一種微型高性能正交硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種微型高性能正交硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，采用正交交叉的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，波導(dǎo)的組成材料為硅。在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部、四個(gè)正交交叉口處分別設(shè)有棱鏡結(jié)構(gòu)，棱鏡結(jié)構(gòu)的折射率低于組成波導(dǎo)的基底材料。進(jìn)一步地，在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的正交交叉點(diǎn)的四個(gè)外角處加設(shè)有修飾結(jié)構(gòu)，其厚度與波導(dǎo)的厚度一致；所述修飾結(jié)構(gòu)由兩個(gè)形狀相同的微結(jié)構(gòu)拼接而成，兩個(gè)微結(jié)構(gòu)拼接后沿著正交交叉外角的對(duì)角線成鏡面對(duì)稱。當(dāng)基模在波導(dǎo)內(nèi)傳播時(shí)，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)可以保持小于0.2dB的損耗，同時(shí)可以維持很低的串?dāng)_損耗和反射損耗，其值分別為小于-35dB和小于-30dB。本發(fā)明的另一個(gè)很重要的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)的幾何尺寸很小，整個(gè)設(shè)計(jì)的交叉結(jié)構(gòu)尺寸僅約為1×1um2。
【專利說明】一種微型高性能正交硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于硅基光子學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種微型高性能正交硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是微加工工藝和技術(shù)的提升，計(jì)算機(jī)的CPU計(jì)算速度更快，內(nèi)存存儲(chǔ)速度更快，容量更大。著名的摩爾定律指出，集成電路上可容納的電晶體數(shù)目，約每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍。但是隨著傳統(tǒng)工藝的制備極限的限定，如何進(jìn)一步提高集成度是人們遇到的首要問題。因此各種不同材料組成的光電子器件就引起了人們的廣泛興趣，包括砷化鎵、磷化銦等II1- V族的材料，又有鍺、硅等IV族材料。但是這些器件的制備工藝都是互不兼容的，這不便于以后進(jìn)一步將這些器件集成化。而硅基的微納加工技術(shù)隨著集成電路工藝的發(fā)展，已經(jīng)越來越成熟，同時(shí)硅的價(jià)格也比其他的材料有優(yōu)勢(shì)，這使得近年來硅基光子學(xué)得到了顯著的發(fā)展，并且引起了科學(xué)工作者以及產(chǎn)業(yè)工程師的廣泛關(guān)注。此外，由于硅與二氧化硅等襯底材料的高折射率差，當(dāng)光在其內(nèi)部傳播的時(shí)候能夠非常好地被限制在硅波導(dǎo)內(nèi)?；趯?duì)硅波導(dǎo)微納結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，目前在國(guó)際頂級(jí)期刊科學(xué)(science),自然(nature)等上報(bào)道科研工作者已經(jīng)制備出一批具有良好應(yīng)用前景和市場(chǎng)價(jià)值的硅基光電子器件，比如硅基拉曼激光器，基于石墨烯的硅基紅外光探測(cè)器，硅基光調(diào)制器，硅基單向反射器，硅波導(dǎo)的光二極管等。這些都為未來的光子集成提供了可能。
[0003]但是，當(dāng)在一個(gè)芯片上的集成度提高的時(shí)候，不可避免的就會(huì)出現(xiàn)波導(dǎo)與波導(dǎo)的交叉的情況。如何實(shí)現(xiàn)高效、CMOS工藝可兼容的、微型化的交叉波導(dǎo)，是人們?cè)诮陙淼囊粋€(gè)重要目標(biāo)。進(jìn)行表征交叉硅波導(dǎo)的性能的重要參數(shù)包括透過率，交叉波導(dǎo)的串?dāng)_損耗，還有反射損耗。然而傳統(tǒng)的波導(dǎo)交叉后，在原波導(dǎo)中只會(huì)剩下不超過70%的能量，同時(shí)串?dāng)_損耗會(huì)達(dá)到_9dB左右，這種效果是很難投入到實(shí)際應(yīng)用的。基于以上目標(biāo)，已經(jīng)有一部分工作提供了解決方案，但是都有不可避免的缺陷。比如，在2007年P(guān).Sanchis提出了利用改變角度的方法來增加效率(參見 P.Sanchis, J.Galan, A.Griol, J.Marti, M.Piqueras, andJ.Perdiguesj〃Low_crosstalk in silicon-on-1nsulator waveguide crossings withoptimized-angle, 〃Photonics Technology Letters,IEEE,vol.19，pp.1583-1585，2007)，讓波導(dǎo)和波導(dǎo)之間的角度為120度或者60度，而不是90度。這種雖然可以提高效率，但是改變了角度，由于一般的結(jié)構(gòu)都是正交排列的，這使得集成的時(shí)候不是很方便，對(duì)于未來光子集成，并不是那么的有吸引力。同年，W.Bogaerts等又提出了基于一種模式擴(kuò)展的機(jī)制來提高效率(參見 I Bogaerts, P.Dumon, D.V.Thourhout, and R.Baets, 〃Low_loss，low-cross-talk crossings for silicon-on-1nsulator nanophotonic waveguides, 〃0ptics Ietters, vol.32，pp.2801-2803, 2007.)。我們知道，當(dāng)光波通過波導(dǎo)的交叉結(jié)的時(shí)候，由于折射率的變化不存在，光波就失去了原來的限制作用，也就是說原來單模的波導(dǎo)會(huì)產(chǎn)生高階的模式分量。而這種模式擴(kuò)展的方式就是在交叉點(diǎn)處改變波導(dǎo)的寬度，使得原來曲折的波前能夠重新整合成平整的平面波波前。這樣就能夠很好地使光波傳播過去并且得到很小的串?dāng)_損失和反射損失。此外，值得一提的是，在2011年的光學(xué)快報(bào)(optics express)上，A.V.Tsarev 等又提出了一種新的方案(參見 A.V.Tsarev, "Efficient silicon wirewaveguide crossing with negligible loss and crosstalk, "Optics Express, vol.19,pp.13732-13737,2011)。A.V.Tsarev指出，在已有的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上，再鋪一層聚合物層，這也能得到很好的效果，包括獲得很高的透過率，較低的串?dāng)_損耗和反射損耗。根據(jù)這篇文章所述，可知這種結(jié)構(gòu)的透過率能達(dá)到98%，同時(shí)串?dāng)_損耗只有_70dB，反射損耗只有_50dB。但是這種結(jié)構(gòu)具有一種很致命的缺陷就是，其與硅基半導(dǎo)體工藝的不兼容性，另外其為了實(shí)現(xiàn)高性能的波導(dǎo)交叉需要引入額外的一層波導(dǎo)層，從而加大了制備的復(fù)雜度。因此，雖然其具有非常優(yōu)異的性能，但是由于其上述的缺陷，在日后的集成光子器件的應(yīng)用前景是非常有限的。由此可以知道，如何設(shè)計(jì)出一個(gè)具有良好性能并且小型化的硅波導(dǎo)交叉結(jié)構(gòu)是一個(gè)有重大意義的挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提出一種基于新的機(jī)制的波導(dǎo)交叉結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)，目的在于得到高透射率，低串?dāng)_損耗和低反射損耗，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，小型化，容易用硅基半導(dǎo)體工藝來實(shí)現(xiàn)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0006]一種微型高性能正交硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，采用正交交叉的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，波導(dǎo)的組成材料為硅，在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部、四個(gè)正交交叉口處分別設(shè)有棱鏡結(jié)構(gòu)，棱鏡結(jié)構(gòu)的折射率低于波導(dǎo)材料的折射率。
[0007]進(jìn)一步地，在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的正交交叉點(diǎn)的四個(gè)外角處加設(shè)有修飾結(jié)構(gòu)，其厚度與波導(dǎo)的厚度一致；所述修飾結(jié)構(gòu)由兩個(gè)形狀相同的微結(jié)構(gòu)拼接而成，兩個(gè)微結(jié)構(gòu)拼接后沿著正交交叉外角的對(duì)角線成鏡面對(duì)稱。
[0008]進(jìn)一步地，所述棱鏡結(jié)構(gòu)為凸透鏡結(jié)構(gòu)，其折射率為I。
[0009]本發(fā)明設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)主要包括兩部分內(nèi)容，其中一部分是在交叉結(jié)構(gòu)周圍的小塊硅結(jié)構(gòu)，這種硅結(jié)構(gòu)與硅波導(dǎo)的厚度一樣，這樣可以去除因厚度不同而造成的光散射。設(shè)在波導(dǎo)旁邊的修飾結(jié)構(gòu)主要的作用是支持被散射的大角度傳播的波的傳播。另外一個(gè)起主要作用的是在波導(dǎo)中間的類透鏡結(jié)構(gòu)，它在波導(dǎo)內(nèi)部可以是鏤空的，也就是說其折射率為空氣的折射率，設(shè)為I。當(dāng)波導(dǎo)的基模的光在波導(dǎo)內(nèi)部傳播的時(shí)候，遇到交叉結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)散射出大角度的波矢，如果沒有本發(fā)明這種透鏡結(jié)構(gòu)，這部分光會(huì)在交叉的波導(dǎo)中傳播或者被散射出自由空間。但是由于本發(fā)明這種透鏡結(jié)構(gòu)的存在，本來要散射出去的波，由于阻抗失配，其會(huì)被反射回來，這樣就會(huì)抑制波的串?dāng)_損耗并且提高透過率。
[0010]本發(fā)明的有益效果:
[0011](I)這種設(shè)計(jì)的器件的透過率損耗可以小于0.2dB，而串?dāng)_損耗可以達(dá)到小于-35dB，同時(shí)反射損耗可以為小于_30dB。這種條件完全可以滿足產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)的需求。
[0012](2)本發(fā)明的器件還具有非常微型化的優(yōu)點(diǎn)，該器件的幾何尺寸約為lXlum2，比之前報(bào)道的都要微小，甚至其幾何尺寸可以小于5倍以上。
[0013](3)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)也同樣適用于其他的高折射率限制的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，只是對(duì)于不同材料的波導(dǎo)，其修飾硅結(jié)構(gòu)的參數(shù)和棱鏡結(jié)構(gòu)的參數(shù)不同。因此，本發(fā)明這種簡(jiǎn)單、高效且微型化的波導(dǎo)交叉結(jié)構(gòu)給未來高密度的硅基光子集成提供了新的保證和思路。對(duì)未來的高集成度、高性能的光子集成器件有重要意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖，(a)為整體設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖，(b)為波導(dǎo)修飾硅結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0015]圖2為本發(fā)明實(shí)施例2的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖，(a)為整體設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖，(b)為波導(dǎo)修飾硅結(jié)構(gòu)的示意圖。
[0016]圖3為棱鏡結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖4為本發(fā)明圖1 (a)在不同情況下的電場(chǎng)X分量的場(chǎng)分布圖，其中從(a)到(C)依次為存在前后左右四個(gè)棱鏡結(jié)構(gòu)的Ex場(chǎng)分布圖、只有左右方向的棱鏡結(jié)構(gòu)的Ex場(chǎng)分布圖和只有前后棱鏡結(jié)構(gòu)時(shí)的Ex場(chǎng)分布圖。
[0018]圖5為本發(fā)明圖1 (a)在波長(zhǎng)1500nm到1600nm的透射率和串?dāng)_以及反射損耗的響應(yīng)曲線，其中(a)為透射率在該波段下的響應(yīng)，(b)為串?dāng)_損耗和反射損耗在該波段下的響應(yīng)。
【具體實(shí)施方式】
[0019]本發(fā)明的實(shí)施例分析主要是基于數(shù)值仿真來實(shí)現(xiàn)。采用的軟件業(yè)界公認(rèn)的電磁學(xué)的數(shù)值模擬方法FDTD (時(shí)域有限差分方法)軟件包。
[0020]實(shí)施例中采用的波導(dǎo)為硅波導(dǎo)，波導(dǎo)的寬度為500nm，厚度為250nm。硅的折射率為3.476，襯底選用的是SiO2，其折射率為1.444。由電動(dòng)力學(xué)計(jì)算可知，在這種條件下波導(dǎo)只能支持基模的傳播。這樣就可以排除基模傳播的光因?yàn)榕龅浇徊娼Y(jié)構(gòu)的時(shí)候，因?yàn)榻徊娼Y(jié)構(gòu)的散射造成的高階模式的傳播。所設(shè)計(jì)的波段是在通訊波長(zhǎng)1550nm。
[0021]由于修飾結(jié)構(gòu)主要是起到折射率補(bǔ)償?shù)淖饔?，根?jù)時(shí)域有限差分法的計(jì)算，有多種結(jié)構(gòu)都可以提高透過率和減小串?dāng)_損耗和反射損耗的目的。只要這種結(jié)構(gòu)能夠提供一定的空間來傳播被散射的部分波即可。本發(fā)明著重研究?jī)煞N結(jié)構(gòu)。其中一種結(jié)構(gòu)為兩塊三角形拼起來的結(jié)構(gòu)。另一種由是放在波導(dǎo)中心的兩個(gè)橢圓邊界拼起來的結(jié)構(gòu)。
[0022]實(shí)施例1
[0023]圖1主要是本發(fā)明涉及的波導(dǎo)交叉結(jié)構(gòu)的示意圖。I為交叉的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，2為修飾結(jié)構(gòu)，3為棱鏡結(jié)構(gòu)。圖1 (a)是整個(gè)波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)。而圖1 (b)和圖3分別是由兩塊三角形拼起來的修飾結(jié)構(gòu)和棱鏡結(jié)構(gòu)的示意圖。這兩種結(jié)構(gòu)在本發(fā)明器件中都是4度對(duì)稱的。
[0024]修飾結(jié)構(gòu)2的材料為硅，主要由兩個(gè)參數(shù)來描述。一個(gè)是該修飾結(jié)構(gòu)2的臂長(zhǎng)Cl，還有一個(gè)是C2。這種結(jié)構(gòu)主要起的作用是讓一部分散射波能在空間上繼續(xù)被波導(dǎo)所傳播。本實(shí)施例中Cl為260nm，C2為90nm。而該器件核心結(jié)構(gòu)是圖1中所示的棱鏡結(jié)構(gòu)3。這種棱鏡結(jié)構(gòu)3需要由5個(gè)結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)來描述。分別是與交叉點(diǎn)中心的距離P為380nm，棱鏡中心厚度W為280nm、棱鏡長(zhǎng)度D為60nm和前后曲率半徑R1、R2分別為460nm和200nm。本實(shí)施例的棱鏡結(jié)構(gòu)3的具體參數(shù)為:P=380nm，W=280nm、D=60nm，Rl=460nm、R2=200nm，在波導(dǎo)內(nèi)部是鏤空的，具體為凸透鏡結(jié)構(gòu)，其折射率為I。經(jīng)過調(diào)整且優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)于1550nm入射的光，可以達(dá)到的透射率損耗可小于0.2dB，而且串?dāng)_損耗和反射損耗可以分別達(dá)到小于-35dB和-32dB的效果。這種鏤空結(jié)構(gòu)使得被散射的波無法被傳播到交叉的波導(dǎo)中，進(jìn)而提聞器件的效率。
[0025]實(shí)施例2
[0026]對(duì)于由兩個(gè)橢圓邊界拼接的修飾結(jié)構(gòu)2而言，可設(shè)橢圓的中心在波導(dǎo)的中心，橢圓的長(zhǎng)半軸A1和短半軸A2長(zhǎng)度分別為590nm和420nm。同時(shí)對(duì)于橢圓邊界修飾結(jié)構(gòu)，當(dāng)棱鏡的參數(shù)為與交叉點(diǎn)中心的距離P為380nm，棱鏡中心厚度W為300nm、棱鏡長(zhǎng)度D為50nm和前后曲率半徑R1、R2分別為550nm和300nm時(shí)，其效果最好。在這種條件下，透過率損耗仍可以小于0.2dB,而串?dāng)_損耗和反射損耗為別為-39dB和_29dB。
[0027]雖然可以類比空間光中棱鏡對(duì)光的限制來幫助對(duì)本效應(yīng)的理解，但是為了進(jìn)一步了解到底是前后兩個(gè)棱鏡還是左右的棱鏡起了主要作用，針對(duì)實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)，在圖4中做了更詳細(xì)的討論。在圖4中波都是延前后方向傳播的。圖4 (a)是前后左右都有棱鏡結(jié)構(gòu)時(shí)Ex分量的場(chǎng)分布圖。而圖4 (b)中體現(xiàn)的只有左右方向的棱鏡結(jié)構(gòu)的Ex場(chǎng)分布圖，圖4 (c)是只有前后棱鏡結(jié)構(gòu)時(shí)的Ex場(chǎng)分布圖。由這3幅圖可以看出，當(dāng)前后左右都有棱鏡結(jié)構(gòu)的時(shí)候，波都沿著原來的傳播方向傳播。同時(shí)如果把前后的兩個(gè)棱鏡結(jié)構(gòu)去掉，如圖4(b)所示，可以看出波還是主要沿著傳播方向傳播，但是如果把左右方向的棱鏡結(jié)構(gòu)去掉的話，而只留下前后棱鏡的話，可以明顯地看出在交叉波導(dǎo)和周圍空間中有很大一部分的場(chǎng)強(qiáng)，也就是說有這就有很大的串?dāng)_損耗和很低的透射率。由此可知，主要是左右兩個(gè)棱鏡起了關(guān)鍵的作用。
[0028]為了研究實(shí)施例1的波導(dǎo)交叉結(jié)構(gòu)在寬帶波段下的響應(yīng)，又給出其在1500nm到1600nm下的透射率、串?dāng)_損耗和反射損耗，如圖5所示。圖5 (a)描述的是其透射率在該波段下的響應(yīng)，而圖5 (b)描述的是串?dāng)_損耗和反射損耗在該波段下的響應(yīng)，其中黑線代表的是串?dāng)_損耗，而灰線代表的是反射損耗。由圖5 (a)可知在1550nm處，透射率接近為最大值，這說明了在前面所述的幾何條件下，確實(shí)透射率是最優(yōu)化的。同時(shí)在圖5 (b)中可以看出串?dāng)_損耗和反射損耗都有個(gè)最低值，分別在波長(zhǎng)為1544nm和1574nm。而且在最低點(diǎn)處，其損耗可分別達(dá)到-56.1OdB和-48.26dB。
[0029]上述實(shí)施例僅示例性說明本發(fā)明的原理及功效，而非限制本發(fā)明，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)不僅可以用硅波導(dǎo)體系，同樣適用于其它的高折射率對(duì)比度的光學(xué)材料體系。任何不超出本發(fā)明實(shí)質(zhì)精神范圍內(nèi)的非實(shí)質(zhì)性替換或修改的發(fā)明創(chuàng)造均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種微型高性能正交硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，采用正交交叉的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，波導(dǎo)的組成材料為硅，其特征在于，在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部、四個(gè)正交交叉口處分別設(shè)有棱鏡結(jié)構(gòu)，棱鏡結(jié)構(gòu)的折射率低于波導(dǎo)材料的折射率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微型高性能正交硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于，在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的正交交叉點(diǎn)的四個(gè)外角處加設(shè)有修飾結(jié)構(gòu)，其厚度與波導(dǎo)的厚度一致；所述修飾結(jié)構(gòu)由兩個(gè)形狀相同的微結(jié)構(gòu)拼接而成，兩個(gè)微結(jié)構(gòu)拼接后沿著正交交叉外角的對(duì)角線成鏡面對(duì)稱。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種微型高性能正交硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述棱鏡結(jié)構(gòu)為凸透鏡結(jié)構(gòu)，其折射率為I。
【文檔編號(hào)】G02B6/125GK103760637SQ201410046359
【公開日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2014年2月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月10日
【發(fā)明者】劉曉平, 盧明輝, 戴明, 徐葉龍, 陳延峰 申請(qǐng)人:南京大學(xué)