CN107807419A - 曲率半径为波长量级的弯曲光波导的制备方法及弯曲光波导 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种曲率半径为波长量级的弯曲光波导的制备方法，在光子集成芯片表面上制备出铺垫结构，然后在铺垫结构上外延生长光波导层；外延生长光波导层的过程中，通过调节外延生长的工艺条件与参数对光波导层的空间曲率和三维轨迹进行精确控制。
Description
技术领域
本发明涉及光子集成领域，更具体地，涉及一种曲率半径为波长量级的弯曲光波导的制备方法及弯曲光波导。
背景技术
传统的光子集成加工工艺，为降低光子集成芯片的加工成本，通常采用与电子集成电路兼容的CMOS平面加工工艺。因而，加工生产的光子芯片通常为平面二维结构，所有的光波导结构都在同一平面上，只能实现受平面限制的光学传输与处理的功能。近年来，随着光子集成芯片的发展，芯片的规模、功能在不断增大。传统的二维平面光子芯片逐渐往更高集成度的三维集成芯片发展，在相同的芯片面积的情况下通过光学波导的三维立体化，如三维堆叠，三维弯曲等形式，可使得光子集成芯片的集成度更高，实现更多的功能。在三维集成芯片中，除传统的平面波导器件外，往往需要突破传统的二维工艺框架限制，通过一些三维的波导弯曲结构，实现如波导层的层间耦合等功能。因此，需要在满足传统CMOS工艺兼容的基础之上，实现波导层在高度上的弯曲和平滑过渡，通过非平面的光学波导设计，满足特定的三维集成需求。另一方面，随着广义相对论体系下弯曲时空的电磁波传输与介质弯曲空间下电磁波传输的形式一致性的理论研究发展，通过波长量级的三维弯曲光学波导或其他弯曲的介质，在集成光学的实验平台上，模拟和验证广义相对论中的理论和现象。研究发现，基于三维弯曲光波导等弯曲介质的集成光学平台，具备有展示、验证、演绎、仿真、探索电磁波在广义相对论体系的弯曲时空中的传输特性，具有高度的理论可行性和实验可行性。因此，制备三维弯曲可控的弯曲光波导，在天体物理的实验仿真领域具有重要的应用前景。
传统的弯曲光波导的制备，一般采用灰阶曝光技术或脉冲激光3D打印技术实现。灰阶曝光技术采用了特殊的光刻试剂和曝光工艺，三维弯曲光波导的制备过程中，通过严格控制光刻曝光的量度，将图形的高度信息显影到光刻胶掩模上。而后，通过等离子体刻蚀等手段，实现高度信息的刻蚀和转移，可实现三维光学结构的制备。然而灰阶曝光的加工方案，对光刻胶的试剂和曝光的工艺控制要求严格，往往很难实现高精度的弯曲曲率结构的控制和重复。在实际应用中具有较大的挑战。
另一方面，也可以通过脉冲激光3D打印技术来制备弯曲光波导，通过脉冲激光的能量供给和特殊聚合物的感光凝聚，调节脉冲激光的聚焦位置，实现任意形态的三维结构的加工制备。然而，3D打印的三维弯曲光学波导，一方面，具有较低的制备效率，只适用于小尺寸小批量的制备，不利于大尺寸大批量的生产。另一方面，由于3D打印的方法只适应于少数光敏的聚合物材料光波导的制备，材料的普适性较差，且制备的方式不兼容传统的CMOS工艺，在实际的生产应用中，不利于降低生产的成本，提高生产效率等。
发明内容
本发明为解决现有技术制备弯曲光波导所存在的工艺稳定性差或受材料限制或产能限制的技术缺陷，提供了一种曲率半径为波长量级的弯曲光波导的制备方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
曲率半径为波长量级的弯曲光波导的制备方法，在光子集成芯片表面上制备出铺垫结构，然后在铺垫结构上外延生长光波导层；外延生长光波导层的过程中，通过调节外延生长的工艺条件与参数对光波导层的空间曲率和三维轨迹进行精确控制。
上述方案中，本发明提供的制备方法采用兼容CMOS工艺的加工流程，通过预制的铺垫结构，实现曲率半径为波长量级的弯曲光波导的可控制备，同时，通过调整外延生长的工艺条件与参数等方式，实现弯曲光波导的曲率平滑过渡。
优选地，所述铺垫结构为方格结构、梯形结构、类梯形结构、一维的光栅结构或二维的光栅结构，作为外延生长的铺垫结构，在精心设计的铺垫结构上生长得到的波导层，可以实现可控的三维曲率半径和三维波导轨迹等。另一方面，通过渐变占空比的二维光栅结构的占空比调制等方式，可以实现三维波导的高度平滑调节，实现高度渐变的光波导的制备，在三维光子芯片中，高度渐变的光波导，也可以实现层间耦合等功能。
优选地，所述调节的工艺条件与参数包括气体流量、压强、等离子体浓度。
优选地，所述在光子集成芯片表面上制备出铺垫结构的具体过程如下：
S1.通过CMOS兼容的光刻技术，在光子集成芯片的表面上制备具有特定图案的光刻胶；
S2.对光子集成芯片的表面进行等离子体刻蚀，得到带有特定图案的光刻胶的结构；
S3.去除结构上的光刻胶，得到铺垫结构。
优选地，所述制备得到铺垫结构后，通过合适的外延生长条件在铺垫结构上生长一层带有光滑曲率的外延缓冲层，然后在外延缓冲层上生长光波导层。
同时，本发明还提供了一种应用以上制备方法制备得到的弯曲光波导。
与现有技术相比，本发明的优点和有益效果是：
本发明提出了通过预制铺垫结构和调节外延生长的工艺条件与参数的弯曲光波导的制备方法，一方面解决了3D打印方法所存在的材料限制和产能限制的缺陷，另一方面解决了灰阶曝光技术的工艺稳定性，本发明提供的制备方法具有更好的工艺稳定性、工艺兼容性和大规模生产的可行性，具有较大的潜在应用前景。
附图说明
图1为本发明提供的制备方法的流程图。
图2为本发明提供的制备方法的制备过程中，通过预制不同的铺垫结构实现波导曲率半径可控的示意图。
图3为本发明提供的方法的制备过程中，通过调整外延生长的环境氛围，实现波导的曲率半径可控的示意图。
图4为通过本发明制备的弯曲光波导应用于三维集成光子芯片和演绎广义相对论实验的案例示意图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明是如何实施的。
如图1所示，图1为本发明提供的制备方法的流程图。其中，1-6展示了弯曲光波导的制备流程。其中1为平整的光子集成芯片表面，2为通过CMOS兼容的光刻技术，在光子集成芯片的表面上制备具有特定图案的光刻胶；3为在光子集成芯片的表面进行等离子体刻蚀，得到带有特定图案的光刻胶的结构；4为去除结构上的光刻胶，得到预制的铺垫结构；5为通过合适的外延生长条件下，在铺垫结构上生长一层带有光滑曲率的外延缓冲层；6为在缓冲层上生长光滑弯曲的波导层，实现了弯曲光波导的制备。
图2为本发明提供的制备方法的制备过程中，通过预制不同的铺垫结构，实现波导曲率半径的可控。其中7~9展示了在不同预制铺垫结构的情况下，实现不同曲率半径的三维立体弯曲光波导的案例示意。7为通过简单的方格铺垫结构实现三维立体弯曲光波导的案例示意；8为通过一维或二维光栅铺垫结构实现三维立体弯曲光波导的案例示意；9为通过梯形铺垫结构实现弯曲光波导的案例示意。
图3为本发明提供的方法的制备过程中，通过调整外延生长的环境氛围，实现波导的曲率半径可控。其中10~12展示了在不同外延生长的环境氛围的情况下，实现不同曲率半径的三维立体弯曲光波导的案例示意。10为通过溅射、物理沉积等方法实现三维立体弯曲光波导的案例示意；11为通过合理调控横向外延生长和纵向外延生长速率比的环境氛围下（如合适的压强、气体流量和等离子体浓度等）实现三维立体弯曲光波导的案例示意；12为通过各项同性外延生长的环境氛围下，实现三维立体弯曲光波导的案例示意。
图4为通过本发明制备的弯曲光波导应用于三维集成光子芯片和演绎广义相对论实验的案例示意图。本发明制备的弯曲光波导可应用于如13~14所示的场景中。13为三维光子集成芯片的层间耦合器，通过较大的曲率半径，实现低损耗的层间耦合等；14为带有弯曲介质空间的集成光学平台，可应用于广义相对论的弯曲时空实验的验证和推演实验等。
最后说明，以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.曲率半径为波长量级的弯曲光波导的制备方法，其特征在于：在光子集成芯片表面上制备出铺垫结构，然后在铺垫结构上外延生长光波导层；外延生长光波导层的过程中，通过调节外延生长的工艺条件与参数对光波导层的空间曲率和三维轨迹进行精确控制。
2.根据权利要求1所述的曲率半径为波长量级的弯曲光波导的制备方法，其特征在于：所述铺垫结构为方格结构、梯形结构、类梯形结构、一维的光栅结构或二维的光栅结构。
3.根据权利要求1所述的曲率半径为波长量级的弯曲光波导的制备方法，其特征在于：所述调节的工艺条件与参数包括气体流量、压强、等离子体浓度。
4.根据权利要求1所述的曲率半径为波长量级的弯曲光波导的制备方法，其特征在于：所述在光子集成芯片表面上制备出铺垫结构的具体过程如下：
S1.通过CMOS兼容的光刻技术，在光子集成芯片的表面上制备具有特定图案的光刻胶；
S2.对光子集成芯片的表面进行等离子体刻蚀，得到带有特定图案的光刻胶的结构；
S3.去除结构上的光刻胶，得到铺垫结构。
5.根据权利要求1~4任一项所述的曲率半径为波长量级的弯曲光波导的制备方法，其特征在于：所述制备得到铺垫结构后，通过合适的外延生长条件在铺垫结构上生长一层带有光滑曲率的外延缓冲层，然后在外延缓冲层上生长光波导层。
6.一种弯曲光波导，其特征在于：采用权利要求1~5任一项所述的方法制成。
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