專利名稱：一種光子晶體定向耦合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種耦合器的制作方法，尤其涉及一種光子晶體定向耦合器的制作方法。
背景技術(shù)：
光子晶體又被稱為光半導(dǎo)體，是由具有不同介電常數(shù)的物質(zhì)，在空間周期性排列而形成的人工微結(jié)構(gòu)。光子晶體具備光子禁帶，具有控制光在其內(nèi)傳播的特性，是實現(xiàn)未來大規(guī)模光電集成以及全光網(wǎng)絡(luò)的潛在應(yīng)用材料。在完整的光子晶體材料中引入缺陷時，則會在光子禁帶中引入缺陷態(tài)。例如，引入點缺陷則可以將光局域在缺陷內(nèi)，從而形成光子晶體諧振腔；而如果引入線缺陷，則可以將光限制于線缺陷內(nèi)傳播，形成光子晶體波導(dǎo)。近年來，基于光子晶體材料的光電功能器件得到了廣泛的關(guān)注，利用光子晶體的光子禁帶和光子局域特性，光子晶體波分復(fù)用器、耦合器、濾波器等光子晶體光電器件已經(jīng)成為該領(lǐng)域的研究熱點方向。在光波導(dǎo)光路中，兩個相鄰的光子晶體波導(dǎo)間可能產(chǎn)生耦合，從而將光耦合到相鄰波導(dǎo)中。我們將光從一個波導(dǎo)完全耦合到另一個波導(dǎo)過程中經(jīng)過的耦合長度稱為耦合周期，不同頻率電磁波的耦合周期不同，這就為利用光子晶體波導(dǎo)間耦合實現(xiàn)不同頻率電磁波分光提供了應(yīng)用基礎(chǔ)。波導(dǎo)定向耦合器為基于上述原理的波導(dǎo)分光器件，被廣泛應(yīng)用于光開關(guān)、波分復(fù)用和光分束器等光學(xué)器件系統(tǒng)中，在光信號處理、光通信、集成光路以及光子計算等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。而傳統(tǒng)的光子晶體定向耦合器由于耦合周期比較長，故體積大、集成度低。例如，基于傳統(tǒng)光波導(dǎo)的定向耦合器通常需要數(shù)百個晶格周期甚至更多的長度才能實現(xiàn)對不同頻率電磁波的高效分光。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提出一種光子晶體定向耦合器的制作方法，其制作出的光子晶體定向耦合器能在更小尺度上實現(xiàn)兩束不同頻率電磁波高效率分光。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種光子晶體定向耦合器的制作方法，該光子晶體定向耦合器包括基板以及垂直設(shè)置在該基板上的若干介質(zhì)柱，該若干介質(zhì)柱圍出兩個相互獨(dú)立的主波導(dǎo)線缺陷(9)與耦合波導(dǎo)線缺陷(10)，主波導(dǎo)線缺陷(9)與耦合波導(dǎo)線缺陷(10)之間間隔有至少一排介質(zhì)柱,位于該排介質(zhì)柱一側(cè)的介質(zhì)柱區(qū)域為主波導(dǎo)部分(8)，位于該排介質(zhì)柱相對一側(cè)的介質(zhì)柱區(qū)域為直角轉(zhuǎn)彎耦合波導(dǎo)部分(5)，主波導(dǎo)部分(8)、直角轉(zhuǎn)彎耦合波導(dǎo)部分(5)以及它們之間的這排跑道型介質(zhì)柱(7)構(gòu)成光子晶體定向耦合器的主體結(jié)構(gòu)，該排介質(zhì)柱均為跑道型介質(zhì)柱(7)，其余介質(zhì)柱均為圓柱型介質(zhì)柱
(2)，該光子晶體定向耦合器的制作方法包括下列步驟第一步，制備劃片所需的劃片槽；第二步，在該劃片槽上制備ICP刻蝕所需的光刻膠掩膜，得到硅柱陣列結(jié)構(gòu)；
第三步，利用第二步制備的光刻膠掩膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行ICP刻蝕，制作光子晶體定向耦合器的主體結(jié)構(gòu)；第四步，對主體結(jié)構(gòu)中的跑道型介質(zhì)柱進(jìn)行修整；第五步，去除主體結(jié)構(gòu)的邊緣區(qū)域形成該光子晶體定向耦合器。作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述制備劃片所需的劃片槽包括下列步驟(A)制作SOI基底，二氧化硅埋層(102)位于襯底硅(101)即底層硅上，頂硅(103)位于二氧化硅埋層(102)上，對SOI基底進(jìn)行清潔處理；(B)在SOI基底上制作一層厚度為2-3 iim的光刻膠膜(104)；(C)將涂覆光刻膠膜的SOI基底(104)進(jìn)行前烘；(D)對制備好的光刻膠薄膜(104)進(jìn)行電子束曝光，得到劃片槽圖形；(E)經(jīng)過顯影、堅膜等工藝流程制作光刻膠掩模結(jié)構(gòu)；(F)對應(yīng)用步驟(E)制作好的光刻膠掩模結(jié)構(gòu)進(jìn)行感應(yīng)耦合等離子體刻蝕(Inductively Coupled Plasma etching, ICP),制作光子晶體定向稱合器主體結(jié)構(gòu),刻蝕深度為4 ii m，去除光刻膠薄膜(104)，得到劃片槽結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，頂硅103厚220nm、二氧化硅埋層102厚3 y m、襯底硅厚101600 ym。作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述制備ICP刻蝕所需的光刻膠掩膜包括下列步驟(G)在步驟(F)制備好的帶有劃片槽結(jié)構(gòu)的SOI基底上制備一層光刻膠薄膜(201)；(H)將步驟(G)制備完成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行前烘；(I)對制備好的光刻膠薄膜(201)進(jìn)行電子束曝光；(J)經(jīng)過顯影、堅膜得到硅柱陣列結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，光刻膠薄膜(201)的厚度為lOOnm。作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，制備所述光子晶體定向耦合器主體結(jié)構(gòu)包括下列步驟(K)對步驟(J)制作好的ICP光刻膠掩膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行ICP刻蝕，刻蝕深度為220nm，得到硅柱陣列；(L)去除步驟(K)所得到的硅柱陣列結(jié)構(gòu)上光刻膠薄膜，并進(jìn)行清洗。作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述對跑道型介質(zhì)柱進(jìn)行修整包括下列步驟(M)在步驟(L)所得到的結(jié)構(gòu)上涂覆光刻膠薄膜(301)作為保護(hù)層；(N)對制備好的光刻膠薄膜(301)進(jìn)行光學(xué)曝光、顯影等工藝，得到光刻膠掩膜結(jié)構(gòu)，將需要修整的跑道型硅柱(7)所在區(qū)域暴露出來；(0)利用聚焦離子束刻蝕工藝對需要高精度修整的硅柱進(jìn)行刻蝕使其達(dá)到所需尺寸，去除光刻膠。作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，所述去除器件結(jié)構(gòu)的邊緣區(qū)域包括下列步驟(P)在步驟(0)所得到的器件結(jié)構(gòu)表面涂覆PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)層(401)；(Q)對PMMA層(401)進(jìn)行同步輻射X射線曝光、顯影，在器件結(jié)構(gòu)上制作一個保護(hù)層；(R)按照劃片槽劃片，即可得到16個由硅柱陣列構(gòu)成的光子晶體定向耦合器主體結(jié)構(gòu)；(S)將步驟(R)得到的基于跑道型介質(zhì)柱的光子晶體定向耦合器結(jié)構(gòu)進(jìn)行側(cè)面研磨拋光，去除邊緣區(qū)使器件結(jié)構(gòu)側(cè)面平整。本發(fā)明光子晶體定向耦合器的制作方法制作的光子晶體定向耦合器，采用跑道型介質(zhì)柱作為主波導(dǎo)部分和直角轉(zhuǎn)彎耦合波導(dǎo)部分的間隔區(qū)域，大大縮短了電磁波在定向耦合器中的耦合周期，從而達(dá)到縮小器件體積的目的，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、集成度高等優(yōu)點，同時，耦合周期的減小也為在固定體積上制作信道間隔更小的波導(dǎo)耦合器件及波分復(fù)用器件提供有效途徑。


圖1是耦合周期隨間隔區(qū)跑道型介質(zhì)柱(7)拉伸長度t的變化曲線，可見隨著拉伸長度t的增加，器件的耦合周期呈減小趨勢，其中a為介質(zhì)柱排列的晶格周期。圖2是本發(fā)明光子晶體定向耦合器主體結(jié)構(gòu)三維意圖。圖3是本發(fā)明光子晶體定向耦合器主體結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。圖4是本發(fā)明光子晶體定向耦合器主體結(jié)構(gòu)俯視圖。圖5為主波導(dǎo)和直角轉(zhuǎn)彎耦合波導(dǎo)間隔區(qū)跑道型介質(zhì)柱的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是主波導(dǎo)和直角轉(zhuǎn)彎耦合波導(dǎo)間隔區(qū)跑道型介質(zhì)柱的俯視圖。圖7是刻蝕劃片槽所需光刻版不意圖。圖8a_8f為制備劃片所需的劃片槽工藝流程示意圖。圖9a_9f為制備SOI頂硅層硅柱的工藝流程示意圖。圖1Oa-1Of為對加工精度要求高的跑道型介質(zhì)柱的工藝流程示意圖。圖1la-1le為去除器件結(jié)構(gòu)邊緣區(qū)域的工藝流程示意圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。如圖1、2、3所示，為本發(fā)明較佳實施方式提供的光子晶體定向耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖。光子晶體定向耦合器包括基板以及垂直設(shè)置在該基板上的若干介質(zhì)柱，該若干介質(zhì)柱圍出兩個相互獨(dú)立的主波導(dǎo)線缺陷9與耦合波導(dǎo)線缺陷10，主波導(dǎo)線缺陷9與耦合波導(dǎo)線缺陷10之間間隔有一排介質(zhì)柱，該排介質(zhì)柱均為跑道型介質(zhì)柱7，其余介質(zhì)柱均為圓柱型介質(zhì)柱2。該基板包括二氧化硅埋層3以及硅襯底層4，圓柱型介質(zhì)柱2與跑道型介質(zhì)柱7設(shè)置該二氧化硅埋層3上，二氧化硅埋層3位于硅襯底層4上。如圖2中，1^=22011111為硅柱高度(即圓柱型介質(zhì)柱2的高度)，h2=3iim為二氧化硅埋層的厚度，h3=600 iim為底層硅的厚度，主體結(jié)構(gòu)中排列的圓柱型介質(zhì)柱2周期為a=600nm,半徑r=0. 2a。位于該排介質(zhì)柱一側(cè)的介質(zhì)柱區(qū)域為主波導(dǎo)部分8，位于該排介質(zhì)柱相對一側(cè)的介質(zhì)柱區(qū)域為直角轉(zhuǎn)彎耦合波導(dǎo)部分5，主波導(dǎo)部分8與直角轉(zhuǎn)彎耦合波導(dǎo)部分5構(gòu)成光子晶體定向耦合器的主體。主波導(dǎo)部分8為Wl型光子晶體直波導(dǎo)，直角轉(zhuǎn)彎耦合波導(dǎo)部分5為Wl型直角轉(zhuǎn)彎波導(dǎo)。如圖1所示，圓柱型介質(zhì)柱2高度為Ii1、半徑為r，該跑道型介質(zhì)柱7的高度為hp該跑道型介質(zhì)柱7的橫截面上垂直于主波導(dǎo)部分8走向方向上的拉伸長度為t，該跑道型介質(zhì)柱7的跑道半徑為A，其中t大于零，rl大于或小于r。如圖3所示，在本實施方式中，主波導(dǎo)線缺陷9包括水平部分以及與該水平部分垂直的垂直部分，耦合波導(dǎo)線缺陷10呈“一”字形且平行于該水平部分，耦合波導(dǎo)線缺陷10與水平部分間隔該排介質(zhì)柱，該排介質(zhì)柱平行于耦合波導(dǎo)線缺陷10，該排介質(zhì)柱的長度與該水平部分的長度相同。光子晶體定向耦合器的特征頻率為和f2的電磁波從主波導(dǎo)部分8入射，經(jīng)過間隔區(qū)6 (即該排跑道型介質(zhì)柱7區(qū)域)耦合到直角轉(zhuǎn)彎耦合波導(dǎo)部分5中，當(dāng)電磁波完全耦合進(jìn)入直角轉(zhuǎn)彎耦合波導(dǎo)部分5后，又會開始向主波導(dǎo)部分8反向耦合，由于不同頻率的電磁波在光子晶體中的耦合周期不同，所以可以通過控制主波導(dǎo)部分8和直角轉(zhuǎn)彎耦合波導(dǎo)部分5之間的間隔區(qū)6的長度來控制不同頻率電磁波在主波導(dǎo)和耦合波導(dǎo)中的分布。合理選取電磁波長度，可以使得特征頻率為和f2的電磁波分別從主波導(dǎo)和直角轉(zhuǎn)彎耦合波導(dǎo)出射。完成對不同頻率電磁波的分光。對于應(yīng)用于光電集成以及未來大規(guī)模集成光路的光子晶體定向耦合器，要求器件具有較小的體積以及更高的集成度，而電磁波在兩波導(dǎo)間的耦合周期通常較大，難以縮小體積，結(jié)構(gòu)也不夠緊湊。故如圖4、5所示，將間隔區(qū)6的跑道型介質(zhì)柱7沿著垂直于光子晶體波導(dǎo)走向的方向拉伸，得到該排跑道型介質(zhì)柱7，跑道型介質(zhì)柱7可以將電磁波在波導(dǎo)間的耦合周期大幅縮短。通過合理選擇跑道型介質(zhì)柱7的拉伸長度t和介質(zhì)柱半徑T1，可以設(shè)計制作體積更小、集成度更高的光子晶體定向耦合器。另外，由于相鄰頻率的電磁波耦合周期更為相近，那么想要設(shè)計制作信道間隔更小的定向耦合器就需要很大的體積。引入跑道型介質(zhì)柱7后，電磁波耦合周期大幅縮短，為信道間隔更小的波導(dǎo)耦合器件以及波分復(fù)用器件提供了設(shè)計基礎(chǔ)。圖6所示為波長為1490nm和1550nm電磁波的耦合周期隨間隔區(qū)跑道型介質(zhì)柱7拉伸長度t的變化曲線，可見，隨著拉伸長度t的增加，兩種波長電磁波的耦合周期呈縮短趨勢。當(dāng)t=0. la, ri=0. 2a，且耦合長度為30a時可以實現(xiàn)1510nm和1550nm的高效分光，兩波導(dǎo)出射電磁波能量的總效率為94. 1% ;當(dāng)t=0. 15a，ri=0. 3a，且耦合長度為50a時可以實現(xiàn)1525nm和1550nm的高效分光，兩波導(dǎo)出射電磁波能量的總效率為95. 3% ;當(dāng)t=0. 3a，r^O. 2a，且耦合長度為115a時可以實現(xiàn)1530nm和1540nm的高效分光，兩波導(dǎo)出射電磁波能量的總效率為91. 1%，實現(xiàn)了 IOnm信道間隔的高效分光；
本發(fā)明光子晶體定向耦合器波導(dǎo)的工作過程是不同頻率電磁波從光子晶體定向耦合器的主波導(dǎo)部分8進(jìn)入系統(tǒng)，電磁波在主波導(dǎo)部分8和直角轉(zhuǎn)彎耦合波導(dǎo)部分5之間反復(fù)耦合，通過控制光子晶體定向耦合器的耦合長度，實現(xiàn)不同頻率的電磁波從不同的波導(dǎo)出射。本發(fā)明同時也可以發(fā)展多定向耦合器拼接，從而實現(xiàn)不同頻率電磁波多路分光。本發(fā)明的基于跑道型介質(zhì)柱的光子晶體定向耦合器由數(shù)十個至數(shù)百個硅柱單元順序排列組成。光子晶體定向耦合器包括襯底基片(即基板)、硅柱陣列(即圓柱型介質(zhì)柱2)、跑道型硅柱陣列7、W1型光子晶體波導(dǎo)(即主波導(dǎo)部分8)、空氣隙(即主波導(dǎo)線缺陷9與耦合波導(dǎo)線缺陷10)。硅片襯底(襯底基片)為SOI結(jié)構(gòu)，襯底基片由頂硅層、下方低折射率層(即二氧化硅埋層3)和襯底硅層4構(gòu)成。其中，刻蝕硅柱陣列高度可與頂硅層厚度相同，在本實施方式中，刻蝕硅柱陣列高度與頂硅層厚度相同，因此在頂硅層上刻蝕結(jié)構(gòu)(硅柱結(jié)構(gòu))，刻蝕高度與頂硅層高度相同，那么頂硅層被刻蝕干凈，僅剩硅柱結(jié)構(gòu)，故，圖1、2、3所示的硅片襯底包括兩層結(jié)構(gòu)二氧化硅埋層3和襯底硅層4。故硅柱陣列與襯底基片的低折射率層接觸；光子晶體定向耦合器由主波導(dǎo)部分8和直角轉(zhuǎn)彎耦合波導(dǎo)部分5組成，其中主波導(dǎo)部分8為Wl型光子晶體波導(dǎo)，直角轉(zhuǎn)彎耦合波導(dǎo)部分5為Wl型直角轉(zhuǎn)彎波導(dǎo)，主波導(dǎo)部分8和直角轉(zhuǎn)彎耦合波導(dǎo)部分5之間由一排或數(shù)排跑道型硅柱7間隔。定向耦合器的原理是基于兩個相鄰的波導(dǎo)間電磁波的耦合效應(yīng)，將光耦合到相鄰波導(dǎo)中。不同頻率電磁波的耦合周期不同，這就為利用波導(dǎo)間耦合實現(xiàn)不同頻率電磁波的分光提供了可能。傳統(tǒng)的光子晶體定性耦合器的耦合周期較長，這就決定了整個器件的體積較大，結(jié)構(gòu)不夠緊湊，集成度低，不利于其在全光網(wǎng)絡(luò)及大規(guī)模全光集成中的應(yīng)用。本發(fā)明采用跑道型介質(zhì)柱作為主波導(dǎo)部分8和直角轉(zhuǎn)彎耦合波導(dǎo)部分5的間隔區(qū)域。跑道型介質(zhì)柱7的引入大大縮短了電磁波在定向耦合器中的耦合周期，從而達(dá)到縮小器件體積的目的。同時，由于耦合周期的減小也為在固定體積上制作信道間隔更小的波導(dǎo)耦合器件及波分復(fù)用器件提供有效途徑。當(dāng)不同頻率的電磁波從光子晶體定向耦合器的主波導(dǎo)部分8入射時，由于存在倏逝波耦合，電磁波會耦合到直角轉(zhuǎn)彎耦合波導(dǎo)部分5中。同時，耦合進(jìn)入直角轉(zhuǎn)彎耦合波導(dǎo)部分5中的電磁波也會向主波導(dǎo)部分8耦合，如此反復(fù)循環(huán)。將特定頻率的電磁波從一個波導(dǎo)完全耦合到另一個波導(dǎo)所經(jīng)過的耦合長度定義為該頻率電磁波的耦合周期。不同的電磁波耦合周期不同，且與其電磁波頻率成正比。通過控制光子晶體定向耦合器的耦合長度，當(dāng)一個頻率的電磁波完全存在于主波導(dǎo)部分8，而另一頻率電磁波完全存在于直角轉(zhuǎn)彎耦合波導(dǎo)部分5時，改變耦合波導(dǎo)走向使之與主波導(dǎo)分離，即可實現(xiàn)不同頻率電磁波分光的目的。主波導(dǎo)部分8和直角轉(zhuǎn)彎耦合波導(dǎo)部分5的間隔區(qū)6中跑道型介質(zhì)柱7的結(jié)構(gòu)參數(shù)對耦合器件的耦合特性影響極大。將其沿著垂直于波導(dǎo)走向的方向拉伸得到跑道型介質(zhì)柱結(jié)構(gòu)，可通過調(diào)節(jié)跑道型介質(zhì)柱7拉伸長度t及半徑T1來控制電磁波在其中的耦合周期。從而達(dá)到縮小體積、實現(xiàn)在固定體積上制作信道間隔更小的波導(dǎo)耦合器件及波分復(fù)用器件的目的。圖7為刻蝕劃片槽所需光刻版不意圖。光刻版為邊長為A=Icm的正方形結(jié)構(gòu)，正方形結(jié)構(gòu)被分為16個正方形小單元，每個單元變長為a=0. 25cm。所設(shè)計的二維光子晶體定向耦合器制作于小單元內(nèi)，經(jīng)過劃片一次曝光可得16組二維光子晶體定向耦合器。上述光子晶體定向耦合器的具體制作過程如下。第一步，制備劃片所需的劃片槽，如圖8a_8f所示(A)制作SOI基底，二氧化硅埋層102位于襯底硅101 (即底層硅)上，頂硅103位于二氧化硅埋層102上，頂硅103厚220nm、二氧化硅埋層102厚3 y m、襯底硅厚101600 u m,對SOI基底(如圖8a所示)進(jìn)行清潔處理；(B)在SOI基底上制作一層厚度為2-3 U m的光刻膠膜104 ；(C)將涂覆光刻膠膜104的SOI基底放入烘箱中前烘；(D)對制備好的光刻膠薄膜104進(jìn)行電子束曝光，得到劃片槽圖形，如圖Sc所示；
(E)如圖8d所示，經(jīng)過顯影、堅膜等工藝流程制作光刻膠掩模結(jié)構(gòu)；(F)如圖Se所示，對應(yīng)用步驟(E)制作好的光刻膠掩模結(jié)構(gòu)進(jìn)行感應(yīng)耦合等離子體刻蝕(Inductively Coupled Plasma etching, ICP),制作光子晶體定向f禹合器主體結(jié)構(gòu)，刻蝕深度為4pm。去除光刻膠薄膜104，得到劃片槽結(jié)構(gòu)即制備劃片所需的劃片槽，如圖8f所示。第二步，制備ICP刻蝕所需的光刻膠掩膜，如圖9所示；(G)如圖9a_9b所示，在步驟(F)制備好的帶有劃片槽結(jié)構(gòu)的SOI基底上制備一層厚度為IOOnm的光刻膠薄膜201 ；(H)將步驟(G)制備完成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行前烘；(I)如圖9c所示，對制備好的光刻膠薄膜201進(jìn)行電子束曝光；(J)如圖8d所示，經(jīng)過顯影、堅膜得到硅柱陣列結(jié)構(gòu)。第三步，利用第二步制備的ICP光刻膠掩膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行ICP刻蝕，制作本發(fā)明所述光子晶體定向耦合器主體結(jié)構(gòu)；(K)如圖9e所示，對步驟(J)制作好的ICP光刻膠掩膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行ICP刻蝕，刻蝕深度為220nm，得到硅柱陣列；(L)如圖9f所示，去除步驟(K)所得到的硅柱陣列結(jié)構(gòu)上光刻膠薄膜，并進(jìn)行清洗。第四步，對尺寸要求嚴(yán)格的跑道型介質(zhì)柱進(jìn)行精細(xì)修整，如圖10所示(M)如圖10a、10b所示，在步驟(L)所得到的結(jié)構(gòu)上涂覆光刻膠薄膜301作為保護(hù)層；(N)如圖10c、10d所示，對制備好的光刻膠薄膜301進(jìn)行光學(xué)曝光、顯影等工藝，得到光刻膠掩膜結(jié)構(gòu)，將需要高精度修整的硅柱(間隔區(qū)跑道型硅柱(7))所在區(qū)域暴露出來；(0)如圖10e、10f所示，利用聚焦離子束刻蝕工藝對需要高精度修整的硅柱進(jìn)行刻蝕使其達(dá)到所需尺寸，去除光刻膠；第五步，去除器件結(jié)構(gòu)的邊緣區(qū)域；(P)如圖1lUlb所示，在步驟(0)所得到的器件結(jié)構(gòu)表面涂覆PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)層401 ；(Q)如圖11c、Ild所示，對PMMA層401進(jìn)行同步輻射X射線曝光、顯影，在器件結(jié)構(gòu)上制作一個保護(hù)層；(R)按照劃片槽劃片，即可得到16個由硅柱陣列構(gòu)成的光子晶體定向耦合器主體結(jié)構(gòu)；(S)如圖lie所示，將步驟(R)得到的基于跑道型介質(zhì)柱的光子晶體定向耦合器結(jié)構(gòu)放入磨片機(jī)內(nèi)，按照要求使用不同的研磨液或拋光液進(jìn)行側(cè)面研磨拋光，去除邊緣區(qū)使器件結(jié)構(gòu)側(cè)面平整，形成光子晶體定向耦合波導(dǎo)。由于PMMA材料折射率小于硅的折射率，滿足二維平板光子晶體器件在垂直于器件方向上的全內(nèi)反射條件，故保留PMMA作為器件的保護(hù)結(jié)構(gòu)，增加器件的牢固度，使之不易損壞。本發(fā)明不限于上述實施方式，所述器件主體也可以是二維空氣孔結(jié)構(gòu)，間隔區(qū)光子晶體單元也可以是跑道型空氣孔結(jié)構(gòu)；且主波導(dǎo)以及直角轉(zhuǎn)彎耦合波導(dǎo)可以是W2型、W3型等二維光子晶體波導(dǎo)。因此，凡是在本發(fā)明基礎(chǔ)上做出的任何簡單變形都在本發(fā)明意圖保護(hù)范圍之列。
權(quán)利要求
1.一種光子晶體定向耦合器的制作方法，該光子晶體定向耦合器包括基板以及垂直設(shè)置在該基板上的若干介質(zhì)柱，該若干介質(zhì)柱圍出兩個相互獨(dú)立的主波導(dǎo)線缺陷(9)與耦合波導(dǎo)線缺陷(10)，主波導(dǎo)線缺陷(9)與耦合波導(dǎo)線缺陷(10)之間間隔有至少一排介質(zhì)柱，位于該排介質(zhì)柱一側(cè)的介質(zhì)柱區(qū)域為主波導(dǎo)部分(8)，位于該排介質(zhì)柱相對一側(cè)的介質(zhì)柱區(qū)域為直角轉(zhuǎn)彎耦合波導(dǎo)部分(5)，主波導(dǎo)部分(8)、直角轉(zhuǎn)彎耦合波導(dǎo)部分(5)以及它們之間的這排跑道型介質(zhì)柱(7)構(gòu)成光子晶體定向耦合器的主體結(jié)構(gòu)，其特征在于，該排介質(zhì)柱均為跑道型介質(zhì)柱(7),其余介質(zhì)柱均為圓柱型介質(zhì)柱(2),該光子晶體定向稱合器的制作方法包括下列步驟第一步，制備劃片所需的劃片槽；第二步，在該劃片槽上制備ICP刻蝕所需的光刻膠掩膜，得到硅柱陣列結(jié)構(gòu)；第三步，利用第二步制備的光刻膠掩膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行ICP刻蝕，制作光子晶體定向耦合器的主體結(jié)構(gòu)；第四步，對主體結(jié)構(gòu)中的跑道型介質(zhì)柱進(jìn)行修整；第五步，去除主體結(jié)構(gòu)的邊緣區(qū)域形成該光子晶體定向耦合器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子晶體定向耦合器的制作方法，其特征在于，所述制備劃片所需的劃片槽包括下列步驟(A)制作SOI基底，二氧化硅埋層(102)位于襯底硅(101)即底層硅上，頂硅(103)位于二氧化硅埋層(102)上，對SOI基底進(jìn)行清潔處理；(B)在SOI基底上制作一層厚度為2-3μ m的光刻膠膜(104);(C)將涂覆光刻膠膜的SOI基底(104)進(jìn)行前烘；(D)對制備好的光刻膠薄膜(104)進(jìn)行電子束曝光，得到劃片槽圖形；(E)經(jīng)過顯影、堅膜等工藝流程制作光刻膠掩模結(jié)構(gòu)；(F)對應(yīng)用步驟(E)制作好的光刻膠掩模結(jié)構(gòu)進(jìn)行感應(yīng)耦合等離子體刻蝕(Inductively Coupled Plasma etching, ICP),制作光子晶體定向稱合器主體結(jié)構(gòu),刻蝕深度為4 μ m，去除光刻膠薄膜(104)，得到劃片槽結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光子晶體定向耦合器的制作方法，其特征在于，頂硅103厚220nm、二氧化硅埋層102厚3 μ m、襯底硅厚101600 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光子晶體定向耦合器的制作方法，其特征在于，所述制備ICP刻蝕所需的光刻膠掩膜包括下列步驟(G)在步驟(F)制備好的帶有劃片槽結(jié)構(gòu)的SOI基底上制備一層光刻膠薄膜(201)；(H)將步驟(G)制備完成的結(jié)構(gòu)進(jìn)行前烘；(I)對制備好的光刻膠薄膜(201)進(jìn)行電子束曝光；(J)經(jīng)過顯影、堅膜得到硅柱陣列結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光子晶體定向耦合器的制作方法，其特征在于，光刻膠薄膜(201)的厚度為IOOnm0
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光子晶體定向耦合器的制作方法，其特征在于，制備所述光子晶體定向耦合器主體結(jié)構(gòu)包括下列步驟(K)對步驟(J)制作好的ICP光刻膠掩膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行ICP刻蝕，刻蝕深度為220nm，得到硅柱陣列；(L)去除步驟(K)所得到的硅柱陣列結(jié)構(gòu)上光刻膠薄膜，并進(jìn)行清洗。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光子晶體定向耦合器的制作方法，其特征在于，所述對跑道型介質(zhì)柱進(jìn)行修整包括下列步驟(M)在步驟(L)所得到的結(jié)構(gòu)上涂覆光刻膠薄膜(301)作為保護(hù)層；(N)對制備好的光刻膠薄膜(301)進(jìn)行光學(xué)曝光、顯影等工藝，得到光刻膠掩膜結(jié)構(gòu)，將需要修整的跑道型硅柱(7)所在區(qū)域暴露出來；(O)利用聚焦離子束刻蝕工藝對需要高精度修整的硅柱進(jìn)行刻蝕使其達(dá)到所需尺寸，去除光刻膠。
8.據(jù)權(quán)利要求7所述的光子晶體定向耦合器的制作方法，其特征在于，所述去除器件結(jié)構(gòu)的邊緣區(qū)域包括下列步驟(P)在步驟(O)所得到的器件結(jié)構(gòu)表面涂覆PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)層(401);(Q)對PMMA層(401)進(jìn)行同步輻射X射線曝光、顯影，在器件結(jié)構(gòu)上制作一個保護(hù)層；(R)按照劃片槽劃片，即可得到16個由硅柱陣列構(gòu)成的光子晶體定向耦合器主體結(jié)構(gòu)；(S)將步驟(R)得到的基于跑道型介質(zhì)柱的光子晶體定向耦合器結(jié)構(gòu)進(jìn)行側(cè)面研磨拋光，去除邊緣區(qū)使器件結(jié)構(gòu)側(cè)面平整。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光子晶體定向耦合器的制作方法，該光子晶體定向耦合器包括基板以及設(shè)置在基板上的若干介質(zhì)柱，若干介質(zhì)柱圍出兩個相互獨(dú)立的主波導(dǎo)線缺陷與耦合波導(dǎo)線缺陷，主波導(dǎo)線缺陷與耦合波導(dǎo)線缺陷之間間隔有至少一排介質(zhì)柱，該排介質(zhì)柱均為跑道型介質(zhì)柱，其余介質(zhì)柱均為圓柱型介質(zhì)柱。該制作方法包括下列步驟制備劃片所需的劃片槽；在劃片槽上制備ICP刻蝕所需的光刻膠掩膜，得到硅柱陣列結(jié)構(gòu)；利用第二步制備的光刻膠掩膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行ICP刻蝕，制作光子晶體定向耦合器的主體結(jié)構(gòu)；對主體結(jié)構(gòu)中的跑道型介質(zhì)柱進(jìn)行修整；去除主體結(jié)構(gòu)的邊緣區(qū)域形成該光子晶體定向耦合器。本發(fā)明的優(yōu)點在于具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、集成度高等優(yōu)點。
文檔編號G02B6/136GK103033879SQ20121055655
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月20日
發(fā)明者崔乃迪, 郭進(jìn), 馮俊波, 滕婕, 謝峰, 王俊, 趙恒 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所, 合肥公共安全技術(shù)研究院