[发明专利]一种基于多层相位匹配波导的光纤耦合结构及其制备方法

权利要求书

1.一种基于多层相位匹配波导的光纤耦合结构，其特征在于：包括衬底层(1)，在衬底层(1)上设有下包层(2)，在下包层(2)上设有前锥形后锥形的模式过渡器(3)，所述模式过渡器(3)包括与TE匹配的硅纳米波导(301)、用于过渡TM模式的硅锥形过渡波导(302)以及与TM匹配的硅纳米波导(303)，所述与TE匹配的硅纳米波导(301)的长度为TE模的耦合长度，所述与TM匹配的硅纳米波导(303)的长度为TM模的耦合长度；在与TE匹配的硅纳米波导(301)上设有TE模匹配多层波导(4)，在与TM匹配的硅纳米波导(303)上设有TM模匹配多层波导(5)，所述TM模匹配多层波导(5)将TM模耦合到TE模匹配多层波导(4)中，所述TE模匹配多层波导(4)将TE模和TM模同时耦合到光纤(7)中，所述光纤(7)与TE模匹配多层波导(4)中心对准；在TE模匹配多层波导(4)和TM模匹配多层波导(5)上设有上覆盖层(6)。

2.根据权利要求1所述的基于多层相位匹配波导的光纤耦合结构，其特征在于：所述与TE匹配的硅纳米波导(301)的长度为100-200μm。

3.根据权利要求1所述的基于多层相位匹配波导的光纤耦合结构，其特征在于：所述硅锥形过渡波导(302)为锥形结构，长度大于50μm。

4.根据权利要求1所述的基于多层相位匹配波导的光纤耦合结构，其特征在于：所述与TM匹配的硅纳米波导(303)的长度为100-150μm。

5.根据权利要求1所述的基于多层相位匹配波导的光纤耦合结构，其特征在于：所述TE模匹配多层波导(4)与TM模匹配多层波导(5)之间的间距为100nm-500nm。

6.根据权利要求1所述的基于多层相位匹配波导的光纤耦合结构，其特征在于：所述模式过渡器(3)的材料为硅、磷化铟或砷化镓。

7.根据权利要求1所述的基于多层相位匹配波导的光纤耦合结构，其特征在于：所述TE模匹配多层波导(4)为多晶硅、磷化铟或者砷化镓和二氧化硅相互间隔的多层结构。

8.一种基于多层相位匹配波导的光纤耦合结构制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：取一片硅作为衬底层(1)，对硅片表面通过化学气相沉积法沉积2-3μm的二氧化硅包层，该包层为下包层(2)；

步骤2：在下包层(2)上通过化学气相沉积法沉积2-3μm的硅波导层；

步骤3：利用光刻和刻蚀工艺制备模式过渡器(3)；采用光刻设备EBL作为曝光设备，电子束曝光无需掩模板制作，按掩模图形中的图案及次序依次完成；曝光采用固定平台和移动平台相结合的方式，图形曝光的基本剂量为70μC/cm²，工作步长为10μm，设备曝光时采用20kv的加速电压，电子枪孔径尺寸为10μm；刻蚀采用感应耦合等离子体技术(ICP)，反应气体选择SF₆和C₄F₈，SF₆的流量为10.7sccm,C₄F₈的流量为4.9sccm，线圈RF的功率为500W，频率为13.56Mhz，基板RF的功率为20W，频率为13.56Mhz，工作压强1mTorr,腔体温度控制为65℃，刻蚀速度为1.83nm/s；

步骤4：对刻蚀后的样片去除残留掩膜、沉积厚度为100-500nm的石英玻璃层，沉积结束，利用化学机械抛光法(Chemical Mechanical Polishing，CMP)平坦化处理；

步骤5：在石英玻璃层上通过PECVD多次生长，得到多层波导层；

步骤6：同步骤3所述，利用光刻和刻蚀工艺制备TE模匹配多层波导(4)、TM模匹配多层波导(5)结构。