本發(fā)明屬于集成光子器件領(lǐng)域，更具體地，涉及一種用于實(shí)現(xiàn)多路光波導(dǎo)交叉連接的高度集成的硅基超材料器件及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著全球信息交流的指數(shù)增長(zhǎng)，對(duì)通信系統(tǒng)高速率大容量要求越來(lái)越高，光互聯(lián)技術(shù)是現(xiàn)今最有潛力克服通信網(wǎng)絡(luò)傳輸瓶頸的途徑，同時(shí)光學(xué)器件的高度集成化正成為大勢(shì)所趨。硅基光學(xué)器件具有高度集成化以及能和COMS平臺(tái)兼容的特性，正受到越來(lái)越多的關(guān)注。如何在減少器件尺寸同時(shí)依然保有高性能，一直是硅基光子領(lǐng)域的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。光交叉連接器是一種重要的光學(xué)元件，它對(duì)端口功率一致性、波長(zhǎng)無(wú)關(guān)性、低損耗特性等都有相當(dāng)高的要求。

目前常規(guī)的硅基光交叉連接器的實(shí)現(xiàn)，主要是通過(guò)兩根波導(dǎo)呈90°十字交叉，并結(jié)合多模干涉結(jié)構(gòu)、錐形結(jié)構(gòu)或者橋型結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)僅能同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩路波導(dǎo)的交叉連接，并且對(duì)工藝誤差的容忍性不高。隨著硅基光路的集成度的不斷增加，硅波導(dǎo)交叉連接點(diǎn)個(gè)數(shù)也在不斷變多，繼續(xù)使用傳統(tǒng)的十字交叉連接器將會(huì)使得連接區(qū)域面積變得很大，并且由于連接器互聯(lián)的波導(dǎo)長(zhǎng)度不均，導(dǎo)致?lián)p耗不一致，將會(huì)使得這種結(jié)構(gòu)在某些對(duì)端口損耗一致性要求很高的器件(如陣列波導(dǎo)光柵)中的應(yīng)用受到限制。

另外，還有通過(guò)引入亞波長(zhǎng)光柵(SWG)結(jié)構(gòu)來(lái)減小器件尺寸的案例，SWG的主要原理是：亞波長(zhǎng)尺寸的折射率變化可以使光波不受散射損耗的影響，因此，對(duì)光波而言SWG相當(dāng)于一種等效材料，其折射率介于組成SWG的兩種材料(通常為硅和空氣)之間。SWG結(jié)構(gòu)主要包括寬度在80nm左右的均勻的周期性長(zhǎng)條形陣列，其制備過(guò)程對(duì)工藝精度的要求很高，實(shí)現(xiàn)起來(lái)十分困難。另一方面，平板光子晶體(PhC)器件的制備工藝已經(jīng)十分完善，使用電子束刻蝕(EBL)與電感耦合等離子體(ICP)工藝在絕緣體上硅(SOI)上打孔，直徑最小可達(dá)80nm以下，且均勻性良好，但傳統(tǒng)的PhC因波導(dǎo)邊緣和孔內(nèi)部所得的電子束劑量不同，在一次性刻蝕中，其深度不同(孔深度小于波導(dǎo)邊緣的深度)，因此波導(dǎo)區(qū)和PhC區(qū)通常采用套刻工藝完成。綜上，采用打孔工藝制作亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)在工藝上更為可行，另外若能考慮到孔深度對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，則可以使用一次性刻蝕完成器件的制作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種高度集成的硅基超材料光星行交叉連接器，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)的光十字交叉連接器集成度低的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種硅基超材料光星型交叉連接器，包括：N個(gè)輸入波導(dǎo)和N個(gè)輸出波導(dǎo)，每個(gè)輸入波導(dǎo)與對(duì)應(yīng)的輸出波導(dǎo)在同一直線上，且所獲得的N條直線在同一點(diǎn)O相互交叉；以O(shè)點(diǎn)為中心點(diǎn)，設(shè)置有一個(gè)正2N邊形的耦合區(qū)域，所述耦合區(qū)域的各邊與波導(dǎo)垂直；耦合區(qū)域圖案呈1/2N扇形對(duì)稱，且2N個(gè)扇區(qū)的圖案呈軸對(duì)稱，對(duì)稱軸為與邊垂直的波導(dǎo)所在的直線；每個(gè)扇區(qū)包含M個(gè)圓形像素，圓形像素的狀態(tài)為打孔或不打孔；M為大于80的正整數(shù)，N為大于等于3的正整數(shù)。

優(yōu)選地，輸入波導(dǎo)和所述輸出波導(dǎo)的寬度為500nm，該取值為普通硅基波導(dǎo)寬度的典型值。

優(yōu)選地，為了滿足高度集成化的要求，并保證器件損耗能低于2.5dB，輸入輸出波導(dǎo)的間隔為<6μm。

優(yōu)選地，圓形像素直徑為90nm，深度為140nm?？紤]到器件加工時(shí)的EBL過(guò)程的精度限制及時(shí)間成本，圓形像素直徑不宜過(guò)小，通常大于80nm；另外，圓形像素直徑也不宜過(guò)大，通常小于100nm，否則在器件加工時(shí)的ICP過(guò)程中，會(huì)造成打孔的相鄰的圓形像素之間出現(xiàn)刻穿，造成工藝誤差，增加器件的插損；若圓形像素狀態(tài)為打孔，則其深度與像素直徑成正比關(guān)系，且工藝條件(ICP過(guò)程中的離子氣體濃度、氣壓等等)有關(guān)，140nm的深度為本說(shuō)明書(shū)中的樣片的工藝條件下的取值。

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，還提供了一種硅基超材料光星形交叉連接器的制備方法，包括以下步驟：

(1)在SOI基片上形成N個(gè)輸入波導(dǎo)和N輸出波導(dǎo)；

(2)在所述SOI基片上將所述輸入波導(dǎo)和所述輸出波導(dǎo)之間的正2N邊形耦合區(qū)域分割為2N個(gè)同等大小的扇區(qū)，每個(gè)所述扇區(qū)具有中心軸對(duì)稱分布的M個(gè)像素，各圓形像素具有隨機(jī)初始狀態(tài)，所述初始狀態(tài)為中心打孔或不打孔；

(3)通過(guò)隨機(jī)改變一個(gè)所述圓形像素的打孔狀態(tài)來(lái)計(jì)算新的輸出光譜，并當(dāng)新的輸出光譜比改變前的輸出光譜更接近目標(biāo)輸出時(shí)，保留改變后的狀態(tài)；反之，則不采用此改變；接著改變另一個(gè)圓形像素的打孔狀態(tài)，并不斷循環(huán)重復(fù)上述過(guò)程；直至改變圓形像素陣列中的任意一個(gè)像素都不會(huì)使新的輸出光譜更接近目標(biāo)輸出，則停止循環(huán)過(guò)程；獲得最優(yōu)的亞波長(zhǎng)圓形像素打孔狀態(tài)的分布。

通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具備以下有益效果：

(1)本發(fā)明的光星形交叉連接器的工作器件可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)3路及以上光波導(dǎo)之間的交叉互聯(lián)，并且尺寸極小(可達(dá)6μm×6μm以下)，即具有高度集成的特點(diǎn)，另外，工作帶寬極寬(至少在1520nm～1580nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)為波長(zhǎng)無(wú)關(guān))，端口一致性佳，各端口附加損耗在2.5dB以下，串?dāng)_小于-18dB。

(2)打孔后的耦合區(qū)，其折射率分布可以等效為一種非均勻緩變的折射率分布，使得耦合區(qū)可以同時(shí)對(duì)不同的波長(zhǎng)進(jìn)行引導(dǎo)，從而使得不同的波長(zhǎng)都能夠達(dá)到在輸出端口有效輸出的目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了大工作帶寬的目的。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明器件俯視示意圖，包括N根輸入波導(dǎo)，N根輸出波導(dǎo)，一個(gè)正2N形耦合區(qū)及內(nèi)部的打孔狀態(tài)的圓形像素，耦合區(qū)又可分為2N個(gè)相同的具有軸對(duì)稱孔陣列的扇形區(qū)域；

圖2為本發(fā)明器件耦合區(qū)各扇形區(qū)域內(nèi)圓形像素排布狀況的示意圖：

圖3為本發(fā)明優(yōu)化初值及相應(yīng)結(jié)果俯視示意圖，(a-b)分別為N＝4和5時(shí)，耦合區(qū)圓形像素的初始打孔狀態(tài)分布，采用的初始分布均為中心軸對(duì)稱分布，(c-d)為分別與(a-b)對(duì)應(yīng)的優(yōu)化所得的最優(yōu)圓形像素打孔狀態(tài)分布；

圖4(a-b)為本發(fā)明圖3(c-d)所示最優(yōu)圓形像素打孔狀態(tài)分布一致的樣片的測(cè)試結(jié)果，黑線與灰線分別代表其中一個(gè)端口的輸出插損和串?dāng)_。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明提供了一種由亞波長(zhǎng)圓形像素陣列構(gòu)成的硅基超材料光星型交叉連接器，連接器包括N個(gè)輸入波導(dǎo)(N≥3且為整數(shù))，N個(gè)輸出波導(dǎo)，每個(gè)輸入波導(dǎo)與對(duì)應(yīng)的輸出波導(dǎo)在同一直線上，所得的N條直線在同一點(diǎn)相互交叉，此點(diǎn)命名為O點(diǎn)；以O(shè)點(diǎn)為中心點(diǎn)，有一個(gè)正2N邊形的耦合區(qū)域，其各邊與波導(dǎo)垂直；耦合區(qū)域圖案呈1/2N扇形對(duì)稱，且這2N個(gè)扇區(qū)的圖案又呈軸對(duì)稱，對(duì)稱軸為與邊垂直的波導(dǎo)所在的直線；每個(gè)扇區(qū)包含M個(gè)圓形像素，M為正整數(shù)，其取值區(qū)間與N的大小及圓形像素的排列方式有關(guān)，為了使器件性能滿足低損耗要求，M值通常大于80；要構(gòu)成所述連接器，需對(duì)圓形像素的狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化，圓形像素的狀態(tài)為打孔或不打孔進(jìn)行打孔，最終形成一個(gè)滿足二進(jìn)制優(yōu)化算法的打孔陣列。

本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)包括N根輸入波導(dǎo)，N根輸出波導(dǎo)，以及一個(gè)正2N邊形的耦合區(qū)，耦合區(qū)內(nèi)包括亞波長(zhǎng)尺寸的圓形像素陣列，圓形像素的狀態(tài)為打孔或不打孔。入射光通過(guò)輸入波導(dǎo)進(jìn)入耦合區(qū)，然后對(duì)應(yīng)的輸出波導(dǎo)輸出。

本發(fā)明中，所取加工材料為普通SOI基片，輸入/輸出波導(dǎo)寬度均取硅波導(dǎo)寬度的典型值500nm，兩根輸出波導(dǎo)間隔<6μm，中間為正2N形耦合區(qū)域，耦合區(qū)域又可分割為2N個(gè)相同的扇形區(qū)域，各區(qū)域?qū)Σ▽?dǎo)所在直線呈軸對(duì)稱圖案，各區(qū)域包含M個(gè)按圖2所示排布的圓形像素：對(duì)N＝4，可取x＝y(tǒng)＝160nm，z＝99.5nm，取耦合區(qū)長(zhǎng)度為5.28nm，則M＝187；對(duì)N＝5，可取x＝y(tǒng)＝200nm，z＝97.5nm，取耦合區(qū)長(zhǎng)度為5.4nm，則M＝126。每個(gè)圓形像素具有軸對(duì)稱分布的狀態(tài)：打孔或不打孔。若打孔，孔直徑范圍為80nm～100nm，孔深度根據(jù)加工條件通常都小于200nm，約120～200nm。

圖2中，各扇區(qū)內(nèi)，每行圓形像素呈與對(duì)稱軸平行的線形排列；每行內(nèi)，相鄰兩個(gè)圓形像素的中心點(diǎn)的距離按x、y交叉排列(x≥125nm，y≥125nm)；各行圓形像素中心點(diǎn)所在直線之間的距離為z。在器件設(shè)計(jì)的開(kāi)始，需設(shè)置合理的x、y、z長(zhǎng)度值，設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)為：能夠保證所標(biāo)示的α、β、γ三種相鄰圓形像素中心距離長(zhǎng)度在約125nm或以上，其中α＝2x·sin(π/2N)，β＝{[z/tan(π/2N)-x]²+z²}^1/2，γ＝{[x+y-z/tan(π/2N)]²+z²}^1/2。特殊的，對(duì)N＝4，可取x＝y(tǒng)＝160nm，z＝99.5nm，取耦合區(qū)長(zhǎng)度為5.28nm，則M＝187；對(duì)N＝5，可取x＝y(tǒng)＝200nm，z＝97.5nm，取耦合區(qū)長(zhǎng)度為5.4nm，則M＝126。另，圖中只標(biāo)出了部分圓形像素以及扇區(qū)，用來(lái)配合說(shuō)明，其它圓形像素用省略號(hào)代替。

本發(fā)明還提供了一種亞波長(zhǎng)圓形像素陣列構(gòu)成的硅基超材料光星形交叉連接器的制備方法，包括以下步驟：

(1)采用SOI基片，在所述基片上形成N個(gè)輸入波導(dǎo)和N輸出波導(dǎo)；

(2)在所述基片上，將所述輸入波導(dǎo)和所述輸出波導(dǎo)之間的正2N邊形耦合區(qū)域分割為2N個(gè)同等大小的扇區(qū)，每個(gè)所述扇區(qū)具有中心軸對(duì)稱分布的M個(gè)像素，各圓形像素具有隨機(jī)初始狀態(tài)，所述初始狀態(tài)為中心打孔或不打孔；

(3)根據(jù)輸出目標(biāo)，利用優(yōu)化算法(這里使用特例，非線性直接二進(jìn)制優(yōu)化算法)，即隨機(jī)改變一個(gè)所述圓形像素的打孔狀態(tài)，并計(jì)算新的輸出光譜，若新的輸出光譜比改變前的輸出光譜更接近目標(biāo)輸出，則保留改變后的狀態(tài)；反之，則不采用此改變；接著改變另一個(gè)圓形像素的打孔狀態(tài)，并不斷循環(huán)重復(fù)上述過(guò)程；直至改變圓形像素陣列中的任意一個(gè)像素都不會(huì)使新的輸出光譜更接近目標(biāo)輸出，則停止循環(huán)過(guò)程。

輸出目標(biāo)，即理想的器件具有至少60nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)插損為0的輸出光譜。器件的輸出光譜通過(guò)3D時(shí)域有限差分法(3D FDTD)計(jì)算得到。

(4)經(jīng)過(guò)多次迭代后，將得到一個(gè)最優(yōu)的亞波長(zhǎng)圓形像素打孔狀態(tài)的分布。

本發(fā)明中，器件耦合內(nèi)的圓形像素的打孔狀態(tài)分布經(jīng)由優(yōu)化算法得來(lái)，算法可以為粒子群算法、拓?fù)鋬?yōu)化算法等(前文提到的非線性直接二進(jìn)制算法僅為一個(gè)特例)，針對(duì)現(xiàn)有輸出和目標(biāo)輸出的差值進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)數(shù)次循環(huán)，最終得到一個(gè)滿足前文所述目標(biāo)輸出條件的打孔陣列。由于本發(fā)明要解決的問(wèn)題屬于多最優(yōu)值問(wèn)題，利用不同的優(yōu)化算法或取不同的初始分布時(shí)，其優(yōu)化結(jié)果具有不同的最優(yōu)分布。

本發(fā)明中，打孔后的亞波長(zhǎng)尺寸的圓形像素的排布可以等效為一種非均勻緩變的折射率分布區(qū)域，可以同時(shí)對(duì)不同的波長(zhǎng)進(jìn)行引導(dǎo)，從而使得不同的波長(zhǎng)都能夠達(dá)到在輸出端口有效輸出的目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了大工作帶寬的目的。

如圖3(a)所示，首先，特殊的，取N＝4，取輸入1～4、輸出5～8波導(dǎo)寬度均取硅波導(dǎo)寬度的典型值500nm，對(duì)應(yīng)的輸入輸出波導(dǎo)間隔5.28μm，將厚220nm大小為5.28μm×5.28μm的耦合區(qū)域分割為8個(gè)扇形區(qū)域，各扇形區(qū)域包含呈軸對(duì)稱分布的圓形像素，每個(gè)像素具有中心軸對(duì)稱分布的隨機(jī)的初始狀態(tài)：中心打孔或不打孔，若打孔，孔直徑選為90nm，孔深度暫取140nm。取中心軸對(duì)稱的圓形像素陣列可以保證輸出端的功率一致性，同時(shí)加倍仿真的計(jì)算速度。

如圖3(c)所示，然后，經(jīng)由優(yōu)化算法，針對(duì)目標(biāo)輸出進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)改變一個(gè)或多個(gè)像素的刻蝕狀態(tài)，并計(jì)算新的輸出光譜，若新的輸出光譜比原輸出光譜更接近目標(biāo)輸出，則保留改變后的狀態(tài)。一次迭代指一次計(jì)算過(guò)程，經(jīng)過(guò)多次迭代后，將得到一個(gè)最優(yōu)的亞波長(zhǎng)圓形像素陣列的狀態(tài)的分布。本發(fā)明要解決的問(wèn)題屬于多最優(yōu)值問(wèn)題，利用不同算法或取不同的初始分布時(shí)，其對(duì)應(yīng)的優(yōu)化結(jié)果具有不同的最優(yōu)分布。

經(jīng)數(shù)次迭代，最終得到一個(gè)滿足條件的打孔陣列，可以實(shí)現(xiàn)至少1520nm～1580nm寬波段范圍內(nèi)的4根光波導(dǎo)低損耗交叉互聯(lián)。

至此，該器件可經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)工藝制備完成，對(duì)應(yīng)于圖3(c)的孔陣列的樣片，其測(cè)試結(jié)果如圖4(a)所示，黑線、灰線分別代表端口1輸入端口5的輸出插損、端口2～4輸入端口5測(cè)得的串?dāng)_，插損在1520nm～1580nm波段內(nèi)均小于1.6dB，串?dāng)_小于-18dB。

特殊的，對(duì)N＝5的情況，本說(shuō)明也給出了一個(gè)實(shí)例：圖3(b)為像素孔初始分布，圖3(d)為對(duì)圖3(b)的初值進(jìn)行優(yōu)化所得的像素孔分布，圖4(b)為對(duì)應(yīng)圖3(d)圖案制作的樣片的測(cè)試結(jié)果，黑線、灰線分別代表端口1輸入端口6的輸出插損、端口2～5輸入端口6測(cè)得的串?dāng)_，插損在1520nm～1580nm波段內(nèi)均小于2.4dB，串?dāng)_小于-23dB。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。