一種低插損端面耦合器的制作方法
1.本發明涉及微電子光器件技術領域，尤其涉及一種用于將光芯片與光纖進行耦合的低插損端面耦合器件。
背景技術：
2.光芯片需要和光纖進行耦合達到與外部光路連接的目的。常見的耦合方式包括端面耦合和光柵耦合等。其中，光柵耦合方式加工容易，光斑較大，但是存在插損大、波長敏感等局限性。而端面耦合方式由于硅波導的模場尺寸較小(例如200nm
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300nm級別)，與光纖模場(例如直徑約10μm級別)尺寸不匹配，故需要實現模場尺寸的轉換。
3.實現端面耦合的一種常用方法是采用懸臂梁結構，通過實現模場尺寸的轉換，使得光纖和波導的模式尺寸相匹配，其具有損耗小、波長不敏感等優點。現有的懸臂梁結構往往需要采用挖槽工藝，對芯片上波導底部的硅襯底進行部分刻蝕掏空，保證波導底部無其他遮擋結構。同時在波導兩側設有多個懸臂結構，對波導起支撐作用。這種方式不僅工藝復雜，加工難度大，且該懸臂結構的健壯性較差，機械應力不足，在可靠性方面存在一定問題。
4.公開號為cn114594548a的專利文獻公開了一種氮化硅波導輔助懸臂梁端面耦合器，包括硅襯底、氮化硅波導結構、硅波導結構、連接梁結構以及懸臂結構。其需要去除部分硅襯底，形成懸臂梁結構，以減少光向硅襯底的泄露。該發明中的波導由于采用了懸臂結構，需要對波導底部的硅襯底進行刻蝕，增加了工藝難度，也降低了波導的健壯性。
5.公開號為cn107765364a的專利文獻公開了一種光斑轉換器，該光斑轉換器包括：第一芯以及第二芯；第一芯包括：常規波導和倒楔形波導，倒楔形波導包括：緩變部分以及過渡部分，過渡部分與常規波導相接，緩變部分與過渡部分相接，緩變部分的寬度變化率小于過渡部分的寬度變化率，寬度變化率為一段波導兩端的寬度差與該段波導長度的比值。但是該發明存在耦合效率低，偏振敏感的缺陷。
6.綜上，當前技術的主要缺陷主要有以下幾個方面：對于采用光斑轉換器的方案，存在偏振敏感且損耗較大的問題；對于采用懸臂梁結構的方案，需要將波導底部的硅刻蝕掉部分，使得波導懸空，工藝較復雜，且波導兩端需要采用多個懸臂支撐，這種結構的健壯性比較差，容易出現波導斷裂等問題。
7.因此，如何在保證性能較優的情況下簡化工藝，提高端面耦合器的可靠性是當前需要解決的技術問題。
技術實現要素：
8.本發明的目的在于克服現有技術存在的上述缺陷，提供一種低插損端面耦合器，以解決現有技術中存在的端面耦合插損大、懸臂梁結構工藝復雜且波導健壯性不足的問題。
9.為實現上述目的，本發明的技術方案如下：
10.一種低插損端面耦合器，包括：
11.襯底；
12.設于所述襯底上的波導包層；
13.設于所述波導包層內的核心波導，所述核心波導的兩端通過位于下方的所述波導包層部分支撐于所述襯底的表面上，所述核心波導包括以端部相連的常規波導和過渡波導，所述過渡波導被配置為具有遠離所述常規波導方向上的逐漸收縮的寬度；
14.分設于所述核心波導兩側外的所述波導包層表面上的側邊槽；
15.設于所述側邊槽中的介質。
16.進一步地，所述側邊槽的底面位于所述波導包層中；或者，所述側邊槽的底面位于所述襯底的表面上，且露出所述襯底的表面；或者，所述側邊槽的底面穿過所述波導包層，并位于所述襯底中。
17.進一步地，所述側邊槽具有多邊形或曲面形的水平截面，所述側邊槽具有垂直或傾斜的側壁，所述側邊槽在所述核心波導的兩側對稱設置或非對稱設置。
18.進一步地，所述核心波導、所述波導包層以及所述側邊槽中的所述介質之間的折射率依次減小。
19.進一步地，所述側邊槽包括沿所述核心波導長度方向并列設置的多個子側邊槽。
20.進一步地，所述側邊槽上設有相連的側邊支槽，所述側邊支槽在靠近所述過渡波導一側的所述波導包層的端面上形成開口，且所述側邊支槽的寬度小于所述側邊槽的寬度。
21.進一步地，所述側邊支槽包括直槽型、直角轉折槽型、斜坡轉折槽型或弧形槽型。
22.進一步地，所述過渡波導為一至多個；其中，當所述過渡波導為多個時，多個所述過渡波導以同側端部與所述常規波導的同一端共同連接。
23.進一步地，所述多個所述過渡波導之間按水平并列方式、垂直并列方式、形成陣列方式分布。
24.進一步地，所述核心波導的軸線與耦合端面相垂直或傾斜。
25.由上述技術方案可以看出，本發明通過在核心波導兩側采用側邊槽結構，使得光場能夠被限制在與單模光纖模場大小接近的范圍內，相比無側邊槽的設計，可以有效降低插損。并且，本發明可通過直接刻蝕形成側邊槽，與懸臂梁結構相比，不需要對襯底進行掏空刻蝕，即不需要形成懸臂結構就可滿足使用要求，實現了簡化工藝的目的，同時提高了端面耦合器的健壯性。
附圖說明
26.圖1-圖2為本發明一較佳實施例的一種低插損端面耦合器的結構示意圖；
27.圖3-圖4為本發明一較佳實施例的一種側邊槽的深度結構示意圖；
28.圖5-圖6為本發明一較佳實施例的一種形成側邊槽結構的工藝流程示意圖；
29.圖7-圖10為本發明一較佳實施例的一種過渡波導的布置結構示意圖；
30.圖11-圖16為本發明一較佳實施例的一種側邊槽的平面結構示意圖。
具體實施方式
31.為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將對本發明實施例中
的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。除非另外定義，此處使用的技術術語或者科學術語應當為本發明所屬領域內具有一般技能的人士所理解的通常意義。本文中使用的“包括”等類似的詞語意指出現該詞前面的元件或者物件涵蓋出現在該詞后面列舉的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
32.下面結合附圖，對本發明的具體實施方式作進一步的詳細說明。
33.請參閱圖1，圖1-圖2為本發明一較佳實施例的一種低插損端面耦合器的結構示意圖。如圖1-圖2所示(圖中指示了笛卡爾坐標系，其中x軸、y軸代表水平面上的兩個正交方向，z軸代表垂直平面上與x軸、y軸同時正交的方向，下同)，本發明的一種低插損端面耦合器，包括：襯底100；設于襯底100上的波導包層101；設于波導包層101內的核心波導103；分設于核心波導103兩側外的波導包層101表面上的側邊槽102，以及設于側邊槽102中的介質等幾個主要結構組成部分。
34.請參閱圖2。核心波導103的兩端(圖2顯示為核心波導103的內外兩端)通過位于其下方的波導包層101部分支撐于襯底100的表面上。即包覆核心波導103的波導包層101通過支撐在襯底100表面上，使核心波導103的兩端(包括整體)都能得到襯底100的有效支撐，避免了采用現有的懸臂梁形式。
35.請參閱圖1。核心波導103包括常規波導1032部分和過渡波導1031部分；常規波導1032的一端(圖1顯示為常規波導1032的下方一端)與過渡波導1031的一端(圖1顯示為過渡波導1031的上方一端)同向連接為一體。常規波導1032沿其長度方向可具有相同或基本相同的寬度。過渡波導1031沿其長度方向由一端(圖1顯示為過渡波導1031的上方一端)向另一端(圖1顯示為過渡波導1031的下方一端)具有逐漸收縮的寬度。即過渡波導1031在遠離常規波導1032的方向上，且過渡波導1031在接近耦合端面104的方向上具有逐漸收縮的寬度，形成楔形結構。
36.請參閱圖2。側邊槽102可采用建立在襯底100上的溝槽結構。在一較佳實施例中，側邊槽102的底面可正好位于襯底100的表面上，使得襯底100的上表面可從側邊槽102的底面上露出。
37.在一可選實施例中，側邊槽102的底面也可位于波導包層101中。即側邊槽102的底面與襯底100的表面之間可相距一定距離，如圖3所示。
38.在其他可選實施例中，側邊槽102的底面還可穿過波導包層101的下端面進入襯底100中。即側邊槽102的底面位于襯底100的表面以下，如圖4所示。
39.在一較佳實施例中，側邊槽102可以是多邊形溝槽，即側邊槽102可具有多邊形的水平截面。例如圖1所示的矩形溝槽形式的側邊槽102。
40.也可以采用其他的多邊形溝槽形式的側邊槽102，例如梯形溝槽形式的側邊槽102。
41.在一可選實施例中，側邊槽102也可具有曲面形的水平截面。
42.在一較佳實施例中，側邊槽102可具有垂直的側壁，如圖2-圖4所示。
43.在一可選實施例中，側邊槽102也可具有傾斜的側壁。
44.在一較佳實施例中，側邊槽102在核心波導103的兩側可按照對稱方式進行設置，
如圖1所示。
45.在一可選實施例中，側邊槽102在核心波導103的兩側也可按照非對稱方式進行設置。
46.在一較佳實施例中，核心波導103、波導包層101以及側邊槽102中的介質之間的折射率依次減小。
47.在一較佳實施例中，側邊槽102中設置的介質不限于空氣，也可以填充其他低于波導包層101折射率的介質材料。
48.在一實例中，側邊槽102中可填充折射率為例如1.437的匹配液作為介質。
49.請參閱圖12。在一可選實施例中，位于核心波導103任意一側的側邊槽102可包括沿核心波導103長度方向并列設置的多個子側邊槽1021。
50.進一步地，各子側邊槽1021的面積大小可以相同。或者，各子側邊槽1021的面積大小可不相同。
51.請參閱圖11。在一較佳實施例中，側邊槽102可在靠近耦合端面104的一端(圖11顯示為側邊槽102的下方一端)上設有與側邊槽102相連的側邊支槽105。其中，側邊支槽105的一端與側邊槽102相連，側邊支槽105的另一端在靠近過渡波導1031一側的波導包層101的端面(圖示為位于下方的端面)上形成開口1051。側邊支槽105的寬度應明顯小于側邊槽102的寬度。
52.在一可選實施例中，側邊支槽105可包括直槽型，如圖13所示。
53.在另一可選實施例中，側邊支槽105可包括直角轉折槽型，如圖11和圖16所示。其中，圖11中的直角轉折槽型的側邊支槽105與側邊槽102的下端端面相連；圖16中的直角轉折槽型的側邊支槽105是與側邊槽102的下端的側面相連。
54.在另一可選實施例中，側邊支槽105可包括斜坡轉折槽型(即轉折角度不為直角)，如圖14所示。
55.在其他可選實施例中，側邊支槽105還可包括弧形槽型，如圖15所示。
56.側邊支槽105可作為針對側邊槽102進行點膠時的阻擋結構，利用側邊槽102與側邊支槽105之間的較大尺寸差異，阻礙膠水的流動，可以保證芯片在封裝耦合場景下的點膠時，膠水不會從側邊槽102中流失。
57.請參閱圖1-圖2。在一較佳實施例中，常規波導1032為一個，過渡波導1031也為一個，常規波導1032與過渡波導1031采用同軸方式相連為一體結構。
58.在一可選實施例中，核心波導103的末端(圖1顯示為核心波導103的下方一端)可與耦合端面104之間保留一定間距。即核心波導103的末端與波導包層101位于耦合端面104處的端面之間可保留一定間距。
59.在一可選實施例中，核心波導103的末端也可與耦合端面104相平齊。
60.在一可選實施例中，核心波導103的前端(圖1顯示為核心波導103的上方一端)可與波導包層101靠近常規波導1032一側的另一個端面之間保留一定間距。即可在核心波導103的前端與波導包層101靠近常規波導1032一側的另一個端面之間保留一小段無核心波導103的區域。但本發明不作限定。
61.在一可選實施例中，核心波導103可適用于硅波導、氮化硅波導、氮氧化硅波導、鈮酸鋰波導、磷化銦波動、氧化鋁波導、聚合物波導或其他高于氧化硅折射率的材料的波導。
62.在一較佳實施例中，波導包層101可采用氧化硅波導，襯底100可采用硅襯底100，核心波導103可采用硅波導。但不限于此。
63.請參閱圖1-圖2。在一較佳實施例中，氧化硅波導的波導包層101可為深刻蝕波導，即側邊槽102刻蝕到硅襯底100表面位置。
64.在一實例中，位于兩個側邊槽102之間的波導包層101的寬度w2可為10μm，波導包層101的高度h1可為10μm，即位于兩個側邊槽102之間的波導包層101的垂直截面尺寸為10μm
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10μm。
65.在一實例中，核心波導103中的過渡波導1031可采用倒楔形波導，其長度l1可為200μm；過渡波導1031的楔形尖端(圖2顯示為面向圖面的一端)處端面的高度可為110nm，寬度可為90nm。
66.在一實例中，矩形側邊槽102的寬度w1或w3可為10μm，側邊槽102的高度也為h1，并可為10μm。
67.上述波導包層101、核心波導103和側邊槽102的尺寸僅作為一個示例，本發明不作限定。
68.位于兩個側邊槽102之間的波導包層101的寬度和厚度可變，目的是盡量與單模光纖的尺寸相匹配。
69.本發明提供的方案中，通過側邊槽102的設計，使得高折射率小尺寸硅波導(核心波導103)和大尺寸氧化硅波導(波導包層101)相結合，從而降低了損耗。
70.作為一參考性測試結果，采用例如圖1-圖2結構下的模場分布，1550nm波長時的耦合損耗將小于0.3db。
71.側邊槽102除了圖2所示的全刻蝕包層方案外，也可以是圖3所示的淺刻包層，或可以是圖4所示的刻蝕包層和部分襯底100(不掏空波導底部位置的襯底100部分材料)中的任意一種。
72.側邊槽102的形成可以直接采用一步刻蝕工藝來達到。具體的工藝流程示意圖可如圖5-圖6所示。例如，可在硅襯底100上沉積氧化硅的波導包層101；并在波導包層101中形成核心波導103；然后，在核心波導103兩側的波導包層101表面上，通過刻蝕形成側邊槽102。
73.采用一步刻蝕工藝的優點是刻蝕深度可變。這樣，在需要的時候也可以刻蝕到襯底100上表面的一部分。
74.針對側邊槽102的刻蝕，不僅限于垂直刻蝕，也可為帶角度的刻蝕。
75.請參閱圖7-圖10。在一較佳實施例中，常規波導1032為一個，過渡波導1031可為多個。其中，多個過渡波導1031以位于同側的一個端部(朝向圖面以內方向的一個端部)的端面共同連接至常規波導1032的同一個端部的端面上。
76.在一可選實施例中，上述多個過渡波導1031之間可按水平并列方式排列，并包覆在波導包層101中，如圖7所示的兩個水平并列排列的過渡波導1031，或如圖8所示的三個水平并列排列的過渡波導1031。
77.在另一可選實施例中，上述多個過渡波導1031之間可按垂直并列方式排列，并包覆在波導包層101中，如圖10所示。
78.在其他可選實施例中，上述多個過渡波導1031之間還可按行列排布形成陣列的方
式分布，并包覆在波導包層101中，如圖9所示的2
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2陣列形式等。并且，各行或各列中過渡波導1031的數量可不相同。
79.針對上述多個過渡波導1031的排列形式為不完全舉例，也可以采用其他過渡波導1031設計。
80.針對含多層或多根過渡波導1031情形，在常規波導1032和過渡波導1031之間還可設置轉換結構用于連接。
81.本發明核心波導103可在采用單層波導、雙層波導或其他多層波導結構下實現模式轉化。
82.本發明核心波導103的變化曲線可以采用線性、指數、拋物線、貝塞爾曲線、sin曲線、歐拉曲線、亞波長結構等策略實現模式轉化，也可同時采用以上幾種方式的組合來實現模式轉化。
83.在其他可選實施例中，每個核心波導103的截面類型不限于圖1-圖2所示的通道波導類型，也可以是脊波導、槽波導或光子晶體波導等類型。
84.在一較佳實施例中，核心波導103的軸線可與耦合端面104相垂直設置，如圖2所示。
85.在一可選實施例中，核心波導103的軸線與耦合端面104也可相傾斜設置。即核心波導103的軸線可與耦合端面104之間成一定的傾角。
86.上述端面耦合器的波長范圍包括但不限于可見光波段、o波段、e波段、s波段、c波段、l波段、u波段和中紅外波段中的至少一種。
87.綜上，本發明通過在核心波導103兩側采用側邊槽102結構，使得光場能夠被限制在與單模光纖模場大小接近的范圍內，相比無側邊槽的設計，可以有效降低插損。并且，本發明可通過直接刻蝕形成側邊槽102，與懸臂梁結構相比，不需要對襯底100進行掏空刻蝕，即不需要形成懸臂結構就可滿足使用要求，實現了簡化工藝的目的，同時提高了端面耦合器的健壯性。
88.雖然在上文中詳細說明了本發明的實施方式，但是對于本領域的技術人員來說顯而易見的是，能夠對這些實施方式進行各種修改和變化。但是，應理解，這種修改和變化都屬于權利要求書中的本發明的范圍和精神之內。而且，在此說明的本發明可有其它的實施方式，并且可通過多種方式實施或實現。
