本發(fā)明屬于光學(xué)材料器件技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種硅基二氧化硅波導(dǎo)及其制作與應(yīng)用方法。

背景技術(shù)：
現(xiàn)有的全關(guān)邏輯器件應(yīng)用的材料，主要有光子晶體、非線性雙穩(wěn)態(tài)材料、納米線和等離激元波導(dǎo)。存在的問題是價(jià)格昂貴、不夠微型、工藝復(fù)雜、性噪比低、光信號(hào)的邏輯輸入輸出“1”和“0”對比度小，甚至需要在低溫環(huán)境下運(yùn)行，難以在實(shí)際應(yīng)用中普及推廣。硅材料是現(xiàn)代微電子產(chǎn)業(yè)的基石，加工工藝成熟，制作了絕大部分的半導(dǎo)體芯片。硅基上用熱氧法生成二氧化硅薄層是十分成熟標(biāo)準(zhǔn)的工藝，是先在硅襯底上先沉積二氧化硅，再經(jīng)刻蝕后形成的波導(dǎo)，其厚度可以從幾十納米（nm）到幾微米（μm）進(jìn)行選擇，以成本低廉、材料來源廣泛占據(jù)優(yōu)勢，在現(xiàn)實(shí)中，單波長單縱模偏振激光器發(fā)出的光束，在某一波陣面上具信息1的性質(zhì)。因此，在應(yīng)用上可以選擇飛秒脈沖光源，有光強(qiáng)即為1，無光強(qiáng)即為0，光信號(hào)在硅基二氧化硅波導(dǎo)中的邏輯輸入輸出“1”和“0”對比度很強(qiáng)，在全光信號(hào)處理、全光邏輯器件方面得到理論驗(yàn)證。本發(fā)明提出用硅基二氧化硅微區(qū)結(jié)構(gòu)制作的全光邏輯器件，利用該類波導(dǎo)的全光交換，特別涉及制作全關(guān)邏輯器件的硅基二氧化硅波導(dǎo)通用幾何參數(shù)范圍，在國際上鮮有報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明提供了一種硅基二氧化硅波導(dǎo)及其制作與應(yīng)用方法。一種硅基二氧化硅波導(dǎo)的制作方法，其具體方案如下：在硅片上設(shè)置二氧化硅薄層，采用微加工工藝在硅片上對二氧化硅進(jìn)行刻蝕，制作硅基二氧化硅微區(qū)結(jié)構(gòu)，形成高性能波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)相干計(jì)算。所述硅片的折射率為3.42，二氧化硅的折射率為1.444。所述硅片上二氧化硅層的厚度為0.2μm～2μm。所述微加工工藝為掩膜板制作工藝、飛秒激光加工工藝、極紫外光刻工藝或激光無掩膜光刻工藝。一種硅基二氧化硅波導(dǎo)，所述波導(dǎo)是通過上述方法所制作得到的波導(dǎo)。所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中二氧化硅的縱截面為矩形。所述波導(dǎo)為直線型波導(dǎo)、圓弧型波導(dǎo)或者二者的任意組合形式。所述圓弧型波導(dǎo)是四分之一圓弧型波導(dǎo)的任意組合形式。一種硅基二氧化硅波導(dǎo)的應(yīng)用方法，通過對多個(gè)硅基二氧化硅直線型波導(dǎo)和圓弧形波導(dǎo)的組合，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)在硅基二氧化硅波導(dǎo)中的“相長或相消”干涉，制作全光邏輯元件或器件。所述全光邏輯元件為或門、與門、異或門、同或門、或非門或與非門；所述全光邏輯器件為全光分路器、全光耦合器、全光開關(guān)、全光邏輯門、全光存儲(chǔ)器或全光路由器。本發(fā)明的有益效果為：（1）邏輯輸出“1”和“0”對比度強(qiáng)；（2）微加工工藝成熟、材料成本低的硅基二氧化硅波導(dǎo)制成全光邏輯器件；（3）將特定功能的微區(qū)結(jié)構(gòu)可進(jìn)行靈活組合達(dá)到特定全光邏輯器件的計(jì)算要求；（4）進(jìn)行純光學(xué)的邏輯運(yùn)算，可極大的提高計(jì)算速度。本發(fā)明采用的二氧化硅微區(qū)結(jié)構(gòu)在制作上具有與硅微電子工藝兼容的優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)上易于推廣應(yīng)用。附圖說明圖1-1為硅基二氧化硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖；圖1-2為硅基二氧化硅波導(dǎo)立體結(jié)構(gòu)示意圖；圖1-3為硅基二氧化硅波導(dǎo)截面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2-1為直線型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)俯視圖；圖2-2為對稱型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)俯視圖；圖2-3為非對稱型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)俯視圖；圖2-4為對稱Y型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)俯視圖；圖2-5為非對稱Y型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)俯視圖。具體實(shí)施方式本發(fā)明提供了一種硅基二氧化硅波導(dǎo)及其制作與應(yīng)用方法，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。本發(fā)明提出了一種硅基二氧化硅波導(dǎo)及其制作與應(yīng)用方法。采用微加工工藝得到的微區(qū)結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行任意組合，得到各種全光邏輯器件。本發(fā)明包括以下內(nèi)容：（1）利用波導(dǎo)相干計(jì)算，以“相長或相消”干涉來實(shí)現(xiàn)“0”、“1”的計(jì)算；（2）在硅基晶片上對二氧化硅進(jìn)行微加工刻蝕，制作出波導(dǎo)芯區(qū)空間；（3）二氧化硅層厚度為0.2μm～2μm；（4）硅的折射率為3.42，二氧化硅的折射率為1.444；（5）波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中二氧化硅的縱截面為矩形（矩形的寬度取值范圍：0.2μm～1μm，高度為取值范圍：0.2μm～0.8μm）；（6）圓弧型波導(dǎo)的曲率半徑取值范圍：1μm～4μm；（7）采取波長范圍270～1100nm的飛秒脈沖光源作為信號(hào)光；（8）利用兩臂光程差的相干計(jì)算得到“對稱”和“非對稱”Y型波導(dǎo)（由若干個(gè)直線型波導(dǎo)和圓弧形波導(dǎo)組合得到）；其中采用本方法制作的波導(dǎo)可以是直線型波導(dǎo)、圓弧型波導(dǎo)或者二者的組合。其中采用本方法制作的波導(dǎo)間光程差不大于400nm。其中步驟（2）中是用微加工工藝得到的截面為矩形的波導(dǎo)芯區(qū)空間。通過該方法可實(shí)現(xiàn)光信號(hào)在硅基二氧化硅波導(dǎo)中的完美“相長/相消”干涉，制作全光邏輯器件。本發(fā)明涉及的硅基二氧化硅波導(dǎo)全光邏輯器件，在精確的幾何參數(shù)范圍內(nèi)制作，根據(jù)之前波導(dǎo)尺寸的計(jì)算，選擇相應(yīng)厚度的二氧化硅硅片，采用微加工刻蝕的方法，將波導(dǎo)范圍之外的二氧化硅刻蝕干凈，剩余的二氧化硅形成寬高比一定的波導(dǎo)芯區(qū)。利用光的“相長或相消”干涉來實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算，使其比其它波導(dǎo)邏輯器件的計(jì)算速度更快，功耗更低。本發(fā)明中Y型波導(dǎo)涉及到了光程差，是基于光的波動(dòng)傳輸特性，其相位在Y型波導(dǎo)芯區(qū)前進(jìn)方向上以波長為周期變化著，當(dāng)波陣面移動(dòng)了波長一半（λ/2）的距離時(shí)，其相位變成完全相反，由↑轉(zhuǎn)換為↓。所以在設(shè)計(jì)時(shí)，非對稱Y型波導(dǎo)的上下臂長度相差了所用波長一半（λ/2）的奇數(shù)倍。本發(fā)明中波導(dǎo)芯區(qū)微加工采用的幾種方法：（1）掩膜板制作工藝：制作掩膜板技術(shù)中，國際上較為流行的是電子束和激光束系統(tǒng)的圖形發(fā)生器。其主要優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的圖形，在超微粒干版或勻膠鉻版上進(jìn)行直接曝光制版，極大地提高制作的效率和精度。（2）飛秒激光加工工藝：基于能量高度集中、熱影響區(qū)小、無飛濺無熔渣、不需特殊氣體環(huán)境和無后續(xù)工藝的優(yōu)勢，在微結(jié)構(gòu)加工工藝中有重要應(yīng)用。（3）極紫外光刻工藝：光源的要求是高輸出功率；為了降低成本，可采用能夠滿足工藝要求的小分子光刻膠材料。（4）激光無掩膜光刻工藝：基于激光與材料相互作用后出現(xiàn)的光化學(xué)、光物理現(xiàn)象。包括激光近場掃描光刻、干涉光刻、非線性光刻以及激光熱刻蝕。本發(fā)明涉及的硅基二氧化硅波導(dǎo)幾何參數(shù)，包含波導(dǎo)截面參數(shù)、直線型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)、對稱型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)、非對稱型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)。波導(dǎo)邏輯器件是在硅基晶片的二氧化硅膜上刻蝕矩形微區(qū)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。圖1-1為波導(dǎo)原理圖，硅基晶片的二氧化硅厚度為0.2～2μm；圖1-2為波導(dǎo)立體圖，對硅基晶片的二氧化硅先進(jìn)行刻蝕，刻蝕出截面為矩形的波導(dǎo)芯區(qū)空間，代表二氧化硅層波導(dǎo)芯區(qū)空間、代表硅層；圖1-3為波導(dǎo)芯區(qū)空間截面圖，對硅基晶片的二氧化硅先進(jìn)行刻蝕，刻蝕出截面為矩形的波導(dǎo)芯區(qū)空間，波導(dǎo)芯區(qū)空間截面為矩形（寬度取值范圍：0.2μm～1μm，高度為取值范圍：0.2μm～0.8μm）；圖2-1為直線型波導(dǎo)示意圖，波導(dǎo)長度為2～10μm，截面是矩形（寬度取值范圍：0.2μm～1μm，高度取值范圍：0.2μm～0.8μm）；圖2-2為四分之一圓弧波導(dǎo)示意圖，曲率半徑取值范圍：1μm～4μm，截面為矩形（寬度取值范圍：0.2μm～1μm，高度取值范圍：0.2μm～0.8μm）；圖2-3為圓弧波導(dǎo)示意圖，曲率半徑取值范圍：1μm～4μm，截面為矩形（寬度取值范圍：0.2μm～1μm，高度取值范圍：0.2μm～0.8μm）；圖2-4為四個(gè)圓弧形波導(dǎo)、一個(gè)直線型波導(dǎo)組合結(jié)構(gòu)示意圖：上半部分光路長度為L1，下半部分光路長度為L2，L1=L2，此組合結(jié)構(gòu)即對稱Y型波導(dǎo)。對硅基晶片的二氧化硅先進(jìn)行微加工刻蝕，刻蝕出截面為矩形的波導(dǎo)芯區(qū)空間，芯區(qū)空間截面為矩形（寬度取值范圍：0.2μm～1μm，高度取值范圍：0.2μm～0.8μm）；圓弧型波導(dǎo)的曲率半徑取值范圍：1μm～4μm；直線型波導(dǎo)長度為4～10μm；圖2-5為四個(gè)圓弧形波導(dǎo)、二個(gè)直線型波導(dǎo)組合結(jié)構(gòu)示意圖：上半部分光路長度為L1，下半部分光路長度為L2，上半部分光路比下半部分光路多出一個(gè)縱向直線型波導(dǎo)，其中ΔL=n(L1–L2)=λ×(1/2+N)，此處n為硅折射率，λ為波長，N為自然數(shù)，組合結(jié)構(gòu)即非對稱Y型波導(dǎo)。對硅基晶片的二氧化硅先進(jìn)行微加工刻蝕，刻蝕出截面為矩形的波導(dǎo)芯區(qū)空間，芯區(qū)空間截面為矩形（寬度取值范圍：0.2μm～1μm，高度為取值范圍：0.2μm～0.8μm）；圓弧型波導(dǎo)的曲率半徑取值范圍：1μm～4μm；橫向直線型波導(dǎo)長度為4～10μm。此外，通過對多個(gè)硅基二氧化硅直線型波導(dǎo)和圓弧形波導(dǎo)的組合，可實(shí)現(xiàn)其它全光邏輯關(guān)系的元件，如或門、與門、異或門、同或門、與非門、或非門等，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)可以輕易地利用這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)全光分路器、全光耦合器、全光開關(guān)、全光邏輯門、全光存儲(chǔ)器、全光路由器和其它全光邏輯器件。