一種硅基電鍍金屬反射鏡光柵耦合器及其制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及光纖耦合技術以及光電集成領域，特別涉及一種具有金屬反射鏡的硅基光柵親合器，用于實現光纖與娃光波導的高效光親合。
【背景技術】
[0002]硅基光子芯片是近幾年國際上在光集成領域的研究熱點。基于絕緣體上硅芯片結果的集成光路，具有集成度高、損耗小、與集成電子工藝兼容等優點，非常適合于超大規模、低成本光電集成。
[0003]由于單模硅波導的尺寸通常在幾百納米左右，因此與普通單模光纖(芯層直徑在10微米左右)的耦合存在比較大的問題。如今，國際上比較通用的兩種方案，第一種方案為反向錐形模式轉換器。該方案中，硅波導的寬度逐漸減少，形成一個反向錐形，從而減少硅材料對光的限制，達到模場直徑變大的效果，可以有效地與光纖進行耦合。但方案對于較厚硅層的情況不太合適，且要求能夠制備很細尖端(約幾十納米)，這對加工工藝也提出了很高的要求。
[0004]第二個方案是光柵耦合器。通過在硅光波導上加工周期性衍射光柵，可以實現硅光波導與接近垂直方向放置的單模光纖進行光耦合。該方案具有工藝相對簡單，其支持垂直耦合。這對于器件的片上測試提供很大的便利。但是，由于硅光波導上的衍射光柵會使一部分波導中光朝襯底的方向出射，而這一部分光是無法有效地被光柵接收的，因此光柵耦合器的耦合效率，與反向錐形模式轉換器，通常較低。
[0005]為了提高光柵耦合器的耦合效率，可采用在襯底的方向制作反射鏡的方法，將朝襯底的方向出射光反射，從而達到提高耦合效率的方法，現有技術中反射鏡的制作方法有兩種，一種為采取硅和二氧化硅層構成布拉格反射鏡，但該方案無法在標準的絕緣體上硅芯片上實現。另一種是將光柵位置處的硅襯底腐蝕掉，而后在暴露的掩埋絕緣體上，從背面制作金屬反射境，剛該方案工藝復雜，需要將比較厚的硅襯底去除掉。
【發明內容】
[0006]本發明針對現有技術中的不足，提供了一種硅基電鍍金屬反射鏡光柵耦合器產品以及制作方法，本發明產品通過在波導光柵耦合器下方增加金屬反射鏡的方式實現耦合效率的提升，極大的保證了耦合的穩定性，增加了耦合的效率。且本發明的方法制作簡單，成本低廉，便于大規模集成。
[0007]為了解決上述技術問題，本發明通過下述技術方案得以解決:一種硅基電鍍金屬反射鏡光柵耦合器制作方法，制作基體為絕緣體上硅芯片，所述的絕緣體上硅芯片從上到下分別是頂層硅、掩埋絕緣體和硅襯底，包括以下幾個步驟:步驟A:通過電子束曝光或深紫外曝光或刻蝕的方法將所述頂層硅制成硅波導，并在硅波導上刻制耦合光柵；步驟B:在所述絕緣體上硅芯片表面除耦合光柵區域以及耦合光柵上下區域外都涂抹有不與氫氟酸反應的保護材料，然后通過氫氟酸濕法或氫氟酸氣相腐蝕法將裸露在所述絕緣體上硅芯片表面的掩埋絕緣體腐蝕掉，此時位于耦合光柵區域下方的掩埋絕緣體也被腐蝕鏤空，露出硅襯底，并讓此段硅波導懸空形成懸浮硅光波導；步驟C:將所述絕緣體上硅芯片上的保護材料去除后再浸沒到電鍍液中，所述電鍍液內具有正極和負極，所述絕緣體上硅芯片的硅襯底連接負極，然后進行電鍍，電鍍完成后硅襯底表面被鍍上一層金屬，其中位于懸浮硅光波導下方的娃襯底表面金屬層形成金屬反射鏡。
[0008]上述技術方案中，優選的，所述步驟B和所述步驟C中的保護材料為光刻膠。
[0009]上述技術方案中，優選的，在所述的步驟C中，所述的硅波導不與正極和負極連接。
[0010]一種硅基電鍍金屬反射鏡光柵耦合器，包括絕緣體上硅芯片，所述的絕緣體上硅芯片包括硅襯底，所述的硅襯底上設置有中間鏤空的掩埋絕緣體，所述硅襯底處于所述掩埋絕緣體鏤空處的一面設置有金屬反射鏡，所述的金屬反射鏡上方設置有懸浮硅光波導，所述的懸浮硅光波導上設置有耦合光柵。
[0011]上述技術方案中，優選的，所述的懸浮硅光波導兩端設置有與所述掩埋絕緣體接觸的硅波導。
[0012]本發明先在頂層硅上線刻制出硅波導以及硅波導上的耦合光柵，使用濕法或氣相腐蝕的方法，將制作有耦合光柵的硅波導結構下方的掩埋絕緣體進行腐蝕掏空，形成一段懸浮的硅波導，此懸浮硅波導上有耦合光柵，本申請把這段懸浮硅波導稱為懸浮硅光波導。然后再通過電鍍的方法在懸浮硅光波導下方的硅襯底上制作出一層金屬作為反射鏡。因此，通過該金屬反射鏡，可以使光纖在與硅波導進行耦合時，衍射到硅襯底方向的光再反射回光柵，從而提高耦合效率。
[0013]與現有技術相比，本發明的有益效果是:本發明產品通過在波導光柵耦合器下方增加金屬反射鏡的方式實現耦合效率的提升，極大的保證了耦合的穩定性，增加了耦合的效率。且本發明的方法制作簡單，成本低廉，便于大規模集成。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發明絕緣體上娃芯片示意圖。
[0015]圖2是本發明制造步驟A中絕緣體上硅芯片俯視示意圖。
[0016]圖3是本發明制造步驟A中絕緣體上硅芯片剖視示意圖。
[0017]圖4是本發明制造步驟B中絕緣體上硅芯片俯視示意圖。
[0018]圖5是本發明制造步驟B中絕緣體上硅芯片剖視示意圖。
[0019]圖6是本發明制造步驟C中絕緣體上硅芯片俯視示意圖。
[0020]圖7是本發明制造步驟C中絕緣體上硅芯片剖視示意圖。
[0021]圖8是本發明制造步驟C中絕緣體上硅芯片電鍍示意圖。
[0022]圖9是本發明產品使用狀態示意圖。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖與【具體實施方式】對本發明作進一步詳細描述。
[0024]實施例1:如圖1至圖9所示，一種硅基電鍍金屬反射鏡光柵耦合器，包括絕緣體上硅芯片，所述的絕緣體上硅芯片包括頂層硅1、掩埋絕緣體2和硅襯底3，所述的硅襯底3上設置有中間鏤空的掩埋絕緣體2，所述硅襯底3處于所述掩埋絕緣體2鏤空處的一面設置有金屬反射鏡8，所述的金屬反射鏡8上方設置有懸浮硅光波導6，所述的懸浮硅光波導6兩端設置有與所述掩埋絕緣體2接觸的硅波導5。所述的懸浮硅光波導6上設置有耦合光柵7。
[0025]其制造方法包括3個步驟:步驟(A)，通過電子束曝光或深紫外曝光或刻蝕的方法將所述頂層硅1制成硅波導5，并在硅波導5上刻制耦合光柵7。步驟(B)，在所述絕緣體上硅芯片表面除耦合光柵7區域以及耦合光柵7上下區域外都涂抹有不與氫氟酸反應的保護材料9，然后通過氫氟酸濕法或氫氟酸氣相腐蝕法將裸露在所述絕緣體上硅芯片表面的掩埋絕緣體2腐蝕掉，此時位于耦合光柵7區域下方的掩埋絕緣體2也被腐蝕鏤空，露出硅襯底3，并讓此段硅波導5懸空形成懸浮硅光波導6。步驟(C)，將所述絕緣體上硅芯片上的保護材料9去除再浸沒到電鍍液10中，所述電鍍液10內具有正極12和負極11，所述絕緣體上硅芯片的硅襯底3連接負極11，所述的硅波導5不與正極12和負極11連接，然后進行電鍍，電鍍完成后娃襯底3表面被鍍上一層金屬，其中位于懸浮娃光波導6下方的娃襯底3表面金屬層形成金屬反射鏡8。其中保護材料9可以是光刻膠，也可以是其他不與氫氟酸反應的材料。根據選擇硅襯底3表面被鍍的金屬可以是銅、鋅、鎳、錫、銀或其他單金屬或者合金材料，只需要達到提高硅襯底3表面光亮度，改善硅襯底3表面的光反射能力即可。
[0026]本發明產品使用時，光纖4對準耦合光柵7進行耦合，此時部分衍射到金屬反射鏡8方向的光再反射回耦合光柵7進行耦合，相比現有光耦合器本發明產品極大的提高了光耦合的效率。通過本發明制造出來的硅基電鍍金屬反射鏡光柵耦合器相比現有的光柵耦合器耦合效率有了極大的提高，相比反向錐形模式轉換器制造成本極大的降低，且耦合效率不亞于反向錐形模式轉換器。兼具了成本優勢與質量效率優勢。
【主權項】
1.一種硅基電鍍金屬反射鏡光柵耦合器制作方法，制作基體為絕緣體上硅芯片，所述的絕緣體上硅芯片從上到下分別是頂層硅(1 )、掩埋絕緣體(2)和硅襯底(3)，其特征為，包括以下幾個步驟:步驟A:通過電子束曝光或深紫外曝光或刻蝕的方法將所述頂層硅(1)制成硅波導(5)，并在硅波導(5)上刻制耦合光柵(7);步驟B:在所述絕緣體上硅芯片表面除耦合光柵(7)區域以及耦合光柵(7)上下區域外都涂抹有不與氫氟酸反應的保護材料(9)，然后通過氫氟酸濕法或氫氟酸氣相腐蝕法將裸露在所述絕緣體上硅芯片表面的掩埋絕緣體(2)腐蝕掉，此時位于耦合光柵(7)區域下方的掩埋絕緣體(2)也被腐蝕鏤空，露出硅襯底(3)，并讓此段硅波導(5)懸空形成懸浮硅光波導(6);步驟C:將所述絕緣體上硅芯片上的保護材料(9)去除后再浸沒到電鍍液(10)中，所述電鍍液(10)內具有正極(12)和負極(11)，所述硅襯底(3)連接負極(11)，然后進行電鍍，電鍍完成后硅襯底(3)表面被鍍上一層金屬，其中位于懸浮娃光波導(6)下方的娃襯底(3)表面金屬層形成金屬反射鏡(8)。2.根據權利要求1所述的一種硅基電鍍金屬反射鏡光柵耦合器制作方法，其特征為，所述步驟B和所述步驟C中的保護材料為光刻膠。3.根據權利要求1所述的一種硅基電鍍金屬反射鏡光柵耦合器制作方法，其特征為，在所述的步驟C中，所述的硅波導(5)不與正極(12)和負極(11)連接。4.一種根據權利要求1制成的硅基電鍍金屬反射鏡光柵耦合器，包括絕緣體上硅芯片，所述的絕緣體上硅芯片包括硅襯底(3)，其特征為，所述的硅襯底(3)上設置有中間鏤空的掩埋絕緣體(2 )，所述硅襯底(3 )處于所述掩埋絕緣體(2 )鏤空處的一面設置有金屬反射鏡(8)，所述的金屬反射鏡(8)上方設置有懸浮硅光波導(6)，所述的懸浮硅光波導(6)上設置有耦合光柵(7)。5.根據權利要求4所述的一種硅基電鍍金屬反射鏡光柵耦合器，其特征為，所述的懸浮硅光波導(6)兩端設置有與所述掩埋絕緣體(2)接觸的硅波導(5)。
【專利摘要】一種硅基電鍍金屬反射鏡光柵耦合器及其制作方法，涉及光纖耦合技術以及光電集成領域，絕緣體上硅芯片通過三個制作步驟后制成硅襯底上設置有中間鏤空的掩埋絕緣體，硅襯底處于掩埋絕緣體鏤空處的一面設置有金屬反射鏡，金屬反射鏡上方設置有懸浮硅光波導，懸浮硅光波導上設置有耦合光柵的硅基電鍍金屬反射鏡光柵耦合器。與現有技術相比，本發明的有益效果是：本發明產品通過在波導光柵耦合器下方增加金屬反射鏡的方式實現耦合效率的提升，極大的保證了耦合的穩定性，增加了耦合的效率。且本發明的方法制作簡單，成本低廉，便于大規模集成。
【IPC分類】G02B6/34, G02B6/12
【公開號】CN105242350
【申請號】CN201510703711
【發明人】鄭志強
【申請人】寧波屹諾電子科技有限公司
【公開日】2016年1月13日
【申請日】2015年10月27日