專利名稱：非直線錐形倒錐耦合器結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及集成光學領域，提供了拉錐光纖與亞微米波導器件高效耦合的倒錐耦 合器結構，特別是一種非直線錐形倒錐耦合器結構。
背景技術：
在光學領域，經(jīng)常會遇到不同截面尺寸的光波導的光耦合問題，由于不同光波導 截面尺寸的不一致，當大尺寸光波導的光耦合進小尺寸的光波導中時，或者當小尺寸光波 導的光耦合進大尺寸的光波導中時，都會造成很大的光損耗。還有就是會遇到不同結構的光波導之間的耦合問題。脊型光波導的大體形狀如 ‘凸’字形，隆起的中間區(qū)域為主要的導光區(qū)域，稱為內(nèi)脊區(qū)或脊型區(qū)，而脊型區(qū)的兩旁是開 放延伸的，在其間傳輸?shù)墓夂苌伲Q為平板區(qū)。此結構的優(yōu)點是大大放寬了光在其間傳輸?shù)?單模條件，因此可以把波導尺寸做得適當大一些，這在一定程度上可以提高和光纖的耦合 效率。在做有源器件的時候，平板區(qū)還能成為摻雜區(qū)域，做上電極結構，所以脊型光波導應 用廣泛。條形光波導，顧名思義，就是橫截面為矩形的長條狀的光波導。由于其工藝簡單， 所以應用也相當廣泛。并且倒錐耦合器用的就是條形光波導。當光傳輸?shù)接糜诘瑰F耦合器 的條形光波導的尖端時，光場會“去局域化”，從而光場會從條形光波導中溢出，形成大截面 的光場傳輸模式，這樣就大大地提高了其和光纖或其他大尺寸波導的耦合效率。近年來熱點研究的集成光電子學領域，由于硅高效光源的研究尚待突破，目前現(xiàn) 實的方法就是引入外來光源，將光通過光纖耦合進芯片的硅基光回路和器件中，耦合問題 便亟待解決。為滿足單模條件，硅基條形波導的芯層截面必須滿足< 300nmX300nm，而這么 小的尺寸和光纖(芯徑9μπι)的直接耦合，耦合損耗高達20dB。這一切歸因于光纖和波導 的模式失配和有效折射率失配帶來的輻射模和背反射。國內(nèi)外研制出了許多各種不同結構 的光耦合器如楔形耦合器、棱鏡耦合器、透鏡耦合器、光柵耦合器等。這些耦合器特性各不 相同，總的發(fā)展趨勢是追求耦合損耗低、器件尺寸小、對準誤差不敏感、工作帶寬大和制作 簡便。最近，SOI (Silicon On Insulator)基的倒錐形結構耦合器研究發(fā)展的很快，已將 耦合損耗降低到了 IdB以下，成為效率最高的耦合器。其傳統(tǒng)的制作方法就是將器件結構 都做在頂層硅上。當頂層硅某一長條區(qū)域兩邊的硅材料被刻蝕完全后，就形成條形光波導； 當頂層硅某一長條區(qū)域兩邊的硅材料被刻蝕掉一部分后，就形成脊型光波導。而此結構的 工作機理就是將條形光波導芯層的截面呈直線型地逐漸減小，直到和拉錐光纖連接的端口 小到使其中的光場“去局域化”，形成消逝場，從而增加了波導中光的模場與光纖中的模場 的重疊程度，增大了耦合效率，故又可稱其為模斑變換器。并且由于尖端波導中的光溢出到 了二氧化硅包層中，使其中的光的有效折射率更加接近光纖中的有效折射率，所以又減小 了耦合處的背反射。而NTT公司在08年就用這種傳統(tǒng)的結構把耦合損耗一下從7. 5dB減小到 0. 7dB。其具體結構是倒錐漸變部分是呈線性變化，使其在300 μ m長度內(nèi)將橫截面積從600nm(寬)X200nm(高)減小到80nm(寬)X200nm(高)。但是這種結構，要達到最佳的耦合效率，倒錐尖端橫截面很小，只有80nm(寬)X200nm(高)，這對制作工藝要求會很高。 而且倒錐的漸變長度也有300um，這對我們現(xiàn)在要求的減小器件尺寸不利。倒錐的漸變結構目前見諸于報道的僅限于上面提到的直線性變化類型，對于線型 為指數(shù)型和二次方型的倒錐漸變結構，目前國際上還未見相關的報道。本發(fā)明旨在提供比 直線型倒錐耦合器更高耦合效率和更小器件尺寸的指數(shù)型/二次方型的倒錐耦合器結構。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種非直線錐形倒錐耦合器結構，其既有很高的耦合效率 和大的工作波長帶寬，又有較小的器件尺寸。本發(fā)明提供一種非直線錐形倒錐耦合器結構，包括一襯底；一埋氧層，該埋氧層制作在襯底上；一頂層硅，該頂層硅制作在埋氧層上，可以有效的防止光泄漏到襯底中，該頂層硅 的一端為條形波導，另一端為倒錐耦合器。其中襯底的材料為硅。其中埋氧層的材料為二氧化硅。其中倒錐耦合器為漸變的指數(shù)型或二次方型結構。其中指數(shù)型或二次方型的倒錐耦合器的工作波長為1500nm到1600nm，其插入損 耗的波動小于0. 3dB。本結構具有以下優(yōu)點(1)可以實現(xiàn)與拉錐光纖更高效率的耦合；(2)可以有效的減小達到最佳耦合效率時的倒錐漸變結構的長度，使得器件更加 小巧緊湊；(3)在達到與拉錐光纖最佳耦合效率時，倒錐尖端的寬度更大，這就有效地減小了 工藝制作難度。(4)具有更大的對準容差。


為進一步說明本發(fā)明的內(nèi)容及特點，以下結合附圖及實施例對本發(fā)明作詳細的描 述，其中圖1是本發(fā)明器件結構的立體示意圖；圖2是非直線型倒錐耦合器與拉錐光纖的耦合效率隨非直線型倒錐耦合器尖端 寬度的變化；圖3是非直線型倒錐耦合器與拉錐光纖的耦合效率隨非直線型倒錐耦合器長度 的變化；圖4是直線型倒錐耦合器以及非直線型倒錐耦合器與拉錐光纖的耦合效率隨輸 入光波長的變化；圖5(a)-圖5(c)是直線型倒錐耦合器以及非直線型倒錐耦合器與拉錐光纖的耦合效率隨對準誤差的變化。
具體實施例方式請參閱圖1所示，本發(fā)明提供一種非直線錐形倒錐耦合器結構，包括一襯底1，該襯底1的材料為硅，其作用除了可以提供襯底外，還可以起到有效的 導熱層的作用。一埋氧層2，該埋氧層2制作在襯底1上，該埋氧層2的材料為二氧化硅；該埋氧 層2可以作為電磁和輻射的阻擋層，也可以作為刻蝕的截止曾。該埋氧層2是通過熱氧化 而得到的。一頂層硅3，該頂層硅3制作在埋氧層2上，可以有效的防止光泄漏到襯底1中，該 頂層硅3是通過Smart Cut技術鍵合得到的。該頂層硅3的一端為條形波導31，其作用是 將從倒錐耦合進的光，經(jīng)過一個條形波導的過渡區(qū)域，將光傳輸?shù)狡浜筮B接的脊形波導器 件，或者是其他類型的波導器件，如光子晶體器件等；或者是將其后連接的器件如脊形波導 器件，光子晶體器件等傳輸?shù)墓饨?jīng)過一個條形波導的過渡區(qū)域，將光經(jīng)過倒錐結構耦合進 入拉錐光纖中。該頂層硅3的另一端為倒錐耦合器32，該倒錐耦合器32為漸變的指數(shù)型或二次方 型結構，其作用為將從拉錐光纖出射的光進行模式轉換，轉換成波導中的光模式，而實現(xiàn)從 大的光纖中將光耦合進小的波導中；或者是將從波導中傳輸?shù)墓饨?jīng)過光場的去局域化，使 得光場模斑擴大，增大了與拉錐光纖模場的交疊面積，從而實現(xiàn)高效的耦合。通過模擬結果可以看出對于同一倒錐漸變長度，不同尖端寬度的三種線型倒錐耦 合器與拉錐光纖耦合效率在倒錐尖端寬度大于0. 08 μ m時，二次方型和指數(shù)型與拉錐光纖 的耦合效率要明顯的高于直線型的，而且他們在最大耦合效率處的倒錐尖端寬度要大于直 線型的，這就較小了制作難度，如圖2所示。對于同一倒錐尖端寬度，不同倒錐耦合器長度 的三種線型倒錐耦合器與拉錐光纖的耦合效率，指數(shù)型和二次方型倒錐耦合器與拉錐光纖 的耦合效率在任何漸變長度下都要大于直線型的，而且在漸變長度越小的情況下，這種優(yōu) 勢越明顯，如圖3所示，這就為在保證較高耦合效率的前提下較小器件尺寸提供了可能。對 于同一倒錐尖端寬度和漸變長度，不同的工作波長的三種線型倒錐耦合器與拉錐光纖的耦 合效率，在1550nm到1600nm之間IOOnm范圍內(nèi)，指數(shù)型倒錐耦合器與拉錐光纖的耦合效率 要明顯高于直線型的，如圖4所示，這就使得倒錐耦合器可以在低損耗的前提下的工作帶 寬得到明顯增寬。并且所述的非直線型倒錐耦合器32的工作波長為1500nm到1600nm，其 插入損耗的波動小于0. 3dB。對于同一倒錐尖端寬度和漸變長度，不同對準誤差的三種線型 倒錐耦合器與拉錐光纖的耦合效率，這三種線型在士 0.5μπι的對準誤差范圍內(nèi)不會超過 0. 7dB的附加插入損耗，如圖5(a)-圖5(c)所示，這就為以后的測試工作提供了方便。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 何熟悉該技術的人在本發(fā)明所揭露的技術范圍內(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利要求書的保護范圍為準。
權利要求
一種非直線錐形倒錐耦合器結構，包括一襯底；一埋氧層，該埋氧層制作在襯底上；一頂層硅，該頂層硅制作在埋氧層上，可以有效的防止光泄漏到襯底中，該頂層硅的一端為條形波導，另一端為倒錐耦合器。
2.根據(jù)權利要求1所述的非直線錐形倒錐耦合器結構，其中襯底的材料為硅。
3.根據(jù)權利要求1所述的非直線錐形倒錐耦合器結構，其中埋氧層的材料為二氧化娃。
4.根據(jù)權利要求1所述的非直線錐形倒錐耦合器結構，其中倒錐耦合器為漸變的指數(shù) 型或二次方型結構。
5.根據(jù)權利要求4所述的非直線錐形倒錐耦合器結構，其中指數(shù)型或二次方型的倒錐 耦合器的工作波長為1500nm到1600nm，其插入損耗的波動小于0. 3dB。
全文摘要
本發(fā)明提供一種非直線錐形倒錐耦合器結構，包括一硅襯底；一埋氧層，該埋氧層制作在襯底上，該埋氧層的材料為二氧化硅；一頂層硅，該頂層硅制作在埋氧層上，可以有效的防止光泄漏到襯底中，該頂層硅的一端為條形波導，另一端為倒錐耦合器，其中該倒錐耦合器為漸變的指數(shù)型或二次方型結構，該倒錐耦合器的工作波長為1500nm到1600nm，其插入損耗的波動小于0.3dB。
文檔編號G02B6/26GK101881861SQ201010207340
公開日2010年11月10日 申請日期2010年6月13日 優(yōu)先權日2010年6月13日
發(fā)明者任光輝, 陳少武 申請人:中國科學院半導體研究所