專利名稱：一種制作容差和可用帶寬范圍大的光子晶體分束器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種應(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材料的制作容差和可用帶寬范圍大的光子晶體分束器。
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
本實(shí)用新型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材料的制作容差和可用帶寬范圍大的光子晶體分束器；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。
本實(shí)用新型是一種制作容差和可用帶寬范圍大的光子晶體分束器，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。本實(shí)用新型的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％。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于，采用SOI材料制作制作容差和可用帶寬范圍大的光子晶體分束器，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。


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)視圖圖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6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7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8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。
圖面說(shuō)明1-SOI2-硅襯底 3-二氧化硅4-硅柱 5-SOI條載波導(dǎo) 6-分束器的輸入波導(dǎo)7-分束器的輸出波導(dǎo)具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(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，本實(shí)施例制作的集成在同一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作為兩路分束器的輸出波導(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)，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。
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等份分束結(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6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本實(shí)用新型的分束器。
圖7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12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2參考圖7，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。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。
圖8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本實(shí)用新型的分束器兩路輸出波導(dǎo)中輸出的光能量。
權(quán)利要求1.一種制作容差和可用帶寬范圍大的光子晶體分束器，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所述的制作容差和可用帶寬范圍大的光子晶體分束器，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所述的制作容差和可用帶寬范圍大的光子晶體分束器，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所述的制作容差和可用帶寬范圍大的光子晶體分束器，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所述的制作容差和可用帶寬范圍大的光子晶體分束器，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。
專利摘要本實(shí)用新型涉及基于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)G02B6/12GK2867363SQ20052013275
公開日2007年2月7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