CN103926688A - 一种基于mems硅基中红外波段光调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于MEMS硅基中红外波段光调制器。在SOI材料的顶层硅上分别刻蚀出由弯曲硅波导、电极和条形硅波导组成两组相同的波导结构，两组波导结构分别沿顶层硅中心方向相反且对称布置，每条弯曲硅波导的一端与条形波导连接，每条弯曲硅波导的另一端与电极连接；在二氧化硅衬底上开有一排等距、布置的多个空气槽，两根条形波导位于多个空气槽的上方，相邻凹槽连接处用来支撑两根条形波导。本发明不仅降低整个器件中由于二氧化硅层带来的高吸收损耗，而且可以使用MEMS来控制悬浮波导的弯曲可以改变耦合器的耦合长度，从而控制输出端的信号，避免热光效应；具有结构简单，与CMOS工艺兼容，控制简单的优点。
Description
技术领域
本发明涉及中红外波段光调制器，特别涉及建立在SOI材料上的一种基于MEMS硅基中红外波段光调制器。
背景技术
21世纪以来，集成光学器件特别是硅基集成光电子器件的发展十分迅速，各种新型的光学器件不断被报道出来。采用硅作为材料的硅基光学器件能够与现有非常成熟的CMOS工艺相结合，生产成本低，性能可靠性高，并且能够与电路系统相结合，形成多功能的光电混合模块和系统，将在通信、传感、军事、生物等众多领域得到广泛地应用，具有非常光明的前景。
中红外波段（2 um ~ 20 um），是太阳光辐射光中一个重要的波段，其在各个科技领域有着十分重要的应用，包括传感、环境监测、生物医学应用、热成像等等。到目前为止，硅基光电子器件的研究大多数处于近红外波段，主要以1550nm为主，硅基中红外波长器件由于多种原因，相关研究则相对较少，研究发展也比较缓慢。然而中红外硅基光电子器件有着诸多优点：远大于近红外波段的等离子色散效应，双光子吸收吸收比近红外波段大大减弱，工艺尺寸更大从而制作简单、成本降低，更多近红外波段的难以制作的结构，如slot波导等都能在中红外波段实现。因此，研究和制作硅基中红外器件是一个非常重要和有意义的课题。
SOI材料在集成电路和近红外集成光电子器件中收到广泛应用，这是由于其优良的CMOS工艺兼容性。在中红外波段，硅在3-8微米也有着低损耗窗口，然而二氧化硅在大于3.6微米之后就有着非常大的吸收损耗。因此，SOI材料的使用和处理方法与近红外波段将有所不同。
如何对中红外波段的光器件进行调制也是一个非常重要的研究内容。热调制是1550nm波段最常使用的方法之一，然而在室温，即300K附近时，热辐射的最大值就在中红外波段。因此对于中红外的光器件，热调制受到限制。
发明内容
如何降低基于SOI的中红外波导器件中二氧化硅的吸收损耗以及对其进行有效地调制是中红外波导研究重要的问题。本发明的目的在于提供一种基于MEMS硅基中红外波段光调制器，解决了二氧化硅带来的高吸收损耗，而且提供了一种可以用MEMS静电力调制的悬浮波导结构；通过在引出的电极上施加电压，使两个波导产生电压差。两个波导悬浮的部分由于静电原因产生吸引或排斥的作用力，从而使波导间距发生改变，实现耦合长度的改变，进而控制整个波导输出端的信号。
本发明采用的技术方案如下：
在SOI材料的顶层硅上分别刻蚀出由弯曲硅波导、电极和条形硅波导组成两组相同的波导结构，两组波导结构分别沿顶层硅中心方向相反且对称布置，每条弯曲硅波导的一端与条形波导连接，每条弯曲硅波导的另一端与电极连接；在二氧化硅衬底上开有一排等距、布置的多个空气槽，两根条形波导位于多个空气槽的上方，相邻凹槽连接处用来支撑两根条形波导。
本发明具有的有益效果是：
1、在一次光刻以及刻蚀好的条形波导器件上进行二次光刻，开出周期性的长条形凹槽对硅层下方的二氧化硅层进行掏空，这样不仅解决了二氧化硅带来的高吸收损耗，而且产生了可控制的悬浮波导结构。
2、通过在引出的电极上施加电压，可以使两个波导产生电压差。两个波导悬浮的部分由于静电原因产生吸引或排斥的作用力，从而使波导间距发生改变，实现耦合长度的改变，进而控制整个波导输出端的信号，采用静电的方法控制器件性能，操作简单，可靠性较高。
3、使用的材料是使用广泛的SOI材料，容易购买，成本低性能高；工艺与CMOS工艺相兼容，结构简单有效，制作比较容易。
附图说明
图1是中红外波段光调制器结构示意图。
图2是中红外波段光调制器耦合区示意图。
图3是图2的A-A剖视图。
图4是中红外波段光调制器仿真示意图。
图中：1、条形硅波导；2、空气槽；3、弯曲硅波导；4、电极；5、二氧化硅衬底；6、空气；7、底层硅。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
如图1、图2、图3所示，本发明在SOI材料(它由底层硅7、二氧化硅衬底5和顶层硅组成)的顶层硅上分别刻蚀出由弯曲硅波导3、电极4和条形硅波导1组成两组相同的波导结构，两组波导结构分别沿顶层硅中心方向相反且对称布置，每条弯曲硅波导3的一端与条形波导1连接，每条弯曲硅波导3的另一端与电极4连接；在二氧化硅衬底5上开有一排等距、布置的多个空气槽2，两根条形硅波导1位于多个空气槽2的上方，相邻凹槽连接处用来支撑两根条形硅波导1。
两根条形硅波导1分别有一端通过弯曲硅波导3连接到电极上4，剩下的一端将分别作为光信号的输入和输出端。
二氧化硅衬底5上挖出的空气槽2是由多段级联而成，相邻连接处可以作为两根硅条形波导1的支撑，可以保护条形硅波导1，使其不容易折断。
通过在两个电极4上加电压使两个条形硅波导1的悬浮部分由于静电原因产生吸引或排斥的作用力，从而使波导间距发生改变，实现耦合长度的改变，进而控制整个波导输出端的信号。
如图4所示为中红外波段光调制器仿真示意图，采用两根高1微米，宽1.5微米的条形硅波导结构，两根条形硅波导之间间距为1微米，输入光波长为5.4微米。通过对两根条形波导区域光信号传输的仿真，可以看到MEMS静电力对本器件的调制作用。左图为调制前信号功率分布图，从左侧波导输入光信号，随着波导之间的耦合，在右侧波导将输出光信号，且功率最大。通过在波导两端处施加电压，可以使两根条形波导由于静电力的作用发生一定的弯曲形变。右侧图为调制后的仿真图，可以看到同样从左侧波导输入光信号，由于受到调制，耦合长度发生变化，光信号将依然从左侧波导输出，而右侧波导输出信号变为0。
本发明器件结构制作方法：
采用第一次光刻工艺在顶层硅得到波导结构的图形，并采用干法硅刻蚀的方法刻蚀出所需的波导结构，然后通过二次光刻在两根波导外侧的二氧化硅层上光刻出两排条形槽的图形，利用氢氟酸溶液对凹槽中的二氧化硅进行腐蚀，使得条形硅波导下方二氧化硅被掏空。
波导下方的二氧化硅部分被挖空之后，填充物为空气6，使得两根条形硅波导变成大部分悬浮在空气中的波导。
Claims (1)
1.一种基于 MEMS硅基中红外波段光调制器，其特征在于：在SOI材料的顶层硅上分别刻蚀出由弯曲硅波导（3）、电极（4）和条形硅波导（1）组成两组相同的波导结构，两组波导结构分别沿顶层硅中心方向相反且对称布置，每条弯曲硅波导（3）的一端与条形波导（1）连接，每条弯曲硅波导（3）的另一端与电极（4）连接；在二氧化硅衬底（5）上开有一排等距、布置的多个空气槽，两根条形波导（1）位于多个空气槽的上方，相邻凹槽连接处用来支撑两根条形波导（1）。
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