[发明专利]基于衬底SiON波导键合实现模斑转换的方法及模斑转换器

说明书

本发明公开了基于衬底SiON波导键合实现模斑转换的方法及模斑转换器，包括：准备硅衬底和SOI晶圆，在所述硅衬底上制作第一凹槽；制作SiO₂下包层以填充所述第一凹槽；在所述SiO₂下包层内制作第二凹槽；制作第一SiON波导层以填充所述第二凹槽，进行平坦化处理；将所述SOI晶圆的顶层硅键合到所述硅衬底表面，并去除所述SOI晶圆的衬底硅层和埋氧层；刻蚀所述顶层硅，形成所述第一SiON波导层上的硅波导；在所述第一SiON波导层上制作第二SiON波导层以形成SiON波导；制作SiO₂上包层以包覆所述SiON波导。本发明能防止模场泄露，可实现非气密性封装，耦合效率高，兼容CMOS工艺。

技术领域

本发明属于硅光技术领域，具体涉及基于衬底SiON波导键合实现模斑转换的方法及模斑转换器。

背景技术

硅光芯片中端面耦合波导的模斑转换技术一直是硅光芯片商用化的核心技术难点，硅波导的模斑尺寸的直径在0.5um附近，而与之耦合的单模光纤模斑尺寸约10um，巨大的模式失配造成了很大的端面耦合损耗。

现有技术中通过Inverse Taper的结构可以把硅光波导的模斑尺寸扩展到3um左右，但是由于衬底SiO₂埋氧层(Box)和上包层(Cladding)厚度的限制，模斑尺寸很难进一步增加，同时由于衬底硅的存在，模式容易扩散到衬底硅中。基于悬臂梁的结构的端面耦合波导虽然能够将模斑尺寸进一步增加，但是其悬空的物理结构难以保证器件结构的稳定性，同时也不适合非气密的封装。

发明内容

针对现有技术中所存在的不足，本发明提供一种能防止模场泄露、可实现非气密性封装的基于衬底SiON波导键合实现模斑转换的方法及模斑转换器。

本发明的一个方面，基于衬底SiON波导键合实现模斑转换的方法，包括如下步骤：

准备硅衬底和SOI晶圆，在所述硅衬底上制作第一凹槽；

制作SiO₂下包层以填充所述第一凹槽；

在所述SiO₂下包层内制作第二凹槽；

制作第一SiON波导层以填充所述第二凹槽，进行平坦化处理；

将所述SOI晶圆的顶层硅键合到所述硅衬底表面，并去除所述SOI晶圆的衬底硅层和埋氧层；

刻蚀所述顶层硅，形成所述第一SiON波导层上的硅波导；

在所述第一SiON波导层上制作第二SiON波导层以形成SiON波导；

制作SiO₂上包层以包覆所述SiON波导。

进一步地，所述制作SiO₂下包层以填充所述第一凹槽，具体包括：在所述硅衬底上生长SiO₂材料以填充所述第一凹槽，并进行平坦化处理，形成SiO₂下包层。

进一步地，所述制作第一SiON波导层以填充所述第二凹槽，具体包括：在所述硅衬底上生长SiON材料以填充所述第二凹槽，并进行平坦化处理，形成第一SiON波导层。

进一步地，在所述第一SiON波导层上制作第二SiON波导层以形成SiON波导，具体包括：在所述硅衬底、SiO₂下包层、第一SiON波导层和硅波导的表面生长第二SiON波导层，并进行平坦化处理；刻蚀所述第二SiON波导层以形成SiON波导。

进一步地，所述硅波导为宽度渐变的倒锥形结构。

进一步地，所述硅波导位于所述SiON波导的中心位置。

进一步地，所述平坦化处理的方式包括化学机械研磨处理。