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专利名称：包层集成微透镜的阵列波导光栅解复用器芯片及制备方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202111258733.1

专利申请（专利权）人：河南仕佳光子开云优惠体育网页版入口股份有限公司
权利人地址：河南省鹤壁市淇滨区国家经济技术开发区延河路201号

专利发明（设计）人：孙健,苏晓华,杨建周,栗宝贵,常夏森

专利摘要：本发明提出了一种包层集成微透镜的阵列波导光栅解复用器芯片及制备方法，用以解决现有阵列波导光栅解复用器芯片在垂直方向上与探测器之间耦合时出现的光电转换效率偏低的技术问题。本发明的制备方法制备的阵列波导光栅解复用器芯片在45°全反射光路的包层表面利用半导体工艺加工一个微透镜，光束在芯区层内沿水平传播至输出波导处，经输出波导处的45°全反射角反射，光束沿竖直方向经过包层，经包层上与芯区层相对应的微透镜进行聚焦，光束的尺寸减。构馐蟛糠止馐芰磕鼙惶讲馄鞯墓饨邮彰娼邮盏，提高光耦合效率，且微透镜的存在使得芯片和探测器之间的距离无需缩。龃笮酒吞讲馄髦涞鸟詈暇嗬，降低耦合封装的难度，提高效率。

主权利要求：
1.一种包层集成微透镜的阵列波导光栅解复用器芯片，其特征在于，包括样片层（1）、芯区层（2）和包层（3），所述包层（3）位于样片层（1）上，所述芯区层（2）位于样片层（1）和包层（3）之间，所述包层（3）的上部刻蚀有与芯区层（2）内通过的光束相对应的微透镜；
其制备方法，包括以下步骤：
S1、在二氧化硅制备的样片层（1）上生长锗掺杂的二氧化硅层，得到芯区层（2），通过光刻和刻蚀工艺将阵列波导光栅解复用器波导图形转移到芯区层（2）上；
S2、在步骤S1中得到的芯区层（2）的表面上生长硼和磷掺杂的二氧化硅层，得到包层（3）；
S3、在步骤S2中得到的包层（3）表面涂覆光刻胶，得到光刻胶层（4）；
S4、通过光刻显影工艺，将微透镜掩膜版（5）上的图形转移到步骤S3中得到的光刻胶层（4）上；
S5、步骤S4中得到的光刻胶层（4）经过高温回流工艺发生形变，变化为半球状结构；
S6、使用步骤S5中得到的半球状结构的光刻胶层（4）作为掩膜进行ICP刻蚀，在包层（3）表面刻蚀处微透镜图形，得到包层（3）集成微透镜；
S7、在芯片的输出波导处进行45°全反射角的磨抛；
S8、在包层（3）的表面镀增透膜（6）。
2.根据权利要求1所述的包层集成微透镜的阵列波导光栅解复用器芯片，其特征在于，所述芯区层（2）内的光束经输出波导处的端面反射后在竖直方向上与微透镜的中心位置相对应。
3.根据权利要求1所述的包层集成微透镜的阵列波导光栅解复用器芯片，其特征在于，所述步骤S1和步骤S2中的生长均使用PECVD设备进行。
4.根据权利要求1所述的包层集成微透镜的阵列波导光栅解复用器芯片，其特征在于，所述步骤S3中的光刻胶层（4）的厚度大于20μm。
5.根据权利要求1所述的包层集成微透镜的阵列波导光栅解复用器芯片，其特征在于，所述微透镜的曲率半径通过步骤S3中光刻胶层和包层的刻蚀选择比进行调整，微透镜的曲率半径与探测器和芯片的耦合距离相对应。
6.根据权利要求1所述的包层集成微透镜的阵列波导光栅解复用器芯片，其特征在于，所述步骤S5中光刻胶层的回流温度为120℃，回流恒温时间为45min。
7.根据权利要求1所述的包层集成微透镜的阵列波导光栅解复用器芯片，其特征在于，所述步骤S7中对输出波导处进行45°全反射角的磨抛，磨抛后的输出波导端面在竖直方向上对准微透镜的中心位置，所述步骤S8中的增透膜（6）的反射率小于1%。 说明书 : 包层集成微透镜的阵列波导光栅解复用器芯片及制备方法技术领域[0001] 本发明涉及阵列波导光栅解复用器芯片的技术领域，尤其涉及一种包层集成微透镜的阵列波导光栅解复用器芯片及制备方法。背景技术[0002] 随着大数据、云计算、第5代移动通信、物联网以及人工智能等应用市场快速发展，全球数据流量增长达到复合年均增长率在25%以上。快速增长的数据流量对光模块的性能提出了更多的要求。阵列波导光栅复用器和解复用器芯片即AWG形MUX和DEMUX芯片作为高速光模块中重要的无源芯片，如何提高光无源芯片和光有源芯片（如激光器、探测器）之间的耦合效率直接关系到光模块的性能参数。[0003] 研究人员对上述问题进行了探究，如中国发明专利“公开号CN104459880A，公开日2015.03.25”公开的一种端面透镜化的平面光波导包括：一平面光波导阵列，包含有多个平行设置的平面光波导，且该多个平面光波导具有透镜化了的球状镜端面，该球状镜端面具有准直和聚焦功能；以及一耦合器，用于支撑和固定该平面光波导阵列。如中国发明专利“授权公告号CN107247314B，授权公告日2018.12.14”公开的一种与光波导集成的二氧化硅微透镜的制作方法，步骤如下：S1，确定微透镜的尺寸；S2，制作微透镜掩模版；S3，制作PLC型光分路器或阵列波导光栅；S4，ICP深刻蚀做出一个凹槽；S5，生长掺锗的SiO2透镜层；S6，微透镜；S7，刻蚀的透镜进行镀膜。如中国发明专利“公开号CN106353854A，公开日2017.01.25”公开的一种带准直功能的离子交换光波导，包括光波导以及设置在该光波导的输入端或输出端的具有自聚焦功能的自聚焦透镜。上述三个中国发明专利的技术方案中涉及的微透镜都设置在光波导的端面位置，解决的是光在水平传播方向的耦合问题，其中，前两个中国发明专利的技术方案包含的微透镜重点解决激光器和光波导之间的耦合问题，而对于如何解决像阵列波导光栅解复用器这种光波导器件在垂直方向上与探测器间的耦合效率问题，现有的技术中并未提供很好的解决方案。[0004] 如图1所示，现有的阵列波导光栅解复用器芯片在光模块中进行工作时，在阵列波导光栅解复用器芯片输出波导端加工一个45°的全反射角，芯区层2中水平传输的光信号经过45°角全反射后垂直向上传输，经过包层3出射后被芯片上部的探测器7接收，实现光信号向电信号的转换。此时，探测器7能接收到的光信号的强度直接影响光模块的性能好坏。由于高速探测器的光接受面积较。⑶野3和探测器7之间是空气层，光信号在进入空气后会发生衍射从而使光束展宽，因此该方案存在着光电转换效率偏低的问题。目前，针对该方案提高耦合效率的方法主要有：1.减小输出波导的宽度，使进入空气层前的初始光束的尺寸变。佣岣咛讲馄7接收到的光信号能量；2.减小包层3和探测器7之间距离，从而减小光束由于在空气层衍射而发生展宽的程度，从而提高探测器7接收到的光信号能量。但方法1减小了输出波导的宽度，会导致芯片输出光谱带宽变。剐酒阅芏窕环椒2要求减小芯片和探测器7之间的距离，但在实际模块封装操作中会增加了芯片与探测器接触或碰撞的风险。发明内容[0005] 针对现有阵列波导光栅解复用器芯片在垂直方向上与探测器之间耦合时出现的光电转换效率偏低的技术问题，本发明提出一种包层集成微透镜的阵列波导光栅解复用器芯片及制备方法，本发明的制备方法制备的阵列波导光栅解复用器芯片在45°全反射光路的包层表面利用半导体工艺加工一个微透镜，该微透镜可以实现光束在垂直方向上的聚焦、减小光束尺寸，使大部分光束能量能被探测器光接收面接收到，提高光耦合效率。[0006] 为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：[0007] 一种包层集成微透镜的阵列波导光栅解复用器芯片，包括样片层、芯区层和包层，包层位于样片层上，芯区层位于样片层和包层之间，包层的上部刻蚀有与芯区层内通过的光束相对应的微透镜。[0008] 进一步的，包层上设置有增透膜。[0009] 进一步的，样片层为二氧化硅层，芯区层为掺杂有锗的二氧化硅层，包层为掺杂有硼和磷的二氧化硅层。[0010] 进一步的，芯片的输出波导处设置有全反射角，全反射角的度数为45°，芯区层内的光束经输出波导处的端面反射后在竖直方向上与微透镜的中心位置相对应。一种包层集成微透镜的阵列波导光栅解复用器芯片的制备方法，包括以下步骤：[0011] S1、在二氧化硅制备的样片层上生长锗掺杂的二氧化硅层，得到芯区层，通过光刻和刻蚀工艺将阵列波导光栅解复用器波导图形转移到芯区层上；[0012] S2、在步骤S1中得到的芯区层的表面上生长硼和磷掺杂的二氧化硅层，得到包层；[0013] S3、在步骤S2中得到的包层表面涂覆光刻胶，得到光刻胶层；[0014] S4、通过光刻显影工艺，将微透镜掩膜版上的图形转移到步骤S3中得到的光刻胶层上；[0015] S5、步骤S4中得到的光刻胶层经过高温回流工艺发生形变，变化为半球状结构；[0016] S6、使用步骤S5中得到的半球状结构的光刻胶层作为掩膜进行ICP刻蚀，在包层表面刻蚀处微透镜图形，得到包层集成微透镜；[0017] S7、在芯片的输出波导处进行45°全反射角的磨抛；[0018] S8、在包层的表面镀增透膜。[0019] 进一步的，步骤S1和步骤S2中的生长均使用PECVD设备进行。[0020] 进一步的，步骤S3中的光刻胶层的厚度大于20μm。[0021] 进一步的，微透镜的曲率半径通过步骤S3中光刻胶层和包层的刻蚀选择比进行调整，微透镜的曲率半径与探测器和芯片的耦合距离相对应。[0022] 进一步的，步骤S5中光刻胶层的回流温度为120℃，回流恒温时间为45min。[0023] 进一步的，步骤S7中对输出波导处进行45°全反射角的磨抛，磨抛后的输出波导端面在竖直方向上对准微透镜的中心位置，步骤S8中的增透膜的反射率小于1%。[0024] 本发明的有益效果：[0025] 1.本发明的芯片的包层表面加工了微透镜，当光束在芯区层内沿水平方向传播至输出波导处时，经输出波导处的45°全反射角反射，光束沿竖直方向经过包层，经包层上与芯区层相对应的微透镜进行聚焦，光束的尺寸减。构馐蟛糠止馐芰磕鼙惶讲馄鞯墓饨邮彰娼邮盏，提高光耦合效率，且微透镜的存在使得芯片和探测器之间的距离无需缩。龃笮酒吞讲馄髦涞鸟詈暇嗬，降低耦合封装的难度，提高效率。[0026] 2.本发明的制备方法简单，操作方便，利用半球状光刻胶层作为掩膜进行ICP刻蚀过程中，可以对光刻胶层和包层的二氧化硅层之间的刻蚀选择比进行调整，从而实现对微透镜焦距进行调节，使微透镜最佳聚焦耦合的距离满足实际封装需求。且对输出波导进行45°全反射角磨抛，磨抛过程需要精确控制磨抛距离，使磨抛后的芯区波导端面在竖直方向上对准微透镜的中心位置。这样，能够进一步实现光束在垂直方向上的聚焦、减小光束尺寸，使大部分光束能量能被探测器的光接收面接收到，提高光耦合效率。附图说明[0027] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0028] 图1为常规阵列波导光栅解复用器芯片耦合的示意图。[0029] 图2为本发明实施例1阵列波导光栅解复用器芯片耦合的示意图。[0030] 图3为本发明实施例2制备方法步骤S1中芯区层生长后的芯片结构示意图。[0031] 图4为本发明实施例2制备方法步骤S2中包层生长后的芯片结构示意图。[0032] 图5为本发明实施例2制备方法步骤S3中涂覆得到光刻胶层后的芯片结构示意图。[0033] 图6为本发明实施例2制备方法步骤S4中光刻显影工艺的工作示意图。[0034] 图7为本发明实施例2制备方法步骤S4中光刻胶完成图形转移后的芯片结构示意图。[0035] 图8为本发明实施例2制备方法步骤S5中完成高温回流工艺后的芯片结构示意图。[0036] 图9为本发明实施例2制备方法步骤S6中完成ICP刻蚀后的芯片结构示意图。[0037] 图10为本发明实施例2制备方法步骤S7中完成全反射角加工后的芯片结构示意图。[0038] 图11为本发明实施例2制备方法步骤S8中完成镀膜后的芯片结构示意图。[0039] 图12为图11中a?a方向的截面示意图。[0040] 图中，1?样片层，2?芯区层，3?包层，4?光刻胶层，5?微透镜掩膜版，6?增透膜，7?探测器。具体实施方式[0041] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0042] 实施例1[0043] 一种包层集成微透镜的阵列波导光栅解复用器芯片，如图2所示，包括样片层1、芯区层2和包层3，包层3位于样片层1上，芯区层2位于样片层1和包层3之间，包层3的上部刻蚀有与芯区层2内通过的光束相对应的微透镜。芯片的输出波导处设置有全反射角，全反射角的度数为45°，芯区层2内的光束经输出波导处的端面反射后在竖直方向上与微透镜的中心位置相对应。当光束在芯区层2内沿水平方向传播至输出波导处时，经输出波导处的45°全反射角反射，光束沿竖直方向经过包层3，经包层3上与芯区层相对应的微透镜进行聚焦，光束的尺寸减。构馐蟛糠止馐芰磕鼙惶讲馄7的光接收面接收到，提高光耦合效率，且微透镜的存在使得芯片和探测器7之间的距离无需缩。龃笮酒吞讲馄髦涞鸟詈暇嗬，降低耦合封装的难度，提高效率。[0044] 进一步的，在本实施例中，包层3上设置有增透膜6，当光束经过时，在1250nm?1625nm波长范围内，增透膜反射率小于1%，进一步提升光耦合效率，降低光束在空气层中的能量损失。[0045] 值得说明的是，在本实施例中，样片层1为二氧化硅层，芯区层2为掺杂有锗的二氧化硅层，包层3为掺杂有硼和磷的二氧化硅层。在本发明的其他实施例中，还可以根据需要调整上述各层的组成材料。[0046] 实施例2[0047] 一种包层集成微透镜的阵列波导光栅解复用器芯片的制备方法，包括以下步骤：[0048] S1、在二氧化硅制备的样片层1上生长锗掺杂的二氧化硅层，得到芯区层2，通过光刻和刻蚀工艺将阵列波导光栅解复用器波导图形转移到芯区层2上。具体的说，如图3所示，选取一片二氧化硅样片作为样品层1，使用PECVD设备在样片层1表面生长一层4微米厚度的掺锗二氧化硅的芯区层2，具体生长条件为：温度300℃，压力300mTorr，射频功率650W，SiH4流量15sccm，N2O流量1500sccm，GeH4流量4sccm，沉积时间25min；使用多晶硅作为掩膜，通过光刻、刻蚀等工艺加工出阵列波导光栅解复用器芯片的波导图形。[0049] S2、在步骤S1中得到的芯区层2的表面上生长硼和磷掺杂的二氧化硅层，得到包层3。具体的说，如图4所示，使用PECVD设备在样片层1表面生长一层硼、磷掺杂的二氧化硅包层3，如图12所示，包层3包覆芯区层2，具体生长条件为：温度300℃，压力400mTorr，射频功率600W，SiH4流量15sccm，N2O流量1500sccm，B2H6流量45sccm，PH3流量13sccm，沉积时间40min；包层材料沉积后，样片在1050℃下进行回流，回流时间45min。[0050] S3、在步骤S2中得到的包层3表面涂覆光刻胶，得到光刻胶层4。具体的说，如图5所示，在上包层3表面涂覆光刻胶层4，具体工艺条件为：旋涂转数为1500转/分，固化温度120℃，固化时间30min，固化后光刻胶层4厚度大于20微米。[0051] 值得说明的是，在本实施例中，微透镜的曲率半径通过步骤S3中光刻胶层和包层的刻蚀选择比进行调整，微透镜的曲率半径与探测器和芯片的耦合距离相对应，使微透镜最佳聚焦耦合的距离满足实际封装需求。[0052] S4、通过光刻显影工艺，将微透镜掩膜版5上的图形转移到步骤S3中得到的光刻胶层4上。具体的说，如图6所示，利用光刻掩膜版5对光刻胶层进行紫外光刻，将光刻后的芯片浸入显影液中，显影时间为3min，如图7所示，将光刻掩膜版5上的图形转移到光刻胶层4上。[0053] S5、步骤S4中得到的光刻胶层4经过高温回流工艺发生形变，变化为半球状结构。具体的说，如图8所示，进行热回流工艺，回流温度150℃，回流时间45min，光刻胶层4在高温熔融状态下变为半球形。[0054] S6、使用步骤S5中得到的半球状结构的光刻胶层4作为掩膜进行ICP刻蚀，在包层3表面刻蚀处微透镜图形，得到包层3集成微透镜。具体的说，如图9所示，利用半球状的光刻胶作为掩膜，使用ICP刻蚀工艺对样片上包层进行刻蚀，在上包层刻蚀出微透镜图形，具体刻蚀工艺条件为：下电极温度20℃，压力15mTorr，上射频功率1400W，下射频功率200W，O2流量25sccm，C4F8流量10sccm，刻蚀时间55min。[0055] S7、在芯片的输出波导处进行45°全反射角的磨抛。具体的说，如图10所示，在输出波导处进行磨抛工艺，加工出45°全反射角，以实现光在垂直方向的传输。[0056] S8、在包层3的表面镀增透膜6。具体的说，如图11所示，在微透镜表面镀上增透膜6，在1250nm?1625nm波长范围内，增透膜反射率小于1%。[0057] 值得说明的是，在本发明的其他实施例中，利用半球状光刻胶层作为掩膜进行ICP刻蚀过程中，可以对光刻胶层和包层3的二氧化硅层之间的刻蚀选择比进行调整，从而实现对微透镜焦距进行调节，使微透镜最佳聚焦耦合的距离满足实际封装需求。[0058] 值得说明的是，在本实施例中，如图10所示，对输出波导进行45°全反射角磨抛，磨抛过程需要精确控制磨抛距离，使磨抛后的芯区波导端面在竖直方向上对准微透镜的中心位置。这样，能够进一步实现光束在垂直方向上的聚焦、减小光束尺寸，使大部分光束能量能被探测器7的光接收面接收到，提高光耦合效率。[0059] 以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

专利地区：河南

专利申请日期：2021-10-27

专利公开日期：2024-09-24

专利公告号：2024-09-24