專利名稱：T型分支波導(dǎo)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于光通訊、光計(jì)算、光傳感和光學(xué)測(cè)量等領(lǐng)域的光子晶體分束器，特別涉及一種以SOI材料的光子晶體T型分支波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，屬于半導(dǎo)體光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在過(guò)去半個(gè)世紀(jì)中，以硅為主導(dǎo)的微電子技術(shù)取得了舉世矚目的成就，大力推動(dòng)了信息技術(shù)黃金時(shí)代的到來(lái)。硅在市場(chǎng)方面的壟斷地位和在工藝方面的巨大優(yōu)勢(shì)，吸引著人們不斷研發(fā)小型化、集成化的硅基光子器件，以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成的光子芯片。絕緣體上的娃(Silicon-on-Insulator, SOI)是一種獨(dú)特的娃基材料體系，采用這種材料制作光電子器件有利于兼容成熟的CMOS工藝，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的光子集成與光電集成。但是，普通的SOI光波導(dǎo)尺寸較大，相應(yīng)的器件很難實(shí)現(xiàn)高密度的集成芯片，于是，光子晶體的概念應(yīng)運(yùn)而生。所謂光子晶體，指的是折射率發(fā)生波長(zhǎng)尺度的周期性改變，具有一定光子帶隙(PBG)的材料結(jié)構(gòu)。光子晶體的出現(xiàn)，為將來(lái)的光電和光子集成芯片開辟了一條新的道路。t匕如，光子晶體波導(dǎo)通過(guò)帶隙的限制效應(yīng)而導(dǎo)光，由于波導(dǎo)寬度在波長(zhǎng)量級(jí)，就能使波導(dǎo)器件的尺寸大為降低。產(chǎn)生完全光子帶隙的3-D光子晶體在制作上還有一定困難，因此，二維光子晶體平板是目前構(gòu)造光子晶體器件的最優(yōu)選擇。在平板平面內(nèi)，通過(guò)光子禁帶產(chǎn)生光限制，而在垂直于平板波導(dǎo)的方向上，通過(guò)折射率導(dǎo)引產(chǎn)生光限制。如果是周期性的空氣孔分布于介質(zhì)材料中，將對(duì)TE模產(chǎn)生較大的光子帶隙，如果是周期性的介質(zhì)柱分布于空氣中，將對(duì)TM模產(chǎn)生較大的光子帶隙。Y型光功率分束器是光學(xué)和光電領(lǐng)域中的基本器件。但是，目前的波導(dǎo)型Y分束器大多長(zhǎng)達(dá)幾千微米，光纖型的Y分束器更是長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)毫米，這種大尺寸的器件將無(wú)法應(yīng)用于將來(lái)大規(guī)模的集成光子芯片中。光子晶體的出現(xiàn)為器件小型化提供了一條新途徑。然而，普通結(jié)構(gòu)的光子晶體Y分束器一般在輸入、輸出波導(dǎo)的交接區(qū)引入缺陷小孔(或缺陷柱)來(lái)提高分束效率、減小插入損耗。圖I為傳統(tǒng)光子晶體Y分束器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖I所示，該結(jié)構(gòu)需要在輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)的交接處引入直徑較小的硅柱(即缺陷柱)，以降低器件損耗、提高輸出效率，這就需要比較精確的曝光工藝。這種結(jié)構(gòu)的最大不足是制作容差小，缺陷孔或缺陷柱的直徑往往只有幾十納米，其位置也需要精確確定，因而給實(shí)際制作帶來(lái)很大困難，同時(shí)，受到結(jié)構(gòu)各種效應(yīng)及光傳輸損耗的影響，光子晶體分束器的分束角度受到限制，難以實(shí)現(xiàn)大角度鈍角的分束。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種光子晶體T型分支波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)光束的180°分束，同時(shí)克服現(xiàn)有光子晶體Y分束器存在的不足以及制備上的困難。，
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供的T型分支波導(dǎo)基于SOI襯底結(jié)構(gòu)，包括S0I襯底、在SOI襯底頂層硅刻蝕形成的硅柱區(qū)域以及將硅柱區(qū)域與外部光纖或其他器件連接的SOI條形波導(dǎo)。其中硅柱區(qū)域中，刻蝕形成的硅柱呈長(zhǎng)方晶格排列在SOI頂層硅上，硅柱的深度為SOI頂層硅的厚度，SOI條形波導(dǎo)為T型分支波導(dǎo)的輸入波導(dǎo)，且距離硅柱區(qū)域與所述SOI條形波導(dǎo)平行的兩邊界均有一距離。進(jìn)一步的，SOI條形波導(dǎo)沿非硅柱長(zhǎng)方晶格短邊方向的任意角度輸入，最優(yōu)的，SOI條形波導(dǎo)沿硅柱長(zhǎng)方晶格的長(zhǎng)邊方向輸入。進(jìn)一步的，SOI條形波導(dǎo)的高度與空氣孔深度相等。進(jìn)一步的，硅柱長(zhǎng)方晶格排列的長(zhǎng)邊b、短邊a的比值β范圍為2彡β彡2. 5。進(jìn)一步的，硅柱的半徑r的范圍為0. 3a彡r彡O. 5a，深度h的范圍為 I.5a ^ h ^ 3a。進(jìn)一步的，硅柱長(zhǎng)方晶格排列的短邊a為400nm，所述硅柱的深度h為800nm，半徑!■為O. 39a，所述硅柱長(zhǎng)方晶格排列的長(zhǎng)邊b、短邊a的比值β為2. 4。進(jìn)一步的，SOI條形波導(dǎo)的寬度至少為Via?？蛇x的，位于SOI頂層硅的硅柱結(jié)構(gòu)通過(guò)電子束曝光、電感耦合等離子體工藝刻蝕或FIB或標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝刻蝕形成。進(jìn)一步的，該T型分支波導(dǎo)結(jié)構(gòu)還包括兩輸出波導(dǎo)，分別位于硅柱區(qū)域兩側(cè)，并沿硅柱長(zhǎng)方晶格排列的短邊方向輸出。進(jìn)一步的，輸出波導(dǎo)的寬度至少為V^b。本發(fā)明的技術(shù)效果是，該光子晶體T型分支波導(dǎo)與傳統(tǒng)的分束器相比，能夠?qū)崿F(xiàn)入射光束的180°大角度分束，同時(shí)由于完全采用光子晶體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光束的分束，分束區(qū)的長(zhǎng)度可以控制在10 μ m以內(nèi)，這使總體器件的長(zhǎng)度極大縮短，結(jié)構(gòu)更為緊湊；同時(shí)，與普通的光子晶體Y分束器相比，其不需要引入缺陷柱或缺陷孔，制備容差更大、設(shè)計(jì)更為靈活，能夠更為廣泛的用在未來(lái)的光子芯片中。此外，本發(fā)明提供的光子晶體分束器結(jié)構(gòu)基于SOI襯底，與目前成熟的CMOS工藝兼容，制備工藝簡(jiǎn)單成熟、成本低廉。


圖I為普通SOI光子晶體Y分束器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2 二維長(zhǎng)方晶格柱狀平板光子晶體不同β取值的能帶面；圖3為二維長(zhǎng)方晶格柱狀平板光子晶體TE模式第二能帶等頻圖；圖4為本發(fā)明提供的SOI光子晶體T型分支波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)及FDTD仿真結(jié)果示意圖；圖5是本發(fā)明提供的SOI光子晶體T型分支波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)側(cè)面示意圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)在光子晶體內(nèi)部引入缺陷作為通道可以引導(dǎo)光束的傳輸。但是，光子晶體還具有一個(gè)獨(dú)特的性質(zhì)——自準(zhǔn)直效應(yīng)。基于這一效應(yīng)，在光子晶體內(nèi)部不需要引入任何缺陷，光束自身就可以克服衍射發(fā)散準(zhǔn)直向前傳輸。這一特性源于光子晶體的色散關(guān)系，并且，自準(zhǔn)直光束除了能夠自動(dòng)準(zhǔn)直傳輸以外，還具有零交叉效應(yīng)，角度不敏感效應(yīng)，對(duì)光子晶體結(jié)構(gòu)精度不敏感等效應(yīng)。圖2為二維長(zhǎng)方晶格柱狀平板光子晶體不同β取值的能帶面。與正方晶格周期結(jié)構(gòu)相比，長(zhǎng)方晶格由于對(duì)稱性降低而具有更多的結(jié)構(gòu)參數(shù)，這為設(shè)計(jì)和調(diào)節(jié)布里淵區(qū)能帶結(jié)構(gòu)提供了更多途徑。為了獲得對(duì)入射角度不敏感的自準(zhǔn)直效應(yīng)，需要得到盡可能平坦的等頻率線。研究表明，β (β是長(zhǎng)方晶格長(zhǎng)邊b的長(zhǎng)度與短邊a的長(zhǎng)度的比值)對(duì)能帶面結(jié)構(gòu)有很大影響。如圖2所示，固定柱體半徑為O. 15a時(shí)，β取不同數(shù)值時(shí)(其余參數(shù)不變)，對(duì)稱結(jié)構(gòu)光子晶體的能帶面。很明顯，當(dāng)β = I時(shí)，能帶面是正方晶格時(shí)的情況；隨著β增大，能帶面在倒格子短邊方向(對(duì)應(yīng)實(shí)空間晶格長(zhǎng)邊方向)被壓縮，同時(shí)倒格子兩端中間位置的能帶面隆起，兩側(cè)中間位置的能帶面凹陷；進(jìn)一步增大β，倒格子兩端的能帶面逐漸變得平坦。當(dāng)β在2到2. 5之間時(shí)，倒格子兩端的能帶面具有非常平坦的部分，即在這種情況下具有非常平坦的等頻率線。圖3為是β = 2，r = 0.4a，h = 2. 05a時(shí)，在TM模式下非對(duì)稱結(jié)構(gòu)光子晶體第二能帶的等頻圖，如圖3所示，歸一化頻率為O. 29c/a的等頻率線非常平坦。在此情況下，即·使入射角為90° ,光束仍會(huì)沿著長(zhǎng)方晶格短邊方向自準(zhǔn)直傳播。圖4為本發(fā)明提供的本發(fā)明提供的SOI光子晶體T型分支波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)及FDTD仿
真結(jié)果示意圖。如圖4至圖5所示，本具體實(shí)施方式
提供的光子晶體T型分支波導(dǎo)基于SOI襯底結(jié)構(gòu)，所述SOI襯底結(jié)構(gòu)包括襯底硅層101、位于襯底硅層101上的二氧化硅埋層102以及位于該二氧化硅埋層102上的頂層硅103。該T型分支波導(dǎo)包括S0I襯底、在SOI襯底頂層硅103上刻蝕形成的硅柱區(qū)域210以及將硅柱區(qū)域與外部光纖或其他器件連接的SOI條形波導(dǎo)202。其中，硅柱區(qū)域210中，刻蝕形成的硅柱呈長(zhǎng)方晶格排列在SOI頂層硅103上，硅柱的深度h為SOI頂層硅的厚度，SOI條形波導(dǎo)202為T型分支波導(dǎo)的輸入波導(dǎo)，且距離硅柱區(qū)域與所述SOI條形波導(dǎo)平行的兩邊界A、B均有一距離L1、L2，上述距離可以相等，也可以不相等。本具體實(shí)施方式
中，SOI條形波導(dǎo)的高度與硅柱的深度h相等，均為SOI頂層硅的厚度，該深度h與硅柱長(zhǎng)方晶格排列的短邊長(zhǎng)度a的關(guān)系為1. 5a < h < 3a, SOI襯底二氧化硅埋層的厚度至少為2. 64a ;硅柱的半徑r與硅柱長(zhǎng)方晶格排列的短邊長(zhǎng)度a的關(guān)系為
O.3a ^ r ^ O. 5a。作為最佳實(shí)施方式,娃柱長(zhǎng)方晶格排列的短邊a為400nm,所述娃柱的深度h為800nm，半徑r為O. 39a，所述硅柱長(zhǎng)方晶格排列的長(zhǎng)邊長(zhǎng)度b (圖中硅柱圓心之間的距離)、短邊長(zhǎng)度a(圖中硅柱圓心之間的距離)的比值β為2.4。此時(shí)，入射光頻率取O. 266c/a，在通訊波段附近，不管入射光沿何方向入射，光線在硅柱區(qū)域內(nèi)均沿長(zhǎng)方晶格短邊方向傳輸。本具體實(shí)施方式
提供的T型分支波導(dǎo)中，SOI條形波導(dǎo)的寬度k至少為硅柱長(zhǎng)方晶格排列短邊長(zhǎng)度a的七倍，輸出波導(dǎo)的寬度K至少為硅柱長(zhǎng)方晶格排列長(zhǎng)邊長(zhǎng)度b的i倍。本具體實(shí)施方式
中涉及的硅柱光子晶體結(jié)構(gòu)位于SOI頂層硅中，通過(guò)電子束曝光、電感耦合等離子體工藝刻蝕或FIB或標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝刻蝕形成。
進(jìn)一步如圖4所示，SOI條形波導(dǎo)沿硅柱長(zhǎng)方晶格排列的長(zhǎng)邊方向輸入，由于這種光子晶體結(jié)構(gòu)在晶格長(zhǎng)邊方向存在方向性禁帶，即處在禁帶范圍內(nèi)的光波無(wú)法沿著晶格長(zhǎng)邊方向傳播，而只能沿著晶格短邊方向自準(zhǔn)直傳播，從而實(shí)現(xiàn)入射光束的180°分束。在兩端波導(dǎo)處的能量探測(cè)結(jié)果顯示，這種分束器的能量分束比約為I : I。同時(shí)考慮到該尺寸光子晶體結(jié)構(gòu)的全光自準(zhǔn)直效應(yīng)，當(dāng)輸入波導(dǎo)的角度發(fā)生變化時(shí)，入射光束進(jìn)入硅柱區(qū)域210后，仍將沿長(zhǎng)方晶格短邊方向傳播，實(shí)現(xiàn)180°的分束，僅兩分束光束的能量比例發(fā)生改變。本具體實(shí)施方式
提供的光子晶體T型分支波導(dǎo)，利用SOI基二維平板硅柱光子晶體的全光自準(zhǔn)直效應(yīng)實(shí)現(xiàn)輸入光信號(hào)的180°分束傳播，且對(duì)入射光束的角度具有極大范圍的容忍度，與傳統(tǒng)的分束器相比，由于完全采用光子晶體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光束的分束，分束區(qū)的長(zhǎng)度可以控制在IOym以內(nèi)，這使總體器件的長(zhǎng)度極大縮短，結(jié)構(gòu)更為緊湊；同時(shí)，與普通的光子晶體Y分束器相比，其不需要引入缺陷柱或缺陷孔，制備容差更大、設(shè)計(jì)更為靈活，
能夠更為廣泛的用在未來(lái)的光子芯片中。此外，本發(fā)明提供的光子晶體分束器結(jié)構(gòu)基于SOI襯底，與目前成熟的CMOS工藝兼容，制備工藝簡(jiǎn)單成熟、成本低廉?？梢岳斫獾氖牵m然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例披露如上，然而上述實(shí)施例并非用以限定本發(fā)明。對(duì)于任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作出許多可能的變動(dòng)和修飾，或修改為等同變化的等效實(shí)施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種T型分支波導(dǎo)，其特征在于所述T型分支波導(dǎo)包括SOI襯底、在SOI襯底的頂層硅(103)上刻蝕形成的呈長(zhǎng)方晶格排列的硅柱區(qū)域(210)以及將硅柱區(qū)域與外部器件連接的SOI條形波導(dǎo)(202);所述硅柱區(qū)域內(nèi)的硅柱深度h等于SOI頂層硅(103)的厚度，所述SOI條形波導(dǎo)位于呈長(zhǎng)方晶格排列的硅柱區(qū)域的長(zhǎng)邊或短邊；所述SOI襯底(100)包括襯底硅層(101)、位于襯底硅層(101)上的二氧化硅埋層(102)以及位于該二氧化硅埋層(102)上的頂層硅(103)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的T型分支波導(dǎo)，其特征在于，所述SOI條形波導(dǎo)沿長(zhǎng)方晶格短邊方向的任意角度輸入。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的T型分支波導(dǎo)，其特征在于，所述SOI條形波導(dǎo)沿長(zhǎng)方晶格的長(zhǎng)邊方向的任意角度輸入。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的T型分支波導(dǎo)，其特征在于，所述SOI條形波導(dǎo)的高度與硅柱的深度相等。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的T型分支波導(dǎo)，其特征在于，所述長(zhǎng)方晶格排列的長(zhǎng)邊長(zhǎng)度b與短邊長(zhǎng)度a的比值β范圍為2彡β彡2. 5。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的T型分支波導(dǎo)，其特征在于，所述硅柱的半徑!■的范圍為.0.3a ^ r ^ O. 5a，其中，a為長(zhǎng)方晶格排列的短邊長(zhǎng)度a。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的T型分支波導(dǎo)，其特征在于，所述硅柱的深度h的范圍為.1.5a ^ h ^ 3a，其中，a為長(zhǎng)方晶格排列的短邊長(zhǎng)度a。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6或7所述的T型分支波導(dǎo)，其特征在于，所述硅柱長(zhǎng)方晶格排列的短邊長(zhǎng)度a為400nm,所述娃柱的深度h為800nm,半徑r為O. 39a,所述長(zhǎng)方晶格排列的長(zhǎng)邊長(zhǎng)度b與短邊長(zhǎng)度a的比值β為2. 4。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的T型分支波導(dǎo)，其特征在于，所述SOI條形波導(dǎo)的寬度至少為λ/2 a，其中，a為長(zhǎng)方晶格排列的短邊長(zhǎng)度a。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的T型分支波導(dǎo)，其特征在于，所述硅柱通過(guò)電子束曝光、電感耦合等離子體工藝刻蝕或FIB刻蝕形成。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的T型分支波導(dǎo)，其特征在于，所述T型分支波導(dǎo)還包括兩輸出波導(dǎo)，分別位于硅柱區(qū)域的兩側(cè)，并沿長(zhǎng)方晶格排列的短邊方向輸出。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的T型分支波導(dǎo)，其特征在于，所述輸出波導(dǎo)的寬度至少為λ/2 b,其中，,b為長(zhǎng)方晶格排列的長(zhǎng)邊長(zhǎng)度。
全文摘要
一種T型分支波導(dǎo)，利用SOI基二維平板柱狀光子晶體的自準(zhǔn)直效應(yīng)實(shí)現(xiàn)輸入光信號(hào)的180°分束傳播，屬于半導(dǎo)體光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，包括SOI襯底、在SOI襯底頂層硅刻蝕形成的硅柱區(qū)域以及將硅柱區(qū)域與外部光纖或其他器件連接的SOI條形波導(dǎo)。其中硅柱區(qū)域中，刻蝕形成的硅柱呈長(zhǎng)方晶格排列在SOI頂層硅上，硅柱的深度為SOI頂層硅的厚度，SOI條形波導(dǎo)為T型分支波導(dǎo)的輸入波導(dǎo)，且距離硅柱區(qū)域與所述SOI條形波導(dǎo)平行的兩邊界均有一距離。該T型分支波導(dǎo)對(duì)于入射光束角度極不敏感，分束區(qū)的長(zhǎng)度可以控制在10μm以內(nèi)，極大縮短總體器件長(zhǎng)度，結(jié)構(gòu)更為緊湊；同時(shí)，其具有較大的制備容差和更靈活的設(shè)計(jì)。
文檔編號(hào)G02B6/125GK102789024SQ20111012932
公開日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2011年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月18日
發(fā)明者李 浩, 楊志峰, 林旭林, 武愛(ài)民, 王曦, 甘甫烷 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所