CN102520521B - 三级二维光子晶体缩束器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三级二维光子晶体缩束器及其制作方法，该缩束器由W7型光子晶体波导、W5型光子晶体波导、W1型光子晶体波导和纳米线波导按顺序密接排列构成。所述W7型光子晶体波导和W5型光子晶体波导构成缩束器的一级压缩部分，W5型光子晶体波导和W1型光子晶体波导作为缩束器的二级压缩部分，三级压缩部分则由W1型光子晶体波导和纳米线波导构成。本发明采用三级压缩结构对光束进行压缩，能实现亚微米尺度下对光束进行调节，可在通信波段将光束进行微聚焦以及微压缩，耦合效率高，能够达到高的压缩比以及较小的出射光斑，缩束器的传输效率远高于传统缩束系统。相对于渐变波导，本发明大大减小了器件的体积，提高了器件的集成度。

Description

三级二维光子晶体缩束器及其制作方法

技术领域：

本发明属于光学技术领域，涉及一种微结构光子晶体元件，具体地说是一种三级二维光子晶体缩束器及其制作方法。

背景技术：

光子晶体是由具有不同介电常数的物质，在空间周期性排列形成的人工微结构。近年来，基于光子晶体材料的光电功能器件得到了广泛的关注，利用光子晶体的光子禁带和光子局域特性，光子晶体波导、滤波器、光开关、耦合器等光子晶体光电器件已见诸报道，为未来大规模光电集成以及全光网络的实现打下了良好的基础。

光子晶体是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构，电磁波在其中传播时由于布拉格散射，电磁波会受到调制而形成能带结构，这种能带结构叫做光子能带。光子能带之间可能出现带隙，即光子带隙。由于带隙中没有任何态存在，频率落在带隙中的电磁波被禁止传播。如果在光子晶体中引入介电缺陷或介电无序，会出现光子局域现象，在光子带隙中将形成相应的缺陷能级，特定频率的光可在这个缺陷能级中出现。通过在完整的二维光子晶体中引入缺陷，破坏光子禁带，引入缺陷态，可用来制作二维光子晶体功能器件。在二维光子晶体中引入线缺陷即去掉数排介质柱，那么相应频率的电磁波就只能在这个线缺陷中传播，离开线缺陷就会迅速衰减，可以通过在二维光子晶体中引入线缺陷来制作光子晶体波导。区别于传统光学波导的内反射原理，光子晶体波导基础原理是不同方向缺陷模共振匹配，故理论上光子晶体波导不受转角限制，弯曲损耗极小，可以用于制作低损耗转弯波导。

然而想要将现有的光子晶体器件集成在同一基片上却面临着器件间通光宽度不同以及耦合效率低下等诸多困难，故能在连接功能器件的同时，实现对光束高效的微压缩及微聚焦的缩束器对多光子晶体功能器件的集成有着极为重要的意义。缩束器的主要技术参数是光斑大小、压缩率和传输效率。压缩率是指入射光束和出射光束半高宽的比值，其数值根据设计要求越大越好。而传输效率则是出射端和入射端光强的比值，传输效率的高低直接影响着系统的效率。渐变波导可以实现器件连接并对光束进行控制，然而，渐变波导宽度的变化会导致严重的反射损失及模式失配，从而影响传输效率。所以，渐变波导的渐变角通常比较小而长度较长，难以缩小体积并应用于光电集成及全光网络中。为了减小宽度变化带来的损耗，有的研究提出引入抛物面透镜或伽利略望远镜光学系统来增大渐变角，以便能在较小的长度下完成光束宽度的控制。但同时光学器件的引入会使得渐变波导的结构复杂化，降低器件的集成度。另外，在光通信波段光子晶体器件尺度即亚微米尺度下，几何光学器件的衍射效应非常明显，限制了上述两种方法的应用。所以，迫切需要一种能实现亚微米尺度下对光束进行调节，并具有高传输效率的缩束器以实现光信息在器件间低损耗耦合传播。

发明内容：

本发明要解决的一个技术问题是提供一种能实现亚微米尺度下对光束进行调节，可在通信波段将光束进行微聚焦以及微压缩，并且耦合效率高的三级二维光子晶体缩束器。

为了解决上述技术问题，本发明的三级二维光子晶体缩束器由W7型光子晶体波导、W5型光子晶体波导、W1型光子晶体波导和纳米线波导按顺序密接排列构成。

所述W7型光子晶体波导和W5型光子晶体波导构成缩束器的一级压缩部分，W5型光子晶体波导和W1型光子晶体波导作为缩束器的二级压缩部分，三级压缩部分则由W1型光子晶体波导和纳米线波导构成。

特征频率的电磁波(1550nm)从缩束器左侧W7型光子晶体波导入射，经过W7型光子晶体波导和W5型光子晶体波导的高效耦合，再经W5型光子晶体波导和W1型光子晶体波导的高效耦合。由于W5型光子晶体波导通光孔径尺寸小于W7型光子晶体波导，光束完成一级压缩。由于W1型光子晶体波导通光孔径尺寸小于W5型光子晶体波导，光束完成二级压缩。W1型光子晶体波导中的光束经过W1型光子晶体波导和纳米线波导的高效耦合，从通光孔径更小的纳米线波导出射，完成光束的三级压缩。

本发明的优点是采用三级压缩结构对光束进行压缩，能实现亚微米尺度下对光束进行调节，可在通信波段将光束进行微聚焦以及微压缩，耦合效率高；能够达到高的压缩比以及较小的出射光斑，通过对W7型光子晶体波导、W5型光子晶体波导和W1型光子晶体波导缺陷区两侧硅柱、缺陷区硅柱、纳米线波导宽度W及W1型光子晶体波导的缺陷区中最后一个硅柱与纳米线波导之间距离d进行优化，缩束器的传输效率可达90.4％，远高于传统缩束系统。另外相对于渐变波导，本发明大大减小了器件的体积，提高了器件的集成度。

本发明要解决的另一个技术问题是提供一种三级二维光子晶体缩束器的制作方法。

为了解决上述技术问题，本发明的三级二维光子晶体缩束器的制作方法是在基底上刻蚀硅柱及纳米线波导制成三级二维光子晶体缩束器，具体包括下述步骤：

第一步，制备划片所需的划片槽；

第二步，使用纳米压印工艺，制备刻蚀硅柱及纳米线波导所需的掩膜，并在其掩蔽下进行ICP刻蚀，制作光子晶体缩束器主体结构；

第三步，对加工精度高于10nm的硅柱进行单独加工，使其达到所需尺寸；

第四步，去除器件结构边缘区。

制备划片所需的划片槽步骤如下：

(A)对SOI基底进行清洁处理；

(B)在SOI基底的顶硅层上制作一层光刻胶膜；

(C)将涂覆光刻胶膜的基底放入烘箱中前烘；

(D)对制备好的光刻胶膜进行紫外曝光，得到与刻蚀划片槽所需光刻版相同的图形；

(E)经过显影、坚膜，得到制作划片槽所需的光刻胶掩膜结构；

(F)对步骤(E)制作好的光刻胶掩模结构进行ICP刻蚀，然后去掉光刻胶膜得到划片结构。

使用纳米压印工艺，制备刻蚀硅柱及纳米线波导所需的掩膜，并在其掩蔽下进行ICP刻蚀，制作光子晶体缩束器主体结构的步骤如下：

(G)在硅片上涂覆一层光刻胶；

(H)对光刻胶进行电子束曝光、显影和坚膜，得到制作纳米压印模具所需的光刻胶掩膜结构；

(I)对制作好的光刻胶掩模结构进行ICP刻蚀；

(J)去掉光刻胶，然后清洗，得到纳米压印模具；

(K)在步骤(F)制作完成的划片结构上涂覆一层聚合物，将聚合物加热到玻璃化温度以上时，用纳米压印模具对其施加压力，开始压印；

(L)冷却聚合物到玻璃化温度以下，进行脱模；

(M)通过O₂RIE刻蚀去除残余聚合物，以开出窗口，得到ICP光刻胶掩膜结构；

(N)对步骤(M)制作好的ICP光刻胶掩膜结构进行ICP刻蚀，得到硅柱阵列及纳米线波导；

(O)将硅柱阵列及纳米线波导上的光刻胶去除，并清洗；

(P)按照划片槽划片，得到由硅柱阵列构成的光子晶体波导及纳米线波导结构。

对加工精度高于10nm的硅柱进行加工，使其达到所需尺寸的步骤如下：

(Q)在步骤(P)得到的光子晶体波导及纳米线波导结构上喷涂一层光刻胶作为保护层；

(R)对制备好的光刻胶进行光学曝光、显影，得到光刻胶掩膜结构，将需要加工的硅柱所在区域暴露出来；

(S)利用FIB工艺对需要加工的硅柱进行加工使其达到所需尺寸，去除光刻胶。

去除器件结构边缘区的步骤如下；

(T)在步骤(S)得到的器件结构表面喷涂PMMA或SU-8光刻胶层；

(U)对PMMA或SU-8光刻胶层进行同步辐射X射线曝光、显影，在器件结构的光子晶体波导及纳米线波导区域制作一个保护层；

(V)将步骤(U)得到的器件结构放入磨片机中，对其进行侧面研磨及抛光，去除器件结构边缘区并使器件侧面平整；

(W)对剩余的PMMA或SU-8光刻胶层进行同步辐射X射线曝光，然后通过显影去除PMMA或SU-8光刻胶保护层，并对其进行清洗，得到多级二维光子晶体缩束器结构。

本发明应用纳米压印与ICP刻蚀或FIB相结合的加工方法，使所述光子晶体缩束器有加工精度高、聚焦效果好，表面粗糙度低等优点，解决了因粗糙度偏高带来的散射大的问题。将同步辐射X射线光刻技术与研磨、抛光技术相结合进行边缘区去除及侧面修整，可以在去除边缘区的过程中有效保护多级二维光子晶体缩束器结构。

附图说明：

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的三级二维光子晶体缩束器主体平面示意图。

图2为刻蚀划片槽所需光刻版示意图。

图3a～3f为制备划片所需的划片槽工艺过程示意图。

图4a～4h为使用纳米压印工艺和ICP刻蚀制作多级二维光子晶体缩束器主体结构工艺过程示意图。

图5a～5f加工尺寸要求严格的硅柱工艺过程示意图。

图6a～6f为去除器件边缘区，以得到多级二维光子晶体缩束器的工艺过程示意图。

具体实施方式：

如图1所示，本发明的三级二维光子晶体缩束器由W7型光子晶体波导2、W5型光子晶体波导4、W1型光子晶体波导5和纳米线波导6按顺序密接排列构成。其中W7型光子晶体波导2和W5型光子晶体波导4构成缩束器的一级压缩部分，W5型光子晶体波导4和W1型光子晶体波导5作为缩束器的二级压缩部分，三级压缩部分则由W1型光子晶体波导5和纳米线波导6构成。

特征频率的电磁波(1550nm)从缩束器左侧W7型光子晶体波导2入射，经过W7型光子晶体波导2和W5型光子晶体波导4的高效耦合，再经W5型光子晶体波导4和W1型光子晶体波导5的高效耦合。由于W5型光子晶体波导4通光孔径尺寸小于W7型光子晶体波导2，光束完成一级压缩。由于W1型光子晶体波导5通光孔径尺寸小于W5型光子晶体波导4，光束完成二级压缩。W1型光子晶体波导5中的光束经过W1型光子晶体波导5和纳米线波导6的高效耦合，从通光孔径更小的纳米线波导6出射，完成光束的三级压缩。

W7型光子晶体波导、W5型光子晶体波导和W1型光子晶体波导的缺陷区的上、下两侧由硅柱10构成，硅柱10的半径r＝102nm。W7型光子晶体波导缺陷区硅柱3的半径r₃＝140nm，W5型光子晶体波导4中缺陷区硅柱11的半径为r₁＝70nm，W1型光子晶体波导5缺陷区硅柱12的半径r₂＝165nm。纳米线波导6的宽度W＝100nm，缺陷区中最后一个硅柱12与纳米线波导6之间距离d＝510nm。上述三级缩束系统可以达到90.4％的传输效率。

由公式压缩比γ＝W_i/W_O(其中W_i和W_O分别为入射光束和出射光束的半高宽)，当W＝100nm时，总压缩比为21.13；当W＝110nm时，总压缩比为19.69；当W＝120nm时，总压缩比为18.76；当W＝90nm时，总压缩比为20.32；当W＝80nm时，总压缩比为17.71。

本发明的三级二维光子晶体缩束器是在基底上制备数十个至数百个硅柱构成。基底为SOI(Silicon On Insulator)，由顶硅层、二氧化硅埋层(低折射率层)和衬底硅层构成。其中刻蚀硅柱阵列高度及纳米线波导高度与顶硅层厚度相同，故硅柱阵列及纳米线波导与二氧化硅埋层接触。W7型光子晶体波导、W5型光子晶体波导、W1型光子晶体波导和纳米线波导的通光宽度不同，尤其W7型光子晶体波导、W5型光子晶体波导和纳米线波导间通光宽度相差较大。而对于通信波段的W1型光子晶体波导，其通光宽度为几百个纳米，与纳米线波导通光宽度较为接近，故采用W5型光子晶体波导和W1型光子晶体波导作为中介，将W7型光子晶体波导、W5型光子晶体波导和纳米线波导连接起来，即采用三次压缩的方式实现对光束宽度的控制。三级光子晶体缩束器由一级压缩、二级压缩和三级压缩三部分组成，其中一级压缩由W7型光子晶体波导和W5型光子晶体波导构成，二级压缩W5型光子晶体波导和W1型光子晶体波导构成，三级压缩由W1型光子晶体波导和硅纳米线波导构成。一、二、三级缩束之间由W5型光子晶体波导和W1型光子晶体波导连接。由于W7型光子晶体波导、W5型光子晶体波导、W1型光子晶体波导和纳米线波导的通光宽度依次减小，故只要实现四者之间的高效耦合，即可实现对光束宽度的微控制。

图2为刻蚀划片槽所需光刻版示意图。光刻版为边长为A＝2cm的正方形结构，正方形结构被分为16个正方形小单元，每个单元边长为a＝0.5cm。所设计的二维光子晶体缩束器制作于小单元内，经过划片一次曝光可得16组二维光子晶体缩束器。

本发明的具体制作过程如下：

第一步，制备划片所需的划片槽；

(A)对顶硅层103厚220nm，二氧化硅埋层102厚3μm，衬底硅101厚600μm的SOI基底(如图3a所示)进行清洁处理；

(B)如图3b所示，在SOI基底上制作一层厚度为2-3μm的光刻胶膜104；

(C)将涂覆光刻胶膜104的基底放入烘箱中前烘；

(D)如图3c所示，对制备好的光刻胶膜104进行紫外曝光，得到与刻蚀划片槽所需光刻版相同的图形；

(E)如图3d所示，经过显影、坚膜，得到制作划片槽所需的光刻胶掩膜结构；

(F)如图3e所示，对步骤(E)制作好的光刻胶掩模结构进行ICP(感应耦合等离子体)刻蚀，刻蚀深度为4μm，如图3f所示，去掉光刻胶膜104得到划片结构；

第二步，使用纳米压印工艺，制备刻蚀硅柱及纳米线波导所需的掩膜，并进行ICP刻蚀，制作光子晶体缩束器主体结构：

(G)如图4a所示，在硅片201上涂覆一层光刻胶202；

(H)如图4b、4c所示，对光刻胶202进行电子束曝光、显影和坚膜，得到制作纳米压印模具所需的光刻胶掩膜结构；

(I)对制作好的光刻胶掩模结构进行ICP刻蚀；

(J)如图4d所示，去掉光刻胶202，然后清洗，得到纳米压印模具203；

(K)如图4e所示，在步骤(F)制作完成的划片结构上涂覆一层聚合物204，将聚合物204加热到玻璃化温度以上时，用纳米压印模具203对其施加压力，开始压印；

(L)冷却聚合物204到玻璃化温度以下，进行脱模；

(M)如图4f所示，通过O₂RIE(反应离子刻蚀)刻蚀去除残余聚合物，以开出窗口，得到ICP光刻胶掩膜结构；

(N)如图4g所示，对步骤(M)制作好的ICP光刻胶掩膜结构进行ICP刻蚀，刻蚀深度为220nm，得到硅柱阵列105及纳米线波导；

(O)如图4h所示，将硅柱阵列105及纳米线波导上的光刻胶去除，并清洗；

(P)按照划片槽划片，即得到16个由硅柱阵列105构成的光子晶体波导及纳米线波导结构；

第三步，对尺寸要求严格的加工精度高于10nm的硅柱进行单独加工：

(Q)如图5a、5b所示，在步骤(P)得到的光子晶体波导及纳米线波导结构上喷涂一层光刻胶301作为保护层；

(R)如图5c、5d所示，对制备好的光刻胶301进行光学曝光、显影，得到光刻胶掩膜结构，将需要加工的介质柱106(缺陷区介质柱)所在区域暴露出来；

(S)如图5e、5f所示，利用聚焦离子束(FIB)工艺对需要加工的介质柱106进行高精度加工使其达到所需尺寸，去除光刻胶301；

第四步，去除边缘区；

(T)如图6a、6b所示，在步骤(S)得到的器件结构表面喷涂PMMA层401；

(U)如图6c、6d所示，对PMMA层401进行同步辐射X射线曝光、显影，在器件结构的光子晶体波导及纳米线波导区域上制作一个保护层；

(V)如图6e所示，将步骤(U)得到的器件结构放入磨片机中，分别用不同的研磨液或抛光液进行侧面研磨及抛光，去除器件结构边缘区并使器件侧面平整；

(W)如图6f所示，对剩余的PMMA层401进行同步辐射X射线曝光，然后去除PMMA保护层并对其进行清洗，得到三级二维光子晶体缩束器结构。

本发明不限于上述实施方式，本发明各级光子晶体波导的缺陷区可以是光子晶体中去掉一行或多行介质柱形成，或者由半径大于或小于缺陷区上、下两侧介质柱的一行或多行介质柱构成；因此，凡是在本发明权利要求1技术方案基础上作出的任何简单变形，都在本发明意图保护范围之内。

Claims (7)

1.一种三级二维光子晶体缩束器，其特征在于由W7型光子晶体波导（2）、W5型光子晶体波导（4）、W1型光子晶体波导（5）和纳米线波导（6）按顺序密接排列构成。

2.根据权利要求1所述的三级二维光子晶体缩束器，其特征在于所述W7型光子晶体波导（2）、W5型光子晶体波导（4）和W1型光子晶体波导（5）的缺陷区的上、下两侧由硅柱（10）构成，硅柱（10）的半径r=102nm；W7型光子晶体波导（2）中缺陷区硅柱（3）的半径r₃=140nm，W5型光子晶体波导（4）中缺陷区硅柱（11）的半径为r₁=70nm，W1型光子晶体波导（5）中缺陷区硅柱（12）的半径r₂=165nm；纳米线波导（6）的宽度W=100nm，W1型光子晶体波导（5）的缺陷区中最后一个硅柱与纳米线波导（6）之间距离d=510nm。

3.一种如权利要求1所述的三级二维光子晶体缩束器的制作方法，其特征在于是在基底上刻蚀硅柱及纳米线波导制成三级二维光子晶体缩束器，具体包括下述步骤：

第一步，制备划片所需的划片槽；

第二步，使用纳米压印工艺，制备刻蚀硅柱及纳米线波导所需的掩膜，并在其掩蔽下进行ICP刻蚀，制作光子晶体缩束器主体结构；

第三步，对加工精度高于10nm的硅柱进行单独加工，使其达到所需尺寸；

第四步，去除器件结构边缘区。

4.根据权利要求3所述的三级二维光子晶体缩束器的制作方法，其特征在于制备划片所需的划片槽步骤如下：

（A）对SOI基底进行清洁处理；

（B）在SOI基底的顶硅层（103）上制作一层光刻胶膜（104）；

（C）将涂覆光刻胶膜（104）的基底放入烘箱中前烘；

（D）对制备好的光刻胶膜(104)进行紫外曝光，得到与刻蚀划片槽所需光刻版相同的图形；

（E）经过显影、坚膜，得到制作划片槽所需的光刻胶掩膜结构；

（F）对步骤（E）制作好的光刻胶掩模结构进行ICP刻蚀，然后去掉光刻胶膜(104)得到划片结构。

5.根据权利要求4所述的三级二维光子晶体缩束器的制作方法，其特征在于使用纳米压印工艺，制备刻蚀硅柱及纳米线波导所需的掩膜，并在其掩蔽下进行ICP刻蚀，制作光子晶体缩束器主体结构的步骤如下：

（G）在硅片（201）上涂覆一层光刻胶（202）；

（H）对光刻胶（202）进行电子束曝光、显影和坚膜，得到制作纳米压印模具所需的光刻胶掩膜结构；

（I）对制作好的光刻胶掩模结构进行ICP刻蚀；

（J）去掉光刻胶（202），然后清洗，得到纳米压印模具（203）；

（K）在步骤（F）制作完成的划片结构上涂覆一层聚合物（204），将聚合物（204）加热到玻璃化温度以上时，用纳米压印模具（203）对其施加压力，开始压印；

（L）冷却聚合物（204）到玻璃化温度以下，进行脱模；

（M）通过O2RIE刻蚀去除残余聚合物，以开出窗口，得到ICP光刻胶掩膜结构；

（N）对步骤（M）制作好的ICP光刻胶掩膜结构进行ICP刻蚀，得到硅柱阵列（105）及纳米线波导；

（O）将硅柱阵列（105）及纳米线波导上的光刻胶去除，并清洗；

（P）按照划片槽划片，得到由硅柱阵列（105）构成的光子晶体波导及纳米线波导结构。

6.根据权利要求5所述的三级二维光子晶体缩束器的制作方法，其特征在于对加工精度高于10nm的硅柱进行单独加工，使其达到所需尺寸的步骤如下：

（Q）在步骤（P）得到的光子晶体波导及纳米线波导结构上喷涂一层光刻胶（301）作为保护层；

（R）对制备好的光刻胶（301）进行光学曝光、显影，得到光刻胶掩膜结构，将需要加工的硅柱（106）所在区域暴露出来；

（S）利用FIB工艺对需要加工的硅柱（106）进行加工使其达到所需尺寸，去除光刻胶（301）。

7.根据权利要求6所述的三级二维光子晶体缩束器的制作方法，其特征在于去除器件结构边缘区的步骤如下；

（T）在步骤（S）得到的器件结构表面喷涂PMMA或SU-8光刻胶层（401）；

（U）对PMMA或SU-8光刻胶层（401）进行同步辐射X射线曝光、显影，在器件结构的光子晶体波导及纳米线波导区域制作一个保护层；

（V）将步骤（U）得到的器件结构放入磨片机中，对其进行侧面研磨及抛光，去除器件结构边缘区并使器件侧面平整；

（W）对剩余的PMMA或SU-8光刻胶层（401）进行同步辐射X射线曝光，然后通过显影去除PMMA或SU-8光刻胶保护层，并对其进行清洗，得到多级二维光子晶体缩束器结构。