專利名稱：一種基于soi的光子晶體分束器及制法的制作方法
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；特別是涉及一種以為SOI材料的光子晶體分束器及制作方法。
背景技術(shù)：
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。
絕緣體上的硅(Silicon-on-Insulator，SOI)是一種獨(dú)特的硅基材料體系，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(kāi)辟了一條新路。比如，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(電場(chǎng)矢量位于平板平面內(nèi))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(電場(chǎng)矢量沿著介質(zhì)柱的軸向)產(chǎn)生較大的光子帶隙。
Y型光功率分束器(簡(jiǎn)稱Y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。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。而且，由于缺陷的小孔位于Y分支中心，該結(jié)構(gòu)也很難實(shí)現(xiàn)不等功率的光輸出。有鑒于此，研究短小緊湊、設(shè)計(jì)靈活、制作容差和可用帶寬范圍大的分束器是一項(xiàng)具有實(shí)際意義的工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述光子晶體Y分束器存在的不足，以及制作上的困難；從而提供一種基于SOI材料的寬帶光子晶體光分束器及制作方法；該光子晶體光分束器與傳統(tǒng)的Y分束器相比，由于采用了光子晶體波導(dǎo)，分束區(qū)的長(zhǎng)度小于10微米，這將使總體的器件長(zhǎng)度極大縮短；與普通的光子晶體Y分束器相比，它不需要引入缺陷柱，制作容差更大、設(shè)計(jì)更為靈活，能廣泛應(yīng)用在未來(lái)的光子芯片中。
本發(fā)明是一種基于SOI的光子晶體分束器，包括SOI材料襯底、在SOI材料襯底上經(jīng)過(guò)電子束曝光、電感耦合等離子體(ICP)刻蝕產(chǎn)生硅柱，與外界(如光纖或其他器件)相連的SOI條載波導(dǎo)；其特征在于，所述的硅柱在SOI材料襯底上呈正方晶格或六方晶格排列，所述的硅柱高度為SOI材料頂層硅的厚度，在完整晶格結(jié)構(gòu)中省去一行硅柱分別形成分束器的輸入波導(dǎo)、兩路輸出波導(dǎo)；所述的輸入波導(dǎo)夾在兩路輸出波導(dǎo)的中間，它與兩路輸出波導(dǎo)分別由一列硅柱隔離；所述的輸入波導(dǎo)前端至少還留有一個(gè)硅柱；所述的輸出波導(dǎo)末端至少還留有一個(gè)硅柱，分別對(duì)入射光和反向耦合光起反射作用；所述的與外界相連的SOI條載波導(dǎo)分別設(shè)置在輸入波導(dǎo)輸入端、兩路輸出波導(dǎo)的輸出端，該SOI條載波導(dǎo)與硅柱等高。
在上述的技術(shù)方案中，所述的硅柱數(shù)量在SOI的長(zhǎng)度和寬度方向都應(yīng)大于9個(gè)，以便產(chǎn)生光子晶體的波導(dǎo)效應(yīng)。
在上述的技術(shù)方案中，所述的隔離硅柱數(shù)量至少為3個(gè)。
在上述的技術(shù)方案中，所述的SOI材料其埋層二氧化硅的厚度應(yīng)大于1μm，避免光經(jīng)該層而輻射到材料中引起光能量損耗。
在上述的技術(shù)方案中，硅柱半徑R與晶格周期a之比(即為光子晶體的占空比r)，應(yīng)不小于0.2。本發(fā)明的SOI光子晶體分束器結(jié)構(gòu)，當(dāng)調(diào)整隔離輸入、輸出波導(dǎo)的硅柱直徑之比時(shí)，能夠改變兩個(gè)輸出端的功率分配比，增加了器件的靈活性與實(shí)用性。
在上述的技術(shù)方案中，所述的SOI條載波導(dǎo)的高度須等于硅柱高度即SOI材料頂層硅的厚度，其SOI條載波導(dǎo)的寬度約等于光子晶體晶格周期的倍。
所述的SOI光子晶體分束器，輸入光進(jìn)入分支器的輸入波導(dǎo)與輸出波導(dǎo)的耦合區(qū)后，將耦合到兩輸出波導(dǎo)中。未完全耦合的光傳輸?shù)捷斎氩▽?dǎo)末端的硅柱后將被反射，反射光在耦合區(qū)繼續(xù)與輸出波導(dǎo)模式發(fā)生耦合，而耦合到輸出波導(dǎo)中的反向傳輸光將被前端的硅柱反射回去。此過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，直到絕大部分光都從輸出端輸出。通過(guò)合理設(shè)計(jì)，能夠使光來(lái)回反射時(shí)損耗的能量小于1％。
本發(fā)明提供的基于SOI材料的光子晶體分束器的制作方法，其特征在于，包括以下步驟(1)首先依次用HF酸、清水、丙酮、清水、無(wú)水乙醇和清水清洗SOI材料，除去硅表面的雜質(zhì)和氧化物；(2)甩膠由于是深硅刻蝕，為了獲得高分辨率和高寬高比的圖形，采用雙層膠工藝首先在SOI上涂覆一層厚度在400nm到600nm、分子量為950、濃度為4％的正膠聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)光刻膠，底層光刻膠PMMA作為SOI圖形化的掩模，甩膠后在75℃至95℃的烤箱中烘烤一個(gè)小時(shí)以上，以使PMMA中的溶劑揮發(fā)，促進(jìn)PMMA與材料的附著；膠完全固化后再涂覆50nm至90nm厚的氫化硒酸鹽即HSQ作為負(fù)膠，在同樣溫度范圍的烤箱中烘烤3-10分鐘；(3)采用電子束曝光工藝，其曝光條件加速偏壓為10至100Kv、孔徑光瀾為20至40μm、寫場(chǎng)大小為100至300μm2，曝光劑量范圍為100到1000μC/cm-2，在HSQ上曝光產(chǎn)生高分辨率光子晶體圖形；(4)顯影首先在MF322的顯影液中顯影40到120s，再浸入MF322∶H2O＝1∶9的混合液中顯影12到16s，最后在水中清洗15s以上除去殘留的顯影和定影液；MF322是國(guó)際上較通用的HSQ顯影液；如果使用其他的光刻膠可以選擇配套的顯影液；(5)反應(yīng)離子刻蝕(RIE)以氧氣O2作為工作氣體，在射頻功率密度為0.03Wcm-2-0.1Wcm-2，壓強(qiáng)為0.2-0.8Pa的條件下把圖形從HSQ轉(zhuǎn)移到底層膠PMMA；(6)ICP刻蝕PMMA光刻膠作為刻蝕掩模，用ICP刻蝕SOI材料。刻蝕條件為采用溫度范圍在-10℃到10℃的冷卻液，源功率300-500W，偏壓150V-250V，壓強(qiáng)1-2Pa，工作氣體為C4F8(流量120-200sccm)、SF6(流量20-100sccm)和氧氣O2(流量2-10sccm)?？涛g過(guò)程達(dá)到埋層二氧化硅時(shí)將自停止，此時(shí)硅柱及外連條載波導(dǎo)即制作完成；(7)把已經(jīng)產(chǎn)生圖形的SOI浸入濃硫酸中，加熱至沸騰除去殘膠；(8)將步驟(7)制作的芯片端面解理、拋光；(9)用去離子水和超聲清洗機(jī)清洗芯片，即得到本發(fā)明的基于SOI材料的光子晶體分束器。
所述步驟(1)是這樣進(jìn)行的首先把片子浸入HF酸中，除去表面氧化物，用去離子水振蕩清洗片子，放入丙酮溶液中加熱，沸騰后使之在常溫下自然冷卻，再用去離子水清洗30遍以上，然后放入無(wú)水乙醇中重復(fù)加熱、冷卻和清洗過(guò)程，之后用超聲清洗機(jī)清洗5分鐘，最后用氮?dú)獍哑哟蹈?，放?00℃烤箱中烘烤3-4分鐘。
SOI柱形光子晶體的制備工藝不限于電子束曝光和ICP刻蝕，也包括其他光刻和刻蝕方法，例如深紫外光刻和聚焦離子束等所有能在SOI上形成光子晶體的工藝手段。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，采用SOI材料制作，成本相對(duì)其他材料體系(如GaAs、InP等)低廉，也方便用于將來(lái)的光電和光子集成芯片中。該分束器具有插入損耗小、可用帶寬范圍大的優(yōu)點(diǎn)。所述的SOI光子晶體分束器，可以在設(shè)計(jì)電子束曝光的版圖時(shí)，省去完整晶格結(jié)構(gòu)的一行硅柱，形成光子晶體W1波導(dǎo)。這種波導(dǎo)是單模波導(dǎo)，將用作分束器的輸入、輸出波導(dǎo)。在輸入、輸出波導(dǎo)中的反射硅柱結(jié)構(gòu)，使絕大部分光能量得以有效輸出。由于多次反射的輸出增強(qiáng)作用，大大拓展了分束器的可用帶寬范圍，其高效輸出的頻率區(qū)間幾乎占據(jù)了光子帶隙中波導(dǎo)色散曲線的絕大部分。同時(shí)，光子晶體波導(dǎo)的采用使器件尺寸比傳統(tǒng)的Y分束器縮小了數(shù)十倍以上，結(jié)構(gòu)更為緊湊。隔離硅柱的使用也使之較普通的光子晶體Y分束器具有更大的靈活性與實(shí)用性，主要改變這些硅柱的直徑，就能得到任意功率分束比的光輸出，使用范圍因此得以擴(kuò)大，可實(shí)現(xiàn)光子集成芯片中的光分路、合束、互連等功能，廣泛應(yīng)用于光通訊、光計(jì)算，光傳感和光學(xué)測(cè)量等領(lǐng)域。
本發(fā)明提供的基于SOI材料的光子晶體分束器的制作方法，與目前成熟的CMOS工藝兼容，可以實(shí)現(xiàn)大高寬比(Aspect Ratio)的硅柱刻蝕。該方法由于是深硅刻蝕，所以采用雙層膠工藝，此外，器件具有寬帶和制作容差大的特性，由于是深硅刻蝕，所以采用雙層膠工藝，此外，器件具有寬帶和制作容差大的特性，采用獨(dú)特的雙層膠工藝，既能保證制作精度，又能實(shí)現(xiàn)深硅刻蝕，且整個(gè)器件的刻蝕掩模只要通過(guò)一次電子束曝光就能形成，具有制作工藝簡(jiǎn)單成熟、成本低廉的優(yōu)勢(shì)。
為了獲得高分辨率和高寬高比的圖形。另外，由于不需要采用孔徑很小的缺陷柱，因此制備方法簡(jiǎn)單，制作容差大，器件成品率高，易于批量生產(chǎn)。


圖1是普通的SOI光子晶體Y分束器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型實(shí)施的SOI光子晶體分束器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實(shí)用新型所用SOI材料的側(cè)視4是本實(shí)用新型實(shí)施的SOI光子晶體分束器的側(cè)視圖；圖5是r/a等于0.2、輸入光頻率為歸一化頻率(a/λ)0.4時(shí)，沿波導(dǎo)長(zhǎng)度方向分束器中穩(wěn)態(tài)光場(chǎng)分布的有限時(shí)域差分(FDTD)模擬結(jié)果；圖6是r/a等于0.2、輸入光波長(zhǎng)為歸一化頻率0.4時(shí)，分束器一個(gè)輸出端功率隨歸一化頻率的變化關(guān)系；圖7是r/a等于0.2、輸入光波長(zhǎng)為歸一化頻率0.4時(shí)，采用FDTD方法模擬分束器中輸入、輸出波導(dǎo)能量隨計(jì)算時(shí)間的變化。橫坐標(biāo)是以距離為標(biāo)度的時(shí)間軸(計(jì)算時(shí)間乘以光速)，縱坐標(biāo)代表歸一化能量。藍(lán)色(圖中上方)和紅色(圖中下方)曲線分別代表從條載波導(dǎo)中輸入的光能量和從分束器一路輸出波導(dǎo)中輸出的光能量；圖8是r/a等于0.2、兩路輸出波導(dǎo)功率分配比為1∶2時(shí)的分束器結(jié)構(gòu)；圖9是r/a等于0.2時(shí)、輸入光波長(zhǎng)為歸一化頻率0.4時(shí)，采用FDTD方法模擬1∶2分束器輸入、輸出波導(dǎo)能量隨計(jì)算時(shí)間的變化。橫坐標(biāo)是以距離為標(biāo)度的時(shí)間軸(計(jì)算時(shí)間乘以光速)，縱坐標(biāo)代表歸一化能量。紅色(上方的曲線)、藍(lán)色(中間的曲線)和綠色(下方的曲線)曲線分別代表從條載波導(dǎo)中輸入的光能量和從分束器兩路輸出波導(dǎo)中輸出的光能量圖面說(shuō)明1-SOI 2-硅襯底 3-二氧化硅4-硅柱5-SOI條載波導(dǎo) 6-分束器輸入波導(dǎo)
7-分束器輸出波導(dǎo)具體實(shí)施方式
下面結(jié)合制備方法和附圖，通過(guò)實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的SOI光子晶體分束器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)地說(shuō)明實(shí)施例1(1)首先把SOI材料浸入HF酸中，除去表面氧化物，用去離子水振蕩清洗片子，放入丙酮溶液中加熱，沸騰后使之在常溫下自然冷卻，再用去離子水清洗30遍以上，然后放入無(wú)水乙醇中重復(fù)加熱、冷卻和清洗過(guò)程；之后用超聲清洗機(jī)清洗5分鐘，最后用氮?dú)獍哑哟蹈桑湃?00℃烤箱中烘烤3-4分鐘；(2)甩膠由于是深硅刻蝕，為了獲得高分辨率和高寬高比的圖形，采用雙層膠工藝首先在SOI上涂覆厚約500nm、分子量為950、濃度為4％的正膠PMMA，底層光刻膠PMMA作為SOI圖形化的掩模，甩膠后在85℃的烤箱中烘烤一個(gè)小時(shí)，以使PMMA中的溶劑揮發(fā)，促進(jìn)PMMA與材料的附著；PMMA膠完全固化后再涂覆約50nm厚的負(fù)膠HSQ，在同樣溫度范圍的烤箱中烘烤約4分鐘。其中頂層負(fù)光刻膠HSQ的厚度應(yīng)在100nm以下，以減小電子散射造成圖形分辨率降低，提高圖形制作精度；(3)電子束曝光采用電子束曝光工藝，其曝光條件加速偏壓為10Kv、孔徑光瀾為20μm、寫場(chǎng)大小為100μm2，曝光劑量100μC/cm-2，在HSQ上曝光產(chǎn)生高分辨率光子晶體圖形；(4)顯影首先在MF322的顯影液中顯影1min，再浸入MF322∶H2O＝1∶9的混合液15s，最后在水中清洗15s；(5)反應(yīng)離子刻蝕(RIE)以氧氣O2作為工作氣體，在射頻功率密度為0.07Wcm-2，壓強(qiáng)為0.3Pa的條件下把圖形從HSQ轉(zhuǎn)移到底層膠PMMA；(6)ICP刻蝕PMMA作為刻蝕掩模，用ICP刻蝕SOI材料?？涛g條件為采用溫度為0℃的冷卻液，源功率400W，偏壓180V，壓強(qiáng)1.6Pa，工作氣體為C4F8(流量180sccm)、SF6(流量60sccm)和氧氣O2(流量6sccm)?？涛g過(guò)程達(dá)到埋層二氧化硅時(shí)將自停止，此時(shí)硅柱及外連條載波導(dǎo)即制作完成。
(7)把已經(jīng)產(chǎn)生圖形的SOI浸入濃硫酸中，加熱至沸騰除去殘膠；(8)芯片端面解理、拋光；(9)用去離子水和超聲清洗機(jī)清洗芯片，即得到本實(shí)用新型的SOI光子晶體分束器。
上述實(shí)施例1制作的集成在同一SOI材料上的SOI光子晶體分束器和條載輸入、輸出波導(dǎo)，請(qǐng)參閱圖2和圖4，該SOI光子晶體分束器包括在SOI 1的下埋層二氧化硅3上制作出硅柱4，該硅柱4按照正方晶格排列，在按正方晶格排列的硅柱4中的中心一列保留6個(gè)硅柱4，其余硅柱4刪掉，形成輸入波導(dǎo)6；在輸入波導(dǎo)6的兩側(cè)相隔一列硅柱4，再刪掉2列硅柱4作為兩路輸出波導(dǎo)7，輸出波導(dǎo)7的末端還保留4個(gè)硅柱4；本實(shí)施例沿SOI 1的長(zhǎng)度和寬度方向硅柱4至少為9個(gè)，優(yōu)選的為19個(gè)，每一個(gè)硅柱4的高度為1.5μm，直徑為250nm。3條SOI條載波導(dǎo)5包括2條SOI條載輸出波導(dǎo)，1條SOI條載輸入波導(dǎo)，用作分束器輸入/輸出波導(dǎo)的光子晶體W1波導(dǎo)，SOI條載輸入波導(dǎo)的高度與硅柱4等高，設(shè)置在輸入波導(dǎo)6的輸入端；設(shè)置在輸入波導(dǎo)6的輸入端；2條SOI條載輸出波導(dǎo)的高度與硅柱4等高，分別設(shè)置在兩條輸出波導(dǎo)6的輸出端。為了減小條載波導(dǎo)與光子晶體W1波導(dǎo)的模場(chǎng)失配、提高耦合效率，本實(shí)施例的條載波導(dǎo)5的高度等于硅柱高度，即SOI晶片的頂層硅厚度，其條載波導(dǎo)5的寬度約等于光子晶體晶格周期的倍。而光子晶體的周期由測(cè)試所用波長(zhǎng)決定。比如，如果選用1550nm的光通信窗口，工作點(diǎn)在歸一化頻率0.4處，則晶格周期a應(yīng)取為620nm。
測(cè)試或使用時(shí)，來(lái)自激光器、從光纖輸出的光首先進(jìn)入SOI條載波導(dǎo)，再耦合到光子晶體的分束器。經(jīng)分束器的分束作用，從W1波導(dǎo)輸出的光分別耦合到對(duì)應(yīng)的SOI條載波導(dǎo)中，最后輸出到光譜儀或其他器件中。由于光路可逆，該分束器也可用作合束器。
附圖1是傳統(tǒng)光子晶體Y分束器的結(jié)構(gòu)示意圖?？梢?jiàn)，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，當(dāng)需要在輸出波導(dǎo)中得到不等分的光輸出時(shí)，這種結(jié)構(gòu)也很難滿足要求。但是，采用圖2所示本實(shí)用新型實(shí)施的分束器結(jié)構(gòu)，就可以有效避免上述問(wèn)題，因?yàn)樗恍枰胫睆捷^小硅柱。改變隔離硅柱的直徑之比，能夠輕易實(shí)現(xiàn)不等功率的光輸出。
圖5是r/a等于0.2、輸入光頻率為歸一化頻率(a/λ)0.4時(shí)，沿波導(dǎo)長(zhǎng)度方向分束器中穩(wěn)態(tài)光場(chǎng)分布的有限時(shí)域差分(FDTD)模擬結(jié)果，該圖形象地給出了穩(wěn)態(tài)時(shí)分束器輸入波導(dǎo)與輸出波導(dǎo)中的光場(chǎng)分布。。圖6是r/a等于0.2、輸入光波長(zhǎng)為歸一化頻率0.4時(shí)，分束器一個(gè)輸出端功率隨歸一化頻率的變化關(guān)系。該曲線部分區(qū)域的值略大于0.5，這是由于功率監(jiān)測(cè)點(diǎn)置于輸出波導(dǎo)末端，此處光場(chǎng)邊界的不連續(xù)引起了部分光被末端的硅柱反射，這種現(xiàn)象在FDTD計(jì)算中是很正常的。該圖清楚表明了光波長(zhǎng)位于歸一化頻率0.373-0.413之間時(shí)，可以得到十分理想的分束結(jié)果。如果取晶格周期為620nm，則對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)范圍為1501-1662nm，該范圍已經(jīng)把第三光通信窗口全部覆蓋。如果采用普通結(jié)構(gòu)的光子晶體Y分束器，可利用的帶寬范圍要小得多。這也是本實(shí)用新型的優(yōu)勢(shì)之一。
圖7是r/a等于0.2、輸入光波長(zhǎng)為歸一化頻率0.4時(shí)，采用FDTD方法模擬分束器中輸入、輸出波導(dǎo)能量隨計(jì)算時(shí)間的變化。橫坐標(biāo)是以距離為標(biāo)度的時(shí)間軸(計(jì)算時(shí)間乘以光速)，縱坐標(biāo)代表歸一化能量。藍(lán)色(圖中上方)和紅色(圖中下方)曲線分別代表從條載波導(dǎo)中輸入的光能量和從分束器一路輸出波導(dǎo)輸出的光能量。可見(jiàn)，當(dāng)計(jì)算時(shí)間足夠長(zhǎng)而達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，輸出能量極為接近輸入能量的50％，從而構(gòu)成插入損耗極低的3dB分束器。
圖8是r/a等于0.2、兩路輸出波導(dǎo)功率分配比為1∶2時(shí)的分束器結(jié)構(gòu)；圖9是r/a等于0.2時(shí)、輸入光波長(zhǎng)為歸一化頻率0.4時(shí)，采用FDTD方法模擬1∶2分束器輸入、輸出波導(dǎo)能量隨計(jì)算時(shí)間的變化。橫坐標(biāo)是以距離為標(biāo)度的時(shí)間軸(計(jì)算時(shí)間乘以光速)，縱坐標(biāo)代表歸一化能量。紅色(上方的曲線)、藍(lán)色(中間的曲線)和綠色(下方的曲線)曲線分別代表從條載波導(dǎo)中輸入的光能量和從分束器兩路輸出波導(dǎo)中輸出的能量。可見(jiàn)，一路輸出波導(dǎo)中的光功率正好是另一路輸出波導(dǎo)的兩倍，因而得到了理想的1∶2分束器。因此，通過(guò)改變輸入波導(dǎo)與一個(gè)輸出波導(dǎo)的隔離硅柱的大小能輕易實(shí)現(xiàn)不同分束比的光輸出，突顯本實(shí)用新型的廣泛實(shí)用性實(shí)施例2按實(shí)施例1的方法制作一本實(shí)用新型的基于SOI材料的光子晶體分束器，其工藝同實(shí)施例1，只是工藝條件有如下區(qū)別(2)甩膠首先在SOI上涂覆厚約600nm、分子量為950、濃度為4％的正膠PMMA，甩膠后在75℃的烤箱中烘烤2小時(shí)；膠完全固化后再涂覆約70nm厚的負(fù)膠HSQ；在80℃的溫度中烘烤5分鐘；(3)電子束曝光采用電子束曝光工藝，其曝光條件加速偏壓為30Kv、孔徑光瀾為30μm、寫場(chǎng)大小為200μm2，曝光劑量250μC/cm-2；(4)顯影首先在MF322的顯影液中顯影2min，再浸入MF322∶H2O＝1∶9的混合液12s，最后在水中清洗25s；
(5)反應(yīng)離子刻蝕(RIE)以氧氣O2作為工作氣體，在射頻功率密度為0.08Wcm-2，壓強(qiáng)為0.5Pa的條件下把圖形從HSQ轉(zhuǎn)移到底層膠PMMA；(6)ICP刻蝕PMMA作為刻蝕掩模，用ICP刻蝕SOI材料?？涛g條件為采用溫度范圍在10℃的冷卻液，源功率200W，偏壓160V，壓強(qiáng)1.5Pa，工作氣體為C4F8(流量160sccm)、SF6(流量50sccm)和氧氣O2(流量4sccm)?？涛g過(guò)程達(dá)到埋層二氧化硅時(shí)將自停止，此時(shí)硅柱及外連條載波導(dǎo)即制作完成。
參考圖8，制作一個(gè)r/a等于0.2、兩路輸出波導(dǎo)功率分配比為1∶2時(shí)的分束器，包括以下結(jié)構(gòu)在SOI 1的下埋層二氧化硅3上制作出硅柱4，該硅柱4按照正方晶格排列，在按正方晶格排列的硅柱4中的中心一列保留6個(gè)硅柱4，其余硅柱4刪掉，形成的光子晶體W1波導(dǎo)用作分束器的輸入波導(dǎo)6；在輸入波導(dǎo)6的兩側(cè)相隔一列硅柱4，再刪掉2列硅柱4作為分束器的兩路輸出波導(dǎo)7，輸出波導(dǎo)7的末端還保留4個(gè)硅柱4；本實(shí)施例沿SOI 1的長(zhǎng)度和寬度方向硅柱4為9個(gè)，每一個(gè)硅柱4的高度為2.5μm，直徑為350nm。用于隔離輸入和輸出波導(dǎo)的兩列硅柱，其直徑比例的最佳值為1∶1.83。3條SOI條載波導(dǎo)5包括2條SOI條載輸出波導(dǎo)，1條SOI條載輸入波導(dǎo)，SOI條載輸入波導(dǎo)的高度與硅柱4等高，設(shè)置在輸入波導(dǎo)6的輸入端；2條SOI條載輸出波導(dǎo)的高度與硅柱4等高，分別設(shè)置在兩條輸出波導(dǎo)6的輸出端。為了減小條載波導(dǎo)與光子晶體W1波導(dǎo)的模場(chǎng)失配、提高耦合效率，本實(shí)施例的條載波導(dǎo)5的高度等于硅柱高度，即SOI晶片的頂層硅厚度，其寬度約等于光子晶體晶格周期的倍。而光子晶體的周期由測(cè)試所用波長(zhǎng)決定。比如，如果選用1550nm的光通信窗口，工作點(diǎn)在歸一化頻率0.4處，則晶格周期a應(yīng)取為620nm。
實(shí)施例3按實(shí)施例1和例2的方法制作一本實(shí)用新型的基于SOI材料的光子晶體分束器，其工藝同實(shí)施例1和例2，只是工藝條件有如下區(qū)別(3)電子束曝光采用電子束曝光工藝，其曝光條件加速偏壓為100Kv、孔徑光瀾為40μm、寫場(chǎng)大小為300μm2，曝光劑量800μC/cm-2；(4)顯影首先在MF322的顯影液中顯影50s，再浸入MF322∶H20＝1∶9的混合液16s，最后在水中清洗20s；(5)反應(yīng)離子刻蝕(RIE)以氧氣O2作為工作氣體，在射頻功率密度為0.10Wcm-2，壓強(qiáng)為0.8Pa的條件下把圖形從HSQ轉(zhuǎn)移到底層膠PMMA；(6)ICP刻蝕PMMA作為刻蝕掩模，用ICP刻蝕SOI材料?？涛g條件為采用溫度為-10℃的冷卻液，源功率450W，偏壓250V，壓強(qiáng)1.8Pa，工作氣體為C4F8(流量120sccm)、SF6(流量40sccm)和氧氣O2(流量2sccm)?？涛g過(guò)程達(dá)到埋層二氧化硅時(shí)將自停止，此時(shí)硅柱及外連條載波導(dǎo)即制作完成。
權(quán)利要求
1.一種基于SOI材料的光子晶體分束器，包括SOI材料襯底、在SOI襯底上經(jīng)過(guò)電子束曝光、電感耦合等離子體工藝刻蝕產(chǎn)生硅柱，與外部光纖或其他器件相連的SOI條載波導(dǎo)；其特征在于，所述的硅柱呈正方晶格或六方晶格排列在SOI襯底上，所述的硅柱高度為SOI頂層硅的厚度，在完整晶格結(jié)構(gòu)中省去一行硅柱分別形成分束器的輸入波導(dǎo)、兩路輸出波導(dǎo)；所述的輸入波導(dǎo)夾在兩路輸出波導(dǎo)的中間，它與兩路輸出波導(dǎo)分別由一列硅柱隔離，所述的輸入波導(dǎo)前端至少還留有一個(gè)硅柱；所述的輸出波導(dǎo)末端至少還留有一個(gè)硅柱，分別對(duì)入射光和反向耦合光起反射作用；所述的與外界相連的SOI條載波導(dǎo)分別設(shè)置在輸入波導(dǎo)輸入端、兩路輸出波導(dǎo)的輸出端，該SOI條載波導(dǎo)與硅柱等高。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SOI光子晶體分束器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的硅柱數(shù)量在SOI的長(zhǎng)度和寬度方向上至少有9個(gè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SOI光子晶體分束器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的SOI材料其埋層二氧化硅的厚度應(yīng)大于1μm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SOI光子晶體分束器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的硅柱半徑R與晶格周期a之比至少為0.2。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的SOI光子晶體分束器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述的SOI條載波導(dǎo)的高度等于硅柱高度，其SOI條載波導(dǎo)的寬度約等于光子晶體晶格周期的倍。
6.一種權(quán)利要求1所述的SOI光子晶體分束器的制作方法，其特征在于，包括以下步驟(1)首先依次用HF酸、清水、丙酮、清水、無(wú)水乙醇和清水清洗SOI材料，除去硅表面的雜質(zhì)和氧化物；(2)采用雙層膠工藝首先在按步驟(1)清洗后的SOI材料上進(jìn)行第一次甩膠，在SOI上涂覆一層厚度在400nm到600nm、分子量為950、濃度為4％的正膠聚甲基丙烯酸甲脂光刻膠，底層正膠聚甲基丙烯酸甲脂光刻膠作為SOI圖形化的掩模，甩膠后在75℃至95℃的烤箱中至少烘烤一個(gè)小時(shí)，膠固化后再第二次甩膠，涂覆一層厚度為50nm至90nm的氫化硒酸鹽HSQ作為隨后電子束曝光的負(fù)膠，在同樣溫度的烤箱中烘烤約4分鐘；(3)采用電子束曝光工藝，將步驟(2)甩膠后的SOI進(jìn)行曝光，其曝光條件加速偏壓為10至100Kv、孔徑光瀾為20至40μm、寫場(chǎng)大小為100至300μm2，曝光劑量范圍為100-1000μC/cm2，在HSQ上曝光產(chǎn)生高分辨率光子晶體圖形；(4)顯影把步驟(3)曝光產(chǎn)生高分辨率光子晶體圖形的樣品，放到MF322的顯影液中顯影40到120s，然后再浸入MF322∶H2O＝1∶9的混合液中顯影12到16s，最后在水中清洗15s以上除去殘留的顯影和定影液；(5)反應(yīng)離子刻蝕工藝以氧氣O2作為工作氣體，在射頻功率密度為0.03Wcm-2-0.1Wcm-2，壓強(qiáng)為0.2-0.8Pa的條件下把圖形從HSQ轉(zhuǎn)移到底層膠PMMA；(6)ICP刻蝕工藝PMMA作為刻蝕掩模，用ICP刻蝕SOI。刻蝕條件為采用溫度范圍在-10℃到10℃的冷卻液，源功率300-500W，偏壓150V-250V，壓強(qiáng)1-2Pa，通入C1F8工作氣體，其通入流量為120-200sccm、通入SF6工作氣體，其通入流量為20-100sccm，和通入氧氣O2工作氣體，其通入流量為2-10sccm，刻蝕過(guò)程達(dá)到埋層二氧化硅時(shí)將自停止，此時(shí)硅柱及外連條載波導(dǎo)制作完成；(7)把步驟(6)已經(jīng)在SOI襯底上產(chǎn)生圖形的芯片浸入濃硫酸中，加熱至沸騰除去殘膠；(8)將步驟(7)制作的芯片端面解理、拋光；(9)用去離子水和超聲清洗機(jī)清洗芯片，即得到本發(fā)明的基于SOI光子晶體分束器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述SOI光子晶體分束器的制作方法，其特征在于，所述步驟(1)是這樣進(jìn)行的，首先把片子浸入HF酸中，除去表面氧化物，用去離子水振蕩清洗片子，放入丙酮溶液中加熱，沸騰后使之在常溫下自然冷卻，再用去離子水沖洗30遍以上，然后放入無(wú)水乙醇中重復(fù)加熱、冷卻和清洗過(guò)程；之后用超聲清洗機(jī)清洗5分鐘，最后用氮?dú)獍哑哟蹈?，放?00℃烤箱中烘烤3-4分鐘。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于SOI材料的光子晶體分束器，包括一SOI材料襯底，在SOI襯底刻蝕產(chǎn)生硅柱，該硅柱呈正方晶格或六方晶格排列，硅柱高度為SOI頂層硅的厚度，在完整晶格結(jié)構(gòu)中省去一行硅柱分別形成分束器的輸入波導(dǎo)、兩路輸出波導(dǎo)；輸入波導(dǎo)夾在兩路輸出波導(dǎo)的中間，它與兩路輸出波導(dǎo)分別由一列硅柱隔離，輸入波導(dǎo)前端至少還留有一個(gè)硅柱，輸出波導(dǎo)末端至少還留有一個(gè)硅柱；與外界相連的SOI條載波導(dǎo)分別設(shè)置在輸入波導(dǎo)輸入端、兩路輸出波導(dǎo)的輸出端，該SOI條載波導(dǎo)與硅柱等高。該分束器結(jié)構(gòu)緊湊，其長(zhǎng)度比傳統(tǒng)波導(dǎo)Y分束器縮小數(shù)十倍。通過(guò)控制隔離輸入波導(dǎo)與輸出波導(dǎo)的硅柱大小就能實(shí)現(xiàn)不同分束比的光輸出，因此更具靈活性與實(shí)用性。
文檔編號(hào)G02B6/13GK1967298SQ20051012363
公開(kāi)日2007年5月23日 申請(qǐng)日期2005年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月18日
發(fā)明者余和軍, 余金中, 陳少武 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所