CN103364873A - 一种硅基二氧化硅波导及其制作与应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学材料器件技术领域，特别涉及一种硅基二氧化硅波导及其制作与应用方法。本发明通过对波导中硅基上的二氧化硅进行光刻刻蚀工艺，形成截面为矩形的波导芯区空间。本发明的硅基二氧化硅波导结构给出了特定的几何参数，可以实现多种全光逻辑器件，包括：全光分路器、全光耦合器、全光开关、全光逻辑门、全光存储器、全光路由器，都可以通过特定微区结构的硅基二氧化硅波导加工得到，进一步应用还包括全光集成芯片和全光网络。采用了波长范围270～1100nm的飞秒脉冲光源作为全光逻辑器件的高速输入信号。本发明采用的二氧化硅微区结构在制作上具有与硅微电子工艺兼容的优点，在工业上易于推广应用。

Description

一种硅基二氧化硅波导及其制作与应用方法

技术领域

本发明属于光学材料器件技术领域，特别涉及一种硅基二氧化硅波导及其制作与应用方法。

背景技术

现有的全关逻辑器件应用的材料，主要有光子晶体、非线性双稳态材料、纳米线和等离激元波导。存在的问题是价格昂贵、不够微型、工艺复杂、性噪比低、光信号的逻辑输入输出“1”和“0”对比度小，甚至需要在低温环境下运行，难以在实际应用中普及推广。

硅材料是现代微电子产业的基石，加工工艺成熟，制作了绝大部分的半导体芯片。

硅基上用热氧法生成二氧化硅薄层是十分成熟标准的工艺，是先在硅衬底上先沉积二氧化硅，再经刻蚀后形成的波导，其厚度可以从几十纳米（nm）到几微米（μm）进行选择，以成本低廉、材料来源广泛占据优势，

在现实中，单波长单纵模偏振激光器发出的光束，在某一波阵面上具信息1的性质。因此，在应用上可以选择飞秒脉冲光源，有光强即为1，无光强即为0，光信号在硅基二氧化硅波导中的逻辑输入输出“1”和“0”对比度很强，在全光信号处理、全光逻辑器件方面得到理论验证。

本发明提出用硅基二氧化硅微区结构制作的全光逻辑器件，利用该类波导的全光交换，特别涉及制作全关逻辑器件的硅基二氧化硅波导通用几何参数范围，在国际上鲜有报道。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种硅基二氧化硅波导及其制作与应用方法。

一种硅基二氧化硅波导的制作方法，其具体方案如下：

在硅片上设置二氧化硅薄层，采用微加工工艺在硅片上对二氧化硅进行刻蚀，制作硅基二氧化硅微区结构，形成高性能波导，实现光学相干计算。

所述硅片的折射率为3.42，二氧化硅的折射率为1.444。

所述硅片上二氧化硅层的厚度为0.2μm～2μm。

所述微加工工艺为掩膜板制作工艺、飞秒激光加工工艺、极紫外光刻工艺或激光无掩膜光刻工艺。

一种硅基二氧化硅波导，所述波导是通过上述方法所制作得到的波导。

所述波导结构中二氧化硅的纵截面为矩形。

所述波导为直线型波导、圆弧型波导或者二者的任意组合形式。

所述圆弧型波导是四分之一圆弧型波导的任意组合形式。

一种硅基二氧化硅波导的应用方法，通过对多个硅基二氧化硅直线型波导和圆弧形波导的组合，实现光信号在硅基二氧化硅波导中的“相长或相消”干涉，制作全光逻辑元件或器件。

所述全光逻辑元件为或门、与门、异或门、同或门、或非门或与非门；所述全光逻辑器件为全光分路器、全光耦合器、全光开关、全光逻辑门、全光存储器或全光路由器。

本发明的有益效果为：

（1）逻辑输出“1”和“0”对比度强；

（2）微加工工艺成熟、材料成本低的硅基二氧化硅波导制成全光逻辑器件；

（3）将特定功能的微区结构可进行灵活组合达到特定全光逻辑器件的计算要求；

（4）进行纯光学的逻辑运算，可极大的提高计算速度。

本发明采用的二氧化硅微区结构在制作上具有与硅微电子工艺兼容的优点，在工业上易于推广应用。

附图说明

图1-1为硅基二氧化硅波导结构示意图；

图1-2为硅基二氧化硅波导立体结构示意图；

图1-3为硅基二氧化硅波导截面结构示意图；

图2-1为直线型波导结构俯视图；

图2-2为对称型波导结构俯视图；

图2-3为非对称型波导结构俯视图；

图2-4为对称Y型波导结构俯视图；

图2-5为非对称Y型波导结构俯视图。

具体实施方式

本发明提供了一种硅基二氧化硅波导及其制作与应用方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明提出了一种硅基二氧化硅波导及其制作与应用方法。采用微加工工艺得到的微区结构可以进行任意组合，得到各种全光逻辑器件。

本发明包括以下内容：

（1）利用波导相干计算，以“相长或相消”干涉来实现“0”、“1”的计算；

（2）在硅基晶片上对二氧化硅进行微加工刻蚀，制作出波导芯区空间；

（3）二氧化硅层厚度为0.2μm～2μm；

（4）硅的折射率为3.42，二氧化硅的折射率为1.444；

（5）波导结构中二氧化硅的纵截面为矩形（矩形的宽度取值范围：0.2μm～1μm，高度为取值范围：0.2μm～0.8μm）；

（6）圆弧型波导的曲率半径取值范围：1μm～4μm；

（7）采取波长范围270～1100nm的飞秒脉冲光源作为信号光；

（8）利用两臂光程差的相干计算得到“对称”和“非对称”Y型波导（由若干个直线型波导和圆弧形波导组合得到）；

其中采用本方法制作的波导可以是直线型波导、圆弧型波导或者二者的组合。

其中采用本方法制作的波导间光程差不大于400nm。

其中步骤（2）中是用微加工工艺得到的截面为矩形的波导芯区空间。

通过该方法可实现光信号在硅基二氧化硅波导中的完美“相长/相消”干涉，制作全光逻辑器件。

本发明涉及的硅基二氧化硅波导全光逻辑器件，在精确的几何参数范围内制作，根据之前波导尺寸的计算，选择相应厚度的二氧化硅硅片，采用微加工刻蚀的方法，将波导范围之外的二氧化硅刻蚀干净，剩余的二氧化硅形成宽高比一定的波导芯区。利用光的“相长或相消”干涉来实现逻辑运算，使其比其它波导逻辑器件的计算速度更快，功耗更低。

本发明中Y型波导涉及到了光程差，是基于光的波动传输特性，其相位在Y型波导芯区前进方向上以波长为周期变化着，当波阵面移动了波长一半（λ/2）的距离时，其相位变成完全相反，由↑转换为↓。所以在设计时，非对称Y型波导的上下臂长度相差了所用波长一半（λ/2）的奇数倍。

本发明中波导芯区微加工采用的几种方法：

（1）掩膜板制作工艺：制作掩膜板技术中，国际上较为流行的是电子束和激光束系统的图形发生器。其主要优点是能够将设计数据直接转化为相应的图形，在超微粒干版或匀胶铬版上进行直接曝光制版，极大地提高制作的效率和精度。

（2）飞秒激光加工工艺：基于能量高度集中、热影响区小、无飞溅无熔渣、不需特殊气体环境和无后续工艺的优势，在微结构加工工艺中有重要应用。

（3）极紫外光刻工艺：光源的要求是高输出功率；为了降低成本，可采用能够满足工艺要求的小分子光刻胶材料。

（4）激光无掩膜光刻工艺：基于激光与材料相互作用后出现的光化学、光物理现象。包括激光近场扫描光刻、干涉光刻、非线性光刻以及激光热刻蚀。

本发明涉及的硅基二氧化硅波导几何参数，包含波导截面参数、直线型波导结构参数、对称型波导结构参数、非对称型波导结构参数。

波导逻辑器件是在硅基晶片的二氧化硅膜上刻蚀矩形微区结构实现的。

图1-1为波导原理图，硅基晶片的二氧化硅厚度为0.2～2μm；

图1-2为波导立体图，对硅基晶片的二氧化硅先进行刻蚀，刻蚀出截面为矩形的波导芯区空间，

代表二氧化硅层波导芯区空间、

代表硅层；

图1-3为波导芯区空间截面图，对硅基晶片的二氧化硅先进行刻蚀，刻蚀出截面为矩形的波导芯区空间，波导芯区空间截面为矩形（宽度取值范围：0.2μm～1μm，高度为取值范围：0.2μm～0.8μm）；

图2-1为直线型波导示意图，波导长度为2～10μm，截面是矩形（宽度取值范围：0.2μm～1μm，高度取值范围：0.2μm～0.8μm）；

图2-2为四分之一圆弧波导示意图，曲率半径取值范围：1μm～4μm，截面为矩形（宽度取值范围：0.2μm～1μm，高度取值范围：0.2μm～0.8μm）；

图2-3为圆弧波导示意图，曲率半径取值范围：1μm～4μm，截面为矩形（宽度取值范围：0.2μm～1μm，高度取值范围：0.2μm～0.8μm）；

图2-4为四个圆弧形波导、一个直线型波导组合结构示意图：上半部分光路长度为L1，下半部分光路长度为L2，L1=L2，此组合结构即对称Y型波导。对硅基晶片的二氧化硅先进行微加工刻蚀，刻蚀出截面为矩形的波导芯区空间，芯区空间截面为矩形（宽度取值范围：0.2μm～1μm，高度取值范围：0.2μm～0.8μm）；圆弧型波导的曲率半径取值范围：1μm～4μm；直线型波导长度为4～10μm；

图2-5为四个圆弧形波导、二个直线型波导组合结构示意图：上半部分光路长度为L1，下半部分光路长度为L2，上半部分光路比下半部分光路多出一个纵向直线型波导，其中ΔL=n(L1–L2)=λ×(1/2+N)，此处n为硅折射率，λ为波长，N为自然数，组合结构即非对称Y型波导。对硅基晶片的二氧化硅先进行微加工刻蚀，刻蚀出截面为矩形的波导芯区空间，芯区空间截面为矩形（宽度取值范围：0.2μm～1μm，高度为取值范围：0.2μm～0.8μm）；圆弧型波导的曲率半径取值范围：1μm～4μm；横向直线型波导长度为4～10μm。

此外，通过对多个硅基二氧化硅直线型波导和圆弧形波导的组合，可实现其它全光逻辑关系的元件，如或门、与门、异或门、同或门、与非门、或非门等，本领域技术人员根据现有技术可以轻易地利用这种结构实现全光分路器、全光耦合器、全光开关、全光逻辑门、全光存储器、全光路由器和其它全光逻辑器件。

Claims (10)

1.一种硅基二氧化硅波导的制作方法，其特征在于，具体方案如下：

在硅片上设置二氧化硅薄层，采用微加工工艺在硅片上对二氧化硅进行刻蚀，制作硅基二氧化硅微区结构，形成高性能波导，实现光学相干计算。

2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述硅片的折射率为3.42，二氧化硅的折射率为1.444。

3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述硅片上二氧化硅层的厚度为0.2μm～2μm。

4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于：所述微加工工艺为掩膜板制作工艺、飞秒激光加工工艺、极紫外光刻工艺或激光无掩膜光刻工艺。

5.一种硅基二氧化硅波导，其特征在于：所述波导是通过权利要求1～4任意一条权利要求所述方法所制作得到的波导。

6.根据权利要求5所述的一种硅基二氧化硅波导，其特征在于：所述波导结构中二氧化硅的纵截面为矩形。

7.根据权利要求5所述的一种硅基二氧化硅波导，其特征在于：所述波导为直线型波导、圆弧型波导或者二者的任意组合形式。

8.根据权利要求7所述的一种硅基二氧化硅波导，其特征在于：所述圆弧型波导是四分之一圆弧型波导的任意组合形式。

9.如权利要求5～8任意一条权利要求所述的一种硅基二氧化硅波导的应用方法，其特征在于：通过对多个硅基二氧化硅直线型波导和圆弧形波导的组合，实现光信号在硅基二氧化硅波导中的“相长或相消”干涉，制作全光逻辑元件或器件。

10.根据权利要求9所述的应用方法，其特征在于：所述全光逻辑元件为或门、与门、异或门、同或门、或非门或与非门；所述全光逻辑器件为全光分路器、全光耦合器、全光开关、全光逻辑门、全光存储器或全光路由器。

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