基于氮化硅波導和微環(huán)的模式-波長復用器件的制備方法
【專利摘要】一種基于氮化硅波導和微環(huán)的模式-波長復用器件的制備方法，包括：步驟1：在襯底上依次生長下限制二氧化硅層和氮化硅材料模式-波長復用集成器件層；步驟2：采用刻蝕的方法，將氮化硅材料模式-波長復用集成器件層刻蝕成多個條形波導結(jié)構(gòu)和多個微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)，刻蝕深度到達下限制二氧化硅層的表面；步驟3：在刻蝕形成有多個條形波導結(jié)構(gòu)和多個微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)的下限制二氧化硅層上依次生長上限制二氧化硅層和金屬加熱調(diào)節(jié)層；步驟4：采用刻蝕的方法，將金屬加熱調(diào)節(jié)層刻蝕形成多個微環(huán)結(jié)構(gòu)，完成制備。本發(fā)明通過波矢匹配條件下的模式選擇耦合，和微環(huán)的波長選擇特性，實現(xiàn)片上模式-波長復用解復用功能。
【專利說明】基于氮化硅波導和微環(huán)的模式-波長復用器件的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明專利涉及光互連、硅基光子學和半導體光子集成領(lǐng)域，尤其涉及一種基于 氮化硅波導和微環(huán)的模式-波長復用器件的制備方法，更具體地本發(fā)明利用氮化硅波導直 接耦合器的高效光耦合轉(zhuǎn)換和微環(huán)諧振腔的波長選擇功能實現(xiàn)片上復用解復用濾波功能。

【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)代隨著微電子器件集成度的不斷提高，芯片性能的挑戰(zhàn)已經(jīng)從計算功能轉(zhuǎn)移 到數(shù)據(jù)傳輸。到2022年，下一代系統(tǒng)架構(gòu)每個芯片上互連的數(shù)據(jù)傳輸速率預計需要達到 780Tb/s，而常規(guī)單個芯片上的電互連受芯片面積能耗限制可以提供的容量約為100Tb/ s。光互連技術(shù)是一個用來取代銅導線，作為芯片內(nèi)低能耗和大數(shù)據(jù)容量通信的可行方 案。光互連除了數(shù)據(jù)傳輸速率比電互連更高外，利用光波導代替?zhèn)鬏攲Ь€還可以避免電互 連的電磁干擾以及電阻-電容（RC)效應帶來的信號延遲和發(fā)熱，而且可以利用波長復用 (Wavelength-Division Multiplexing, WDM)技術(shù)滿足將來互連帶寬進一步增長的要求。
[0003] 為了滿足未來芯片上Peta級（1015)的數(shù)據(jù)傳輸容量，需要在單個芯片上容納上萬 的光數(shù)據(jù)傳輸通道，然而在芯片上架構(gòu)上萬的波導是一個非常大的挑戰(zhàn)。利用密集波分復 用（DWDM)技術(shù)是一種可行的辦法，可以大大減少芯片上所需的波導數(shù)目。因為光源是片上 光互連系統(tǒng)中能耗的主要來源之一，需要尋找方法增加每個光源能提供的數(shù)據(jù)通道，以有 限的光源數(shù)目同時實現(xiàn)高數(shù)據(jù)傳輸密度和低單位bit數(shù)據(jù)能耗。近年來，基于多模光纖的 模式復用（Mode-Devision Multiplexing，MDM)技術(shù)已被廣泛研究，把模式復用技術(shù)擴展到 娃基片上光互連，可以將多路信號傳輸在相同波長不同的娃波導模式中，從而能成倍擴展 波導中單個波長的信號通道同時降低單位數(shù)據(jù)能耗，以滿足未來光互連低能耗海量數(shù)據(jù)傳 輸?shù)囊蟆?br>

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于，提供一種基于氮化硅波導和微環(huán)的模式-波長復用器件的制 備方法，其是針對未來光互連系統(tǒng)中信道數(shù)增加、工作波長改變以及多層光電集成的需求， 本發(fā)明通過波矢匹配條件下的模式選擇耦合，和微環(huán)的波長選擇特性，實現(xiàn)片上模式-波 長復用解復用功能。
[0005] 為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于氮化硅波導和微環(huán)的模式-波長復用器 件的制備方法，包括：
[0006] 步驟1 :在襯底上依次生長下限制二氧化硅層和氮化硅材料模式-波長復用集成 器件層；
[0007] 步驟2 :采用刻蝕的方法，將氮化硅材料模式-波長復用集成器件層刻蝕成多個條 形波導結(jié)構(gòu)和多個微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)，刻蝕深度到達下限制二氧化硅層的表面；
[0008] 步驟3 :在刻蝕形成有多個條形波導結(jié)構(gòu)和多個微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)的下限制二氧化 硅層上依次生長上限制二氧化硅層和金屬加熱調(diào)節(jié)層；
[0009] 步驟4:采用刻蝕的方法，將金屬加熱調(diào)節(jié)層刻蝕形成多個微環(huán)結(jié)構(gòu)，完成制備。
[0010] 本發(fā)明的優(yōu)點和有益效果：
[0011] 1、本發(fā)明屬于片上硅光子集成器件，結(jié)合模式復用和波長復用大大提高了波導中 的信道數(shù)目。
[0012] 2、本發(fā)明利用氮化硅作為器件層，其低損耗工作波長可以從可見光到近紅外，可 以滿足未來光互連系統(tǒng)中對工作光波長的需求。
[0013] 3、本發(fā)明利用氮化硅作為沉積的器件層，適合于多層集成硅光子器件系統(tǒng)與其它 電子或光子器件三維集成。
[0014] 4、本發(fā)明利用直接耦合器作為集成器件的復用部分，直接耦合器具有結(jié)構(gòu)簡單的 優(yōu)點，其波長不敏感的特點增加了工藝容差和降低了熱調(diào)波長的能耗。
[0015] 5、本發(fā)明可利用微環(huán)諧振腔作為集成器件的解復用部分，利用其波長選擇下載的 特點實現(xiàn)模式復用-波長復用的集成濾波功能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 為了更好的說明本發(fā)明的目的以及結(jié)構(gòu)和所能達到的功效，以下結(jié)合實施例及附 圖，對本發(fā)明主要以模式數(shù)和波長數(shù)均為2的2X2工作模式為橫電模工作波長在1550nm 的模式-波長復用器件來做進一步的說明，其中：
[0017] 圖1是本發(fā)明的制備流程圖；
[0018] 圖2是本發(fā)明的氮化硅波導和微環(huán)的橫截面示意圖；
[0019] 圖3是基于氮化硅波導和微環(huán)結(jié)構(gòu)的模式-波長復用器件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖4是波長1550納米處厚度440納米的氮化硅波導中不同階橫電模式的模式折 射率隨寬度的變化。
[0021] 圖5是寬度1微米厚度440納米的氮化硅波導中基模的場分布圖。
[0022] 圖6是耦合間隙500納米寬度1微米單模波導與寬度2. 25微米總線多模波導中 基模和一階模的耦合系數(shù)隨耦合長度的變化。
[0023] 圖7是耦合長度120微米的直接耦合器寬度1微米單模波導與寬度2. 25微米總線 多模波導中基模和一階模以及與寬度1微米總線波導基模的耦合系數(shù)隨耦合間隙的變化。
[0024] 圖8是耦合長度40微米寬度1微米單模波導與寬度2. 25微米總線多模波導中基 模和一階模以及與寬度1微米總線波導基模的耦合系數(shù)隨耦合間隙的變化。

【具體實施方式】
[0025] 請參閱圖1-圖3所示，本發(fā)明提供一種基于氮化硅波導和微環(huán)的模式波長復用器 件的制備方法，包括：
[0026] 步驟1 :在一襯底10上依次生長下限制二氧化硅層20和氮化硅材料模式-波長復 用集成器件層30 ;該襯底10的材料為單晶、多晶或無定形硅晶片，或電子或光子器件的硅 晶片；該下限制二氧化硅層20的厚度滿足光傳輸?shù)揭r底10的泄露損耗小于ldB/cm，該泄 露損耗可以滿足片上集成低能耗的要求；該氮化硅材料模式-波長復用集成器件層30的厚 度根據(jù)工作模式為橫電?；驒M磁模來確定，并同時保持垂直方向單模和光場的有效限制。
[0027] 步驟2 :采用刻蝕的方法，將氮化硅材料模式-波長復用集成器件層30刻蝕形成 多個條形波導結(jié)構(gòu)301和多個微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)302,刻蝕深度到達下限制二氧化硅層20的 表面；該氮化硅材料模式復用-波長復用集成器件層30中的多個條形波導結(jié)構(gòu)301，包括 一總線波導3011、多個單模輸入波導3012和多個單模輸出波導3013 ;該總線波導3011由 不同寬度的漸變波導連接；該多個單模輸入波導3012的波導數(shù)目等于復用系統(tǒng)信道數(shù)目， 同一模式不同波長的輸入信號利用Y型波導合波，利用波矢匹配的直接耦合器實現(xiàn)單模輸 入波導和總線波導中特定模式的耦合，其耦合強度通過間隙以及耦合長度控制；該多個微 環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)302,諧振腔數(shù)目等于復用系統(tǒng)信道數(shù)目，微環(huán)是同一尺寸的單橫模跑道型諧 振腔或是不同尺寸的多橫模跑道型諧振腔，多個微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)302和多個輸出波導3013 以及總線波導3011間的耦合強度通過波矢匹配、耦合間隙和長度控制，以滿足帶寬大于 40GHz片上數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?；該多個單模輸出波導3013的波導數(shù)量等于復用系統(tǒng)信道數(shù) 目，通過與多個微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)302的耦合實現(xiàn)模式和波長選擇性下載濾波。
[0028] 步驟3 :在刻蝕形成有多個條形波導結(jié)構(gòu)301和多個微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)302的下限 制二氧化硅層20上依次生長上限制二氧化硅層40和金屬加熱調(diào)節(jié)層50 ;該上限制二氧化 硅層40的厚度滿足模式場分布在上界面拖尾小于極大值的1%，以減小金屬吸收對光場傳 輸?shù)挠绊?；該金屬加熱?0的厚度根據(jù)金屬的電阻率和器件的熱阻綜合考慮，保證器件的 溫度調(diào)節(jié)范圍大于100度。
[0029] 步驟4 :采用刻蝕的方法，將金屬加熱調(diào)節(jié)層50刻蝕形成多個微環(huán)結(jié)構(gòu)501 ;該多 個微環(huán)結(jié)構(gòu)501位于多個微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)302的上方，尺寸相同，完成制備。
[0030] 為使本發(fā)明的基本原理、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合模式數(shù)和波長 數(shù)均為2的2X2工作模式為橫電模工作波長在1550nm的模式復用-波長復用器件的具體 實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0031] 圖3是模式數(shù)和波長數(shù)均為2的2X2模式-波長復用器件的結(jié)構(gòu)示意圖。所有 輸入輸出波導和微環(huán)均為單模波導只考慮基橫模，總線波導通過錐形緩變寬度波導單模波 導轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗄２▽?。其中輸入波?和3的波長為λ i，輸入波導2和4波長為λ 2，輸入 波導1和2的光通過直接耦合器耦合到總線波導的基模，而輸入波導3和4的光通過直接 耦合器耦合到寬的多?？偩€波導的一階模，總線波導寬度設(shè)計使得其中一階模和輸入單模 波導中基模波矢匹配，即四個波導輸入光耦合到總線波導的兩個模式和兩個波長共4個信 道。在下載端輸出波導1和3耦合的微環(huán)諧振波長為為λ i，輸出波導2和4耦合微環(huán)的諧 振波長為λ 2，波導3和4耦合微環(huán)與寬的多?？偩€波導的一階模耦合，總線波導寬度設(shè)計 其中一階模和微環(huán)中基模波矢匹配，波導1和2耦合微環(huán)與單?？偩€波導的基模耦合。整 個系統(tǒng)實現(xiàn)了輸入波導1，2, 3,4分別到對應輸出波導1，2, 3,4的信號傳輸，即模式數(shù)和波 長數(shù)均為2的模式和波長復用解復用功能。
[0032] 圖4是波長1550納米處厚度440納米的氮化硅波導中不同階橫電模式的模式折 射率隨寬度的變化。其中虛線表示寬度1微米基模對應的模式折射率，單模波導寬度1微 米中基模對應的多模波導寬度2. 25微米中一階模的模式折射率，即實現(xiàn)耦合波矢匹配增 加有效的耦合長度所需的多模波導寬度。
[0033] 圖5是寬度1微米厚度440納米的氮化硅波導中基模的場分布圖，下限制層厚度 1. 2微米，上限制層厚度1. 6微米，對應波導上沿到上限制層表面距離1. 16微米。該模式 的泄露導致的傳輸損耗約0. 8dB/cm，在上表面的拖尾場分布和波導中心最強場分布之比為 0. 005,該限制層厚度可以滿足實際器件的需求。
[0034] 圖6是耦合間隙500納米，寬度1微米單模波導中基模與寬度2. 25微米總線多模 波導中基模和一階模的耦合系數(shù)隨耦合長度的變化。2. 25微米寬的總線波導中存在多個模 式，其中一階模和1微米單模波導中基模波矢匹配，耦合長度125微米時可以實現(xiàn)能量大于 99%耦合到總線波導。但是寬波導中基模也會和單模波導基模耦合，造成串擾，其振蕩周期 約為20微米，對于微環(huán)諧振腔需要設(shè)計耦合長度以降低串擾，因此可以設(shè)計低串擾耦合長 度為40微米。
[0035] 圖7是耦合長度120微米的直接耦合器中，寬度1微米單模波導中基模，與寬度 2. 25微米總線多模波導中基模和一階模，以及與寬度1微米總線波導中基模的耦合系數(shù)隨 耦合間隙的變化。根據(jù)前圖將直接耦合器長度選擇為120微米，對于寬度2. 25微米總線波 導中一階模實現(xiàn)最大能量轉(zhuǎn)換對應的耦合間隙在〇. 55微米附近，對于寬度1微米總線波導 中基模最大能量轉(zhuǎn)換對應的耦合間隙在〇. 5微米，90%能量轉(zhuǎn)化對耦合間隙的容差大約為 50nm。和2. 25微米總線波導中基模耦合造成的串擾當耦合間隙為0. 5微米時< -30dB。
[0036] 圖8是耦合長度40微米的直接耦合器中，寬度1微米單模波導中基模與寬度2. 25 微米總線多模波導中基模和一階模以及與寬度1微米總線波導基模的耦合系數(shù)隨耦合間 隙的變化。該長度設(shè)計為跑到型微環(huán)和波導的耦合長度，根據(jù)前圖將其選擇為低串擾點 的40微米，對于寬度2. 25微米總線波導中一階模在耦合間隙0. 55微米時耦合系數(shù)約為 0. 52,對于寬度1微米總線波導中基模在耦合間隙在0. 5微米是約為0. 48。虛線表示耦合 系數(shù)為〇. 5,當微環(huán)半徑為30微米時其耦合Q值4000,對應帶寬50GHz，考慮耦合間隙誤差 50nm時帶寬大于40GHz。和2. 25微米總線波導中基模耦合造成的串擾當耦合間隙為0. 5 微米時< -25dB。
[0037] 以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保 護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于氮化娃波導和微環(huán)的模式-波長復用器件的制備方法，包括： 步驟1:在襯底上依次生長下限制二氧化硅層和氮化硅材料模式-波長復用集成器件 層； 步驟2 :采用刻蝕的方法，將氮化硅材料模式-波長復用集成器件層刻蝕成多個條形波 導結(jié)構(gòu)和多個微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)，刻蝕深度到達下限制二氧化硅層的表面； 步驟3 :在刻蝕形成有多個條形波導結(jié)構(gòu)和多個微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)的下限制二氧化硅層 上依次生長上限制二氧化硅層和金屬加熱調(diào)節(jié)層； 步驟4 :采用刻蝕的方法，將金屬加熱調(diào)節(jié)層刻蝕形成多個微環(huán)結(jié)構(gòu)，完成制備。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于氮化硅波導和微環(huán)的模式-波長復用器件的制備方法， 其中襯底的材料為單晶、多晶或無定形硅晶片，或電子或光子器件的硅晶片。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于氮化硅波導和微環(huán)的模式-波長復用器件的制備方法， 其中下限制二氧化硅層的厚度滿足光傳輸?shù)揭r底的泄露損耗小于ldB/cm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于氮化硅波導和微環(huán)的模式-波長復用器件的制備方法， 其中氮化硅材料模式復用-波長復用集成器件層中的多個條形波導結(jié)構(gòu)，包括一總線波 導、多個單模輸入波導和多個單模輸出波導。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于氮化硅波導和微環(huán)的模式-波長復用器件的制備方法， 其中總線波導由不同寬度的漸變波導連接。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于氮化硅波導和微環(huán)的模式-波長復用器件的制備方法， 其中多個單模輸入波導的波導數(shù)目等于復用系統(tǒng)信道數(shù)目，同一模式不同波長的輸入信號 利用Y型波導合波，利用波矢匹配的直接耦合器實現(xiàn)單模輸入波導和總線波導中特定模式 的耦合，其耦合強度通過間隙以及耦合長度控制。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于氮化硅波導和微環(huán)的模式-波長復用器件的制備方法， 其中多個微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)，諧振腔數(shù)目等于復用系統(tǒng)信道數(shù)目，微環(huán)是同一尺寸的單橫模 跑道型諧振腔或是不同尺寸的多橫模跑道型諧振腔，多個微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)和多個輸出波導 以及一總線波導間的耦合強度通過波矢匹配、耦合間隙和長度控制，以滿足帶寬大于40GHz 片上數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?br> 8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于氮化硅波導和微環(huán)的模式-波長復用器件的制備方法， 其中多個單模輸出波導的波導數(shù)量等于復用系統(tǒng)信道數(shù)目，通過與多個微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)的 耦合實現(xiàn)模式和波長選擇性下載濾波。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于氮化硅波導和微環(huán)的模式-波長復用器件的制備方法， 其中上限制二氧化硅層的厚度滿足模式場分布在上界面拖尾小于極大值的1%。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于氮化硅波導和微環(huán)的模式-波長復用器件的制備方法， 其中多個微環(huán)結(jié)構(gòu)位于多個微環(huán)諧振腔結(jié)構(gòu)的上方，尺寸相同。
【文檔編號】G02B6/136GK104111494SQ201410276351
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年6月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月19日
【發(fā)明者】楊躍德, 黃永箴 申請人:中國科學院半導體研究所