專利名稱：光子晶體分束器的制作方法
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材料的光子晶體分束器結(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。硅在市場方面的壟斷地位和在工藝方面的巨大優(yōu)勢，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)通過帶隙的限制效應(yīng)而導(dǎo)光，由于波導(dǎo)寬度在波長量級，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分束器大多長達(dá)幾千微米，光纖型的Y分束器更是長達(dá)幾個(gè)毫米，這種大尺寸的器件將無法應(yīng)用于將來大規(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)際制作帶來很大困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種光子晶體分束器，用于克服現(xiàn)有的光子晶體Y分束器需要比較精確的曝光工藝，制作容差小等問題。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種光子晶體分束器(200)，其特征在于該光子晶體分束器包括SOI襯底(100)、在SOI襯底的頂層硅(103)上刻蝕形成的呈正方晶格排列的空氣孔區(qū)域(220)以及將該空氣孔區(qū)域(220)與外部器件連接的SOI條形波導(dǎo)(210);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);所述空氣孔區(qū)域的空氣孔(221)的深度(h)等于SOI頂層硅(103)的厚度(d)。進(jìn)一步的，所述SOI條形輸入波導(dǎo)的高度H與空氣孔的深度h相等。進(jìn)一步的，所述頂層硅(103)的厚度d與所述空氣孔的晶格常數(shù)a的關(guān)系為0. 5a ^ h ^ 0. 6a，所述二氧化硅埋層(102)的厚度至少為2. 64a。進(jìn)一步的，所述空氣孔的半徑r與晶格常數(shù)a的關(guān)系為r > 0. 2a。進(jìn)一步的，所述空氣孔的半徑I■與晶格常數(shù)a的關(guān)系為0. 3a < r < 0. 4a。
進(jìn)一步的，所述頂層硅(103)得厚度為230nm，所述二氧化硅埋層厚度為述空氣孔正方晶格排列的晶格常數(shù)為380nm，所述空氣孔半徑為140nm。進(jìn)一步的，所述SOI條形輸入波導(dǎo)的寬度K至少為所述空氣孔的晶格常數(shù)a的Vi倍。進(jìn)一步的，所述空氣孔采用電子束曝光、電感耦合等離子體工藝刻蝕或FIB刻蝕形成。本發(fā)明還包括一種光子晶體分束器的制備方法，其包括以下步驟I)制備SOI襯底；2)在上述SOI襯底的頂層硅(103)上刻蝕形成的呈正方晶格排列的空氣孔區(qū)域(220)以及將該空氣孔區(qū)域(220)與外部器件連接的SOI條形波導(dǎo)(210);所述空氣孔區(qū)域的空氣孔(221)的深度h為等于SOI頂層硅(103)的厚度d，所述SOI條形波導(dǎo)邊緣至所述空氣孔區(qū)域(220)邊界的距離分別為LI、L2，其中LI、L2大于O。進(jìn)一步的，所述SOI條形輸入波導(dǎo)的高度(H)與空氣孔的深度(h)相等。本發(fā)明的技術(shù)效果是，該光子晶體光分束器與傳統(tǒng)的Y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)的長度可以控制在IOym以內(nèi)，這使總體器件的長度極大縮短，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為二維正方晶格空氣孔平板光子晶體TE模式第一能帶等頻圖；圖3為本發(fā)明提供的SOI光子晶體分束器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明所用的SOI材料側(cè)視圖；圖5為本發(fā)明提供的SOI光子晶體分束器側(cè)視圖；圖6為本發(fā)明提供的SOI光子晶體分束器FDTD仿真結(jié)果示意圖；元件符號標(biāo)注
權(quán)利要求
1.一種光子晶體分束器(200)，其特征在于該光子晶體分束器包括SOI襯底(100)、在SOI襯底的頂層硅(103)上刻蝕形成的呈正方晶格排列的空氣孔區(qū)域(220)以及將該空氣孔區(qū)域(220)與外部器件連接的SOI條形波導(dǎo)(210);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);所述空氣孔區(qū)域的空氣孔(221)的深度(h)等于SOI頂層硅(103)的厚度(d)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光子晶體分束器，其特征在于，所述SOI條形輸入波導(dǎo)的高度H與空氣孔的深度h相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光子晶體分束器，其特征在于，所述頂層硅(103)的厚度d與所述空氣孔的晶格常數(shù)a的關(guān)系為0. 5a<h<0.6a，所述二氧化硅埋層(102)的厚度至少為 2. 64a。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光子晶體分束器，其特征在于，所述空氣孔的半徑!■與晶格常數(shù)a的關(guān)系為r彡0. 2a。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光子晶體分束器，其特征在于，所述空氣孔的半徑r與晶格常數(shù)a的關(guān)系為0. 3a < r < 0. 4a。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4或5所述的光子晶體分束器，其特征在于，所述頂層硅(103)得厚度為230nm，所述二氧化硅埋層厚度為Iy m，所述空氣孔正方晶格排列的晶格常數(shù)為380nm，所述空氣孔半徑為140nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光子晶體分束器，其特征在于，所述SOI條形輸入波導(dǎo)的寬度K至少為所述空氣孔的晶格常數(shù)a的Vi倍。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光子晶體分束器，其特征在于，所述空氣孔采用電子束曝光、電感耦合等離子體工藝刻蝕或FIB刻蝕形成。
9.一種光子晶體分束器(200)的制備方法，其特征在于，包括以下步驟 1)制備SOI襯底； 2)在上述SOI襯底的頂層硅(103)上刻蝕形成的呈正方晶格排列的空氣孔區(qū)域(220)以及將該空氣孔區(qū)域(220)與外部器件連接的SOI條形波導(dǎo)(210);所述空氣孔區(qū)域的空氣孔(221)的深度h為等于SOI頂層硅(103)的厚度d，所述SOI條形波導(dǎo)邊緣至所述空氣孔區(qū)域(220)邊界的距離分別為L1、L2，其中L1、L2大于O。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光子晶體分束器(200)的制備方法，其特征在于，所述SOI條形波導(dǎo)的高度(H)與空氣孔的深度(h)相等。
全文摘要
一種光子晶體分束器，利用SOI基二維平板空氣孔光子晶體的自準(zhǔn)直效應(yīng)實(shí)現(xiàn)輸入光信號的分束傳播，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空氣孔區(qū)域以及將空氣孔區(qū)域與外部光纖或其他器件相連的SOI條形波導(dǎo)。其中空氣孔區(qū)域中，刻蝕形成的空氣孔呈正方晶格排列在SOI頂層硅上，其深度即為SOI頂層硅的厚度，SOI條形波導(dǎo)即為分束器的輸入波導(dǎo)，其距離空氣孔區(qū)域與之平行的兩邊界均有一距離。該分束器分束區(qū)的長度可以控制在10μm以內(nèi)，這使總體器件的長度極大縮短，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)，能夠更為廣泛的用在未來的光子芯片中。
文檔編號G02B6/136GK102789023SQ20111012818
公開日2012年11月21日 申請日期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, 武愛民, 王曦, 甘甫烷 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所