一种基于梯度二氧化硅光波导的模斑转换器

1.本发明属于集成光电子学技术领域，具体涉及一种基于梯度二氧化硅光波导的模斑转换器，用于光路集成中二氧化硅光波导与单模光纤的边缘耦合，该器件在光通信、高性能计算、光学传感等领域具有重要的应用价值和发展前景。

背景技术：

2.光子芯片可用于光通信、大数据计算和人工智能系统等领域。光电子学中功能集成是指通过将不同功能的元件集成在一起，制造出多功能、高性能的器件，如光子芯片将光学组件(波导、调制器、开关和探测器等)与电子组件(场效应晶体管等)制作在同一衬底上，从而降低面积、成本以及功耗。在光电子集成中，光纤与波导的低损耗连接是高性能芯片的重要前提条件，也是有待解决的关键问题之一。
3.模斑转换器通常用于光纤与光子芯片上波导器件的连接耦合。由于波导和光纤在结构和尺寸方面相差较大，模场尺寸及形状不同所引起的耦合损耗成为影响插入损耗的主要因素。
4.为实现光纤模场与波导模场的匹配，需优化模斑转换器的结构及制备方法，通过增强光纤与波导的有效折射率匹配和模场匹配，在降低耦合损耗的同时，减小工艺复杂度。
5.基于二氧化硅材料的集成光学器件具有光损耗小，工艺容差大，与cmos工艺兼容和与单模光纤模场匹配好等优点，在光通信、光互连和集成光学中具有广泛应用。

技术实现要素：

6.本发明目的是提供一种耦合效率高、结构紧凑、工艺复杂度低，且波长不敏感的基于梯度二氧化硅光波导的模斑转换器。
7.本发明所述的一种基于梯度二氧化硅光波导的模斑转换器，其特征在于：
8.1、从下至上依次由基底层、下包层、芯层波导和上包层组成。如图1所示，下包层位于基底层之上，芯层波导和上包层共同位于下包层之上且芯层波导被上包层所包覆；
9.2、下包层和上包层材料为二氧化硅，折射率均为1.445；芯层波导材料为掺锗二氧化硅，折射率为1.481；基底层为硅片，折射率为3.455；
10.3、如图2(a)所示，芯层波导位于下包层之上，且被上包层所包覆；如图2(b)和图2(c)所示，沿光的传输方向，芯层波导由输入波导core1、锥形过渡区波导core2和输出波导core3构成；输入波导core1和输出波导core3为直波导结构，在与输入光垂直的截面上core1为矩形结构，宽度w1＝8μm，高度h1＝6μm，长度l1＝25μm；沿光的传输方向，锥形过渡区波导core2的宽度逐渐变窄，输入端宽度w1＝8μm，输出端宽度w2＝3.5μm，波导高度不变为h1＝6μm，长度l2＝75μm；在与输入光垂直的截面上core3为矩形结构，宽度w2＝3.5μm，高度h2＝3.5μm，长度l3＝18μm；输入波导core1、锥形过渡区波导core2和输出波导core3的底面位于同一平面内，且共同位于下包层的上表面之上；
11.4、芯层波导的输入波导core1有效光模场面积与光纤传输光场模斑尺寸匹配，且
该芯层波导耦合输入端输入波导core1高度与锥形过渡区波导core2高度相同，该芯层波导耦合输入端输入波导core1高度大于输出波导core3高度，从而实现波导内光模斑尺寸由大至小的变换。
12.该模斑转换器工作原理如下：
13.波导与光纤的耦合效率是指由光纤耦合进入波导的信号光能量占光纤输出光总能量的比例(或由波导耦合输出至光纤内信号光能量占波导输出光总能量的比例)。单模光纤与二氧化硅光波导的耦合损耗主要指波导与光纤因结构、尺寸和有效折射率差异所产生的模式失配损耗。根据光模式原理，当二氧化硅光波导宽度逐渐降低时，其所支持的光模场大小也随之降低。当来自光纤的信号光自芯层波导的输入波导core1进入锥形过渡区波导core2时，波导内信号光模场被逐渐压缩，随锥形过渡区波导core2的宽度变化，波导内光模场由高斯分布的圆形光纤模场(如图3所示)逐渐变为厄米-高斯分布的椭圆形波导模场(如图4所示)；芯层波导的输入波导core1所支持的模场尺寸与光纤所支持光模场尺寸匹配，可有效降低模场失配导致的光损耗；芯层波导的输入波导core1的高度与锥形过渡区波导core2的高度相同均为h1，h1大于输出波导core3的高度h2，光信号由锥形过渡区波导core2进入输出波导core3时，模斑尺寸减小，从而可实现单模光纤信号光至单模二氧化硅波导信号光的低损耗模斑转换(如图5所示)。
14.与现有器件相比，本发明的有益效果是：相比于传统的锥型模斑转换器光纤波导具有相同高度(v.vusirikala,s.s.saini,r.e.bartolo,s.agarwala,r.d.whaley.1.55-μm ingaasp-inp laser arrays with integrated-mode expanders fabricated using a single epitaxial growth.ieee journal of selected topics in quantum electronics,1997,3(6):1332～1343)，本发明所述模斑转换器的二氧化硅输入波导和锥形过渡区波导高度大于单模二氧化硅波导高度，增大了二氧化硅输入波导模场尺寸，从而增强了二氧化硅波导与光纤输出光信号的模场匹配。通过梯度波导结构，可实现光纤所传输的高斯型光模场至厄米-高斯型光模场的低损耗变换，有利于集成与封装。在不同的光纤-波导耦合结构中，该结构具有耦合效率高、结构紧凑、易于封装、工艺复杂度低和波长变化不敏感的特点，具有广泛的应用前景。
附图说明
15.图1是本发明所述的一种基于梯度二氧化硅光波导的模斑转换器结构示意图；其中，各部分名称为：基底层4、下包层3、芯层波导1和上包层2，芯层波导1和上包层2共同位于下包层3之上且芯层波导1被包覆在上包层2之中。
16.图2是本发明所述的一种基于梯度二氧化硅光波导的模斑转换器的输入端剖视图(a)，俯视图(b)和侧视图(c)；
17.图3是单模光纤和输入波导core1中传输的高斯分布的圆形光纤模场图；
18.图4是输出波导core3中传输的厄米-高斯分布的椭圆形波导模场图；
19.图5是输入波导core1、锥形过渡区core2和输出波导core3整体(模斑转换器)传输的低损耗光模场图；
20.图6是单模光纤与本发明制备的模斑转换器耦合效率随光波长的变化曲线；
21.图7是本发明制备的基于梯度二氧化硅光波导的模斑转换器的制备工艺流程图；
包括1、清洗硅衬底；2、热氧化生长低折射率二氧化硅下包层；3、沉积高折射率二氧化硅芯层波导；4、生长多晶硅掩膜层；5、光刻、多晶硅刻蚀形成波导掩膜图形；6、刻蚀形成二氧化硅波导；7、再次生长多晶硅掩膜层；8、光刻、多晶硅刻蚀形成波导掩膜图形；9、sio2芯层刻蚀；10、去除多晶硅掩膜层；11、沉积sio2上包层等步骤。
具体实施方式
22.下面通过具体的实施方式结合附图对本发明做进一步详细说明。
23.实施例1
24.1、首先确定芯层波导的输入波导core1和锥形过渡区波导core2输入端的宽度w1，锥形过渡区波导core2的输出端宽度w2和输出波导core3的宽度w2，以及输出波导core3的高度h2。由于单模光纤芯径为8.3μm，所支持光模式模场如图3所示；sio2单模波导core3所支持的光模场分布如图4所示。根据光束传播法和有限时域差分法(huei-min yang,sun-yuan huang,chao-wei lee,et al.high-coupling tapered hyperbolic fiber microlens and taper asymmetry effect.ieee journal of lightwave technology,2004,22(5):1395～1401)计算，确定芯层波导的输入波导core1和锥形过渡区波导core2的输入端宽度w1＝8μm，锥形过渡区波导core2的输出端宽度和输出波导core3宽度为w2＝3.5μm，输出波导core3的高度选定为h2＝3.5μm。
25.2、确定芯层输入波导core1和波导core2的高度h1。通过有限时域差分法确定，输入波导core1和锥形过渡区波导core2的高度为h1＝6μm时，可有效增强本发明所述模斑转换器波导模场与光纤模场间的模式匹配，实现高斯分布的圆形光纤模场至厄米-高斯分布椭圆形波导模场的转换。
26.3、确定芯层波导的输入波导core1长度l1，锥形过渡区波导core2长度l2，输出波导core3长度l3。考虑器件尺寸过大不利于集成和封装，通过有限时域差分法确定芯层输入波导core1长度l1＝25μm，锥形过渡区波导core2长度l2＝75μm，输出波导core3长度l3＝18μm。
27.4、图5所示为信号光由芯层波导core1输入，进入锥形过渡区core2和输出波导core3，沿该梯度结构二氧化硅波导模斑转换器传输的光场图。可见，该芯层波导core1输入端处模场尺寸与光纤中信号光模斑尺寸匹配，可有效提高光耦合效率；台阶形波导可实现core2内大尺寸光模场至core3内单模波导模场的低损耗转换，且无明显光泄露，证明该结构可实现高斯分布的光纤模场至厄米-高斯分布的波导模场的低损耗转换，有效降低光模场失配导致的耦合损耗。
28.5、图6所示为本发明所述梯度结构二氧化硅波导模斑转换器与单模光纤耦合效率随光波长的变化。结果表明，当信号光波长为1550nm时，耦合效率为95.6％；在1500nm～1620nm波长范围内，该模斑转换器的耦合效率变化范围95％～95.9％。
29.实施例2
30.下面结合图7详细说明本发明的具体制备方式，具体步骤如下：
31.1、清洗硅衬底(4)：选用单晶硅片作为衬底，用丙酮、乙醇和去离子水依次超声清洗硅衬底，去除硅衬底表面杂质；
32.2、热氧化生长低折射率二氧化硅下包层(3)：在1000℃条件下，利用湿法热氧化方法，在清洗干净的硅衬底上生长一层二氧化硅薄膜作为下包层，通过控制水汽流量、衬底温
度和反应时间，使低折射率二氧化硅下包层的厚度保持在10μm；
33.3、沉积高折射率二氧化硅芯层波导：利用等离子体增强化学气相沉积法(plasma enhanced chemical vapor deposition，pecvd)沉积掺锗(ge)的高折射率二氧化硅，控制反应气体gecl4、sih4和n2o流量分别为32sccm、20sccm和40sccm，射频功率为50w，衬底温度200℃，控制反应时间形成h1＝6μm的高折射率二氧化硅芯层波导；
34.4、生长多晶硅掩膜层：以sih4和h2作为反应气体，采用热丝cvd法，在生长气压1pa、衬底温度200℃、稀释比v(h2)/(v(sih4)+v(h2))＝98.4％条件下，通过控制反应时间，在高折射率二氧化硅芯层波导表面生长一层1μm厚的多晶硅层作为高折射率二氧化硅芯层波导的刻蚀掩膜层；
35.5、光刻、多晶硅刻蚀形成波导掩膜图形：在步骤4所形成多晶硅层表面旋涂光刻胶az1500，i线(365nm)紫外光刻、显影后，将掩膜板上与需要制备的二氧化硅芯层波导结构相同的波导图形转移至光刻胶表面，利用反应离子刻蚀(rie)方法，去除无光刻胶保护部分的多晶硅层，曝光、显影去除光刻胶后，得到与需要制备的二氧化硅芯层波导结构相同的多晶硅掩膜层；该多晶硅掩膜层由三部分构成，一部分为与输出波导core3相同尺寸的结构，一部分为与锥型过渡区波导core2相同尺寸的结构，第三部分为与输入波导core1相同尺寸的结构；
36.6、刻蚀形成二氧化硅芯层波导：利用步骤5所述的反应离子刻蚀(rie)方法，控制sf6、chf3和o2气体流量比，利用氟离子的化学腐蚀和物理轰击作用，去除无多晶硅掩膜保护部分的高折射率二氧化硅芯层波导；
37.7、再次生长多晶硅掩膜层：利用步骤4所述方法，以sih4和h2作为反应气体，采用热丝cvd法，在生长气压1pa、衬底温度200℃、稀释比v(h2)/(v(sih4)+v(h2))＝98.4％条件下，通过控制反应时间，在高折射率二氧化硅芯层波导表面生长一层2μm厚的多晶硅层作为输出波导core3的刻蚀掩膜层；
38.8、光刻、多晶硅刻蚀形成波导掩膜图形：在步骤7所形成多晶硅层表面旋涂光刻胶az1500，i线(365nm)紫外光刻、显影后，将掩膜板上的波导图形转移至光刻胶表面，利用反应离子刻蚀(rie)方法，去除无光刻胶保护部分的多晶硅层，曝光、显影去除光刻胶后，得到与波导形结构相同的多晶硅掩膜层；该多晶硅掩膜层由两结构区域构成，a结构区域为与输出波导core3相同尺寸的结构，b结构区域长度为锥型过渡区波导core2和输入波导core1长度之和、宽度为整个模斑转换器宽度的结构；
39.9、sio2芯层刻蚀：控制sf6、chf3和o2气体流量为10：1：1，使氟离子沿
±
y方向对二氧化硅芯层波导的横向刻蚀速率大于沿-z方向的纵向刻蚀速率，从而部分地去除a结构区域的多晶硅掩膜层及其覆盖的高折射率二氧化硅芯层波导，形成长度为l3、宽度为w2、高度为h2的输出波导core3，该输出波导core3与输入波导core1、锥形过渡区波导core2的底面均在同一水平面内，即下包层的上表面；
40.10、去除多晶硅掩膜层：利用质量分数15％的koh水溶液去除剩余的多晶硅掩膜层；
41.11、沉积sio2上包层(2)：利用pecvd方法在步骤10所获得器件结构表面沉积低折射率二氧化硅作为上包层，通过调整气体流量、反应物比例、射频功率和时间，控制二氧化硅上包层薄膜厚度，再采用化学机械抛光的方法，使sio2上包层厚度为20μm，即整体二氧化
硅包层的厚度为10+20＝30μm。

技术特征：

1.一种基于梯度二氧化硅光波导的模斑转换器，其特征在于：从下至上依次由基底层(4)、下包层(3)、芯层波导(1)和上包层(2)组成，下包层(3)位于基底层(4)之上，芯层波导(1)和上包层(2)共同位于下包层(3)之上且芯层波导(1)被上包层(2)所包覆；沿光的传输方向，芯层波导(1)由输入波导core1、锥形过渡区波导core2和输出波导core3构成；输入波导core1、锥形过渡区波导core2和输出波导core3的底面位于同一平面内，且共同位于下包层(3)的上表面之上；输入波导core1和输出波导core3为直波导结构；输入波导core1和锥形过渡区波导core2的高度相同，且大于输出波导core3的高度；锥形过渡区波导core2的宽度由输入波导core1的宽度逐渐变窄至输出波导core3的宽度。2.如权利要求1所述的一种基于梯度二氧化硅光波导的模斑转换器，其特征在于：下包层(3)和上包层(2)为二氧化硅，折射率为1.445；芯层波导(1)为掺锗二氧化硅，折射率为1.481；基底层(4)为硅片，折射率为3.455。3.如权利要求1所述的一种基于梯度二氧化硅光波导的模斑转换器，其特征在于：输入波导core1的宽度w1＝8μm，高度h1＝6μm，长度l1＝25μm；锥形过渡区波导core2的输入端宽度w1＝8μm，输出端宽度w2＝3.5μm，波导高度h1＝6μm，长度l2＝75μm；输出波导core3的宽度w2＝3.5μm，高度h2＝3.5μm，长度l3＝18μm。

技术总结

一种基于梯度二氧化硅光波导的模斑转换器，属于集成光电子学技术领域。依次由基底层、下包层、芯层波导和上包层组成，芯层波导被上包层所包覆；芯层波导由输入波导Core1、锥形过渡区波导Core2和输出波导Core3构成，输入波导Core1和输出波导Core3为直波导结构；输入波导Core1和锥形过渡区波导Core2的高度相同，且大于输出波导Core3的高度；锥形过渡区波导Core2的宽度由输入波导Core1的宽度逐渐变窄至输出波导Core3的宽度。在不同的光纤-波导耦合结构中，本发明制备的模斑转换器具有耦合效率高、结构紧凑、易于封装、工艺复杂度低和波长变化不敏感的特点，具有广泛的应用前景。具有广泛的应用前景。具有广泛的应用前景。

技术研发人员：

孙小强 王曼卓 岳建波 刘庭瑜 刘崧岳 吴远大 张大明

受保护的技术使用者：

吉林大学

技术研发日：

2022.09.22

技术公布日：

2022/12/12