一种片上集成波导的微盘腔及其制备方法

技术领域

本发明实施例涉及光学技术，尤其涉及一种片上集成波导的微盘腔及其制备方法。

背景技术

光学微腔是能够将光束缚在一定大小的空间与时间内的一种微小器件，由于它拥有较高的品质因子Q和较小的模式体积，可极大地增强光与物质的相互作用。因此，光学微腔在非线性光学、激光器，相干光通讯，传感等方面发挥着重要的作用。而在光学微腔上集成用于耦合的光波导，将有效推进全光集成光子器件领域的发展。

现有技术中形成的片上集成波导的微盘腔的传输损耗较大。

发明内容

本发明提供一种片上集成波导的微盘腔及其制备方法，降低了光在波导结构中的传输损耗以及提高了微盘腔的品质因子。

第一方面，本发明实施例提供了一种片上集成波导的微盘腔，该微盘腔包括：

氧化硅片；所述氧化硅片包括硅基衬底和氧化硅半导体层；

所述氧化硅半导体层包括功能区和非功能区；所述功能区包括波导结构、微盘结构及位于所述微盘结构内的第一开口；所述非功能区包括第二开口；所述微盘结构与所述第一开口构成微盘腔；

第一扩展腔和第二扩展腔；所述第一扩展腔由所述第一开口沿垂直于所述硅基衬底所在平面的方向延伸至所述硅基衬底内；所述第二扩展腔由所述第二开口沿垂直于所述硅基衬底所在平面的方向延伸至所述硅基衬底内；所述第一扩展腔与所述第二扩展腔连通；所述波导结构和所述微盘结构在所述硅基衬底的垂直投影位于所述第一扩展腔和所述第二扩展腔组成的连通结构内。

可选的，所述功能区的非开口位置处的所述氧化硅半导体层的厚度大于所述非功能区的所述氧化硅半导体层的厚度。

可选的，所述波导结构为直线形波导结构；

或者，所述波导结构为弯曲型波导结构；所述弯曲形波导结构上的各个点到所述微盘结构的垂直距离为固定值。

可选的，所述波导结构和所述微盘结构的间隔距离L满足：0μm≤L≤10μm。

可选的，所述第一开口位于所述微盘结构的中心区域。

可选的，所述第二开口位于所述波导结构远离所述微盘结构的一侧。

可选的，所述第一扩展腔在所述硅基衬底与所述氧化硅半导体层的接触面处的尺寸大于所述第一开口的尺寸；

所述第二扩展腔在所述硅基衬底与所述氧化硅半导体层的接触面处的尺寸大于所述第二开口的尺寸。

第二方面，本发明实施例还提供了一种片上集成波导的微盘腔的制备方法，该制备方法用于制备如第一方面所述的片上集成波导的微盘腔，所述制备方法包括：

提供一氧化硅片；所述氧化硅片包括硅基衬底和氧化硅半导体层；所述氧化硅半导体层包括功能区和非功能区；

采用干法刻蚀工艺刻蚀所述氧化硅半导体层的所述非功能区，以使所述氧化硅半导体层的所述功能区形成波导结构和微盘结构；

采用干法刻蚀工艺刻蚀所述微盘结构内的氧化硅半导体层以及部分所述非功能区的所述氧化硅半导体层，以在所述微盘结构内形成第一开口以及在所述非功能区中形成第二开口；所述微盘结构与所述第一开口构成微盘腔；

分别以所述第一开口结构和所述第二开口结构为掩膜刻蚀所述硅基衬底，以形成第一扩展腔和第二扩展腔；所述第一扩展腔与所述第二扩展腔连通；所述波导结构和所述微盘结构在所述硅基衬底的垂直投影位于所述第一扩展腔和所述第二扩展腔组成的连通结构内。

可选的，分别以所述第一开口结构和所述第二开口结构为掩膜刻蚀所述硅基衬底，以形成第一扩展腔和第二扩展腔，包括：

分别以所述第一开口结构和所述第二开口结构为掩膜，采用刻蚀工艺刻蚀所述硅基衬底，以形成第一扩展腔和第二扩展腔；所述第一扩展腔在所述硅基衬底与所述氧化硅半导体层的接触面处的尺寸大于所述第一开口的尺寸；所述第二扩展腔在所述硅基衬底与所述氧化硅半导体层的接触面处的尺寸大于所述第二开口的尺寸；

其中，所述刻蚀工艺的反应物包括二氟化氙、或者氢氧化钾、或者氢氧化四甲基氨、或硝酸、氢氟酸和醋酸混合液中的至少一种。

可选的，所述干法刻蚀工艺包括反应等离子刻蚀工艺或者电感耦合等离子刻蚀工艺。

本技术方案通过设置第二扩展腔，减少光在硅基衬底中的输出损耗，从而降低了光在氧化硅波导结构中的传输损耗；同时通过设置第一扩展腔，减少由波导结构耦合至微盘腔内的光在硅基衬底中的输出损耗，提升了微盘腔的品质因子，这样提升了整个片上集成波导的微盘腔输出光的功率，解决了现有技术中片上集成波导的微盘腔的传输损耗较大的问题，有利于其在非线性方面的应用。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种片上集成波导的微盘腔的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种片上集成波导的微盘腔的俯视结构示意图；

图3是沿图2中A’B’剖面线得到的片上集成波导的微盘腔的剖面结构示意图；

图4是本发明实施例提供的另一种片上集成波导的微盘腔的俯视结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种片上集成波导的微盘腔的制备方法的流程示意图；

图6-11是本发明实施例提供的一种片上集成波导的微盘腔的工艺制备过程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1是本发明实施例提供的一种片上集成波导的微盘腔的结构示意图，图2是本发明实施例提供的一种片上集成波导的微盘腔的俯视结构示意图；图3是沿图2中A’B’剖面线得到的片上集成波导的微盘腔的剖面结构示意图；如图1-3所示，该微盘腔包括：氧化硅片10；氧化硅片10包括硅基衬底11和氧化硅半导体层12；氧化硅半导体层12包括功能区A和非功能区B；功能区A包括波导结构121、微盘结构122及位于微盘结构122内的第一开口123；非功能区B包括第二开口124；微盘结构122与第一开口123构成微盘腔125；第一扩展腔111和第二扩展腔112；第一扩展腔111由第一开口123沿垂直于硅基衬底11所在平面的方向延伸至硅基衬底11内；第二扩展腔112由第二开口124沿垂直于硅基衬底11所在平面的方向延伸至硅基衬底11内；第一扩展腔111与第二扩展腔112连通；波导结构121和微盘结构122在硅基衬底11的垂直投影位于第一扩展腔111和第二扩展腔112组成的连通结构内。

其中，片上集成波导的微盘腔是先将光经过波导结构121耦合至微盘腔125，当光满足一定条件下，耦合至微盘腔125内的光在微盘腔125内产生谐振，其在非线性光学、激光器，相干光通讯，传感等方面发挥着重要的作用。

具体的，当光经过波导结构121耦合至微盘腔125内时，氧化硅半导体制成的波导结构121由于折射率较低，部分光会泄露至硅基衬底11内，产生较高的材料吸收损耗；本技术方案通过设置第二开口124以形成第二扩展腔112，这样光在氧化硅波导结构121传输时，下方为折射率更低的空气，光不会被硅基衬底11吸收，大大减少了光在波导结构121中的输出损耗；同时，设置第一扩展腔111，减少了耦合至微盘腔125内的光在对应硅基衬底11中的输出损耗，从而提高了微盘腔125的品质因子，这样提升了整个片上集成波导的微盘腔输出光的功率，从而提高了片上集成波导的微盘腔输出光线的非光学特性。可选的，第二开口124位于波导结构121远离微盘结构123的一侧。

可选的，参照图3，功能区A的非开口位置处的氧化硅半导体层的厚度大于非功能区B的氧化硅半导体层的厚度。

其中，氧化硅半导体层12包括氧化硅半导体支撑层和氧化硅半导体功能层；氧化硅半导体支撑层位于硅基衬底与氧化硅半导体功能层之间；功能区A的波导结构121和微盘结构122是通过同一干法刻蚀工艺刻蚀氧化硅半导体功能层制备得到；非功能区B的第二开口124是通过刻蚀氧化硅半导体层支撑层制成，功能区A的第一开口123是通过刻蚀微盘结构122对应的氧化硅半导体支撑层及氧化硅半导体功能层制成；这样功能区A处的非开口位置处的氧化硅半导体层的厚度大于非功能区B的氧化硅半导体层的厚度，即功能区的波导结构121和微盘结构122设置在氧化硅半导体支撑层一侧，这样后续在形成第一扩展腔111和第二扩展腔112后，氧化硅半导体支撑层可以起到支撑波导结构121和微盘腔122的作用。

可选的，参照图1-3，波导结构121为直线形波导结构；直线形波导结构与微盘结构122的耦合点为固定点，波导结构121与微盘腔125的耦合方式唯一。

可选的，图4是本发明实施例提供的另一种片上集成波导的微盘腔的俯视结构示意图；如图4所示，波导结构121为弯曲型波导结构；弯曲形波导结构121上的各个点到微盘结构122的垂直距离为固定值，弯曲型波导结构与微盘结构122的耦合点为多个垂直距离点，这样波导结构121与微盘腔125的耦合方式多样，波导结构121与微盘腔125的耦合效率较高，耦合至微盘腔125内的光线较多，可以提高片上集成波导的微盘腔125的光线输出能量。需说明的是，波导结构121只需实现与微盘腔125的耦合功能即可，这里对波导结构121的具体形状不做具体限定。

可选的，参照图2，波导结构121和微盘结构122的间隔距离L满足：0μm≤L≤10μm。

其中，当波导结构121和微盘结构122的间隔距离较大时，波导结构121输出的光线会有部分损耗，不能完全传输至微盘结构122，进而影响微盘腔125的输出光线能量；若当波导结构121和微盘结构122的间隔距离较小时，会增加整个集成波导的制备工艺难度。优选的，波导结构121和微盘结构122的间隔距离L满足上述范围，可以提高波导结构121与微盘结构122的耦合效率，从而提高微盘腔125输出光线的能量，也能降低整个片上集成波导的微盘腔的制备工艺难度。

可选的，参照图1-4，第一开口123位于微盘结构122的中心区域。第一扩展腔111在硅基衬底11与氧化硅半导体层12的接触面处的尺寸大于第一开口123的尺寸；第二扩展腔112在硅基衬底11与氧化硅半导体层12的接触面处的尺寸大于第二开口124的尺寸。

其中，由于硅基衬底11的本征损耗较大，刻蚀第二开口124对应的第二扩展腔112，波导结构121在硅基衬底11的所在平面的垂直投影位于第二扩展腔112内，减少由硅基衬底11带来的额外损耗，降低了光在波导结构121内的传输损耗；同时刻蚀第一开口123对应的硅基衬底11形成第一扩展腔111，微盘腔125在硅基衬底11的所在平面的垂直投影位于第一扩展腔111内，进一步减少了由硅基衬底11带来的额外损耗，降低了耦合至微盘腔125的光线的传输损耗，提高了微盘腔125的品质因子，这样提升了整个片上集成波导的微盘腔输出光的功率。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种片上集成波导的微盘腔的制备方法，用于制备本发明实施例提供的片上集成波导的微盘腔。图5是本发明实施例提供的一种片上集成波导的微盘腔的制备方法的流程示意图。如图5所示，该制备方法包括：

S110、提供一氧化硅片；

其中，氧化硅片可以选用商用氧化硅片，氧化硅片包括硅基衬底和氧化硅半导体层；氧化硅半导体层包括功能区和非功能区。

S120、采用干法刻蚀工艺刻蚀氧化硅半导体层的非功能区，以使氧化硅半导体层的功能区形成波导结构和微盘结构；

其中，图6-11是本发明实施例提供的一种片上集成波导的微盘腔的工艺制备过程图，参照图6-8，提供一氧化硅片，氧化硅片包括硅基衬底11和氧化硅半导体层12；在氧化硅半导体层12上涂覆光刻胶；利用预设图案的掩膜版作为掩膜，对光刻胶进行光刻和显影，得到定义好的波导结构光刻胶图案31和微盘结构122光刻胶图案32；然后以波导结构光刻胶图案31和微盘结构光刻胶图案32为掩膜，通过反应等离子刻蚀或者电感耦合等离子刻蚀部分氧化硅半导体层12形成波导结构121和微盘结构122。

需说明的是，与湿法刻蚀相比，由于通过化学反应的腐蚀是各项同性的，会导致反应后的实际微盘结构122的尺寸小于为微盘结构光刻胶图案32的尺寸；如此会导致在微盘结构122一侧耦合制备波导结构121的工艺复杂化等问题。本技术方案通过干法刻蚀工艺刻蚀氧化硅半导体层12，干法刻蚀工艺相对于湿法刻蚀工艺，干法刻蚀工艺具有各向异性，即反应速度在各个方向不同，可灵活控制反应速度，使得集成波导结构121的微盘结构122的刻蚀精度变高，实现了精确地控制集成波导结构121的微盘结构122的制成。

另外，与现有技术相比，通过两次湿法刻蚀的方法制备不同材料层的波导结构121和微盘结构122，本方案波导结构121和微盘结构122在同一干法刻蚀工艺中制成，这样简化了工艺制备的流程，制备过程中无需精确的套刻。另外，波导结构121和微盘结构122均采用氧化硅半导体材料制成，更容易实现相位匹配。

S130、采用干法刻蚀工艺刻蚀微盘结构内的氧化硅半导体层以及部分非功能区的氧化硅半导体层，以在微盘结构内形成第一开口以及在非功能区中形成第二开口；微盘结构与第一开口构成微盘腔；

其中，参照图9-10，在形成波导结构121和微盘结构122上涂覆光刻胶，然后采用预设形状的掩膜版作掩膜，对光刻胶进行光刻和显影，露出与微盘结构122对应的氧化硅半导体层12及非功能区的氧化硅半导体层12，然后刻蚀微盘结构122对应的该部分氧化硅半导体层12以在微盘结构122内形成第一开口123，第一开口123贯穿氧化硅半导体层12，第一开口123与微盘结构122构成微盘腔125，即形成片上集成波导的微盘腔；同时，在同一干法刻蚀工艺中刻蚀部分非功能区的氧化硅半导体层12以在非功能区中形成第二开口124。这样通过反应等离子刻蚀或者电感耦合等离子刻蚀工艺刻蚀对应微盘结构122处的氧化硅半导体层12及非功能区的部分氧化硅半导体层12，由于干法刻蚀工艺具有各向异性，这样使得集成波导结构121的微盘腔125及第二开口124的刻蚀精度变高。

S140、分别以第一开口和第二开口为掩膜刻蚀硅基衬底，以形成第一扩展腔和第二扩展腔；

具体的，参照图11，分别以第一开口123和第二开口124为掩膜，采用二氟化氙、或氢氧化钾、或氢氧化四甲基氨、或硝酸、氢氟酸和醋酸混合液中的至少一种刻蚀硅基衬底11形成第一扩展腔111和第二扩展腔112。其中，第一扩展腔111在硅基衬底11与氧化硅半导体层12的接触面处的尺寸大于第一开口123的尺寸；第二扩展腔112在硅基衬底11与氧化硅半导体层12的接触面处的尺寸大于第二开口124的尺寸；第一扩展腔111与第二扩展腔112连通；波导结构121和微盘结构122在硅基衬底11的垂直投影位于第一扩展腔111和第二扩展腔112组成的连通结构内。这样由于硅基衬底11的本征损耗较大，通过湿法刻蚀硅基衬底11形成第一扩展腔111，这样减少了输入光在硅基衬底11内的额外损耗，降低了输入光在波导结构121内的传输损耗，同时通刻蚀硅基衬底11形成第二扩展腔112，进一步降低耦合至微盘腔125光线在硅基衬底11的额外损耗，提高了微盘腔125的品质因子，这样提升了整个片上集成波导的微盘腔输出光的功率，有利于其在非线性光学方面的应用。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。