二波导指向所述第一波导的方向逐渐增大，且所述第一波导的光耦合端面与所述开口对齐设置。

优选的，所述第一波导为硅波导，所述第二波导为氮化硅波导，所述开口内填充有硅锥形结构，所述硅锥形结构的底面与所述第一波导的光耦合端面对齐连接。

优选的，还包括SOI衬底，所述第一波导及所述硅锥形结构由所述SOI衬底的顶层硅制造而成，所述第二波导位于所述SOI衬底的埋氧化层表面。

优选的，所述第一波导与所述第二波导厚度相同。

优选的，还包括覆盖于所述第一波导与所述第二波导表面的上包层。

优选的，所述上包层的材料为二氧化硅。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种光波模式转换装置的制造方法，包括如下步骤：

提供衬底；

形成第一波导于所述衬底表面；

形成第二波导于所述衬底表面，所述第二波导的折射率小于所述第一波导，且所述第二波导朝向所述第一波导的端部具有开口，所述开口的宽度沿所述第二波导指向所述第一波导的方向逐渐增大，且所述第一波导的光耦合端面与所述开口对齐设置。

优选的，所述衬底为SOI衬底；形成第一波导于所述衬底表面的具体步骤包括：

刻蚀所述SOI衬底的顶层硅，同时形成第一波导及硅锥形结构、并限定出第二波导区域；所述硅锥形结构的底面与所述第一波导的光耦合端面对齐设置。