一种应用于中红外波段的悬空型边缘耦合器

摘要

本发明涉及一种应用于中红外波段的悬空型边缘耦合器，包括三端口倒锥形耦合器(1)、悬空脊型波导(2)和悬梁臂支撑结构(3)。本发明通过独特的结构设计增大了耦合效率，同时增大了工艺容差，也为测试带来了极大的方便，解决了中红外波段波导‑光纤耦合损耗大的问题，具有良好的应用前景。

权利要求

1.一种应用于中红外波段的悬空型边缘耦合器，其特征在于：包括三端口倒锥形耦合器(1)、悬空脊型波导(2)和悬梁臂支撑结构(3)；所述三端口倒锥形耦合器(1)与悬空脊型波导(2)直接相连；所述悬梁臂支撑结构(3)用以支撑三端口倒锥形耦合器(1)。

2.根据权利要求1所述的悬空型边缘耦合器，其特征在于：所述三端口倒锥形耦合器(1)中的端口用以接收中红外波段的光输入。

3.根据权利要求1所述的悬空型边缘耦合器，其特征在于：所述悬梁臂支撑结构(3)由多条平行的条形波导组成。

4.根据权利要求3所述的悬空型边缘耦合器，其特征在于：所述条形波导的厚度与三端口倒锥形耦合器(1)厚度相同或与悬空脊型波导(2)的平板区域厚度相同。

说明书

一种应用于中红外波段的悬空型边缘耦合器

技术领域

[0001] 本发明属于耦合器领域，特别涉及一种应用于中红外波段的悬空型边缘耦合器。

背景技术

[0002] SOI材料是应用于硅基光子学的一种重要的光波导材料，能够与成熟的CMOS工艺兼容，生产成本低，工艺稳定性高。中红外波段(2μm～20μm)是光谱中一个重要的波段范围，
许多气体的吸收峰都集中在该波段，因此在传感方面有着重要的应用。硅材料在3‑8um的吸
收损耗都很低，但是衬底二氧化硅在>3.5μm波长之后吸收损耗较高，因此，如果采用传统的
SOI材料制备所得的硅基波导的传输损耗较大，同样传统的耦合器也面临相同的问题。对于
波导传输损耗大的问题，一般采用挖空二氧化硅衬底的方式，即悬空脊波导来降低传输损
耗。但是通常单纯的脊波导直接进行波导‑光纤耦合的耦合效率很低，因此需要设计能够降
低耦合损耗的悬空型耦合器。

[0003] CN108020889A公开了一种光波导耦合器，由多条宽度、高度渐变的波导构成。其技术方案不适用于中红外波段，不能解决中红外波段衬底损耗高的问题。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种应用于中红外波段的悬空型边缘耦合器，解决了中红外波段波导‑光纤耦合损耗大的问题。

[0005] 本发明提供了一种应用于中红外波段的悬空型边缘耦合器，包括三端口倒锥形耦合器、悬空脊型波导和悬梁臂支撑结构；所述三端口倒锥形耦合器与悬空脊型波导直接相
连；所述悬梁臂支撑结构用以支撑三端口倒锥形耦合器。

[0006] 所述三端口倒锥形耦合器中的端口用以接收中红外波段的光输入。

[0007] 所述悬梁臂支撑结构由多条平行的条形波导组成。

[0008] 所述条形波导的厚度与三端口倒锥形耦合器厚度相同或与悬空脊型波导的平板区域厚度相同。

[0009] 本发明耦合部分采用悬空的条形波导，三端口的倒锥形耦合器可以增大波导中的模场面积，从而增大与光纤中光场的耦合效率，同时，悬空结构也解决了衬底吸收损耗高的
问题。采用锥形波导结构过渡到脊型波导，降低了耦合器的传输损耗。对于悬梁臂支撑结构
的设计，可以设计成满足亚波长光栅结构的悬梁臂，避免对耦合器内光场传输造成影响。因
此，该结构可以实现中红外波段的低损耗光纤‑波导耦合，对中红外波段硅光器件应用有深
远意义。

[0010] 有益效果

[0011] 本发明采用悬梁臂波导用以支撑悬空的条形波导耦合器，该悬梁臂需要满足能稳定支撑耦合器的条件，且尽量减小对耦合器中光场的影响；本发明通过构造悬空的三端口
倒锥形耦合器增大了波导中的光场与光纤中光场的耦合面积，从而增大了耦合效率；同时
该结构制备工艺简单，且可以增大工艺容差，也为测试带来了极大的方便，解决了中红外波
段波导‑光纤耦合损耗大的问题，具有良好的应用前景。

附图说明

[0012] 图1为本发明的结构示意图；

[0013] 图2为本发明的制备流程图。

具体实施方式

[0014] 下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人
员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定
的范围。

[0015] 实施例1

[0016] 由图1所示，本实施例提供了一种应用于中红外波段的悬空型边缘耦合器，包括三端口倒锥形耦合器1、悬空脊型波导2和悬梁臂支撑结构3；所述三端口倒锥形耦合器1与悬
空脊型波导2直接相连；所述悬梁臂支撑结构3用以支撑三端口倒锥形耦合器1。所述三端口
倒锥形耦合器1中的端口用以接收中红外波段的光输入。所述悬梁臂支撑结构3由多条平行
的条形波导组成。

[0017] 由图2所示，本实施例还提供了一种应用于中红外波段的悬空型边缘耦合器的制备方法，包括如下步骤：

[0018] (1)该结构适用于硅光器件的SOI材料，其中二氧化硅层厚度一般为几个微米，例如2μm或者3μm，顶层硅为单晶硅，厚度一般为几百纳米到几微米。首先将硅片表面清洗烘
干，然后旋涂光刻胶，经历软烘、对准曝光、后烘等工艺后进行显影，然后将未被光刻胶保护
的区域刻蚀，形成Si脊型波导图形(悬梁臂为脊形波导层)。

[0019] (2)通过第二次光刻、刻蚀等工艺过程(具体工艺步骤参照步骤(1))，形成Si条型波导图形(耦合器为条形波导层)。

[0020] (3)将制备完成的结构浸泡在缓冲氧化物刻蚀液(BOE)中，该溶液由49％的氢氟酸与氟化铵混合而成，将完成前两步制备工艺的芯片在BOE溶液中浸泡几十分钟，对波导下方
的二氧化硅进行刻蚀，直到完全去除波导下方的二氧化硅衬底，形成悬浮脊型波导结构。

[0021] 通过仿真可以验证，本发明的结构在4.3μm波长处的耦合损耗可以达到0.26dB,比普通的单端口倒锥形耦合器的耦合效率提高了1dB。