基于聚合物波導(dǎo)的光纖與硅波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于聚合物波導(dǎo)的光纖與硅波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)及其制作方法，該結(jié)構(gòu)包括一個(gè)SOI晶圓和設(shè)置在SOI晶圓的光纖，SOI晶圓的埋氧層上設(shè)有自右而左依次布置的聚合物直波導(dǎo)和聚合物漸變波導(dǎo)，聚合物漸變波導(dǎo)的窄端與聚合物直波導(dǎo)連接，寬端與光纖的纖芯對準(zhǔn)；上層硅上設(shè)有硅波導(dǎo)，硅波導(dǎo)的左端為寬度漸變的倒錐結(jié)構(gòu)，右端為直硅波導(dǎo)倒錐結(jié)構(gòu)和部分直硅波導(dǎo)包覆在聚合物直波導(dǎo)內(nèi)，直硅波導(dǎo)的其余部分上覆蓋二氧化硅覆蓋層；在SOI晶圓的左端頂面上設(shè)有V型槽，V型槽在深度方向上依次貫穿二氧化硅覆蓋層、上層硅和埋氧層，底端位于襯底硅；光纖固定在V型槽內(nèi)。本發(fā)明不僅提高耦合效率，還降低了工藝復(fù)雜度，保證光纖耦合結(jié)構(gòu)的可靠性。
【專利說明】基于聚合物波導(dǎo)的光纖與硅波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)及其制作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光通信器件領(lǐng)域，具體涉及基于聚合物波導(dǎo)的光纖與硅波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)及其制作方法。

【背景技術(shù)】
[0002]光纖耦合是光集成器件封裝中的一項(xiàng)重要技術(shù)，常采用小波導(dǎo)截面，它能夠使高折射率波導(dǎo)器件非常緊湊。但是，這種方案中光纖與高折射率波導(dǎo)之間產(chǎn)生的巨大的模式失配，會導(dǎo)致較高的耦合損耗。為此，現(xiàn)有技術(shù)采用倒錐形耦合器解決光纖與高折射率波導(dǎo)模式失配問題，原理為:光首先從光纖耦合到一個(gè)低折射率波導(dǎo)；然后從低折射率波導(dǎo)耦合到高折射率倒錐耦合器。
[0003]目前，與平面光纖耦合的倒錐耦合器采用的是懸臂梁結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不僅制作工藝復(fù)雜，還可能降低光纖耦合結(jié)構(gòu)的可靠性降低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是光纖耦合結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜、可靠性低的問題。
[0005]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是提供一種基于聚合物波導(dǎo)的光纖與硅波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)絕緣體上硅晶圓和設(shè)置在所述絕緣體上硅晶圓的光纖；所述絕緣體上硅晶圓從上至下依次包括上層硅、埋氧層和襯底硅，
[0006]所述上層硅上設(shè)有自右而左依次布置的聚合物直波導(dǎo)和聚合物漸變波導(dǎo)，并在所述上層硅沒有布置所述聚合物直波導(dǎo)和聚合物漸變波導(dǎo)的部分覆蓋一層二氧化硅覆蓋層，所述聚合物漸變波導(dǎo)的窄端與所述聚合物直波導(dǎo)連接，寬端與所述光纖的纖芯對準(zhǔn)；
[0007]所述上層硅上設(shè)有硅波導(dǎo)，所述硅波導(dǎo)的左端為寬度漸變的倒錐結(jié)構(gòu)，右端為直硅波導(dǎo)，所述倒錐結(jié)構(gòu)和部分所述直硅波導(dǎo)包覆在所述聚合物直波導(dǎo)內(nèi)，所述直硅波導(dǎo)的其余部分覆蓋在所述二氧化硅覆蓋層，所述直硅波導(dǎo)的右端面與所述二氧化硅覆蓋層的右端面平齊，作為光輸出或輸入端口 ；
[0008]在所述絕緣體上硅晶圓的左端頂面上設(shè)有V型槽，所述V型槽在深度方向上依次貫穿所述二氧化硅覆蓋層、上層硅和埋氧層，底端位于所述襯底硅；所述光纖固定在所述V型槽內(nèi)。
[0009]在上述耦合結(jié)構(gòu)中，所述二氧化硅覆蓋層的厚度H滿足條件:2 ym < H < 3 μπι。
[0010]在上述耦合結(jié)構(gòu)中，所述倒錐結(jié)構(gòu)的尖端寬度小于等于180nm，長度L滿足條件:200 μπι ^ L ^ 400 μπι。
[0011]在上述耦合結(jié)構(gòu)中，所述倒錐結(jié)構(gòu)的尖端與所述聚合物直波導(dǎo)與聚合物漸變波導(dǎo)連接處的距離LI滿足條件:2ym^；Ll^；5ym。
[0012]在上述耦合結(jié)構(gòu)中，所述聚合物直波導(dǎo)寬度W、厚度Hl滿足條件:I μ m W 3 μ m, 8 μ m Hl 9μηι0
[0013]在上述耦合結(jié)構(gòu)中，所述聚合物漸變波導(dǎo)寬端寬度為Wl，長度為L2，折射率為η，? 8 μ m Wl 9 μ m, 100 μ m L2 300 μ m，1.5 < η < 2。
[0014]在上述耦合結(jié)構(gòu)中，所述聚合物漸變波導(dǎo)厚度與所述聚合物直波導(dǎo)厚度相同；所述聚合物漸變波導(dǎo)的窄端寬度與所述聚合物直波導(dǎo)寬度相同。
[0015]本發(fā)明還提供了一種基于聚合物波導(dǎo)的光纖與硅波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)的制作方法，具體包括以下步驟:
[0016]首先在絕緣體上硅晶圓上通過光刻和刻蝕制作直硅波導(dǎo)和倒錐結(jié)構(gòu)；
[0017]其次通過氣相沉積的方式沉積二氧化硅覆蓋層；
[0018]再將倒錐結(jié)構(gòu)和與倒錐結(jié)構(gòu)相鄰的部分直硅波導(dǎo)上方的二氧化硅覆蓋層刻蝕掉；
[0019]最后通過旋涂的方式將聚合物覆蓋在絕緣體上硅晶圓上，在絕緣體上硅晶圓的上層硅上制作聚合物漸變波導(dǎo)，以及包覆倒錐結(jié)構(gòu)和與倒錐結(jié)構(gòu)相鄰的部分直硅波導(dǎo)的聚合物直波導(dǎo)。
[0020]本發(fā)明利用旋涂和光刻在SOI晶圓上制作的聚合物漸變波導(dǎo)和聚合物直波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)高折射率硅波導(dǎo)的倒錐結(jié)構(gòu)尖端與光纖間的模場尺寸轉(zhuǎn)換，不僅提高耦合效率，還由于不再采用懸臂梁工藝，使得工藝復(fù)雜度降低，保證光纖耦合結(jié)構(gòu)的可靠性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明提供的基于聚合物波導(dǎo)的光纖與硅波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)的主視圖；
[0022]圖2為本發(fā)明提供的基于聚合物波導(dǎo)的光纖與硅波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)的俯視圖；
[0023]圖3為本發(fā)明提供的基于聚合物波導(dǎo)的光纖與硅波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)的左視圖。

【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做出詳細(xì)的說明。
[0025]如圖1、2、3所示，本發(fā)明提供的基于聚合物波導(dǎo)的光纖與硅波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)SOI (Silicon-On-1nsulator，絕緣體上硅)晶圓和設(shè)置在SOI晶圓的光纖I。
[0026]SOI晶圓從上至下依次包括上層硅10、埋氧層8和襯底硅9 ；
[0027]上層硅10上設(shè)有自右而左依次布置的聚合物直波導(dǎo)4和聚合物漸變波導(dǎo)3，并在上層硅10沒有布置聚合物直波導(dǎo)和聚合物漸變波導(dǎo)的部分覆蓋一層二氧化硅覆蓋層7，聚合物漸變波導(dǎo)3的窄端與聚合物直波導(dǎo)4連接，聚合物漸變波導(dǎo)3的寬端與光纖I的纖芯11對準(zhǔn)；
[0028]上層硅10上還設(shè)有硅波導(dǎo)，硅波導(dǎo)的左端為寬度漸變的倒錐結(jié)構(gòu)5，右端為直硅波導(dǎo)6，倒錐結(jié)構(gòu)5和與倒錐結(jié)構(gòu)5相鄰的部分直硅波導(dǎo)6包覆在聚合物直波導(dǎo)4內(nèi)，直硅波導(dǎo)6的其余部分覆蓋在二氧化硅覆蓋層7下，直硅波導(dǎo)6的右端面與二氧化硅覆蓋層7的右端面平齊，作為光輸出或輸入端口 ；
[0029]在SOI晶圓的左端頂面上設(shè)有V型槽2，V型槽2在深度方向上依次貫穿二氧化硅覆蓋層7、上層硅10和埋氧層8，底端位于襯底硅9中；光纖I固定在V型槽2內(nèi)。
[0030]在本發(fā)明中，二氧化硅覆蓋層7的厚度H滿足條件:2μπι< 3μπι;倒錐結(jié)構(gòu)5的尖端寬度小于等于180nm，倒錐結(jié)構(gòu)5的長度L滿足條件:200 μ m ^ L ^ 400 μ m，倒錐結(jié)構(gòu)5的尖端與聚合物直波導(dǎo)4與聚合物漸變波導(dǎo)3連接處的距離LI滿足條件:2ym^iLl^i5ym0
[0031]在本發(fā)明中，聚合物漸變波導(dǎo)3的窄端寬度與聚合物直波導(dǎo)4寬度W相同，滿足條件:1 μπι彡W彡3 ym ;聚合物漸變波導(dǎo)3寬端寬度為W1，長度為L2，折射率為η，且8 μ m ^ Wl ^ 9 μ m, 100 μ m ^ L2 ^ 300 μ m, 1.5 ^ n ^ 2 ；聚合物漸變波導(dǎo)3厚度與聚合物直波導(dǎo)4厚度都為Η1，滿足8 μπι < Hl ^ 9ym0
[0032]下面詳細(xì)說明在本發(fā)明中，光從光纖I最終進(jìn)入硅波導(dǎo)的具體過程:
[0033]光從聚合物漸變波導(dǎo)3的寬端進(jìn)入，聚合物漸變波導(dǎo)3的寬端由于寬度和厚度都較大，具有與光纖I纖芯相似的模場尺寸，因此在與光纖I耦合時(shí)耦合損耗很低；
[0034]光進(jìn)入聚合物漸變波導(dǎo)3后，模場隨著聚合物漸變波導(dǎo)3寬度的變窄而逐漸變窄，在聚合物漸變波導(dǎo)3窄端，進(jìn)入聚合物直波導(dǎo)4 ;
[0035]光從聚合物直波導(dǎo)4耦合進(jìn)入硅波導(dǎo)；由于聚合物直波導(dǎo)4與聚合物漸變波導(dǎo)3連接處與硅波導(dǎo)倒錐結(jié)構(gòu)5的尖端很近，且聚合物直波導(dǎo)4和硅波導(dǎo)倒錐結(jié)構(gòu)5的尖端都具有較小的模場尺寸，所以當(dāng)聚合物直波導(dǎo)4與倒錐結(jié)構(gòu)5的尖端耦合進(jìn)入硅波導(dǎo)時(shí)，耦合損耗較低。
[0036]光反向從硅波導(dǎo)耦合進(jìn)入光纖I的過程與上述過程剛好相反，在此不再重復(fù)說明。
[0037]本發(fā)明提供的基于聚合物波導(dǎo)的光纖與硅波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)的制作方法，該方法主要是通過旋涂、光刻和顯影工藝得到本發(fā)明的相應(yīng)的形狀，具體步驟如下:
[0038]首先在SOI晶圓上通過光刻和刻蝕制作好直硅波導(dǎo)6和倒錐結(jié)構(gòu)5 ;其次通過氣相沉積的方式沉積二氧化硅覆蓋層7 ;再將倒錐結(jié)構(gòu)5和與倒錐結(jié)構(gòu)5相鄰的部分直硅波導(dǎo)6上方的二氧化硅覆蓋層7刻蝕掉；最后通過旋涂的方式將聚合物覆蓋在SOI晶圓上，在在SOI晶圓上層硅上制作聚合物漸變波導(dǎo)3，以及包覆倒錐結(jié)構(gòu)5和與倒錐結(jié)構(gòu)5相鄰的部分直娃波導(dǎo)6的聚合物直波導(dǎo)4。
[0039]顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.基于聚合物波導(dǎo)的光纖與硅波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)絕緣體上硅晶圓和設(shè)置在所述絕緣體上硅晶圓的光纖；所述絕緣體上硅晶圓從上至下依次包括上層硅、埋氧層和襯底硅，其特征在于， 所述上層硅上設(shè)有自右而左依次布置的聚合物直波導(dǎo)和聚合物漸變波導(dǎo)，并在所述上層硅沒有布置所述聚合物直波導(dǎo)和聚合物漸變波導(dǎo)的部分覆蓋一層二氧化硅覆蓋層，所述聚合物漸變波導(dǎo)的窄端與所述聚合物直波導(dǎo)連接，寬端與所述光纖的纖芯對準(zhǔn)； 所述上層硅上設(shè)有硅波導(dǎo)，所述硅波導(dǎo)的左端為寬度漸變的倒錐結(jié)構(gòu)，右端為直硅波導(dǎo)，所述倒錐結(jié)構(gòu)和部分所述直硅波導(dǎo)包覆在所述聚合物直波導(dǎo)內(nèi)，所述直硅波導(dǎo)的其余部分覆蓋在所述二氧化硅覆蓋層，所述直硅波導(dǎo)的右端面與所述二氧化硅覆蓋層的右端面平齊，作為光輸出或輸入端口 ； 在所述絕緣體上硅晶圓的左端頂面上設(shè)有V型槽，所述V型槽在深度方向上依次貫穿所述二氧化硅覆蓋層、上層硅和埋氧層，底端位于所述襯底硅；所述光纖固定在所述V型槽內(nèi)。
2.如權(quán)利要求1所述的耦合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述二氧化硅覆蓋層的厚度H滿足條件:2μηι^ΞΗ^Ξ3μηι0
3.如權(quán)利要求1所述的耦合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述倒錐結(jié)構(gòu)的尖端寬度小于等于180nm，長度L滿足條件:200 μ m彡L彡400 μ m。
4.如權(quán)利要求3所述的耦合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述倒錐結(jié)構(gòu)的尖端與所述聚合物直波導(dǎo)與聚合物漸變波導(dǎo)連接處的距離LI滿足條件:2 μπι < LI < 5 μπι。
5.如權(quán)利要求1所述的耦合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述聚合物直波導(dǎo)寬度W、厚度Hl滿足條件:1μπι^Ξ￥^Ξ3μπι,8μπι^ΞΗ1 ^Ξ9μηι0
6.如權(quán)利要求1所述的耦合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述聚合物漸變波導(dǎo)寬端寬度為W1，長度為 L2，折射率為 η，且 8μπι 彡 Wl ^ 9 μm, 100 μm ^ L2 ^ 300 μm, 1.5 ^ n ^ 2ο
7.如權(quán)利要求1所述的耦合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述聚合物漸變波導(dǎo)厚度與所述聚合物直波導(dǎo)厚度相同；所述聚合物漸變波導(dǎo)的窄端寬度與所述聚合物直波導(dǎo)寬度相同。
8.基于聚合物波導(dǎo)的光纖與硅波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，具體包括以下步驟: 首先在絕緣體上硅晶圓上通過光刻和刻蝕制作直硅波導(dǎo)和倒錐結(jié)構(gòu)； 其次通過氣相沉積的方式沉積二氧化硅覆蓋層； 再將倒錐結(jié)構(gòu)和與倒錐結(jié)構(gòu)相鄰的部分直硅波導(dǎo)上方的二氧化硅覆蓋層刻蝕掉； 最后通過旋涂的方式將聚合物覆蓋在絕緣體上硅晶圓上，在絕緣體上硅晶圓的上層硅上制作聚合物漸變波導(dǎo)，以及包覆倒錐結(jié)構(gòu)和與倒錐結(jié)構(gòu)相鄰的部分直硅波導(dǎo)的聚合物直波導(dǎo)。
【文檔編號】G02B6/26GK104459890SQ201410839605
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月29日
【發(fā)明者】王磊 申請人:武漢郵電科學(xué)研究院