硅基光电子集成芯片边缘耦合技术

逍遥设计自动化

引言
氮化硅(Si3N4)作为光电子集成芯片的理想平台，具有低传输损耗、异质集成兼容性、宽透明带宽等优点，且与硅绝缘体平台相比，在光刻和刻蚀过程中的误差容忍度更高。本文介绍在氮化硅光电子集成芯片中实现高效边缘耦合的技术，重点阐述设计优化、制造工艺和表征方法[1]。

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( p+ p& p! G$ B; O- Q1
. o& N+ Q" S/ x/ n0 k/ Z0 G耦合机制与设计
- i! B1 d1 a& M) q  p相比光栅耦合器，边缘耦合器表现出更高的平面光耦合效率和更宽的光谱带宽。耦合机制依赖于通过精心设计的锥形结构实现光纤和波导之间的模式尺寸转换。为获得最佳性能，波导的局部一阶模式应在锥形段传输时，尽量减少向高阶模式或辐射模式的转换。

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图1：(a) 带光纤的耦合锥形结构三维示意图，(b) 波导中的光传播，(c) 透镜光纤与芯片端面的耦合，展示了基本的耦合机制。
3 C/ k$ x1 z$ j
设计过程首先需要确定合适的波导几何结构以确保基模激发。通过使用Ansys Lumerical FDE进行广泛建模，选择了1200纳米的波导宽度。锥形结构几何优化涉及长度和宽度参数的仔细考虑。制造的锥形结构通常长度在200微米到520微米之间，初始宽度从50到500纳米不等。

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图2：综合分析显示(a) Si3N4有效折射率计算，(b) 基模剖面，(c-f) 不同光纤类型的锥形长度优化，(g) 锥形宽度优化，(h) 模式传播仿真。

2
制造工艺
6 y6 B8 n" p$ x% i制造工艺包含多个关键步骤以实现高质量边缘耦合器。工艺始于在525微米硅衬底上生长220纳米厚的化学气相沉积氮化硅层，氧化层厚度为2.5微米，覆盖2.5微米氧化物。

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图3：完整制造工艺流程，展示从晶圆清洗到光学测量的16个步骤，说明了全面的制造顺序。
! C$ x0 v% P4 A, @7 ~; S1 k
工艺顺序包括：

使用电子束光刻进行波导结构对准

通过反应离子等离子体刻蚀将图案转移到氮化硅器件层

等离子体切割工艺，包括：
2 h/ r: K  ^" E1 @[/ol]表面处理
6 c& z& H7 y+ I3 j" A光刻胶旋涂
光刻
显影
SiO2-Si3N4-SiO2薄膜堆叠刻蚀
光刻胶去除
: J' M0 r2 q8 y使用Bosch工艺进行硅刻蚀
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( ~6 |9 w8 f" a1 Z' z9 }% m3
端面优化
为实现高耦合效率，精确控制边缘端面质量极为关键。虽然传统抛光方法适用于小型芯片，但扩展到晶圆级生产需要替代方法。开发的基于等离子体的工艺通过仔细优化刻蚀参数创建光学级别的边缘端面。

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" R2 e  q3 z  O8 ]9 x( p图4：边缘耦合器制造分析，显示(a) 制造的边缘耦合器SEM图像，(b-g) 影响侧壁角度和选择性的各种制造参数优化曲线。

刻蚀工艺使用CHF3气体，在刻蚀过程中在侧壁上沉积CFx聚合物膜，保护表面同时保持垂直轮廓。关键工艺参数包括：
等离子体源功率：1000W到2500W
台阶功率：50W到90W
8 f. n, B3 U" R+ o9 v工作压力：精确控制以获得最佳方向性
1 `7 Z8 b9 u, Z- ~( i气体流量：CHF3 (10-40 sccm)和Ar用于工艺控制
[/ol]
2 @* `# o+ o2 v, e* u0 m" a4
性能表征
耦合效率表征采用多种测量技术，包括切背分析和光频域反射测量(OFDR)。

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7 Z: S! M0 P9 @) V: b: D图5：测量设置和结果显示(a) 切背表征设置，(b) 传输损耗测量，(c) OFDR表征设置，(d) 波导反射分析。
9 o8 {) f7 Z) X! e( d* l) v  ?6 B
测量的耦合损耗因光纤类型而异：
6 ]+ S* f; J* q+ |3 LUHNA-7光纤：每个端面约0.81 dB
% D1 k( n5 z- k( F标准SMF-28光纤：每个端面约1.50 dB
氧化层加厚的优化设计：UHNA-7光纤约0.15 dB
) A. x+ J, J) q- K[/ol]
% e% U1 k0 J/ k, Q2 pOFDR测量在30米传输长度内提供空间分辨率约10微米和-130 dB检测灵敏度的详细波导性能。测量分辨率遵循关系：
; F3 H6 J8 @7 ]: v% D4 Z

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. e( R" T! x8 G0 N. ?* X: h" x其中Dmin表示最小可分辨距离，c为光速，ng为群折射率，fstart/fend和λstart/λend分别表示频率和波长边界。
$ l/ V/ i) x8 W8 e; v. [
5
耦合效率提升
" k6 r2 F7 r0 r2 C7 X开发了几种提高耦合效率的策略：

氧化层厚度优化：更厚的底部和包覆SiO2层有助于减少垂直模式失配和硅层反射

多尖端锥形设计：多个尖端实现光纤和波导之间更好的模式匹配

绝热锥形优化：仔细控制锥形几何结构确保平滑的模式转换
[/ol]
2 @9 u* _8 Q' `* ^' s3 r优化后的耦合损耗达到：
UHNA-7光纤每个连接-0.15 dB
标准SMF-28光纤每个连接-1.50 dB
优化波导中的传输损耗低至0.13 dB/cm
[/ol]
结果显示了相对传统耦合方法的显著改进，实现了氮化硅光子器件与光纤系统的高效集成。
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0 Q3 h$ M+ b7 k/ a" z: R# s边缘耦合技术的开发为实现氮化硅基光电子集成芯片在激光雷达、光学传感、生物光谱和量子信息处理等多个应用领域提供了可靠基础。通过设计优化、精确制造控制和全面表征的结合，实现了复杂光子系统的可靠和高效光耦合。
2 ^" m; j$ B, q: h' x) y+ v
参考文献
' f/ L( O. t8 `5 N. t3 t9 s' z- z" n[1] S. S. Avdeev, A. S. Baburin, E. V. Sergeev, A. B. Kramarenko, A. V. Belyaev, D. V. Kushnev, K. A. Buzaverov, I. A. Stepanov, V. V. Echeistov, S. V. Bukatin, A. Sh. Amiraslanov, E. S. Lotkov, D. A. Baklykov, and I. A. Rodionov, "A Tutorial on Silicon Photonics Integrated Platform Fiber Edge Coupling," 2024.
END

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