[实用新型]一种复合硅基波导结构

说明书

本实用新型提供的一种复合硅基波导结构，包括：弱束缚波导，包括第一芯层，所述第一芯层与弱束缚波导的模场直径匹配；强束缚波导，包括第二芯层以及覆盖所述第二芯层的顶部及侧壁的所述第三芯层；模斑转换结构，包括相连的、分别与所述弱束缚波导和所述强束缚波导连通的弱束缚部和强束缚部；所述弱束缚部和所述强束缚部分别为与所述弱束缚波导和所述强束缚波导一致的波导结构。

技术领域

本实用新型涉及光学波导技术领域，具体涉及一种复合硅基波导结构及其制造工艺。

背景技术

在现有硅基光学集成芯片结构中，常见波导芯层材料为单晶硅、掺杂二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等；常见波导包层材料为热氧化、PECVD或LPCVD方法制备的氧化硅层，或掺杂氧化硅层。其中，具有较高折射率的硅、氮化硅等芯层便于制备小模场波导，具有较小的弯曲半径，使得芯片具有较高的集成度。

标准单模光纤在通信波段C-Band的模场直径在4um-10um范围，而硅基波导的模场直径典型值小于2um，两者之间存在较大的模场失配。因此，硅波导与光纤的光学耦合方式，需要通过具有模场直径变换功能的耦合器件，常见的耦合器件为与芯片表面垂直耦合的光栅耦合器，和与芯片表面平行耦合的模斑变换器。

模斑变换器结构基于芯层厚度或宽度渐变的波导结构，然而波导的传输损耗来自于吸收和散射，由于硅波导通常采用干法刻蚀工艺制备，传输损耗主要来自于刻蚀面粗糙度引起的散射。界面粗糙引起的衰减系数与粗糙度平方呈正比，并随芯包折射率差增加而增加。目前典型干法刻蚀硅波导在通信波段的传输损耗为0.2dB/cm。

实用新型内容

因此，为了克服现有技术中波导传输存在一定损耗的问题，从而提供一种减少波导传输损耗,实现低损耗传输的复合硅基波导结构。

本实用新型的设计方案如下：

一种复合硅基波导结构，包括：弱束缚波导，包括第一芯层，所述第一芯层与弱束缚波导的模场直径匹配；强束缚波导，包括第二芯层以及覆盖所述第二芯层的顶部及侧壁的所述第三芯层；模斑转换结构，包括相连的、分别与所述弱束缚波导和所述强束缚波导连通的弱束缚部和强束缚部；所述弱束缚部和所述强束缚部分别为与所述弱束缚波导和所述强束缚波导一致的波导结构。

优选的，所述弱束缚部包括与所述第一芯层连接的第四芯层；所述第四芯层与所述第一芯层连接的端部厚度和/或宽度与所述第一芯层相同，自所述第一芯渐增；所述强束缚部包括分别与所述第二芯层和所述第三芯层连接的第五芯层和第六芯层；所述第五芯层与所述第二芯层连接的厚度和/或宽度与所述第二芯层相同，自所述第二芯层渐减；所述第六芯层与所述第三芯层连接的端部厚度和/或宽度与所述第三芯层相同，自所述第三芯层渐增并与所述第四芯层连接，连接处厚度和/或宽度相同。

优选的，所述强束缚部中的所述第五芯层和所述第六芯层为单级锥形结构或多级锥形结构。

优选的，所述第二芯层为矩形或梯形结构的四棱柱结构，所述第三芯层通过沉积方法形成。

优选的，所述复合硅基波导结构由下至上包括硅衬底层，下包层和上包层；所述第一芯层、所述第二芯层、所述第三芯层、所述第四芯层、所述第五芯层和所述第六芯层设置于所述上包层和所述下包层之间。

优选的，所述衬底层为单晶硅，所述上包层和所述下包层为二氧化硅或掺锗二氧化硅或硼磷共掺二氧化硅。

优选的，所述第一芯层、所述第三芯层、所述第四芯层和所述第六芯层采用下列材料之一：多晶硅，氮氧化硅，氮化硅，富硅氮化硅，富氮氮化硅。

优选的，所述第二芯层和所述第五芯层、采用下列材料之一：单晶硅、多晶硅、氮化铝、氧化锌、氮化硅、富硅氮化硅、富氮氮化硅、氮氧化硅。

本实用新型技术方案，具有如下优点：