專利名稱：定向耦合器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于光通訊、光計(jì)算、光傳感和光學(xué)測(cè)量等領(lǐng)域的定向耦合器，特別涉及一種基于SOI襯底的光子晶體定向耦合器結(jié)構(gòu)，屬于半導(dǎo)體光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的定向耦合器通常采用兩根并行的光波導(dǎo)進(jìn)行橫向耦合，如圖I所示。根據(jù)光波耦合理論，波導(dǎo)之間的耦合需滿足耦合波方程也' (z) = -Ipal (z) + ia2 (z)K2l
dz da2(z) _ (z) +
dz其中，K21和K12是賴合系數(shù)，a (z)是賴合波。對(duì)于多模賴合的情況，各個(gè)模式之間都有耦合，耦合系數(shù)相應(yīng)增多，方程式的數(shù)目也相應(yīng)增多。根據(jù)耦合波方程，可以得到兩個(gè)波導(dǎo)中傳輸?shù)墓β时磉_(dá)式P1 = j H1 (0) 12COS2 6 z
f V'P2 = | 2(0)fsin2 Sz
V ^21 J由以上兩式可以看出，波導(dǎo)中傳播的功率隨傳輸距離而變化，所以，兩波導(dǎo)之間的耦合狀況與耦合長(zhǎng)度密切相關(guān)，在實(shí)際應(yīng)用中，為實(shí)現(xiàn)較高的耦合效率，通常需要較長(zhǎng)的耦合長(zhǎng)度，使得整體器件尺寸較大，同時(shí)，隨著耦合長(zhǎng)度的增加，兩平行光波導(dǎo)之間的尺寸誤差及由于半導(dǎo)體制造工藝引入的界面粗糙帶來的傳輸損耗，都對(duì)定向耦合器的耦合效率產(chǎn)生了不利影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種定向耦合器結(jié)構(gòu)，使耦合器的尺寸大大縮小，并能夠靈活控制耦合效率。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的定向耦合器基于SOI襯底的二維長(zhǎng)方晶格柱狀光子晶體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，該定向耦合器包括輸入波導(dǎo)，輸出波導(dǎo)，耦合柱體。其中，柱狀光子晶體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)方晶格排列的長(zhǎng)邊長(zhǎng)度b至少為柱狀光子晶體中硅柱半徑r的4倍，輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)為長(zhǎng)方晶格柱狀光子晶體中相鄰的兩排娃柱，且輸入、輸出方向均沿長(zhǎng)方晶格短邊方向；|禹合柱體位于所述相鄰兩排娃柱中間，其在沿長(zhǎng)方晶格長(zhǎng)邊方向與相鄰的兩排硅柱的柱體對(duì)齊，且與相鄰兩排硅柱的距離相等。進(jìn)一步的，耦合柱體的半徑和高度與柱狀光子晶體結(jié)構(gòu)中硅柱的半徑和高度分別相等，二者的高度均為SOI襯底頂層硅的厚度。進(jìn)一步的，柱狀光子晶體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)方晶格排列的長(zhǎng)邊長(zhǎng)度b、短邊長(zhǎng)度a的比值@范圍為2 < P < 2. 5。
進(jìn)一步的，耦合柱體和柱狀光子晶體結(jié)構(gòu)硅柱的半徑r的范圍為
0.3a ^ r ^ 0. 5a。進(jìn)一步的，耦合柱體和柱狀光子晶體結(jié)構(gòu)硅柱的高度h的范圍為1. 5a彡h彡3a。更優(yōu)的，耦合柱體的半徑r為0. 39a，高度h為2a，柱狀光子晶體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)方晶格排列的短邊長(zhǎng)度a為400nm,長(zhǎng)邊長(zhǎng)度b、短邊長(zhǎng)度a的比值P為2. 4。進(jìn)一步的，耦合柱體的數(shù)量至少為2個(gè)，更優(yōu)的，耦合柱體的數(shù)量至少為16個(gè)。進(jìn)一步的，耦合柱體及柱狀光子晶體結(jié)構(gòu)的硅柱通過電子束曝光、電感耦合等離子體工藝刻蝕或FIB刻蝕同步形成。 本發(fā)明的技術(shù)效果是，利用二維長(zhǎng)方晶格柱狀光子晶體的自準(zhǔn)直效應(yīng)，通過在相鄰兩排硅柱的長(zhǎng)邊中間引入一定數(shù)量、相同尺寸的耦合柱體，這樣，在一排柱體中傳播的自準(zhǔn)直光束被引入的中間柱體耦合到另一排柱體中繼續(xù)自準(zhǔn)直傳播，通過控制中間柱體的數(shù)量可以控制兩排柱體中自準(zhǔn)直光束傳輸功率的比例，從而實(shí)現(xiàn)相鄰兩排硅柱間的光耦合。相對(duì)于傳統(tǒng)定向耦合器，本發(fā)明提供的光子晶體定向耦合器能夠?qū)⑵骷詈祥L(zhǎng)度控制在10 以內(nèi)甚至更短，這使總體器件的長(zhǎng)度極大縮短，結(jié)構(gòu)更為緊湊。同時(shí)，通過控制中間柱體的數(shù)量可以控制兩排柱體中自準(zhǔn)直光束傳輸功率的比例，能夠靈活控制耦合效率，此外，本發(fā)明提供的基于光子晶體結(jié)構(gòu)的定向I禹合器基于SOI襯底,與目前成熟的CMOS工藝兼容，制備工藝簡(jiǎn)單成熟、成本低廉。


圖I為傳統(tǒng)定向耦合器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為二維長(zhǎng)方晶格柱狀平板光子晶體不同P取值的能帶面；圖3為二維長(zhǎng)方晶格柱狀平板光子晶體TE模式第二能帶等頻圖；圖4為本發(fā)明提供的定向耦合器結(jié)構(gòu)示意圖；圖5a_5e為不同耦合柱體數(shù)量下，本發(fā)明提供的定向耦合器耦合傳播情況FDTD模擬不意圖；圖6為發(fā)明提供的定向耦合器側(cè)面示意圖。元件符號(hào)標(biāo)注
權(quán)利要求
1.一種定向耦合器，其特征在于其包括在SOI襯底的頂層硅上刻蝕形成，并由硅柱組成的呈長(zhǎng)方晶格排列的柱狀光子晶體結(jié)構(gòu)，相鄰的兩排硅柱(110、120)之間設(shè)有耦合柱體(201);所述耦合柱體與所述相鄰的兩排硅柱的柱體對(duì)齊，且其至所述相鄰兩排硅柱的距離相等；所述呈長(zhǎng)方晶格排列的長(zhǎng)邊的長(zhǎng)度b至少為柱狀光子晶體結(jié)構(gòu)中硅柱半徑r的四倍，所述相鄰的兩排娃柱分別作為輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)；所述SOI襯底包括襯底娃層(101)、位于襯底硅層(101)上的二氧化硅埋層(102)以及位于該二氧化硅埋層(102)上的頂層硅(103)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的定向耦合器，其特征在于，所述耦合柱體(201)的半徑和高度與所述柱狀光子晶體結(jié)構(gòu)中硅柱的半徑和高度相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的定向耦合器，其特征在于，所述柱狀光子晶體結(jié)構(gòu)中長(zhǎng)方晶格排列的長(zhǎng)邊長(zhǎng)度b與短邊長(zhǎng)度a的比值P的范圍為-.2 ( ^ < 2. 5。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的定向耦合器，其特征在于，所述耦合柱體的半徑r的取值范圍為0. 3a < r < 0. 5a，其中，a為柱狀光子晶體結(jié)構(gòu)中長(zhǎng)方晶格排列的短邊長(zhǎng)度a。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的定向耦合器，其特征在于，所述耦合柱體的高度h的取值范圍為1. 5a < h < 3a,其中，柱狀光子晶體結(jié)構(gòu)中長(zhǎng)方晶格排列的長(zhǎng)邊長(zhǎng)度b與短邊長(zhǎng)度a。
6.根據(jù)權(quán)利要求3或4或5所述的定向耦合器，其特征在于，所述耦合柱體的半徑r為0.39a,聞度h為2a,所述柱狀光子晶體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)方晶格排列的短邊長(zhǎng)度a為400nm,長(zhǎng)邊長(zhǎng)度b、短邊長(zhǎng)度a的比值P為2. 4。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的定向耦合器，其特征在于，所述耦合柱體的數(shù)量至少為2個(gè)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的定向耦合器，其特征在于，所述耦合柱體的數(shù)量為16個(gè)。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的定向耦合器，其特征在于，所述耦合柱體及柱狀光子晶體結(jié)構(gòu)的硅柱通過電子束曝光、電感耦合等離子體工藝刻蝕或FIB刻蝕同步形成。
10.一種定向耦合器制備方法，其特征在于，包括以下步驟 1)制備SOI襯底； 2)在上述SOI襯底的頂層硅上刻蝕形成的呈長(zhǎng)方晶格排列的柱狀光子晶體結(jié)構(gòu)； 3)在柱狀光子晶體結(jié)構(gòu)中相鄰的兩排硅柱之間形成耦合柱體(201);所述耦合柱體與所述相鄰的兩排硅柱的柱體對(duì)齊，且與所述相鄰兩排硅柱的距離相等；所述長(zhǎng)方晶格排列的長(zhǎng)邊的長(zhǎng)度b至少為柱狀光子晶體中硅柱半徑r的四倍，所述相鄰的兩排硅柱分別作為輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)。
全文摘要
一種定向耦合器，利用二維長(zhǎng)方晶格柱狀光子晶體的自準(zhǔn)直效應(yīng)實(shí)現(xiàn)，屬于半導(dǎo)體光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。該定向耦合器通過在相鄰兩排硅柱的長(zhǎng)邊中間引入一定數(shù)量、相同尺寸的耦合柱體，這樣，在一排柱體中傳播的自準(zhǔn)直光束被引入的中間柱體耦合到另一排柱體中繼續(xù)自準(zhǔn)直傳播，通過控制中間柱體的數(shù)量可以控制兩排柱體中自準(zhǔn)直光束傳輸功率的比例，從而實(shí)現(xiàn)相鄰兩排硅柱間的光耦合。相對(duì)于傳統(tǒng)定向耦合器，本發(fā)明提供的光子晶體定向耦合器能夠?qū)⑵骷詈祥L(zhǎng)度控制在10μm以內(nèi)甚至更短，這使總體器件的長(zhǎng)度極大縮短，結(jié)構(gòu)更為緊湊。同時(shí)，通過控制中間柱體的數(shù)量可以控制兩排柱體中自準(zhǔn)直光束傳輸功率的比例，能夠靈活控制耦合效率。
文檔編號(hào)H01P5/18GK102790253SQ20111012818
公開日2012年11月21日 申請(qǐng)日期2011年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月18日
發(fā)明者李 浩, 楊志峰, 林旭林, 武愛民, 王曦, 甘甫烷 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所