一種新型的正交狹縫光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種新型的正交狹縫光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及制造方法,包括襯底(101)，位于襯底(101)上的單晶硅層(102)及位于單晶硅層(102)上的正交狹縫結(jié)構(gòu)，正交狹縫結(jié)構(gòu)包括：正交結(jié)構(gòu)的狹縫區(qū)域(104，105，107)，位于狹縫區(qū)域(104，105，107)正交交匯的中心區(qū)域(108)及包圍狹縫區(qū)域(104，105，107)的周圍區(qū)域(103，106)，中心區(qū)域(108)的折射率小于狹縫區(qū)域(104，105，107)的折射率，周圍區(qū)域(103，106)的折射率大于狹縫區(qū)域(104，105，107)的折射率。本發(fā)明實現(xiàn)光場在狹縫結(jié)構(gòu)中傳輸時的二維限制，并且通過調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸和狹縫區(qū)域的材料，可以實現(xiàn)波導(dǎo)的色散與非線性特性的有效調(diào)節(jié)。
【專利說明】一種新型的正交狹縫光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及制造方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光波導(dǎo)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種新型的正交狹縫光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及制造方法。

【背景技術(shù)】
[0002]大容量信息數(shù)據(jù)的高速傳輸依賴于全球光通信網(wǎng)絡(luò)的高速發(fā)展。近年來在通信應(yīng)用中集成光學(xué)逐漸凸顯其重要地位，它對光場的強(qiáng)限制作用和較小的芯片尺寸有利于高效節(jié)能的光子器件，從而加速綠色信息技術(shù)的發(fā)展。集成光子技術(shù)能夠和CMOS工藝完美兼容，這為建立空間網(wǎng)絡(luò)、能源網(wǎng)絡(luò)以及高效互聯(lián)網(wǎng)提供了可能性。
[0003]高速光子通訊包含的傳統(tǒng)操作包括光信號的調(diào)制、傳輸和探測。為了克服電子通訊的速度瓶頸，光子通訊還需要一些特殊的高級光信號處理功能，如信號再生、波長轉(zhuǎn)換、可調(diào)延遲等。這些功能大多是基于非線性光波傳輸效應(yīng)，同時受可調(diào)的波長色散和偏振特性共同影響。因此，在集成光子平臺的波導(dǎo)中，色散特性、非線性特性以及偏振特性在一定范圍內(nèi)靈活可調(diào)尤為重要。
[0004]影響非線性系數(shù)的一個重要因素就是波導(dǎo)的色散。一般硅波導(dǎo)芯層和包層的高折射率差能產(chǎn)生強(qiáng)光場限制和高非線性特性，但是會造成速變波導(dǎo)色散，其影響超過材料色散而占據(jù)主導(dǎo)地位。非線性越強(qiáng)，獲得寬頻帶的平坦色散就越難。在通訊實際應(yīng)用中，權(quán)衡非線性效率和工作帶寬顯得更為明顯。
[0005]自狹縫型波導(dǎo)(slotwaveguide)提出以來,其在集成光學(xué)方面的應(yīng)用日益增加，它的基本結(jié)構(gòu)是由兩層高折射率材料中夾有一層幾十納米的低折射率材料，整個波導(dǎo)可以是水平結(jié)構(gòu)或者豎直結(jié)構(gòu)。根據(jù)麥克斯韋方程的邊界條件，電位移矢量垂直分量連續(xù)，在低折射率處電場強(qiáng)度有顯著增強(qiáng)。通過合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，可以將大部分光場限制在納米尺寸的狹縫區(qū)。選擇具有不同非線性系數(shù)的材料填充到狹縫區(qū)域，可以對波導(dǎo)的非線性特性進(jìn)行控制。狹縫波導(dǎo)還可以是多層的，其設(shè)計更加靈活自由。
[0006]以Southern California大學(xué)的Willner小組為代表,對包括水平結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)的狹縫波導(dǎo)進(jìn)行了寬頻帶范圍內(nèi)的色散特性研究。且他們通過在狹縫區(qū)域填充兩種不同材料(硫化玻璃和納米晶硅)，對波導(dǎo)的色散特性和非線性特性進(jìn)行了平衡調(diào)整。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，特別創(chuàng)新地提出了一種新型的正交狹縫光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及制造方法。
[0008]為了實現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提供了一種新型的正交狹縫光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，包括襯底(101)，位于所述襯底(101)上的單晶硅層(102)及位于所述單晶硅層(102)上的正交狹縫結(jié)構(gòu)，所述正交狹縫結(jié)構(gòu)包括:正交結(jié)構(gòu)的狹縫區(qū)域(104,105,107),位于所述狹縫區(qū)域(104，105，107)正交交匯的中心區(qū)域(108)及包圍所述狹縫區(qū)域(104，105，107)的周圍區(qū)域(103，106)，所述中心區(qū)域(108)的折射率小于所述狹縫區(qū)域(104，105，107)的折射率，所述周圍區(qū)域(103，106)的折射率大于所述狹縫區(qū)域(104，105，107)的折射率。
[0009]本發(fā)明實現(xiàn)光場在狹縫結(jié)構(gòu)中傳輸時的二維限制，并且通過調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸和區(qū)域的材料，可以實現(xiàn)波導(dǎo)的色散與非線性特性的有效調(diào)節(jié)。
[0010]本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式中，所述狹縫區(qū)域(104，105，107)的材料為氮化物、納米晶娃或硫化玻璃之一。
[0011]本發(fā)明通過調(diào)整狹縫區(qū)域的材料，可以實現(xiàn)波導(dǎo)的色散與非線性特性的有效調(diào)節(jié)。
[0012]本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式中，所述中心區(qū)域(108)為空氣。該中心區(qū)域為空氣，折射率很小，則周圍區(qū)域及狹縫區(qū)域的材料選擇更多。
[0013]本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式中，所述周圍區(qū)域(103，106)的材料為多晶硅。
[0014]本發(fā)明通過調(diào)整周圍區(qū)域的材料，可以實現(xiàn)波導(dǎo)的色散與非線性特性的有效調(diào)節(jié)。
[0015]本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式中，所述單晶硅層(102)的厚度為40_100nm。
[0016]本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式中，所述狹縫區(qū)域(104，107)的寬度與狹縫區(qū)域(105)高度相等，為10-50nm，所述包圍所述狹縫區(qū)域的周圍區(qū)域(103，106)的高度為200-350nm,寬度為 300_450nm。
[0017]本發(fā)明通過調(diào)整狹縫區(qū)域或者周圍區(qū)域的尺寸可以實現(xiàn)波導(dǎo)的色散與非線性特性的有效調(diào)節(jié)。
[0018]本發(fā)明公開了一種新型正交狹縫光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的制造方法，包括以下步驟:
[0019]第一步，在襯底(101)上外延生長一層單晶硅(102)；
[0020]第二步，在所述單晶硅(102)上外延生長周圍區(qū)域(103，106)的第一層(103)，光刻、刻蝕所述第一層(103)，產(chǎn)生正交狹縫結(jié)構(gòu)的狹縫區(qū)域(104，105，107)的第一區(qū)域(104)的容置腔；
[0021]第三步，在所述第一區(qū)域(104)的容置腔內(nèi)及所述第一層(103)上外延生長狹縫區(qū)域材料，形成狹縫區(qū)域(104，105，107)的第一區(qū)域(104)，光刻、刻蝕，形成中心區(qū)域(108)及中心區(qū)域(108)兩側(cè)的狹縫區(qū)域(104，105，107)的第二區(qū)域(105)；
[0022]第四步，光刻，在掩膜的保護(hù)下，在所述第二區(qū)域(105)上外延生長周圍區(qū)域
(103.106)的第二層(106)，去掉掩膜，形成正交狹縫結(jié)構(gòu)的狹縫區(qū)域(104，105，107)的第三區(qū)域(107)的容置腔；
[0023]第五步，在所述第三區(qū)域(107)的容置腔內(nèi)化學(xué)氣相沉積狹縫區(qū)域材料，使所述狹縫區(qū)域材料填充入所述第三區(qū)域(107)的容置腔且不填充所述中心區(qū)域(108)，形成正交狹縫結(jié)構(gòu)的狹縫區(qū)域(104，105，107)的第三區(qū)域(107)及中心區(qū)域(108)。
[0024]本發(fā)明通過采用光刻刻蝕、外延生長及化學(xué)氣相沉積方法簡單，操作方便，易于實現(xiàn)。
[0025]本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式中，所述第一區(qū)域(104)和第二區(qū)域(105)的材料同時沉積形成或者先后兩次沉積形成。
[0026]本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式中，所述狹縫區(qū)域(104，105，107)的材料為氮化物、納米晶硅或硫化玻璃之一或者任意多種組合，所述中心區(qū)域(108)為空氣，所述周圍區(qū)域
(103.106)的材料為多晶硅。
[0027]綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是:實現(xiàn)光場在狹縫結(jié)構(gòu)中傳輸時的二維方向控制，且可以實現(xiàn)對于波導(dǎo)的色散特性和非線性特性的有效均衡，以達(dá)到實用要求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1是本發(fā)明新型正交狹縫光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的截面示意圖。
[0029]圖2是本發(fā)明新型正交狹縫光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)光場的仿真分布示意圖，其中(a)光場分布2D圖，(b)為光場分布3D圖。
[0030]圖3-圖7是本發(fā)明新型正交狹縫光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的制造步驟示意圖。

【具體實施方式】
[0031]下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0032]在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底” “內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0033]在本發(fā)明的描述中，除非另有規(guī)定和限定，需要說明的是，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是機(jī)械連接或電連接，也可以是兩個元件內(nèi)部的連通，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語的具體含義。
[0034]本發(fā)明公開了一種新型的正交狹縫光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，包括襯底101，位于襯底101上的單晶硅層102及位于單晶硅層102上的正交狹縫結(jié)構(gòu)，正交狹縫結(jié)構(gòu)包括:正交結(jié)構(gòu)的狹縫區(qū)域104，105，107，由狹縫區(qū)域104，105，107正交交匯的中心區(qū)域108及包圍狹縫區(qū)域104，105，107的周圍區(qū)域103，106，中心區(qū)域108的折射率小于狹縫區(qū)域104，105，107的折射率，周圍區(qū)域103，106的折射率大于狹縫區(qū)域104，105，107的折射率。在本實施方式中，襯底101可以是現(xiàn)有的任何襯底材料，具體可以是硅、鍺、鍺化硅或砷化鎵，但不限于硅、鍺、鍺化硅及砷化鎵等。
[0035]需要注意的，在本實施方式中，正交結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)理解為一條有寬度的直線垂直且相交于另一條有寬度的直線，一條有寬度的直線垂直于另多條有寬度的直線或者多條有寬度的直線垂直于另多條有寬度的直線，他們相交的寬度為中心區(qū)域。并不限于正交結(jié)構(gòu)，也可以是相交結(jié)構(gòu)，例成30度、45度或60度。包圍狹縫區(qū)域的周圍區(qū)域應(yīng)當(dāng)理解為一條有寬度的直線的外部與另一條有寬度的直線外部所形成的形狀。
[0036]在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式中，狹縫區(qū)域104，105，107的材料為氮化物、納米晶硅或硫化玻璃之一。
[0037]在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式中，中心區(qū)域108為空氣。
[0038]在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式中，周圍區(qū)域103，106的材料為多晶硅。
[0039]在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式中，單晶硅層102的厚度為40_100nm。
[0040]需要注意的，單晶硅層的厚度以Y軸方向為標(biāo)準(zhǔn)。
[0041]在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式中，狹縫區(qū)域(104，107)的寬度與狹縫區(qū)域(105)高度相等，為10_50nm，優(yōu)選采用30nm，包圍狹縫區(qū)域的周圍區(qū)域(103，106)的高度為200-350nm，優(yōu)選為 300nm，寬度為 300_450nm，優(yōu)選為 350nm 或 400nm。
[0042]需要注意的，狹縫區(qū)域104，107的寬度以X軸方向為標(biāo)準(zhǔn)，狹縫區(qū)域105的高度及周圍區(qū)域103，106的高度以Y軸方向為標(biāo)準(zhǔn)。在本實施方式中，狹縫區(qū)域形成的中間區(qū)域為正方形。
[0043]本發(fā)明公開了一種新型正交狹縫光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的制造方法，包括以下步驟:
[0044]第一步，在襯底101上外延生長一層單晶硅102 ；
[0045]第二步，在單晶硅102上外延生長周圍區(qū)域103，106的第一層103，光刻，刻蝕第一層103，產(chǎn)生正交狹縫結(jié)構(gòu)的狹縫區(qū)域104，105，107的第一區(qū)域104的容置腔；
[0046]第三步，在第一區(qū)域104的容置腔內(nèi)及第一層103上外延生長狹縫區(qū)域材料，形成狹縫區(qū)域104，105，107的第一區(qū)域104，光刻，刻蝕，形成中心區(qū)域108及中心區(qū)域108兩側(cè)的狹縫區(qū)域104，105，107的第二區(qū)域105 ；
[0047]第四步，光刻，在掩膜的保護(hù)下，在第二區(qū)域105上外延生長周圍區(qū)域103，106的第二層106，去掉掩膜，形成正交狹縫結(jié)構(gòu)的狹縫區(qū)域104，105，107的第三區(qū)域107的容置腔；
[0048]第五步，在第三區(qū)域107的容置腔內(nèi)化學(xué)氣相沉積狹縫區(qū)域材料，使狹縫區(qū)域材料填充入第三區(qū)域107的容置腔且不填充中心區(qū)域108，形成正交狹縫結(jié)構(gòu)的狹縫區(qū)域104，105，107的第三區(qū)域107及中心區(qū)域108。
[0049]在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式中，采用上述方法制造新型正交狹縫光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)時，首先在鍺化硅襯底101上外延生長一層單晶硅102，如圖3所示。在單晶硅上外延生長多晶硅103后，光刻，刻蝕該多晶硅103，形成第一區(qū)域104的容置腔，在該容置腔104內(nèi)外延生長硫化玻璃，如圖4所示。隨后光刻刻蝕該硫化玻璃，形成中心區(qū)域108及中心區(qū)域兩側(cè)的第二區(qū)域105，如圖5所示。
[0050]在掩膜的保護(hù)下，在該硫化玻璃105上外延生長多晶硅106后，去掉掩膜，形成第三區(qū)域107的容置腔，如圖6所示。用化學(xué)氣相沉積填充第三區(qū)域107的容置腔，但不填充中心區(qū)域108，形成第三區(qū)域107，如圖7所示。
[0051]需要注意的，采用化學(xué)氣相沉積，將材料填充入狹縫區(qū)域107，由于狹縫區(qū)域107尺寸僅為十幾納米，可以自然形成中心區(qū)域108，但不限于采用化學(xué)氣相沉積，也可以采用物理氣相沉積。在本實施方式中，狹縫區(qū)域104、狹縫區(qū)域105、狹縫區(qū)域107的材料可以相同，也可以不同，例，氮化物、納米晶硅或硫化玻璃之一或者任意多種組合等。
[0052]需要說明的，以上僅僅是給出了形成圖1所示結(jié)構(gòu)的一種方法，以上的工藝步驟經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，也可以得到圖1所示的結(jié)構(gòu)。比如可以在第三步中不光刻刻蝕形成第二區(qū)域105，在第四步去掉掩膜后，光刻刻蝕形成第二區(qū)域105。
[0053]在本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式中，狹縫區(qū)域104，105，107的材料為氮化物、納米晶硅或硫化玻璃之一或者任意多種組合，中心區(qū)域108為空氣，周圍區(qū)域103，106的材料為多晶娃。
[0054]特別的，可以在第三步形成形成中心區(qū)域108后，在中心區(qū)域108的容置腔中外延生長其他材料。
[0055]在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。
[0056]盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解:在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。
【權(quán)利要求】
1.一種新型的正交狹縫光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括襯底(101)，位于所述襯底(101)上的單晶硅層(102)及位于所述單晶硅層(102)上的正交狹縫結(jié)構(gòu)，所述正交狹縫結(jié)構(gòu)包括:正交結(jié)構(gòu)的狹縫區(qū)域(104，105，107)，位于所述狹縫區(qū)域(104，105，107)正交交匯處的中心區(qū)域(108)及包圍所述狹縫區(qū)域(104，105，107)的周圍區(qū)域(103，106)，所述中心區(qū)域(108)的折射率小于所述狹縫區(qū)域(104，105，107)的折射率，所述周圍區(qū)域(103，106)的折射率大于所述狹縫區(qū)域(104，105，107)的折射率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型正交狹縫光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述狹縫區(qū)域(104，105，107)的材料為氮化物、納米晶硅或硫化玻璃之一。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型正交狹縫光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述中心區(qū)域(108)為空氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型正交狹縫光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述周圍區(qū)域(103，106)的材料為多晶硅。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型正交狹縫光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述單晶硅層(102)的厚度為40-100nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型正交狹縫光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述狹縫區(qū)域(104，107)的寬度與狹縫區(qū)域(105)高度相等，為10-50nm，所述包圍所述狹縫區(qū)域的周圍區(qū)域(103，106)的高度為 200-350nm，寬度為 300_450nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型正交狹縫光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，包括以下步驟: 第一步，在襯底(101)上外延生長一層單晶硅(102)； 第二步，在所述單晶硅(102)上外延生長周圍區(qū)域(103，106)的第一層(103)，光刻、刻蝕所述第一層(103)，產(chǎn)生正交狹縫結(jié)構(gòu)的狹縫區(qū)域(104，105，107)的第一區(qū)域(104)的容置腔； 第三步，在所述第一區(qū)域(104)的容置腔內(nèi)及所述第一層(103)上外延生長狹縫區(qū)域材料，形成狹縫區(qū)域(104，105，107)的第一區(qū)域(104)，光刻、刻蝕，形成中心區(qū)域(108)及中心區(qū)域(108)兩側(cè)的狹縫區(qū)域(104，105，107)的第二區(qū)域(105)； 第四步，光刻，在掩膜的保護(hù)下，在所述第二區(qū)域(105)上外延生長周圍區(qū)域(103，106)的第二層(106)，去掉掩膜，形成正交狹縫結(jié)構(gòu)的狹縫區(qū)域(104，105，107)的第三區(qū)域(107)的容置腔； 第五步，在所述第三區(qū)域(107)的容置腔內(nèi)化學(xué)氣相沉積狹縫區(qū)域材料，使所述狹縫區(qū)域材料填充入所述第三區(qū)域(107)的容置腔且不填充所述中心區(qū)域(108)，形成正交狹縫結(jié)構(gòu)的狹縫區(qū)域(104，105，107)的第三區(qū)域(107)及中心區(qū)域(108)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的新型正交狹縫光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述第一區(qū)域(104)和第二區(qū)域(105)的材料同時沉積形成或者先后兩次沉積形成。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的新型正交狹縫光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的制造方法，其特征在于，所述狹縫區(qū)域(104,105,107)的材料為氮化物、納米晶娃或硫化玻璃之一或者任意多種組合,所述中心區(qū)域(108)為空氣，所述周圍區(qū)域(103，106)的材料為多晶硅。
【文檔編號】G02B6/136GK104267463SQ201410579910
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月23日
【發(fā)明者】劉艷, 韓根全, 顏靜 申請人:重慶大學(xué)