一種基于mems硅基中紅外波段光調(diào)制器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于MEMS硅基中紅外波段光調(diào)制器。在SOI材料的頂層硅上分別刻蝕出由彎曲硅波導(dǎo)、電極和條形硅波導(dǎo)組成兩組相同的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，兩組波導(dǎo)結(jié)構(gòu)分別沿頂層硅中心方向相反且對(duì)稱布置，每條彎曲硅波導(dǎo)的一端與條形波導(dǎo)連接，每條彎曲硅波導(dǎo)的另一端與電極連接；在二氧化硅襯底上開有一排等距、布置的多個(gè)空氣槽，兩根條形波導(dǎo)位于多個(gè)空氣槽的上方，相鄰凹槽連接處用來支撐兩根條形波導(dǎo)。本發(fā)明不僅降低整個(gè)器件中由于二氧化硅層帶來的高吸收損耗，而且可以使用MEMS來控制懸浮波導(dǎo)的彎曲可以改變耦合器的耦合長度，從而控制輸出端的信號(hào)，避免熱光效應(yīng)；具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與CMOS工藝兼容，控制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種基于MEMS硅基中紅外波段光調(diào)制器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及中紅外波段光調(diào)制器，特別涉及建立在SOI材料上的一種基于MEMS硅基中紅外波段光調(diào)制器。
【背景技術(shù)】
[0002]21世紀(jì)以來，集成光學(xué)器件特別是硅基集成光電子器件的發(fā)展十分迅速，各種新型的光學(xué)器件不斷被報(bào)道出來。采用硅作為材料的硅基光學(xué)器件能夠與現(xiàn)有非常成熟的CMOS工藝相結(jié)合，生產(chǎn)成本低，性能可靠性高，并且能夠與電路系統(tǒng)相結(jié)合，形成多功能的光電混合模塊和系統(tǒng)，將在通信、傳感、軍事、生物等眾多領(lǐng)域得到廣泛地應(yīng)用，具有非常光明的前景。
[0003]中紅外波段(2 um?20 um)，是太陽光輻射光中一個(gè)重要的波段，其在各個(gè)科技領(lǐng)域有著十分重要的應(yīng)用，包括傳感、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用、熱成像等等。到目前為止，娃基光電子器件的研究大多數(shù)處于近紅外波段，主要以1550nm為主,娃基中紅外波長器件由于多種原因，相關(guān)研究則相對(duì)較少，研究發(fā)展也比較緩慢。然而中紅外硅基光電子器件有著諸多優(yōu)點(diǎn):遠(yuǎn)大于近紅外波段的等離子色散效應(yīng)，雙光子吸收吸收比近紅外波段大大減弱，工藝尺寸更大從而制作簡(jiǎn)單、成本降低，更多近紅外波段的難以制作的結(jié)構(gòu)，如slot波導(dǎo)等都能在中紅外波段實(shí)現(xiàn)。因此，研究和制作硅基中紅外器件是一個(gè)非常重要和有意義的課題。
[0004]SOI材料在集成電路和近紅外集成光電子器件中收到廣泛應(yīng)用，這是由于其優(yōu)良的CMOS工藝兼容性。在中紅外波段，硅在3-8微米也有著低損耗窗口，然而二氧化硅在大于3.6微米之后就有著非常大的吸收損耗。因此，SOI材料的使用和處理方法與近紅外波段將有所不同。
[0005]如何對(duì)中紅外波段的光器件進(jìn)行調(diào)制也是一個(gè)非常重要的研究內(nèi)容。熱調(diào)制是1550nm波段最常使用的方法之一，然而在室溫，即300K附近時(shí)，熱輻射的最大值就在中紅外波段。因此對(duì)于中紅外的光器件，熱調(diào)制受到限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]如何降低基于SOI的中紅外波導(dǎo)器件中二氧化硅的吸收損耗以及對(duì)其進(jìn)行有效地調(diào)制是中紅外波導(dǎo)研究重要的問題。本發(fā)明的目的在于提供一種基于MEMS硅基中紅外波段光調(diào)制器，解決了二氧化硅帶來的高吸收損耗，而且提供了一種可以用MEMS靜電力調(diào)制的懸浮波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；通過在引出的電極上施加電壓，使兩個(gè)波導(dǎo)產(chǎn)生電壓差。兩個(gè)波導(dǎo)懸浮的部分由于靜電原因產(chǎn)生吸引或排斥的作用力，從而使波導(dǎo)間距發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)耦合長度的改變，進(jìn)而控制整個(gè)波導(dǎo)輸出端的信號(hào)。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
在SOI材料的頂層硅上分別刻蝕出由彎曲硅波導(dǎo)、電極和條形硅波導(dǎo)組成兩組相同的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，兩組波導(dǎo)結(jié)構(gòu)分別沿頂層硅中心方向相反且對(duì)稱布置，每條彎曲硅波導(dǎo)的一端與條形波導(dǎo)連接，每條彎曲硅波導(dǎo)的另一端與電極連接；在二氧化硅襯底上開有一排等距、布置的多個(gè)空氣槽，兩根條形波導(dǎo)位于多個(gè)空氣槽的上方，相鄰凹槽連接處用來支撐兩根條形波導(dǎo)。
[0008]本發(fā)明具有的有益效果是:
1、在一次光刻以及刻蝕好的條形波導(dǎo)器件上進(jìn)行二次光刻，開出周期性的長條形凹槽對(duì)硅層下方的二氧化硅層進(jìn)行掏空，這樣不僅解決了二氧化硅帶來的高吸收損耗，而且產(chǎn)生了可控制的懸浮波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
[0009]2、通過在引出的電極上施加電壓，可以使兩個(gè)波導(dǎo)產(chǎn)生電壓差。兩個(gè)波導(dǎo)懸浮的部分由于靜電原因產(chǎn)生吸引或排斥的作用力，從而使波導(dǎo)間距發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)耦合長度的改變，進(jìn)而控制整個(gè)波導(dǎo)輸出端的信號(hào)，采用靜電的方法控制器件性能，操作簡(jiǎn)單，可靠性較聞。
[0010]3、使用的材料是使用廣泛的SOI材料，容易購買，成本低性能高；工藝與CMOS工藝相兼容，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單有效，制作比較容易。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是中紅外波段光調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2是中紅外波段光調(diào)制器耦合區(qū)示意圖。
[0013]圖3是圖2的A-A剖視圖。
[0014]圖4是中紅外波段光調(diào)制器仿真示意圖。
[0015]圖中:1、條形硅波導(dǎo)；2、空氣槽；3、彎曲硅波導(dǎo)；4、電極；5、二氧化硅襯底；6、空氣；7、底層娃。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0017]如圖1、圖2、圖3所示，本發(fā)明在SOI材料(它由底層硅7、二氧化硅襯底5和頂層硅組成)的頂層硅上分別刻蝕出由彎曲硅波導(dǎo)3、電極4和條形硅波導(dǎo)I組成兩組相同的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，兩組波導(dǎo)結(jié)構(gòu)分別沿頂層硅中心方向相反且對(duì)稱布置，每條彎曲硅波導(dǎo)3的一端與條形波導(dǎo)I連接，每條彎曲硅波導(dǎo)3的另一端與電極4連接；在二氧化硅襯底5上開有一排等距、布置的多個(gè)空氣槽2，兩根條形硅波導(dǎo)I位于多個(gè)空氣槽2的上方，相鄰凹槽連接處用來支撐兩根條形硅波導(dǎo)I。
[0018]兩根條形硅波導(dǎo)I分別有一端通過彎曲硅波導(dǎo)3連接到電極上4，剩下的一端將分別作為光信號(hào)的輸入和輸出端。
[0019]二氧化硅襯底5上挖出的空氣槽2是由多段級(jí)聯(lián)而成，相鄰連接處可以作為兩根硅條形波導(dǎo)I的支撐，可以保護(hù)條形硅波導(dǎo)1，使其不容易折斷。
[0020]通過在兩個(gè)電極4上加電壓使兩個(gè)條形硅波導(dǎo)I的懸浮部分由于靜電原因產(chǎn)生吸引或排斥的作用力，從而使波導(dǎo)間距發(fā)生改變，實(shí)現(xiàn)耦合長度的改變，進(jìn)而控制整個(gè)波導(dǎo)輸出端的信號(hào)。
[0021]如圖4所示為中紅外波段光調(diào)制器仿真示意圖，采用兩根高I微米，寬1.5微米的條形硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，兩根條形硅波導(dǎo)之間間距為I微米，輸入光波長為5.4微米。通過對(duì)兩根條形波導(dǎo)區(qū)域光信號(hào)傳輸?shù)姆抡妫梢钥吹組EMS靜電力對(duì)本器件的調(diào)制作用。左圖為調(diào)制前信號(hào)功率分布圖，從左側(cè)波導(dǎo)輸入光信號(hào)，隨著波導(dǎo)之間的耦合，在右側(cè)波導(dǎo)將輸出光信號(hào)，且功率最大。通過在波導(dǎo)兩端處施加電壓，可以使兩根條形波導(dǎo)由于靜電力的作用發(fā)生一定的彎曲形變。右側(cè)圖為調(diào)制后的仿真圖，可以看到同樣從左側(cè)波導(dǎo)輸入光信號(hào)，由于受到調(diào)制，耦合長度發(fā)生變化，光信號(hào)將依然從左側(cè)波導(dǎo)輸出，而右側(cè)波導(dǎo)輸出信號(hào)變?yōu)镺。
[0022]本發(fā)明器件結(jié)構(gòu)制作方法:
采用第一次光刻工藝在頂層硅得到波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的圖形，并采用干法硅刻蝕的方法刻蝕出所需的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，然后通過二次光刻在兩根波導(dǎo)外側(cè)的二氧化硅層上光刻出兩排條形槽的圖形，利用氫氟酸溶液對(duì)凹槽中的二氧化硅進(jìn)行腐蝕，使得條形硅波導(dǎo)下方二氧化硅被掏空。
[0023]波導(dǎo)下方的二氧化硅部分被挖空之后，填充物為空氣6，使得兩根條形硅波導(dǎo)變成大部分懸浮在空氣中的波導(dǎo)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于MEMS娃基中紅外波段光調(diào)制器,其特征在于:在SOI材料的頂層娃上分別刻蝕出由彎曲硅波導(dǎo)(3)、電極(4)和條形硅波導(dǎo)(I)組成兩組相同的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，兩組波導(dǎo)結(jié)構(gòu)分別沿頂層硅中心方向相反且對(duì)稱布置，每條彎曲硅波導(dǎo)(3)的一端與條形波導(dǎo)(I)連接，每條彎曲硅波導(dǎo)(3)的另一端與電極(4)連接；在二氧化硅襯底(5)上開有一排等距、布置的多個(gè)空氣槽，兩根條形波導(dǎo)(I)位于多個(gè)空氣槽的上方，相鄰凹槽連接處用來支撐兩根條形波導(dǎo)(I)。
【文檔編號(hào)】G02B6/13GK103926688SQ201410124647
【公開日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年3月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月31日
【發(fā)明者】項(xiàng)樂強(qiáng), 金億昌, 徐超, 邱暉曄, 余輝, 江曉清 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)