利用硅基波導改進的二氧化硅基陣列波導光柵裝置及制備
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于光纖通信中的波分復用領域，涉及二氧化硅基和硅基波導，具體涉及 一種利用硅基波導進行改進的二氧化硅基陣列波導光柵的裝置及制作方法。
【背景技術】
[0002] 在現(xiàn)代光通信系統(tǒng)中，人們對于信息傳輸速率和器件集成度的要求與日俱增。陣 列波導光柵是典型的集成型密集波分復用器件，由輸入和輸出波導、平板波導和陣列波導 組合而成。它可以使多個波長光混合到一起傳輸，到達終點后可以按波長分開，極大提高了 光纖的傳輸容量而且易于集成[1，2]。二氧化硅基陣列波導光柵在經歷較長時間發(fā)展后， 對各方面性能的優(yōu)化都已經發(fā)展得很成熟[3-6]，而且其加工工藝與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容， 經驗豐富。但是由于二氧化硅基輸入或輸出波導間距需要較大以避免波導間耦合引起的串 擾。而陣列波導光柵的信道間隔與輸入或輸出波導間距成正比，因此二氧化硅基陣列波導 光柵的信道間隔一般較大，一般工藝和技術條件下常見的有200GHz、100GHz等[7, 8]，即波 長分辨率較差。如果要達到更小的分辨率，一般需要將陣列波導光柵的尺寸明顯增大，其成 本也相應提高，這在很多應用中是不可接受的。為提高波長分辨率性能同時不增加其尺寸， 本發(fā)明利用硅基波導對二氧化硅基陣列波導光柵進行改進。將輸入或輸出波導替換為硅基 波導可極大減小波導間距，從而減小信道間隔，提高波長分辨率。替換為硅基波導的輸入或 輸出波導逐漸分開足夠距離后再替換回二氧化硅基波導以保證改進后的陣列波導光柵仍 能用于原應用場合。本發(fā)明可保證在充分利用現(xiàn)有成熟的二氧化硅基陣列波導光柵的性能 優(yōu)化技術和生產工藝方法的同時，以較簡單、方便、低成本的方法提高其波長分辨率性能。
[0003] 現(xiàn)有技術文獻參見如下：
[0004] [1]Smit,M.K.Newfocusinganddispersiveplanarcomponentbasedonan opticalphasedarray.Electron.Lett. 1988.24:385-386.
[0005] [2]Takahashi,H.S.Suzuki,K.KatoandI.Nishi.Arrayed-waveguidegrating forwavelengthdivisionmulti/demultiplexerwithnanometerresolution. Electron.Lett. 1990. 26:87-88.
[0006] [3]Uetsuka,H. ,K.Akiba,H.OkanoandY.Kurosawa.Nove1XNguide-wave multi/demultiplexerforWDM.Proc.OFC' 95Tu07,p.276.
[0007] [4]OsamuIshida，HiroshiTakahashi. 1995.Loss-ImbalanceEqualization inArrayed-Waveguide-Grating(AWG)MultiplexerCascades.JournalofLightwave Technology.June1995.Vol. 13,No. 6,pp. 1155-1163.
[0008] [5]OkamotoK.andA.Sugita.Flatspectralresponsearrayed-waveguide gratingmultiplexerwithparabolicwaveguidehorns.Electron. Lett. 1996. 32:1661 - 1662.
[0009] [6]Y.Inoue,A.Kaneko,F.Hanawa,H.Takahashi,K.HattoriandS.Sumida. Athermalsilica-basedarrayed-waveguidegratingmultiplexer.Electron.Lett. 6th November1997.Vol. 33,No. 23,pp. 1945-1947.
[0010] [7]LIJian，ANJun-ming，WANGHong-jie，HUXiong-wei.Silicabased 16X0. 8nmarrayedwaveguidegratingmultiplexerdesign,fabricationand testing.OpticalTechnique.May2005.Vol. 31，No. 3,pp. 349-353.
[0011] [8]0UHai-yan,LEIHong-bing,YANGQin-qing,YUJin-zhongandWANG Qi-ming.SimpleMethodforDesigning1X8Arrayed-WaveguideGrating Multi/Demultiplexers.ChineseJournalofSemiconductors.Aug2000. Vol. 21，No. 8,pp. 798-802.
【發(fā)明內容】
[0012] 本發(fā)明的目的是，為了解決二氧化硅基陣列波導光柵波長分辨率較差的問題，提 出的一種利用硅基波導改進的二氧化硅基陣列波導光柵的裝置及制作方法。
[0013] 本發(fā)明的技術方案如下述：
[0014] (1)-種改進的二氧化硅基陣列波導光柵，其特征是包括輸入和輸出波導、平板波 導和存在相鄰長度差的陣列波導，輸入和輸出波導均包括利用第二耦合器連接的二氧化 硅基波導部分和硅基波導部分，其中利用第一耦合器與二氧化硅基平板波導羅蘭圓連接的 為輸入或輸出波導的硅基波導部分；用于硅基波導和二氧化硅基波導連接的第二耦合器， 位于硅基波導的輸入或輸出波導逐漸分開后足夠距離處。
[0015] 為將由輸入或輸出波導間耦合帶來的串擾盡量抑制，輸入或輸出波導間距需要保 持足夠大。硅基波導的解耦合距離可低至幾微米，而二氧化硅基波導的解耦合距離通常為 十幾微米甚至幾十微米。由上述可知將二氧化硅基陣列波導光柵的輸入或輸出波導替換為 硅基波導后，波長分辨率性能將得到極大提高。
[0016] 當輸入或輸出波導的硅基波導部分間的距離分開至二氧化硅波導解耦合距離后， 可利用上述第二耦合器連接后續(xù)的二氧化硅基波導部分，以保持二氧化硅基陣列波導光柵 原適用場合。
[0017] 本發(fā)明中的硅基波導泛指材料組分含硅的波導，而非限于芯層為純硅的波導。是 高折射率波導或"含硅波導"。
[0018] (2) (1)中所述的一種改進的二氧化硅基陣列波導光柵，其中用于耦合輸入或輸 出波導各自的硅基和二氧化硅基波導部分的第二耦合器采用如下結構：硅基波導的橫截面 逐漸減小，硅基波導橫截面逐漸減小的部分被摻雜鍺、氮、硼或磷等元素中至少一種的較高 折射率二氧化硅覆蓋，包層外以較低折射率二氧化硅覆蓋，后續(xù)連接的二氧化硅基波導的 芯層尺寸與上述硅基波導外覆蓋的較高折射率二氧化硅橫截面尺寸一致，折射率一致或相 近。
[0019] (3)硅基波導橫截面逐漸減小到一定程度后（如寬度小于100納米），光場將大量 分布在外層摻雜的二氧化硅中，模場尺寸增大，有效折射率減小，從而與后續(xù)連接的二氧化 硅基波導的芯層匹配，實現(xiàn)耦合。
[0020] (4) (1)中所述的改進的二氧化硅基陣列波導光柵，包含傳輸式陣列波導光柵和反 射式陣列波導光柵。
[0021] (5) (1)中所述的改進的二氧化硅基陣列波導光柵，包含單個輸入波導的陣列波導 光柵和多個輸入波導的陣列波導光柵。
[0022] (6)⑴中所述的改進的二氧化硅基陣列波導光柵，其中硅基波導芯層包含硅、氮 化硅、氮氧化硅等材料中的至少一種。
[0023] (7)-種制作改進的二氧化硅基陣列波導光柵的方法，其特征是：制作二氧化硅 基平板波導、二氧化硅基陣列波導、輸入和輸出波導的二氧化硅基波導部分和硅基波導部 分，制作用于耦合輸入或輸出波導各自的硅基和二氧化硅基波導部分的第二耦合器和用于 耦合二氧化硅基平板波導和輸入或輸出波導的硅基波導部分的第一耦合器；其中第二耦合 器中硅基波導橫截面逐漸減小部分被摻雜鍺、氮、硼或磷等元素中至少一種的較高折射率 二氧化硅覆蓋，包層外以較低折射率二氧化硅覆蓋，后續(xù)連接的二氧化硅基波導的芯層尺 寸與上述硅基波導外覆蓋的較高折射率二氧化硅橫截面尺寸一致，折射率一致或相近。
[0024] (8) (7)中所述的制作改進的二氧化硅基陣列波導光柵的方法，其中二氧化硅基平 板波導、二氧化硅基陣列波導、輸入和輸出波導的二氧化硅基波導部分先加工完成；然后加 工完成輸入和輸出波導的娃基波導部分、用于親合輸入或輸出波導各自的娃基和二氧化娃 基波導部分的第二耦合器和用于耦合二氧化硅基平板波導和輸入或輸出波導的硅基波導 部分的第一親合器。
[0025] (9) (7)中所述的制作改進的二氧化硅基陣列波導光柵的方法，輸入和輸出波導的 硅基波導部分、用于耦合輸入或輸出波導各自的硅基和二氧化硅基波導部分的第二耦合器 和用于親合二氧化娃基平板波導和輸入或輸出波導的娃基波導部分的第一親合器同時加 工完成。例如一種完成方法為：首先沉積硅薄膜在已完成二氧化硅基波導部分的器件表面； 然后用同一步光刻或同一步電子束曝光來確定輸入和輸出波導的硅基波導部分、用于耦合 輸入或輸出波導各自的硅基和二氧化硅基波導部分的第二耦合器和用于耦合二氧化硅基 平板波導和輸入或輸出波導的硅基波導部分的第一耦合器的基本平面圖樣；進而同時完成 刻蝕輸入和輸出波導的娃基波導部分、用于親合輸入或輸出波導各自的娃基和二氧化娃基 波導部分的第二耦合器和用