CN102789024B

CN102789024B - T型分支波导

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Publication number: CN102789024B
Application number: CN 201110129324
Authority: CN
Inventors: 王曦; 杨志峰; 武爱民; 甘甫烷; 林旭林; 李�浩
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2011-05-18
Filing date: 2011-05-18
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2031-05-18
Also published as: CN102789024A

Abstract

一种T型分支波导，利用SOI基二维平板柱状光子晶体的自准直效应实现输入光信号的180°分束传播，属于半导体光学技术领域，包括SOI衬底、在SOI衬底顶层硅刻蚀形成的硅柱区域以及将硅柱区域与外部光纤或其他器件连接的SOI条形波导。其中：硅柱区域中，刻蚀形成的硅柱呈长方晶格排列在SOI顶层硅上，硅柱的深度为SOI顶层硅的厚度，SOI条形波导为T型分支波导的输入波导，且距离硅柱区域与所述SOI条形波导平行的两边界均有一距离。该T型分支波导对于入射光束角度极不敏感，分束区的长度可以控制在10μm以内，极大缩短总体器件长度，结构更为紧凑；同时，其具有较大的制备容差和更灵活的设计。

Description

T型分支波导

技术领域

本发明涉及一种应用于光通讯、光计算、光传感和光学测量等领域的光子晶体分束器，特别涉及一种以SOI材料的光子晶体T型分支波导结构，属于半导体光学技术领域。

背景技术

在过去半个世纪中，以硅为主导的微电子技术取得了举世瞩目的成就，大力推动了信息技术黄金时代的到来。硅在市场方面的垄断地位和在工艺方面的巨大优势，吸引着人们不断研发小型化、集成化的硅基光子器件，以实现大规模集成的光子芯片。

绝缘体上的硅（Silicon-on-Insulator，SOI）是一种独特的硅基材料体系，采用这种材料制作光电子器件有利于兼容成熟的CMOS工艺，实现大规模的光子集成与光电集成。但是，普通的SOI光波导尺寸较大，相应的器件很难实现高密度的集成芯片，于是，光子晶体的概念应运而生。

所谓光子晶体，指的是折射率发生波长尺度的周期性改变，具有一定光子带隙（PBG）的材料结构。光子晶体的出现，为将来的光电和光子集成芯片开辟了一条新的道路。比如，光子晶体波导通过带隙的限制效应而导光，由于波导宽度在波长量级，就能使波导器件的尺寸大为降低。

产生完全光子带隙的3-D光子晶体在制作上还有一定困难，因此，二维光子晶体平板是目前构造光子晶体器件的最优选择。在平板平面内，通过光子禁带产生光限制，而在垂直于平板波导的方向上，通过折射率导引产生光限制。如果是周期性的空气孔分布于介质材料中，将对TE模产生较大的光子带隙，如果是周期性的介质柱分布于空气中，将对TM模产生较大的光子带隙。

Y型光功率分束器是光学和光电领域中的基本器件。但是，目前的波导型Y分束器大多长达几千微米，光纤型的Y分束器更是长达几个毫米，这种大尺寸的器件将无法应用于将来大规模的集成光子芯片中。

光子晶体的出现为器件小型化提供了一条新途径。然而，普通结构的光子晶体Y分束器一般在输入、输出波导的交接区引入缺陷小孔（或缺陷柱）来提高分束效率、减小插入损耗。图1为传统光子晶体Y分束器的结构示意图。如图1所示，该结构需要在输入波导和输出波导的交接处引入直径较小的硅柱（即缺陷柱），以降低器件损耗、提高输出效率，这就需要比较精确的曝光工艺。这种结构的最大不足是制作容差小，缺陷孔或缺陷柱的直径往往只有几十纳米，其位置也需要精确确定，因而给实际制作带来很大困难，同时，受到结构各种效应及光传输损耗的影响，光子晶体分束器的分束角度受到限制，难以实现大角度钝角的分束。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种光子晶体T型分支波导，实现光束的180°分束，同时克服现有光子晶体Y分束器存在的不足以及制备上的困难。,

为解决上述技术问题，本发明提供的T型分支波导基于SOI衬底结构，包括：SOI衬底、在SOI衬底顶层硅刻蚀形成的硅柱区域以及将硅柱区域与外部光纤或其他器件连接的SOI条形波导。其中：硅柱区域中，刻蚀形成的硅柱呈长方晶格排列在SOI顶层硅上，硅柱的深度为SOI顶层硅的厚度，SOI条形波导为T型分支波导的输入波导，且距离硅柱区域与所述SOI条形波导平行的两边界均有一距离。

进一步的，SOI条形波导沿非硅柱长方晶格短边方向的任意角度输入，最优的，SOI条形波导沿硅柱长方晶格的长边方向输入。

进一步的，SOI条形波导的高度与空气孔深度相等。

进一步的，硅柱长方晶格排列的长边b、短边a的比值β范围为：2≤β≤2.5。

进一步的，硅柱的半径r的范围为：0.3a≤r≤0.5a，深度h的范围为：1.5a≤h≤3a。

进一步的，硅柱长方晶格排列的短边a为400nm，所述硅柱的深度h为800nm，半径r为0.39a，所述硅柱长方晶格排列的长边b、短边a的比值β为2.4。

进一步的，SOI条形波导的宽度至少为

可选的，位于SOI顶层硅的硅柱结构通过电子束曝光、电感耦合等离子体工艺刻蚀或FIB或标准CMOS工艺刻蚀形成。

进一步的，该T型分支波导结构还包括两输出波导，分别位于硅柱区域两侧，并沿硅柱长方晶格排列的短边方向输出。

进一步的，输出波导的宽度至少为

本发明的技术效果是，该光子晶体T型分支波导与传统的分束器相比，能够实现入射光束的180°大角度分束，同时由于完全采用光子晶体结构实现光束的分束，分束区的长度可以控制在10μm以内，这使总体器件的长度极大缩短，结构更为紧凑；同时，与普通的光子晶体Y分束器相比，其不需要引入缺陷柱或缺陷孔，制备容差更大、设计更为灵活，能够更为广泛的用在未来的光子芯片中。此外，本发明提供的光子晶体分束器结构基于SOI衬底，与目前成熟的CMOS工艺兼容，制备工艺简单成熟、成本低廉。

附图说明

图1为普通SOI光子晶体Y分束器的结构示意图；

图2二维长方晶格柱状平板光子晶体不同β取值的能带面；

图3为二维长方晶格柱状平板光子晶体TE模式第二能带等频图；

图4为本发明提供的SOI光子晶体T型分支波导的结构及FDTD仿真结果示意图；

图5是本发明提供的SOI光子晶体T型分支波导的结构侧面示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

一般来说，通过在光子晶体内部引入缺陷作为通道可以引导光束的传输。但是，光子晶体还具有一个独特的性质——自准直效应。基于这一效应，在光子晶体内部不需要引入任何缺陷，光束自身就可以克服衍射发散准直向前传输。这一特性源于光子晶体的色散关系，并且，自准直光束除了能够自动准直传输以外，还具有零交叉效应，角度不敏感效应，对光子晶体结构精度不敏感等效应。

图2为二维长方晶格柱状平板光子晶体不同β取值的能带面。

与正方晶格周期结构相比，长方晶格由于对称性降低而具有更多的结构参数，这为设计和调节布里渊区能带结构提供了更多途径。为了获得对入射角度不敏感的自准直效应，需要得到尽可能平坦的等频率线。研究表明，β（β是长方晶格长边b的长度与短边a的长度的比值）对能带面结构有很大影响。如图2所示，固定柱体半径为0.15a时，β取不同数值时（其余参数不变），对称结构光子晶体的能带面。很明显，当β=1时，能带面是正方晶格时的情况；随着β增大，能带面在倒格子短边方向（对应实空间晶格长边方向）被压缩，同时倒格子两端中间位置的能带面隆起，两侧中间位置的能带面凹陷；进一步增大β，倒格子两端的能带面逐渐变得平坦。当β在2到2.5之间时，倒格子两端的能带面具有非常平坦的部分，即在这种情况下具有非常平坦的等频率线。

图3为是β=2，r=0.4a，h=2.05a时，在TM模式下非对称结构光子晶体第二能带的等频图，如图3所示，归一化频率为0.29c/a的等频率线非常平坦。在此情况下，即使入射角为90°，光束仍会沿着长方晶格短边方向自准直传播。

图4为本发明提供的本发明提供的SOI光子晶体T型分支波导的结构及FDTD仿真结果示意图。

如图4至图5所示，本具体实施方式提供的光子晶体T型分支波导基于SOI衬底结构，所述SOI衬底结构包括衬底硅层101、位于衬底硅层101上的二氧化硅埋层102以及位于该二氧化硅埋层102上的顶层硅103。该T型分支波导包括：SOI衬底、在SOI衬底顶层硅103上刻蚀形成的硅柱区域以及将硅柱区域与外部光纤或其他器件连接的SOI条形波导。其中，硅柱区域中，刻蚀形成的硅柱呈长方晶格排列在SOI顶层硅103上，硅柱的深度h为SOI顶层硅的厚度，SOI条形波导为T型分支波导的输入波导，且距离硅柱区域与所述SOI条形波导平行的两边界A、B均有一距离L1、L2，上述距离可以相等，也可以不相等。

本具体实施方式中，SOI条形波导的高度与硅柱的深度h相等，均为SOI顶层硅的厚度，该深度h与硅柱长方晶格排列的短边长度a的关系为：1.5a≤h≤3a，SOI衬底二氧化硅埋层的厚度至少为2.64a；硅柱的半径r与硅柱长方晶格排列的短边长度a的关系为：0.3a≤r≤0.5a。

作为最佳实施方式，硅柱长方晶格排列的短边a为400nm，所述硅柱的深度h为800nm，半径r为0.39a，所述硅柱长方晶格排列的长边长度b（图中硅柱圆心之间的距离）、短边长度a（图中硅柱圆心之间的距离）的比值β为2.4。此时，入射光频率取0.266c/a，在通讯波段附近，不管入射光沿何方向入射，光线在硅柱区域内均沿长方晶格短边方向传输。

本具体实施方式提供的T型分支波导中，SOI条形波导的宽度k至少为硅柱长方晶格排列短边长度a的

倍，输出波导的宽度K至少为硅柱长方晶格排列长边长度b的倍。

本具体实施方式中涉及的硅柱光子晶体结构位于SOI顶层硅中，通过电子束曝光、电感耦合等离子体工艺刻蚀或FIB或标准CMOS工艺刻蚀形成。

进一步如图4所示，SOI条形波导沿硅柱长方晶格排列的长边方向输入，由于这种光子晶体结构在晶格长边方向存在方向性禁带，即处在禁带范围内的光波无法沿着晶格长边方向传播，而只能沿着晶格短边方向自准直传播，从而实现入射光束的180°分束。在两端波导处的能量探测结果显示，这种分束器的能量分束比约为1：1。

同时考虑到该尺寸光子晶体结构的全光自准直效应，当输入波导的角度发生变化时，入射光束进入硅柱区域后，仍将沿长方晶格短边方向传播，实现180°的分束，仅两分束光束的能量比例发生改变。

本具体实施方式提供的光子晶体T型分支波导，利用SOI基二维平板硅柱光子晶体的全光自准直效应实现输入光信号的180°分束传播，且对入射光束的角度具有极大范围的容忍度，与传统的分束器相比，由于完全采用光子晶体结构实现光束的分束，分束区的长度可以控制在10μm以内，这使总体器件的长度极大缩短，结构更为紧凑；同时，与普通的光子晶体Y分束器相比，其不需要引入缺陷柱或缺陷孔，制备容差更大、设计更为灵活，能够更为广泛的用在未来的光子芯片中。此外，本发明提供的光子晶体分束器结构基于SOI衬底，与目前成熟的CMOS工艺兼容，制备工艺简单成熟、成本低廉。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims

1.一种T型分支波导，其特征在于：所述T型分支波导包括SOI衬底、在SOI衬底的顶层硅（103）上刻蚀形成的呈长方晶格排列的硅柱区域以及将硅柱区域与外部器件连接的SOI条形波导；所述硅柱区域内的硅柱深度（h）等于SOI顶层硅（103）的厚度，所述SOI条形波导位于呈长方晶格排列的硅柱区域的长边或短边；所述SOI衬底（100）包括衬底硅层（101）、位于衬底硅层（101）上的二氧化硅埋层（102）以及位于该二氧化硅埋层（102）上的顶层硅（103）。

2.根据权利要求1所述的T型分支波导，其特征在于，所述SOI条形波导沿长方晶格短边方向的任意角度输入。

3.根据权利要求1所述的T型分支波导，其特征在于，所述SOI条形波导沿长方晶格的长边方向的任意角度输入。

4.根据权利要求1所述的T型分支波导，其特征在于，所述SOI条形波导的高度与硅柱的深度相等。

5.根据权利要求1所述的T型分支波导，其特征在于，所述长方晶格排列的长边长度b与短边长度a的比值β范围为：2≤β≤2.5。

6.根据权利要求1所述的T型分支波导，其特征在于，所述硅柱的半径r的范围为：0.3a≤r≤0.5a，其中，a为长方晶格排列的短边长度。

7.根据权利要求1所述的T型分支波导，其特征在于，所述硅柱的深度h的范围为：1.5a≤h≤3a，其中，a为长方晶格排列的短边长度。

8.根据权利要求5或6或7所述的T型分支波导，其特征在于，所述硅柱长方晶格排列的短边长度a为400nm，所述硅柱的深度h为800nm，半径r为0.39a，所述长方晶格排列的长边长度b与短边长度a的比值β为2.4。

9.根据权利要求8所述的T型分支波导，其特征在于，所述SOI条形波导的宽度至少为其中，a为长方晶格排列的短边长度。

10.根据权利要求1所述的T型分支波导，其特征在于，所述硅柱通过电子束曝光、电感耦合等离子体工艺刻蚀或FIB刻蚀形成。

11.根据权利要求1所述的T型分支波导，其特征在于，所述T型分支波导还包括两输出波导，分别位于硅柱区域的两侧，并沿长方晶格排列的短边方向输出。

12.根据权利要求11所述的T型分支波导，其特征在于，所述输出波导的宽度至少为

其中，b为长方晶格排列的长边长度。