一种低插损端面耦合器的制作方法

1.本发明涉及微电子光器件技术领域，尤其涉及一种用于将光芯片与光纤进行耦合的低插损端面耦合器件。


背景技术：

2.光芯片需要和光纤进行耦合达到与外部光路连接的目的。常见的耦合方式包括端面耦合和光栅耦合等。其中，光栅耦合方式加工容易，光斑较大，但是存在插损大、波长敏感等局限性。而端面耦合方式由于硅波导的模场尺寸较小(例如200nm
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300nm级别)，与光纤模场(例如直径约10μm级别)尺寸不匹配，故需要实现模场尺寸的转换。
3.实现端面耦合的一种常用方法是采用悬臂梁结构，通过实现模场尺寸的转换，使得光纤和波导的模式尺寸相匹配，其具有损耗小、波长不敏感等优点。现有的悬臂梁结构往往需要采用挖槽工艺，对芯片上波导底部的硅衬底进行部分刻蚀掏空，保证波导底部无其他遮挡结构。同时在波导两侧设有多个悬臂结构，对波导起支撑作用。这种方式不仅工艺复杂，加工难度大，且该悬臂结构的健壮性较差，机械应力不足，在可靠性方面存在一定问题。
4.公开号为cn114594548a的专利文献公开了一种氮化硅波导辅助悬臂梁端面耦合器，包括硅衬底、氮化硅波导结构、硅波导结构、连接梁结构以及悬臂结构。其需要去除部分硅衬底，形成悬臂梁结构，以减少光向硅衬底的泄露。该发明中的波导由于采用了悬臂结构，需要对波导底部的硅衬底进行刻蚀，增加了工艺难度，也降低了波导的健壮性。
5.公开号为cn107765364a的专利文献公开了一种光斑转换器，该光斑转换器包括：第一芯以及第二芯；第一芯包括：常规波导和倒楔形波导，倒楔形波导包括：缓变部分以及过渡部分，过渡部分与常规波导相接，缓变部分与过渡部分相接，缓变部分的宽度变化率小于过渡部分的宽度变化率，宽度变化率为一段波导两端的宽度差与该段波导长度的比值。但是该发明存在耦合效率低，偏振敏感的缺陷。
6.综上，当前技术的主要缺陷主要有以下几个方面：对于采用光斑转换器的方案，存在偏振敏感且损耗较大的问题；对于采用悬臂梁结构的方案，需要将波导底部的硅刻蚀掉部分，使得波导悬空，工艺较复杂，且波导两端需要采用多个悬臂支撑，这种结构的健壮性比较差，容易出现波导断裂等问题。
7.因此，如何在保证性能较优的情况下简化工艺，提高端面耦合器的可靠性是当前需要解决的技术问题。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种低插损端面耦合器，以解决现有技术中存在的端面耦合插损大、悬臂梁结构工艺复杂且波导健壮性不足的问题。
9.为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
10.一种低插损端面耦合器，包括：
11.衬底；
12.设于所述衬底上的波导包层；
13.设于所述波导包层内的核心波导，所述核心波导的两端通过位于下方的所述波导包层部分支撑于所述衬底的表面上，所述核心波导包括以端部相连的常规波导和过渡波导，所述过渡波导被配置为具有远离所述常规波导方向上的逐渐收缩的宽度；
14.分设于所述核心波导两侧外的所述波导包层表面上的侧边槽；
15.设于所述侧边槽中的介质。
16.进一步地，所述侧边槽的底面位于所述波导包层中；或者，所述侧边槽的底面位于所述衬底的表面上，且露出所述衬底的表面；或者，所述侧边槽的底面穿过所述波导包层，并位于所述衬底中。
17.进一步地，所述侧边槽具有多边形或曲面形的水平截面，所述侧边槽具有垂直或倾斜的侧壁，所述侧边槽在所述核心波导的两侧对称设置或非对称设置。
18.进一步地，所述核心波导、所述波导包层以及所述侧边槽中的所述介质之间的折射率依次减小。
19.进一步地，所述侧边槽包括沿所述核心波导长度方向并列设置的多个子侧边槽。
20.进一步地，所述侧边槽上设有相连的侧边支槽，所述侧边支槽在靠近所述过渡波导一侧的所述波导包层的端面上形成开口，且所述侧边支槽的宽度小于所述侧边槽的宽度。
21.进一步地，所述侧边支槽包括直槽型、直角转折槽型、斜坡转折槽型或弧形槽型。
22.进一步地，所述过渡波导为一至多个；其中，当所述过渡波导为多个时，多个所述过渡波导以同侧端部与所述常规波导的同一端共同连接。
23.进一步地，所述多个所述过渡波导之间按水平并列方式、垂直并列方式、形成阵列方式分布。
24.进一步地，所述核心波导的轴线与耦合端面相垂直或倾斜。
25.由上述技术方案可以看出，本发明通过在核心波导两侧采用侧边槽结构，使得光场能够被限制在与单模光纤模场大小接近的范围内，相比无侧边槽的设计，可以有效降低插损。并且，本发明可通过直接刻蚀形成侧边槽，与悬臂梁结构相比，不需要对衬底进行掏空刻蚀，即不需要形成悬臂结构就可满足使用要求，实现了简化工艺的目的，同时提高了端面耦合器的健壮性。
附图说明
26.图1-图2为本发明一较佳实施例的一种低插损端面耦合器的结构示意图；
27.图3-图4为本发明一较佳实施例的一种侧边槽的深度结构示意图；
28.图5-图6为本发明一较佳实施例的一种形成侧边槽结构的工艺流程示意图；
29.图7-图10为本发明一较佳实施例的一种过渡波导的布置结构示意图；
30.图11-图16为本发明一较佳实施例的一种侧边槽的平面结构示意图。
具体实施方式
31.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中
的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
32.下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
33.请参阅图1，图1-图2为本发明一较佳实施例的一种低插损端面耦合器的结构示意图。如图1-图2所示(图中指示了笛卡尔坐标系，其中x轴、y轴代表水平面上的两个正交方向，z轴代表垂直平面上与x轴、y轴同时正交的方向，下同)，本发明的一种低插损端面耦合器，包括：衬底100；设于衬底100上的波导包层101；设于波导包层101内的核心波导103；分设于核心波导103两侧外的波导包层101表面上的侧边槽102，以及设于侧边槽102中的介质等几个主要结构组成部分。
34.请参阅图2。核心波导103的两端(图2显示为核心波导103的内外两端)通过位于其下方的波导包层101部分支撑于衬底100的表面上。即包覆核心波导103的波导包层101通过支撑在衬底100表面上，使核心波导103的两端(包括整体)都能得到衬底100的有效支撑，避免了采用现有的悬臂梁形式。
35.请参阅图1。核心波导103包括常规波导1032部分和过渡波导1031部分；常规波导1032的一端(图1显示为常规波导1032的下方一端)与过渡波导1031的一端(图1显示为过渡波导1031的上方一端)同向连接为一体。常规波导1032沿其长度方向可具有相同或基本相同的宽度。过渡波导1031沿其长度方向由一端(图1显示为过渡波导1031的上方一端)向另一端(图1显示为过渡波导1031的下方一端)具有逐渐收缩的宽度。即过渡波导1031在远离常规波导1032的方向上，且过渡波导1031在接近耦合端面104的方向上具有逐渐收缩的宽度，形成楔形结构。
36.请参阅图2。侧边槽102可采用建立在衬底100上的沟槽结构。在一较佳实施例中，侧边槽102的底面可正好位于衬底100的表面上，使得衬底100的上表面可从侧边槽102的底面上露出。
37.在一可选实施例中，侧边槽102的底面也可位于波导包层101中。即侧边槽102的底面与衬底100的表面之间可相距一定距离，如图3所示。
38.在其他可选实施例中，侧边槽102的底面还可穿过波导包层101的下端面进入衬底100中。即侧边槽102的底面位于衬底100的表面以下，如图4所示。
39.在一较佳实施例中，侧边槽102可以是多边形沟槽，即侧边槽102可具有多边形的水平截面。例如图1所示的矩形沟槽形式的侧边槽102。
40.也可以采用其他的多边形沟槽形式的侧边槽102，例如梯形沟槽形式的侧边槽102。
41.在一可选实施例中，侧边槽102也可具有曲面形的水平截面。
42.在一较佳实施例中，侧边槽102可具有垂直的侧壁，如图2-图4所示。
43.在一可选实施例中，侧边槽102也可具有倾斜的侧壁。
44.在一较佳实施例中，侧边槽102在核心波导103的两侧可按照对称方式进行设置，
如图1所示。
45.在一可选实施例中，侧边槽102在核心波导103的两侧也可按照非对称方式进行设置。
46.在一较佳实施例中，核心波导103、波导包层101以及侧边槽102中的介质之间的折射率依次减小。
47.在一较佳实施例中，侧边槽102中设置的介质不限于空气，也可以填充其他低于波导包层101折射率的介质材料。
48.在一实例中，侧边槽102中可填充折射率为例如1.437的匹配液作为介质。
49.请参阅图12。在一可选实施例中，位于核心波导103任意一侧的侧边槽102可包括沿核心波导103长度方向并列设置的多个子侧边槽1021。
50.进一步地，各子侧边槽1021的面积大小可以相同。或者，各子侧边槽1021的面积大小可不相同。
51.请参阅图11。在一较佳实施例中，侧边槽102可在靠近耦合端面104的一端(图11显示为侧边槽102的下方一端)上设有与侧边槽102相连的侧边支槽105。其中，侧边支槽105的一端与侧边槽102相连，侧边支槽105的另一端在靠近过渡波导1031一侧的波导包层101的端面(图示为位于下方的端面)上形成开口1051。侧边支槽105的宽度应明显小于侧边槽102的宽度。
52.在一可选实施例中，侧边支槽105可包括直槽型，如图13所示。
53.在另一可选实施例中，侧边支槽105可包括直角转折槽型，如图11和图16所示。其中，图11中的直角转折槽型的侧边支槽105与侧边槽102的下端端面相连；图16中的直角转折槽型的侧边支槽105是与侧边槽102的下端的侧面相连。
54.在另一可选实施例中，侧边支槽105可包括斜坡转折槽型(即转折角度不为直角)，如图14所示。
55.在其他可选实施例中，侧边支槽105还可包括弧形槽型，如图15所示。
56.侧边支槽105可作为针对侧边槽102进行点胶时的阻挡结构，利用侧边槽102与侧边支槽105之间的较大尺寸差异，阻碍胶水的流动，可以保证芯片在封装耦合场景下的点胶时，胶水不会从侧边槽102中流失。
57.请参阅图1-图2。在一较佳实施例中，常规波导1032为一个，过渡波导1031也为一个，常规波导1032与过渡波导1031采用同轴方式相连为一体结构。
58.在一可选实施例中，核心波导103的末端(图1显示为核心波导103的下方一端)可与耦合端面104之间保留一定间距。即核心波导103的末端与波导包层101位于耦合端面104处的端面之间可保留一定间距。
59.在一可选实施例中，核心波导103的末端也可与耦合端面104相平齐。
60.在一可选实施例中，核心波导103的前端(图1显示为核心波导103的上方一端)可与波导包层101靠近常规波导1032一侧的另一个端面之间保留一定间距。即可在核心波导103的前端与波导包层101靠近常规波导1032一侧的另一个端面之间保留一小段无核心波导103的区域。但本发明不作限定。
61.在一可选实施例中，核心波导103可适用于硅波导、氮化硅波导、氮氧化硅波导、铌酸锂波导、磷化铟波动、氧化铝波导、聚合物波导或其他高于氧化硅折射率的材料的波导。
62.在一较佳实施例中，波导包层101可采用氧化硅波导，衬底100可采用硅衬底100，核心波导103可采用硅波导。但不限于此。
63.请参阅图1-图2。在一较佳实施例中，氧化硅波导的波导包层101可为深刻蚀波导，即侧边槽102刻蚀到硅衬底100表面位置。
64.在一实例中，位于两个侧边槽102之间的波导包层101的宽度w2可为10μm，波导包层101的高度h1可为10μm，即位于两个侧边槽102之间的波导包层101的垂直截面尺寸为10μm
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10μm。
65.在一实例中，核心波导103中的过渡波导1031可采用倒楔形波导，其长度l1可为200μm；过渡波导1031的楔形尖端(图2显示为面向图面的一端)处端面的高度可为110nm，宽度可为90nm。
66.在一实例中，矩形侧边槽102的宽度w1或w3可为10μm，侧边槽102的高度也为h1，并可为10μm。
67.上述波导包层101、核心波导103和侧边槽102的尺寸仅作为一个示例，本发明不作限定。
68.位于两个侧边槽102之间的波导包层101的宽度和厚度可变，目的是尽量与单模光纤的尺寸相匹配。
69.本发明提供的方案中，通过侧边槽102的设计，使得高折射率小尺寸硅波导(核心波导103)和大尺寸氧化硅波导(波导包层101)相结合，从而降低了损耗。
70.作为一参考性测试结果，采用例如图1-图2结构下的模场分布，1550nm波长时的耦合损耗将小于0.3db。
71.侧边槽102除了图2所示的全刻蚀包层方案外，也可以是图3所示的浅刻包层，或可以是图4所示的刻蚀包层和部分衬底100(不掏空波导底部位置的衬底100部分材料)中的任意一种。
72.侧边槽102的形成可以直接采用一步刻蚀工艺来达到。具体的工艺流程示意图可如图5-图6所示。例如，可在硅衬底100上沉积氧化硅的波导包层101；并在波导包层101中形成核心波导103；然后，在核心波导103两侧的波导包层101表面上，通过刻蚀形成侧边槽102。
73.采用一步刻蚀工艺的优点是刻蚀深度可变。这样，在需要的时候也可以刻蚀到衬底100上表面的一部分。
74.针对侧边槽102的刻蚀，不仅限于垂直刻蚀，也可为带角度的刻蚀。
75.请参阅图7-图10。在一较佳实施例中，常规波导1032为一个，过渡波导1031可为多个。其中，多个过渡波导1031以位于同侧的一个端部(朝向图面以内方向的一个端部)的端面共同连接至常规波导1032的同一个端部的端面上。
76.在一可选实施例中，上述多个过渡波导1031之间可按水平并列方式排列，并包覆在波导包层101中，如图7所示的两个水平并列排列的过渡波导1031，或如图8所示的三个水平并列排列的过渡波导1031。
77.在另一可选实施例中，上述多个过渡波导1031之间可按垂直并列方式排列，并包覆在波导包层101中，如图10所示。
78.在其他可选实施例中，上述多个过渡波导1031之间还可按行列排布形成阵列的方
式分布，并包覆在波导包层101中，如图9所示的2
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2阵列形式等。并且，各行或各列中过渡波导1031的数量可不相同。
79.针对上述多个过渡波导1031的排列形式为不完全举例，也可以采用其他过渡波导1031设计。
80.针对含多层或多根过渡波导1031情形，在常规波导1032和过渡波导1031之间还可设置转换结构用于连接。
81.本发明核心波导103可在采用单层波导、双层波导或其他多层波导结构下实现模式转化。
82.本发明核心波导103的变化曲线可以采用线性、指数、抛物线、贝塞尔曲线、sin曲线、欧拉曲线、亚波长结构等策略实现模式转化，也可同时采用以上几种方式的组合来实现模式转化。
83.在其他可选实施例中，每个核心波导103的截面类型不限于图1-图2所示的通道波导类型，也可以是脊波导、槽波导或光子晶体波导等类型。
84.在一较佳实施例中，核心波导103的轴线可与耦合端面104相垂直设置，如图2所示。
85.在一可选实施例中，核心波导103的轴线与耦合端面104也可相倾斜设置。即核心波导103的轴线可与耦合端面104之间成一定的倾角。
86.上述端面耦合器的波长范围包括但不限于可见光波段、o波段、e波段、s波段、c波段、l波段、u波段和中红外波段中的至少一种。
87.综上，本发明通过在核心波导103两侧采用侧边槽102结构，使得光场能够被限制在与单模光纤模场大小接近的范围内，相比无侧边槽的设计，可以有效降低插损。并且，本发明可通过直接刻蚀形成侧边槽102，与悬臂梁结构相比，不需要对衬底100进行掏空刻蚀，即不需要形成悬臂结构就可满足使用要求，实现了简化工艺的目的，同时提高了端面耦合器的健壮性。
88.虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。