CN112987289B - 一种波导结构的参数优化方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种波导结构的参数优化方法，方法包括：通过获取目标光刻工艺的特征尺寸；根据预设优化算法对波导结构的宽度渐变结构进行参数优化，得到优化结果，所述优化结果包括预设数量的优化点；根据所述特征尺寸调整所述预设数量，继续根据预设优化算法对所述宽度渐变结构进行参数优化，直至满足预设条件后结束参数优化；所述预设条件包括：优化结果中相邻优化点之间宽度差值大于等于所述特征尺寸，且优化点的数量大于等于预设阈值，相比于现有技术，采用本公开参数优化方法设计制作的波导结构，能够达到更小的插损和串扰，并且仅采用一层刻蚀，简化了制作工艺。

Description

一种波导结构的参数优化方法
技术领域
本公开涉及半导体技术领域，具体涉及一种波导结构的参数优化方法。
背景技术
光交叉波导就是两个不同方向的光波导发生交叉，类似一个十字架。当多个光器件进行互连时，会遇到互连波导发生交叉的情况，在器件较少的情况下，可以通过一定的办法规避使用光交叉波导，但是当器件规模达到一定规模时，光交叉波导变得必不可少。
为了光仍然沿着初始波导的方向传播，而不是进入到另一个方向的波导中。如果仅仅是两个单模波导垂直排布，会有较大的能量在交叉区域处散射到衬底中。从波导本征模式的角度看，在交叉区域，波导的宽度发生突变，模式的有效折射率也相应变大。从全反射的角度看，全反射条件在交叉区域处被破坏，光场发生衍射。因此必须对交叉区域做精心的设计，降低插损和串扰。
对于光交叉波导结构，一般采用FDTD(时域有限差分)算法仿真设计结构，通常结构如图1a和图1b所示，可见，现有的光交叉波导结构为了达到更低的插损和串扰，需要进行两层刻蚀。图1a示出了现有光交叉波导结构的设计版图；图1b示出了现有光交叉波导结构的电镜照片。
如何在至少达到现有水平的插损和串扰的情况下，简化光交叉波导结构的制作工艺，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本公开的目的是提供一种波导结构的参数优化方法。
本公开提供一种波导结构的参数优化方法，包括：
获取目标光刻工艺的特征尺寸，所述目标光刻工艺用于制作所述波导结构，所述波导结构包括宽度渐变结构；
根据预设优化算法对所述波导结构的宽度渐变结构进行参数优化，得到优化结果；所述优化结果包括预设数量的优化点，每个优化点对应所述宽度渐变结构的初始宽度至终止宽度中的一个宽度；所述预设数量大于等于第一预设阈值且小于等于第二预设阈值；
根据所述特征尺寸调整所述预设数量，继续根据预设优化算法对所述宽度渐变结构进行参数优化，直至满足预设条件后结束参数优化；
所述预设条件包括：优化结果中相邻优化点之间宽度差值大于等于所述特征尺寸，且优化点的数量大于等于预设阈值。
根据本公开的一些实施方式中，所述方法还包括：
根据所述宽度渐变结构的长度和所述特征尺寸确定所述第二预设阈值。
根据本公开的一些实施方式中，所述根据所述宽度渐变结构的长度和所述特征尺寸确定所述第二预设阈值，包括：
将所述宽度渐变结构的长度与所述特征尺寸的比值，取整后作为所述第二预设阈值。
根据本公开的一些实施方式中，所述根据所述特征尺寸调整所述预设数量，包括：
统计优化结果中相邻优化点之间宽度差值小于所述特征尺寸的第一数量；
当前预设数量减去所述第一数量得到第二数量，将所述第二数量作为下一轮优化中优化点的预设数量。
根据本公开的一些实施方式中，所述预设优化算法包括粒子群算法。
根据本公开的一些实施方式中，所述宽度渐变结构上相邻优化点之间的距离相等。
根据本公开的一些实施方式中，每个优化点对应一个宽度范围。
根据本公开的一些实施方式中，所述波导结构为光交叉波导结构、模斑转换器、Y分束器或多模干涉器MMI。
本公开提供一种波导结构的参数优化方法，通过获取目标光刻工艺的特征尺寸；根据预设优化算法对波导结构的宽度渐变结构进行参数优化，得到优化结果，所述优化结果包括预设数量的优化点；根据所述特征尺寸调整所述预设数量，继续根据预设优化算法对所述宽度渐变结构进行参数优化，直至满足预设条件后结束参数优化；所述预设条件包括：优化结果中相邻优化点之间宽度差值大于等于所述特征尺寸，且优化点的数量大于等于预设阈值，相比于现有技术，采用本公开参数优化方法设计制作的波导结构，能够达到更小的插损和串扰，并且仅采用一层刻蚀，简化了制作工艺。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本公开的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1a示出了现有光交叉波导结构的设计版图；
图1b示出了现有光交叉波导结构的电镜照片；
图2示出了本公开所提供的一种波导结构的参数优化方法的流程图；
图3示出了本公开所提供的一种光交叉波导结构的示意图；
图4示出了本公开所提供的另一种光交叉波导结构的示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
为了解决现有技术中存在的问题，本公开实施例提供一种光交叉波导结构的参数优化方法，下面结合附图进行说明。
图2示出了本公开所提供的一种波导结构的参数优化方法的流程图，如图2所示，该参数优化方法包括：
步骤S101：获取目标光刻工艺的特征尺寸，所述目标光刻工艺用于制作所述波导结构，所述波导结构可以为光交叉波导结构、模斑转换器、Y分束器或多模干涉器MMI等模式转换波导结构。
例如，将要采用现有的0.18um工艺精度的光刻工艺制备氮化硅/硅光交叉波导，其中，0.18um为目标光刻工艺的特征尺寸。
下面主要以光交叉波导结构对本公开进行介绍。
图3示出了本公开所提供的一种光交叉波导结构的示意图；图4示出了本公开所提供的另一种光交叉波导结构的示意图；
所述光交叉波导结构包括第一光波导和第二光波导，所述第二光波导和所述第一光波导垂直交叉形成交叉核心，所述第一光波导和所述第二光波导分别包括两个关于所述交叉核心对称的宽度渐变结构。
具体的，如图3和图4所示，所述光交叉波导结构包括第一光波导和第二光波导，所述第二光波导和所述第一光波导垂直交叉且中心对称，所述第二光波导沿光波传播方向依次包括前端直波导、前端宽度渐变结构、后端宽度渐变结构和后端直波导。同样的，所述第一光波导沿光波传播方向依次也包括前端直波导、前端宽度渐变结构、后端宽度渐变结构和后端直波导。
其中，前端宽度渐变结构和后端宽度渐变结构，统称为宽度渐变结构(taper)。使用taper型波导将单模波导过渡到交叉区域，使得波导的有效折射率缓慢变化。
所述第二光波导和所述第一光波导均为单模光波导，如图3和图4所示，第二光波导匹配输入TE模光波，第一光波导匹配输入TM模光波。其中，模式是特定形状的波导能够支持的一种电磁场分布，数学上讲是此结构的麦克斯韦方程的一个导模解，对应一个特征值，即有效折射率。有效折射率是波导中的一个重要参数，它与波导的结构、材料特性(折射率)、工作波长以及模式阶数有关。一旦波导的这些参数特性确定之后，波导的某个模式的有效折射率也将确定。
步骤S102：根据预设优化算法对所述波导结构的宽度渐变结构进行参数优化，得到优化结果；所述优化结果包括预设数量的优化点，每个优化点对应所述宽度渐变结构的初始宽度至终止宽度中的一个宽度。
其中，所述预设数量大于等于第一预设阈值且小于等于第二预设阈值；具体的，第一预设阈值可以为2，第二预设阈值可以根据所述宽度渐变结构的长度和所述特征尺寸确定。具体可以为：将所述宽度渐变结构的长度与所述特征尺寸的比值，取整后作为所述第二预设阈值，例如第二预设阈值取值为50，则优化点的预设数量可以在2至50之间选取。
其中，预设优化算法可以为粒子群算法(PSO)。
其中，宽度渐变结构上相邻优化点之间的距离相等，也就是说，每一个宽度渐变段的长度是相同的，每个优化点对应一个宽度范围。例如，w1对应一个宽度范围，w1的宽度在宽度范围内优化。
应理解，可采用粒子群算法，在各优化点对应的宽度范围内，优化每一个优化点对应的结构宽度，具体可以采用相关技术，本申请对此不再赘述。
图3示出了优化点预设数量为4的优化结果，如图中的宽度渐变结构的4个宽度分别为w1、w5、w9、w13；
图4示出了优化点预设数量为13的优化结果，如图中的宽度渐变结构的各宽度为w1至w13。
现有技术中采用尽可能多的优化点，使仿真结果达到更优。但在实际的工艺制备中，根据光刻精度的不同，需调整结构优化点数，例如采用0.18um工艺精度的光刻制备氮化硅/硅光交叉波导，流片实验证实采用3点优化得到的性能最优，如插损和串扰最小。因此本实施例中，得到初始优化结果后，继续进行步骤S103。
步骤S103：根据所述特征尺寸调整优化点的预设数量，继续根据预设优化算法对所述宽度渐变结构进行参数优化，直至满足预设条件后结束参数优化；
具体的，步骤S103可以实现为：统计优化结果中相邻优化点之间宽度差值小于所述特征尺寸的第一数量；当前预设数量减去所述第一数量得到第二数量，将所述第二数量作为下一轮优化中优化点的预设数量。
例如，采用粒子群算法初次优化时，优化点的预设数量为13，特征尺寸为0.18um，统计优化结果中相邻优化点之间差值大于等于0.18um的出现次数，例如，w13和w12之间差值小于0.18um，则统计次数加1，w7和w6之间差值小于0.18um，则统计次数再加1。
如果统计次数为3，则第一数量为3，则下一轮优化中优化点的预设数量调整为10(当前预设数量13减去第一数量3)，继续优化直至优化结果满足预设条件。
所述预设条件包括：优化结果中相邻优化点之间宽度差值大于等于所述特征尺寸，且优化点的数量大于等于预设阈值。
实际应用中，最少应保留2个优化点，因此预设阈值可以设置为2，当然可以根据实际情况进行设置，本申请对此不做限定。
本公开提供的波导结构的参数优化方法，通过获取目标光刻工艺的特征尺寸；根据预设优化算法对所述波导结构的宽度渐变结构进行参数优化，得到优化结果；根据所述特征尺寸调整优化点的数量，继续根据预设优化算法对所述宽度渐变结构进行参数优化，直至满足预设条件后结束参数优化；所述预设条件包括：优化结果中相邻优化点之间差值大于等于所述特征尺寸，且优化点的数量大于等于预设阈值，相比于现有技术，采用本公开参数优化方法设计制作的波导结构，能够达到现有水平的插损和串扰，并且仅采用一层刻蚀，简化了制作工艺。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (7)

1.一种波导结构的参数优化方法，其特征在于，包括：
获取目标光刻工艺的特征尺寸，所述目标光刻工艺用于制作所述波导结构，所述波导结构包括宽度渐变结构；
根据预设优化算法对所述波导结构的宽度渐变结构进行参数优化，得到优化结果；所述优化结果包括预设数量的优化点，每个优化点对应所述宽度渐变结构的初始宽度至终止宽度中的一个宽度；所述预设数量大于等于第一预设阈值且小于等于第二预设阈值；
根据所述特征尺寸调整所述预设数量，继续根据预设优化算法对所述宽度渐变结构进行参数优化，直至满足预设条件后结束参数优化；
所述预设条件包括：优化结果中相邻优化点之间宽度差值大于等于所述特征尺寸，且优化点的数量大于等于第三预设阈值；
所述根据所述特征尺寸调整所述预设数量，包括：
统计优化结果中相邻优化点之间宽度差值小于所述特征尺寸的第一数量；
当前预设数量减去所述第一数量得到第二数量，将所述第二数量作为下一轮优化中优化点的预设数量。
2.根据权利要求1所述的波导结构的参数优化方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述宽度渐变结构的长度和所述特征尺寸确定所述第二预设阈值。
3.根据权利要求1所述的波导结构的参数优化方法，其特征在于，所述根据所述宽度渐变结构的长度和所述特征尺寸确定所述第二预设阈值，包括：
将所述宽度渐变结构的长度与所述特征尺寸的比值，取整后作为所述第二预设阈值。
4.根据权利要求1所述的波导结构的参数优化方法，其特征在于，所述预设优化算法包括粒子群算法。
5.根据权利要求1所述的波导结构的参数优化方法，其特征在于，所述宽度渐变结构上相邻优化点之间的距离相等。
6.根据权利要求1所述的波导结构的参数优化方法，其特征在于，每个优化点对应一个宽度范围。
7.根据权利要求1所述的波导结构的参数优化方法，其特征在于，所述波导结构为光交叉波导结构、模斑转换器、Y分束器或多模干涉器MMI。
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