[发明专利]一种用于模场转换耦合结构的制备方法及其制备结构

说明书

本发明公开了一种用于光子芯片模场转换的多层耦合结构，耦合结构中的下层为锥形结构，上层为尺寸较大的光波导结构，在下层锥形结构中传输的光束逐渐转移至上层光波导结构中进行传输，实现了光子芯片与光纤之间的光束高效率传输，具有耦合损耗低、易于制备的优点。本发明还公开了基于化学机械抛光方法的结构制备方法，具有成本低廉、加工效率高、工艺简单以及成品率高等诸多优点。

技术领域

本发明涉及模场转换的耦合结构制备领域，特别涉及用于光子芯片模场转换的多层耦合制备领域。

背景技术

大规模光子集成芯片是实现未来光量子技术、高速光通讯和光信息处理技术的关键器件。光子芯片上的光波导截面尺寸通常为亚微米级，如此小的尺寸为大规模集成提供了可能；但另一方面，由于现代光传输网络基于光纤进行构建，而标准通信光纤截面尺寸通常为数微米。当光波在光纤与光子芯片光波导之间传递时，两者截面尺寸的差异导致了耦合效率极低，耦合损耗极大，显著降低了光信号处理与传输的效率与性能。为解决这一问题，人们通常采用光栅结构与锥形结构以实现片上模场转换和匹配，从而获得高的耦合效率。前者使用光栅结构，具有排布紧凑、便于片上任意点测试以及易于对准的优点；但其缺点是耦合效率低、带宽窄以及对光波长敏感。后者将待转换的光子芯片上波导末端制备成逐渐变细或变薄的锥形结构。具有耦合效率高，波长敏感性低等优点，但由于其结构尺寸较小，且对结构加工精度要求极高，往往需要借助线宽相比光子芯片波导特征尺寸远小的制备手段，例如采用如深/极紫外光刻、电子/离子束直写等方法进行加工，这将大大增加工艺成本和降低制备效率。

发明内容

现有的光栅或锥形耦合结构无法同时兼顾较高的耦合效率和易于制备的优点，而本发明所提出的耦合结构制备方法，制备出来的结构不仅具有耦合效率高、模场转换损耗低以及波长敏感性低的优点，由于其采用化学机械抛光方法进行制备，因而还兼具制备便利、成本低的优势。

本发明目的通过采用以下技术方案实现：

一种用于模场转换的耦合结构的制备方法，所述耦合结构至少包括一截面尺寸变化的波导结构，所述制备方法至少包括通过在波导层表面选择性地覆盖具有一定厚度的遮盖物，对于未覆盖的波导层暴露部分进行化学机械抛光处理，以形成具有所述波导结构的步骤。

所述截面尺寸变化为单调变化，可以是单调增加，也可以是单调减少，只要保证波导结构一端截面尺寸整体上小于另一端截面尺寸即可；优选地，该波导结构为锥形波导结构，也可以是抛物线形或其他单调变化的二次曲面形状。

所述制备方法还包括以下步骤：

a)在衬底层上形成波导层；b)用化学机械抛光处理的方式将波导层加工为锥形波导结构；c)在锥形波导结构上形成第一介质层；d)在第一介质层上形成另一波导结构；e)在另一波导结构之上形成第二介质层。

可以理解地，以上步骤a)-e)可以进行任意组合。

所述波导层为已制成的波导或者未制成波导的裸晶片；优选地，当所述波导层为未制成波导的裸晶片时，至少还包括将裸晶片形成宽度上进一步收窄的波导的步骤。

上述方法可用于制备得到用于模场转换的耦合结构，更进一步的，可以制备得到基于上述耦合结构的复合波导、多层光耦合结构和/或光子芯片的任一组合。

耦合结构由下至上至少包括两层波导结构，其中下层波导结构包括锥形波导结构；优选地，下层波导结构的折射率略大于或等于上层波导结构的折射率。上层波导结构在垂直于光传输方向的尺寸大于下层波导结构。

上层波导结构可以部分或全部覆盖在下层波导结构之上，或者部分或全部将下层波导包围起来；上述覆盖或者包围的方式可以是直接的，即上、下层波导之间不包含有其他介质层或者其他功能层；上述覆盖或者包围的方式也可以是间接的，即在上、下层波导之间还设置有其他介质层或者其他功能层。