一种用于模场转换耦合结构的制备方法及其制备结构与流程

1.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：

2.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。


技术实现要素：

3.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。
4.本发明目的通过采用以下技术方案实现：
5.一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。
6.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。
7.所述制备方法还包括以下步骤：
8.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。
9.可以理解地，以上步骤a)-e)可以进行任意组合。
10.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。
11.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。
12.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。
13.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。
14.锥形结构的截面尺寸变化为宽度和/或厚度方向的逐渐变化；优选地，变化过程可以为随位置的线性变化或非线性变化。所述下层波导结构截面尺寸较大的一端与光子芯片耦接，所述上层波导结构在位于下层波导结构截面尺寸较小的一端与光纤耦接。
15.图1-3主要展示本发明方法所制备得到的耦合结构的一种优选示例，可以理解地，本发明所制备得到的耦合结构不限于图中形状。
16.其中，如图1所示，耦合结构由下至上至少包含两层波导结构。下层波导结构4沿光传输方向逐渐收窄，形成锥形结构；如图2、3所示，下层波导结构4，在图3中的截面尺寸小于图2中的尺寸。更优地，收窄为宽度与厚度同时收窄。如图1、2所示，下层波导结构4与光子芯片光波导结构位于同一衬底材料上(光子芯片光波导结构未在图中示出)，两者的端口尺寸一致，通过光子芯片耦接端口2相互耦合直连。
17.上层波导结构5为在锥形结构层上方设置的另一层尺寸较大的光波导结构，该光波导结构通过光纤耦接端口3与光纤耦合连接。具体地，如图3所示，6为上层波导结构中的光纤对接区，通过此区域与光纤直接对接(光纤相关结构未在图中示出)。虽然如图1-3所示，上层波导结构5，在图3中的截面尺寸与图2中的尺寸相同，但本领域技术人员可以不限于此进行实施，例如，上层波导结构5在图3中的截面尺寸大于或者小于图2中的尺寸，只要上层波导结构5在图2、3中的截面尺寸均大于下层波导结构4的尺寸即可。
18.在下层波导结构的光波导中传输的光束因为锥形结构而逐渐转移至上层波导结构的光波导中进行传输，最终实现光子芯片与光纤之间的光束传输和耦合，如图2、3所示，传输光束在图2中的下层波导结构4与图3中的光纤对接区6之间的传输过程中实现模场转换。
19.优选地，上层波导结构5如图1、2所示的那样部分地直接地覆盖在下层波导结构4。但本领域技术人员可以不限于此进行实施，例如，上层波导结构5将下层波导结构4完全直接地包围在内部。更优地，在下层波导结构4、上层波导结构5之间可设置第一介质层，用以增加两层的连接强度以及对折射率进行调控。更优地，可进一步或者单独仅在上层波导结构5的上方设置第二介质层，可进一步进行折射率的调控，此外，也可对多层耦合结构提供一定的保护功能。
20.如图4、5所示，本发明制备用于光子芯片模场转换的多层耦合结构的加工方法，其可用于将已制成的波导结构在任意位置处转化为多层耦合结构，也可用于在未制成波导结
构的裸晶片上直接制成多层耦合结构。对两种情况的实施步骤分别描述如下：
21.1、在已制成的波导结构任意位置处制备多层耦合结构
22.如图4所示，其中，图4(a)、4(c)、4(e)为制备流程中相关结构的截面图(侧视图)，图4(b)、4(d)、4(f)为制备流程中相关结构的俯视图。相关制备流程具体如下：
23.1)图4(a)、4(b)所示，任意选取一段已在衬底1制成的波导结构8的待加工样本；
24.2)图4(c)、4(d)所示，在已制成的波导结构8的表面选择性地覆盖具有一定厚度的遮盖物7，对其上表面进行化学机械抛光处理，用以对暴露的已制成的波导结构8部分进行去除；由于遮盖物具有一定的厚度，靠近遮盖物部分的波导结构去除效率较低，而远离遮盖物的波导结构去除效率较高，从而形成了离遮盖物越远，波导截面尺寸越小的具有锥形波导结构的下层波导结构4；
25.3)在下层波导结构4的上方镀一层薄膜，从而形成第一介质层(具体步骤图中未示出)；该膜层可增加波导结构间的连接强度，以及调节波导结构的折射率分布；可以理解地，该步骤亦可省略不予进行；
26.4)图4(e)、4(f)所示，在下层波导结构4或者在第一介质层上制备上层波导结构5。优选地，上层波导结构5为普通的直波导结构；其可通过半导体刻蚀方法、飞秒激光直写加工方法、化学机械抛光方法等多种成熟工艺进行制备；
27.5)可选地，在上层波导结构5的上方镀一层薄膜，从而形成第二介质层(具体步骤图中未示出)；该膜层可进一步调节波导结构的折射率分布，可选地，该膜层还能够提供一定的保护功能。
28.2、在未制成波导结构的裸晶片上制备多层耦合结构
29.如图5所示，其中，图5(a)、5(c)、5(e)、5(g)为制备流程中相关结构的截面图(侧视图)，图5(b)、5(d)、5(f)、5(h)为制备流程中相关结构的俯视图。相关制备流程具体如下：
30.1)图5(a)、5(b)所示，选取尚未制成波导结构的待加工样本，其中在衬底1上覆盖有未制成波导结构的裸晶片9；
31.2)图5(c)、5(d)所示，在未制成波导结构的裸晶片9的表面选择性地覆盖具有一定厚度的遮盖物7，对其上表面进行化学机械抛光处理，用以对暴露的未制成波导结构的裸晶片9部分进行去除；由于遮盖物具有一定的厚度，靠近遮盖物部分的裸晶片9去除效率较低，而远离遮盖物的裸晶片9去除效率较高，从而形成了离遮盖物越远，裸晶片截面尺寸越小的裸晶片楔形结构10；
32.3)图5(e)、5(f)所示，在裸晶片楔形结构10上，进一步通过半导体刻蚀方法、飞秒激光直写加工方法、化学机械抛光方法等多种成熟工艺制备宽度收窄的波导结构，从而得到厚度逐渐变薄、宽度逐渐收窄的锥形波导结构，最终形成了离遮盖物越远，波导截面尺寸越小的具有锥形波导结构的下层波导结构4。
33.4)在下层波导结构4的上方镀一层薄膜，从而形成第一介质层(具体步骤图中未示出)；该膜层可增加波导结构间的连接强度，以及调节波导结构的折射率分布；可以理解地，该步骤亦可省略不予进行。
34.5)图5(g)、5(h)所示，在下层波导结构4或者在第一介质层上制备上层波导结构5。优选地，上层波导结构5为普通的直波导结构；其可通过半导体刻蚀方法、飞秒激光直写加工方法、化学机械抛光方法等多种成熟工艺进行制备。
35.6)可选地，在上层波导结构5的上方镀一层薄膜，从而形成第二介质层(具体步骤图中未示出)；该膜层可进一步调节波导结构的折射率分布，可选地，该膜层还能够提供一定的保护功能。
36.本发明采用化学机械抛光方法制备锥形波导结构，具有较多的优点：
37.1)仅需要标准的化学机械抛光设备，相比高分辨率光刻、电子束直写方案，成本低廉。
38.2)化学机械抛光技术天然兼容各种尺寸晶片，相比高分辨率光刻、电子束直写方案，加工尺寸大，加工效率高。
39.3)制备得到的具有锥形波导的多层耦合结构，无需精确对准，相比现有的锥形耦合结构，工艺简单，成品率高。
40.4)相比干/湿法刻蚀技术，化学抛光技术天然容易实现粗糙度低的光滑表面，能够避免因波导表面和侧壁粗糙度高而引起传输损耗的额外降低。
附图说明
41.图1是本发明耦合结构的整体三维示意图；
42.图2是本发明耦合结构中与光子芯片光波导耦接端口的截面示意图；
43.图3是本发明耦合结构中与光纤耦接端口的截面示意图；
44.图4是在已制成的波导结构上制备耦合结构的流程图；
45.图5是在未制成波导结构的裸晶片上制备耦合结构的流程图。
46.图中示出：1-衬底、2-光子芯片耦接端口、3-光纤耦接端口、4-下层波导结构、5-上层波导结构、6-光纤对接区、7-遮盖物、8-已制成的波导结构、9-未制成波导结构的裸晶片、10-裸晶片楔形结构。
具体实施方式
47.为了更好地理解本发明，下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细描述，但本发明的实施方式不限于此。
48.以绝缘体上铌酸锂薄膜(lnoi)光子芯片为例，芯片上波导宽度为1μm，厚度为500nm。用100μm厚的聚乙烯薄膜作为遮盖物，仅暴露出300μm长的波导末端。用金丝绒抛光布，粒度20nm的二氧化硅小球抛光液作为抛光液。以转速50r/min进行抛光，抛光时间4min，即可实现长度为300μm、末端厚度和宽度为接近0的锥形波导结构。抛光时间与锥形结构尺寸的关系如下表所示。
49.抛光时间锥形结构长度末端截面宽度末端截面厚度0min300μm1μm500nm2min300μm0.5μm250nm4min300μm006min200μm00
50.在锥形波导结构上方镀厚度为100nm的二氧化硅薄膜。镀厚度为3μm的氮氧化硅薄膜。镀厚度为200nm的铬膜。使用飞秒激光直写加工技术去除部分铬膜区域，留下长度为300μm，宽度为3μm的铬膜，此铬膜区域位于锥形波导结构正上方。通过反应离子束刻蚀技术将
未被铬膜覆盖的氮氧化硅薄膜去除，留下的氮氧化硅薄膜即为上层波导结构。将铬膜去除。镀厚度为1.5μm的二氧化硅薄膜。
51.将最终获得的结构用作铌酸锂波导与接收波导/光纤的模场转换，可实现优于99％的转换效率。