專利名稱：絕緣體上硅的波導光柵耦合器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光子器件技術(shù)領(lǐng)域，是一種光柵波導耦合器，該光柵耦合器的結(jié)構(gòu)可 有效降低光纖和亞微米波導間的耦合損耗，易于實現(xiàn)高密度光器件集成和光芯片的片上測 試，廣泛應用于光通訊，芯片間光互連、光芯片檢測以及高速硅電光集成中。
背景技術(shù)：
進入新世紀以來，隨著微納光電集成技術(shù)的不斷發(fā)展，芯片的集成度越來越高，器 件的尺寸不斷縮小，用于傳輸光信號的波導逐漸縮小到了亞微米尺度。在用于通信波段的 眾多光波導材料中，絕緣體上硅材料由于波導層有強大的光限制能力，易于制作亞微米級 別的低損耗光波導；同時制備工藝與微電子集成電路工藝兼容，大大減少了制備光電芯片 的成本，使之成為實現(xiàn)高密度光電集成芯片的最有競爭力的材料之一。然而，隨著絕緣體 上硅光波導尺寸的縮小，波導中的光的模斑尺寸也變得小于1 μ m，而光纖中的模斑尺寸為 8-10 μ m，二者之間模斑尺寸、有效折射率的失配將導致輻射模以及背反射的出現(xiàn)，光從光 纖進入這種小尺寸的波導經(jīng)常會帶來很大的損耗，這給器件的在線測試、后續(xù)的封裝等帶 來了很大的困難，芯片的性能也受到了局限。因此在集成光電子學領(lǐng)域，雖然絕緣體上硅亞 微米波導能夠用于制作各種高集成度、高性能的光電器件，但光波導與用于輸入輸出光的 光子器件之間的耦合問題是一直是一個亟待解決的課題。近些年來，光柵耦合器由于對準容差大，易實現(xiàn)芯片在線測試，不需要后續(xù)的拋光 工藝等優(yōu)勢成為了解決耦合問題的重要途徑之一。目前普通均勻周期光柵耦合器(占空比 為0.5)已經(jīng)可以實現(xiàn)與光纖的垂直耦合，但耦合效率較低。另外，由于光波導通常比光柵 的刻蝕深度更深，導致光柵耦合器的制作往往需要兩步電子束光刻和刻蝕工藝，不僅增加 了制備成本，而且由于套刻誤差的存在，工藝容差也減小了。如果通過增加普通均勻周期光 柵耦合器的刻蝕深度來實現(xiàn)一次電子束光刻和刻蝕工藝制備光波導與光柵耦合器，又會導 致耦合效率的降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種絕緣體上硅的波導光柵耦合器及其制作方法，其可實 現(xiàn)了光纖與亞微米波導之間的高效耦合；可以實現(xiàn)光波導與耦合器通過一次電子束光刻與 刻蝕工藝同時制備。為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是本發(fā)明提供一種絕緣體上硅的波導光柵耦合器，所述耦合器采用絕緣體上硅材 料，包括一襯底；一限制層，該限制層制作在襯底上；一波導層，該波導層制作在限制層上，該波導層上面的一端橫向制作有衍射光 柵；
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一光子器件，該光子器件的光發(fā)射端或接收端置于波導層上的衍射光柵的上方。本發(fā)明還提供一種絕緣體上硅的波導光柵耦合器的制作方法，包括如下步驟步驟1 在硅襯底上依次制作限制層和波導層，形成絕緣體上硅晶片；步驟2 清洗絕緣體上硅晶片表面的波導層，烘干；步驟3 將烘干的絕緣體上硅晶片放入勻膠機中，旋涂電子束光刻膠層，前烘；步驟4 采用電子束曝光工藝對絕緣體上硅晶片表面的電子束光刻膠進行曝光， 在絕緣體上硅晶片的表面形成亞微米波導、錐形波導和衍射光柵的光刻膠掩膜圖形；步驟5 采用感應耦合等離子體刻蝕，在波導層上形成亞微米波導、錐形波導和衍 射光柵；步驟6 將刻蝕完成的絕緣體上硅晶片去膠清洗；步驟7 將一光子器件置于靠近波導層上的衍射光柵的上部，完成波導光柵耦合 器的制作。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)和特征作進一步的詳細描述，其中圖1是絕緣體上硅的波導光柵耦合器的結(jié)構(gòu)截面示意圖；圖2是絕緣體上硅的波導光柵耦合器的結(jié)構(gòu)三維示意圖；圖3是絕緣體上硅的波導光柵耦合器的材料結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是絕緣體上硅的波導光柵耦合器的光柵區(qū)的局部放大圖。圖5 (a)、(b)、(c)、(d)是為制作圖1和圖2所示的絕緣體上硅的波導光柵耦合器 中的光柵與波導的工藝流程示意圖。
具體實施例方式請參閱圖1、圖2及圖3所示，本發(fā)明提供一種絕緣體上硅的波導光柵耦合器，所述 耦合器采用絕緣體上硅材料，包括一襯底7 ；該襯底為絕緣體上硅的襯底，波導層與限制層均制作在該襯底上?！拗茖?，該限制層6制作在襯底7上；限制層6的厚度大于1 μ m ；該限制層為 絕緣體上硅的限制層，由于其折射率小于波導層，可以將光限制在波導層的波導中；一波導層5，該波導層5制作在限制層6上，該波導層5上面的一端橫向制作有衍 射光柵3，該波導層5的厚度小于1 μ m ；該波導層5包括亞微米波導1、錐形波導2和衍射 光柵3 ；亞微米波導1，該亞微米波導1為矩形體；所述亞微米波導1的寬度小于Iym;一錐形波導2，該錐形波導2為梯形，該錐形波導2的窄端與亞微米波導1連接； 該錐形波導2的長度為50-500 μ m,寬度介于亞微米波導1與衍射光柵3的寬度之間，由于 錐形波導2足夠長，前兩者之間的傳輸損耗可以忽略；但基于提高集成度的考慮，錐形波導 的長度還應限制在一定范圍內(nèi)。一衍射光柵3，該衍射光柵3為矩形體，該衍射光柵3的一端與錐形波導2的寬端 連接，該衍射光柵3的寬度為8-20 μ m,面積為20-700 μ m2，適用于結(jié)構(gòu)緊湊的光子集成， 衍射光柵3為亞微米量級的大占空比均勻周期光柵，衍射光柵3周期數(shù)為5-50，占空比為0. 60-0. 90，單個周期長度500-700nm，單個周期內(nèi)光柵的刻槽8的寬度為50-280nm，脊型9 的寬度為300-630nm ；由于該衍射光柵3制作在絕緣體上硅的波導層上，可以將光耦合出或 者耦合入波導，耦合光的方向與波導表面近似垂直，如果將光子器件置于光柵上部，衍射光 柵可以將波導中的光耦合出去，被光柵上部的光子器件接收；衍射光柵也可以將光子器件 發(fā)出的光耦合進入波導；微米波導1、錐形波導2和衍射光柵3的刻蝕深度為100-500nm ；由于這三者的刻 蝕深度一致，可以通過一步電子束光刻與刻蝕工藝制作完成，減少了成本且提高了工藝容差。光子器件4 (如光纖、半導體激光器或探測器等)的光發(fā)射端或接收端靠近波導層 5上的衍射光柵3，光子器件4的軸線與衍射光柵3表面法線方向傾斜小于15°的角度。以亞微米波導1中的光通過衍射光柵3耦合進入光子器件4中為例，簡要說明下 光柵耦合器的光路。亞微米波導1中的光通過錐形波導2無損的進入衍射光柵3區(qū)，經(jīng)光 柵的衍射，衍射光一部分向上衍射，進入光子器件4中；一部分向下衍射，經(jīng)波導層5與限制 層6的界面反射后再向上進入光子器件4中。本發(fā)明中提出的衍射光柵3由于占空比大于0.5，常被稱為大占空比光柵，其用于 制作衍射光柵的優(yōu)勢在于光柵的刻蝕深度與波導一致，理論上會有更多的光進入光柵區(qū)， 光柵的衍射強度很高；而且由于光柵的占空比很高，光柵的刻蝕槽會形成窄縫結(jié)構(gòu)，光場在 此處會發(fā)生交疊，從而集中了衍射的光場能量，有利于光的向上耦合，提高了衍射光柵與光 纖間的耦合效率。現(xiàn)研究表明，本發(fā)明提出的絕緣體上硅的大占空比波導光柵耦合器能夠?qū)崿F(xiàn)光纖 與亞微米波導的高效耦合，由于刻蝕深度與光波導一致，因而可以通過一次電子束光刻與 刻蝕工藝同時制備光波導與光柵耦合器，制作成本低，工藝容差大，而且由于與微電子制造 工藝完全兼容，可以實現(xiàn)與其他絕緣體上硅基光電器件的集成。請再參閱圖4及圖5，并配合參閱圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明提供一種絕緣體上 硅的波導光柵耦合器的制作方法，包括如下步驟步驟1 在硅襯底7上依次制作限制層6和波導層5，形成絕緣體上硅晶片；步驟2 清洗絕緣體上硅晶片表面的波導層5，烘干；步驟3 將烘干的絕緣體上硅晶片放入勻膠機中，旋涂電子束光刻膠層10，轉(zhuǎn)速為 2000-5000每分鐘，厚度約為200-600nm，如圖5(a)所示，前烘的溫度為140-200°C，時間為 14-20分鐘；步驟4 采用電子束曝光工藝對絕緣體上硅晶片表面的電子束光刻膠進行曝光， 形成亞微米波導1、錐形波導2和衍射光柵3的光刻膠掩膜圖形，如圖5(b)所示；其中所述 亞微米波導1的寬度小于1 μ m,錐形波導2的長度為50-500 μ m,寬度介于亞微米波導1與 衍射光柵3的寬度之間，衍射光柵3寬度為8-20 μ m ；亞微米波導1、錐形波導2和衍射光柵 3的刻蝕深度為100-500nm ；步驟5:采用感應耦合等離子體刻蝕，在波導層5上一次刻蝕形成亞微米波導1、錐 形波導2和衍射光柵3，如圖5 (c)所示；其中所述衍射光柵3的面積為20-700 μ m2，適用于 結(jié)構(gòu)緊湊的光子集成，衍射光柵3為亞微米量級的大占空比均勻周期光柵，衍射光柵3的周 期數(shù)為5-50，占空比為0. 60-0. 90，單個周期長度500-700nm，單個周期內(nèi)光柵的刻槽8的寬度為50-280nm，脊型9的寬度為300-630nm ；所述波導層5的厚度小于1 μ m,限制層的厚度 大于Iym;步驟6 將刻蝕完成的絕緣體上硅晶片去膠清洗，如圖5 (d)所示；步驟7 將一光子器件4置于靠近波導層5上的衍射光柵3的上部，完成波導光柵 耦合器的制作。以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任 何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變換或替換，都應涵蓋在 本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權(quán)利要求書的保護范圍為準。
權(quán)利要求
一種絕緣體上硅的波導光柵耦合器，所述耦合器采用絕緣體上硅材料，包括一襯底；一限制層，該限制層制作在襯底上；一波導層，該波導層制作在限制層上，該波導層上面的一端橫向制作有衍射光柵；一光子器件，該光子器件的光發(fā)射端或接收端置于波導層上的衍射光柵的上方。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絕緣體上硅的波導光柵耦合器，其中所述的波導層包括 一亞微米波導，該亞微米波導為矩形體；一錐形波導，該錐形波導為梯形，該錐形波導的窄端與亞微米波導連接； 一衍射光柵，該衍射光柵為矩形體，該衍射光柵的一端與錐形波導的寬端連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的絕緣體上硅的波導光柵耦合器，其中所述波導層的厚度 小于1 μ m ；限制層的厚度大于1 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的絕緣體上硅的波導光柵耦合器，其中所述亞微米波導的寬度 小于1 μ m ；錐形波導的長度為50-500 μ m,寬度介于亞微米波導與衍射光柵的寬度之間，衍 射光柵的寬度為8-20 μ m，亞微米波導、錐形波導和衍射光柵的刻蝕深度為100-500nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的絕緣體上硅的波導光柵耦合器，其中所述衍射光柵的面 積為20-700 μ m2，適用于結(jié)構(gòu)緊湊的光子集成，衍射光柵為亞微米量級的大占空比均勻周 期光柵，衍射光柵周期數(shù)為5-50，占空比為0. 60-0. 90，單個周期長度500-700nm，單個周期 內(nèi)光柵的刻槽的寬度為50-280nm，脊型的寬度為300-630nm。
6.一種絕緣體上硅的波導光柵耦合器的制作方法，包括如下步驟 步驟1 在硅襯底上依次制作限制層和波導層，形成絕緣體上硅晶片； 步驟2 清洗絕緣體上硅晶片表面的波導層，烘干；步驟3 將烘干的絕緣體上硅晶片放入勻膠機中，旋涂電子束光刻膠層，前烘； 步驟4 采用電子束曝光工藝對絕緣體上硅晶片表面的電子束光刻膠進行曝光，在絕 緣體上硅晶片的表面形成亞微米波導、錐形波導和衍射光柵的光刻膠掩膜圖形；步驟5 采用感應耦合等離子體刻蝕，在波導層上形成亞微米波導、錐形波導和衍射光柵；步驟6 將刻蝕完成的絕緣體上硅晶片去膠清洗；步驟7 將一光子器件置于靠近波導層上的衍射光柵的上部，完成波導光柵耦合器的 制作。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的絕緣體上硅的波導光柵耦合器的制作方法，其中前烘的溫度 為140-200°C，時間為14-20分鐘。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的絕緣體上硅的波導光柵耦合器，其中所述波導層的厚度小于 Ιμπι，限制層的厚度大于Ιμπι。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的絕緣體上硅的波導光柵耦合器，其中所述亞微米波導的寬度 小于1 μ m，錐形波導的長度為50-500 μ m，寬度介于亞微米波導與衍射光柵的寬度之間，衍 射光柵寬度為8-20 μ m ；亞微米波導、錐形波導和衍射光柵的刻蝕深度為100-500nm。
10.根據(jù)權(quán)利要求6或9所述的絕緣體上硅的波導光柵耦合器，其中所述衍射光柵的面 積為20-700 μ m2，適用于結(jié)構(gòu)緊湊的光子集成，衍射光柵為亞微米量級的大占空比均勻周 期光柵，衍射光柵的周期數(shù)為5-50，占空比為0. 60-0. 90，單個周期長度500-700nm，單個周期內(nèi)光柵的刻槽的寬度為50-280nm，脊型的寬度為300-630nm。
全文摘要
一種絕緣體上硅的波導光柵耦合器，所述耦合器采用絕緣體上硅材料，包括一襯底；一限制層，該限制層制作在襯底上；一波導層，該波導層制作在限制層上，該波導層上面的一端橫向制作有衍射光柵；一光子器件，該光子器件的光發(fā)射端或接收端置于波導層上的衍射光柵的上方。
文檔編號G02B6/136GK101982796SQ20101028355
公開日2011年3月2日 申請日期2010年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月15日
發(fā)明者余金中, 俞育德, 周亮, 李智勇 申請人:中國科學院半導體研究所