一種硅基片上波長與偏振混合復(fù)用/解復(fù)用器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及集成光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種硅基片上波長與偏振混合復(fù)用/解 復(fù)用器。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，片上光互連的關(guān)鍵技術(shù)一光子集成回路（PhotonicIntegrated Circuits,PICs)的研究取得了長足的進(jìn)步。PICs能夠有效突破分立元件的功能局限，將不 同功能的光子器件在同一襯底材料上單片集成，使芯片的處理功能和運(yùn)行速度大幅提高， 功耗大大降低，尺寸大大縮小，可極大改善芯片的成品率和可靠性。在構(gòu)建PICs的過程中， 硅半導(dǎo)體材料顯示出諸多的優(yōu)勢，其中最突出的優(yōu)勢是可采用成熟的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，以實(shí) 現(xiàn)硅光子器件的低成本、批量化生產(chǎn)，并可實(shí)現(xiàn)硅光子器件與硅微電子器件的單片混合集 成，從而研制出大規(guī)模甚至超大規(guī)模的PICs。在利用光子器件構(gòu)建大容量、高帶寬、高速率 及低成本片上光互連時(shí)，各類復(fù)用技術(shù)，如波分復(fù)用，偏振復(fù)用，空分復(fù)用等，是其中的關(guān)鍵 所在。為應(yīng)對(duì)即將到來的超大容量、超高帶寬、高速片上光互連的需求，考慮同時(shí)采用多種 復(fù)用技術(shù)以實(shí)現(xiàn)片上混合復(fù)用傳輸勢在必行。
[0003] 最近，兩種新穎的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)一槽波導(dǎo)和混合等離子體波導(dǎo)分別于2004年和2008 年由康奈爾大學(xué)MichalLipson教授課題組和加州大學(xué)伯克利分校張翔教授課題組相繼提 出，受到了研究人員的廣泛關(guān)注。其中槽波導(dǎo)是由兩個(gè)近靠的高折射率分布差的硅基納米 線構(gòu)成，中間形成納米槽，根據(jù)電磁場的邊值關(guān)系，在垂直于高折射率差分布的分界面上， 電場分量將出現(xiàn)不連續(xù)性并在低折射率槽中明顯增強(qiáng)?；旌系入x子體波導(dǎo)是在普通介質(zhì)波 導(dǎo)的外部引入了金屬層并通過一層薄的低折射率材料將它們分開，這種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)使得它所 能承載的光信號(hào)模式介于普通介質(zhì)波導(dǎo)和金屬等離子體波導(dǎo)之間，因而同時(shí)具有介質(zhì)波導(dǎo) 的低損耗特性和等離子體波導(dǎo)的強(qiáng)模場限制能力。目前利用這兩種波導(dǎo)設(shè)計(jì)和制造的諸 多光子器件已被報(bào)道，如：全光調(diào)制器、光開關(guān)、耦合器、分束器、傳感器等。此外，這兩種波 導(dǎo)具有明顯優(yōu)于普通硅基納米線的強(qiáng)偏振相關(guān)性，使得模式的耦合也具有偏振選擇性，同 時(shí)結(jié)合微環(huán)諧振器，可以實(shí)現(xiàn)片上波長與偏振的混合復(fù)用傳輸。而其中最為關(guān)鍵的是混合 復(fù)用器和解復(fù)用器的研究，因此設(shè)計(jì)出高性能、結(jié)構(gòu)緊湊的硅基片上波長與偏振混合復(fù)用/ 解復(fù)用器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)片上混合復(fù)用傳輸顯得十分重要。目前還沒有能夠?qū)崿F(xiàn)片上混合復(fù)用 傳輸?shù)脑O(shè)備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種能夠?qū)崿F(xiàn)片上混合復(fù)用 傳輸?shù)墓杌喜ㄩL與偏振混合復(fù)用/解復(fù)用器。
[0005] 技術(shù)方案：一種硅基片上波長與偏振混合復(fù)用/解復(fù)用器，包括襯底，在所襯底上 設(shè)有多個(gè)輸入波導(dǎo)、多個(gè)輸出波導(dǎo)、總線波導(dǎo)、多個(gè)槽式微環(huán)和多個(gè)混合等離子體微環(huán)；在 輸入端，每個(gè)輸入波導(dǎo)分別通過一個(gè)槽式微環(huán)或混合等離子體微環(huán)將輸入信號(hào)復(fù)用至總線 波導(dǎo)進(jìn)行混合復(fù)用傳輸；在輸出端，總線波導(dǎo)中混合復(fù)用后傳輸?shù)男盘?hào)分別經(jīng)一個(gè)槽式微 環(huán)或混合等離子體微環(huán)解復(fù)用至每個(gè)輸出波導(dǎo)；輸入端與輸出端的槽式微環(huán)的數(shù)量相同， 輸入端與輸出端的混合等離子體微環(huán)的數(shù)量相同。
[0006] 進(jìn)一步的，所述的槽式微環(huán)包括兩個(gè)近靠的納米環(huán)；所述的混合等離子體微環(huán)包 括由下而上依次為介質(zhì)環(huán)、低折射率填充環(huán)和金屬覆蓋環(huán)。
[0007] 進(jìn)一步，所述總線波導(dǎo)為單個(gè)總線波導(dǎo)。
[0008] 進(jìn)一步，所述槽式微環(huán)中兩個(gè)納米環(huán)之間的間距為80nm~120nm。這樣的結(jié)構(gòu)的 偏振相關(guān)性和波長選擇性更強(qiáng)。
[0009] 進(jìn)一步，所述混合等離子體微環(huán)中的介質(zhì)環(huán)為娃材料制成的，介質(zhì)環(huán)的厚度 為220nm;低折射率填充環(huán)為二氧化娃或氮化娃材料制成的，低折射率填充環(huán)的厚度 為20nm~50nm;金屬覆蓋環(huán)為銀、錯(cuò)或者銅材料制成的，金屬覆蓋環(huán)的厚度為100nm~ 200nm。采用這樣的結(jié)構(gòu)在總線波導(dǎo)中傳輸?shù)亩嗖ㄩL、多偏振態(tài)信號(hào)在傳輸過程中相互之間 的串?dāng)_較低，與不同微環(huán)的交叉耦合也比較弱。
[0010] 進(jìn)一步，所述槽式微環(huán)的外半徑為3. 0iim~3. 5iim，混合等離子體微環(huán)的外半徑 為 2. 0ym~2. 3ym〇
[0011] 有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下有益效果：
[0012] 1、波長與偏振混合復(fù)用的效率高、交叉耦合和串?dāng)_低。相對(duì)于普通基于硅納米線 設(shè)計(jì)的微環(huán)諧振器，本發(fā)明通過使用具有更強(qiáng)偏振相關(guān)性和波長選擇性的槽式和混合等離 子體波導(dǎo)設(shè)計(jì)的微環(huán)諧振器，可以實(shí)現(xiàn)高效的混合復(fù)用和解復(fù)用的功能，使得在總線波導(dǎo) 中能同時(shí)傳輸多波長和多偏振態(tài)的混合信號(hào)，能極大地提高現(xiàn)有片上光互連的傳輸容量、 帶寬及速率。此外，基于強(qiáng)的偏振相關(guān)性，不同通道間的交叉耦合和串?dāng)_也將有效降低。
[0013] 2、波長的調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換和對(duì)準(zhǔn)方便?；诠璨牧陷^大的熱光系數(shù)，可通過電極加熱的 方式調(diào)節(jié)或補(bǔ)償因器件制造過程的尺寸誤差所帶來的諧振波長漂移，從而將諧振波長與總 線中波分復(fù)用的通道波長進(jìn)行精確對(duì)準(zhǔn)，提高器件的整體工作性能。
[0014] 3、傳輸系統(tǒng)的可擴(kuò)展性高。本發(fā)明技術(shù)方案中每一個(gè)槽式微環(huán)或混合等離子體微 環(huán)都對(duì)應(yīng)一路波長和偏振信號(hào)，通過適當(dāng)增加微環(huán)諧振器的數(shù)量即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的升級(jí)和擴(kuò) 容，因此可擴(kuò)展性明顯優(yōu)于現(xiàn)有的復(fù)用傳輸方式。
[0015] 4、設(shè)計(jì)靈活、使用方便。本發(fā)明中的混合復(fù)用器和解復(fù)用器的工作原理相似，復(fù)用 器是將多波長和多偏振態(tài)的輸入信號(hào)復(fù)用至總線波導(dǎo)進(jìn)行混合復(fù)用傳輸，解復(fù)用器是將總 線波導(dǎo)中的復(fù)用信號(hào)按不同的波長和偏振態(tài)分別輸出到不同的輸出端口，進(jìn)行后續(xù)光信號(hào) 的處理；此外本發(fā)明的復(fù)用/解復(fù)用器的結(jié)構(gòu)對(duì)稱，輸入和輸出端口在實(shí)際使用中可顛倒 使用，而不影響器件的性能，進(jìn)一步提升了器件設(shè)計(jì)和使用的靈活性和便捷性。
[0016] 5、結(jié)構(gòu)緊湊、加工制造成本低廉。本發(fā)明采用具有高折射率差的絕緣體上硅材料 制作上述器件，使得器件的整體封裝尺寸較小，便于與其它器件進(jìn)一步集成構(gòu)建高性能、多 功能的用于片上光互連的大規(guī)模光集成回路。同時(shí)該器件的制造完全兼容于現(xiàn)有成熟的標(biāo) 準(zhǔn)CMOS工藝，利于實(shí)現(xiàn)器件的低成本批量化生產(chǎn)。基于這些有益效果和優(yōu)勢，該器件在集 成光子學(xué)特別是硅基光子學(xué)領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018] 圖2為本發(fā)明中硅基槽式微環(huán)諧振器的橫截面圖；
[0019] 圖3為本發(fā)明中硅基混合等離子體微環(huán)諧振器的橫截面圖；
[0020] 圖4為本發(fā)明中輸入、輸出波導(dǎo)及總線波導(dǎo)結(jié)構(gòu)橫電模的主分量模場分布圖；
[0021] 圖5為本發(fā)明中輸入、輸出波導(dǎo)及總線波導(dǎo)結(jié)構(gòu)橫磁模的主分量模場分布圖；
[0022] 圖6為本發(fā)明中槽式微環(huán)結(jié)構(gòu)橫電模的主分量模場分布圖；
[0023]圖7為本發(fā)明中槽式微環(huán)結(jié)構(gòu)橫磁模的主分量模場分布圖；
[0024] 圖8為本發(fā)明中混合等離子體微環(huán)結(jié)構(gòu)橫電模的主分量模場分布圖；
[0025] 圖9為本發(fā)明中混合等離子體微環(huán)結(jié)構(gòu)橫電模的主分量模場分布圖；
[0026] 圖10為本發(fā)明中混合等離子體微環(huán)諧振器在解復(fù)用部分的直通輸出端口的傳輸 率與工作波長的變化關(guān)系；
[0027] 圖11為本發(fā)明中混合等離子體微環(huán)諧振器在解復(fù)用部分的下路輸出端口的傳輸 率與工作波長的變化關(guān)系。
[0028] 圖中：輸入波導(dǎo)1、2、3、4、輸出波導(dǎo)5、6、7、8、總線波導(dǎo)9、槽式微環(huán)諧振器10、11、 16、17、混合等離子體微環(huán)諧振器12、13、14、15、構(gòu)成槽式微環(huán)諧振器的兩個(gè)近靠的納米環(huán) 101、102、構(gòu)成混合等離子體微環(huán)諧振器的介質(zhì)環(huán)121、低折射率填充環(huán)122、金屬覆蓋環(huán) 123、襯底18、包層19。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。
[0030] 如圖1、圖2和圖3所示，一種硅基片上波長與偏振混合復(fù)用/解復(fù)用器，包括襯底 18和包層19，在襯底18上設(shè)有四個(gè)輸入波導(dǎo)1、2、3、4、四個(gè)輸出波導(dǎo)5、6、7、8、單個(gè)總線波 導(dǎo)9、四個(gè)槽式微環(huán)10、11、16、17和四個(gè)混合等離子體微環(huán)12、13、14、15 ;在輸入端，四個(gè)輸 入波導(dǎo)1、2、3、4分別通過兩個(gè)槽式微環(huán)10、11和兩個(gè)混合等離子體微環(huán)12、13將多波長和 多偏振態(tài)的輸入信號(hào)復(fù)用至總線波導(dǎo)9進(jìn)行混合復(fù)用傳輸；在輸出端，通過兩個(gè)混合等離 子體微環(huán)14、15和兩個(gè)槽式微環(huán)16、17將總線波導(dǎo)9中的混合復(fù)用信號(hào)分別解復(fù)用至四個(gè) 輸出波導(dǎo)8、7、6、5進(jìn)行輸出。其中，輸入波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)、槽式微環(huán)和混合等離子體微環(huán)的 數(shù)量可以根據(jù)需求進(jìn)行增加，其中，入端與輸出端的槽式微環(huán)的數(shù)量需相同，輸入端與輸出 端的混合等離子體微環(huán)的數(shù)量需相同。通過增加相應(yīng)的輸入波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)、槽式微環(huán)和混 合等離子體微環(huán)的數(shù)量可以提高單個(gè)總線波導(dǎo)的傳輸容量。其中，輸入波導(dǎo)、輸出波導(dǎo)和總 線波導(dǎo)均為硅納米線波導(dǎo)。
[0031] 其中，四個(gè)槽式微環(huán)10、11、16、17是由兩個(gè)近靠的納米環(huán)101、102構(gòu)成；其中，納 米環(huán)