CN108535806A - 一种带有金属衬底的微型集成波导分束器件及其加工制备方法 - Google Patents

一种带有金属衬底的微型集成波导分束器件及其加工制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种带金属衬底的微型集成波导分束器，包含以下组件：纳米天线、波导层、耦合层及金属衬底。所述的纳米天线采用高折射率的纯电介质材料。所述的纳米天线尺寸与入射光波长同量级。所述的耦合层根据工作波长，满足FP共振条件。本发明还公开一种制备所述的带金属衬底的微型集成波导分束器的微纳米加工方法，包含以下步骤：硅片清洗、镀金膜、退火、镀SiO2膜、镀Si膜、样品清洗、光刻、镀Si膜与剥离、样品清洗、离子束刻蚀加工。

Description

一种带有金属衬底的微型集成波导分束器件及其加工制备 方法
技术领域
本发明涉及微纳米集成光子器件，具体涉及一种带有金属衬底的微型集成波导分束器件及其制备方法。
技术背景
微纳米集成光子器件在光芯片领域具有巨大的应用潜力。微纳米集成光子器件首先要解决的问题是对自由空间入射波进行耦合和分束路由。广泛使用的方法采用表面等离激元结构进行分束，核心分束组件采用金属材料。但表面等离激元结构无法避免金属的欧姆损耗，耦合效率和分束比低。
发明内容
本发明的目的在于提出一种核心分束组件为纯电介质的微型集成波导分束器件，克服等离激元分束结构损耗大、耦合效率低、分光比低的缺点，实现一个结构特征尺寸小、无损耗、耦合效率以及分束比高的微型集成分束器件。
本发明提出的一种带有金属衬底的微型集成波导分束器件，从顶部到底部，依次包含以下组件：①高折射率介质纳米天线。其特征在于，所述的高折射率介质纳米天线由一对耦合在一起的折射率相同、尺寸不相同的高折射率介质纳米天线组成，两个纳米天线的尺寸及相互之间的距离，针对不同波长分别满足干涉相长或相消条件，所述的高折射率介质纳米天线是核心分束组件。所述的相长或相消条件的达成来自两方面的相位差：a. 由于天线尺寸不同，共振存在初始相位差。b. 相互之间由传播引起的光程相位差。②波导层。其特征在于，所述的波导为SOI（Silicon On Insulator）光波导，波导材料为Si，绝缘体材料为SiO2。③耦合层。其特征在于，所述的耦合层同时做为SOI波导的绝缘体，材料为SiO2。④金属衬底。其特征在于，所述的金属衬底，材料为金、银或铝，厚度大于50微米。
本发明提出的带有金属衬底的微型集成波导分束器件，核心分束组件采用全电介质纳米天线，用做纳米天线材料的折射率为3-4.5，如Si。
本发明涉及的波导为SOI波导，绝缘层同时可以作为波导层与金属衬底之间的耦合层。
本发明提出的带有金属衬底的微型集成波导分束器件，为更好地耦合地耦合自由空间入射光，提高纳米天线的分束作用，引入了金属衬底作为全反射层。波导层和金属衬底之间通过耦合层连接，耦合层厚度根据工作波长确定，满足FP共振条件。
本发明涉及的入射波为线偏振平面波，沿波导平面的垂直方向入射，入射波的电场偏振方向垂直于介质纳米天线。
本发明所述的高折射率介质纳米天线的尺寸与入射波长在同一数量级；所述高折射率介质纳米天线的尺寸是入射光斑的1/5-1/2。
本发明的另一个目的在于提供一种制备所述的带有金属衬底的微型集成波导分束器件的微纳米加工方法，包含以下步骤：①硅片清洗：用医用棉絮蘸取适量乙醇，将硅片擦拭10次；将硅片浸入体去离子水或乙醇或去离子水与乙醇的混合溶液中，超声清洗15分钟；将硅片至于鼓风干燥箱中干燥12小时。超声清洗用溶液优选体积比为1：2的去离子水/乙醇混合溶液。②镀金膜：在洁净的硅片表面镀一层金膜。所述的镀膜优选采用蒸发镀膜的方式，镀膜速度优选5nm/min。③退火：将样品在80℃下退火24小时。④镀SiO2膜：在样品表面蒸镀一层SiO2膜，镀膜速度优选1nm/min。⑤ 镀Si膜：在样品表面蒸镀一层Si膜，镀膜厚度为波导层厚度。优选采用电子束蒸发镀膜的方法。⑥样品清洗：将样品浸入体去离子水或乙醇或去离子水与乙醇的混合溶液中，低功率超声清洗30秒。将样品至于鼓风干燥箱中干燥12小时。⑦ 光刻：在样品表面均匀旋涂一层光刻胶；掩模曝光，曝光尺寸为电介质纳米天线边长与距离之和；显影、定影。⑧ 镀Si膜与剥离：在样品表面蒸镀一层Si膜，镀膜厚度为较厚的纳米天线厚度。优选采用电子束蒸发镀膜的方法。剥离多余Si膜部分。⑨ 样品清洗：将样品浸入体去离子水或乙醇或去离子水与乙醇的混合溶液中，低功率超声清洗30秒。将样品至于鼓风干燥箱中干燥12小时。⑩ 离子束刻蚀加工：在Si膜中间刻蚀宽度为电介质纳米天线之间距离的凹槽，刻蚀厚度为步骤⑧中的镀膜厚度；在尺寸较小的电介质纳米天线上去除较厚的部分，刻蚀厚度为较大的电介质纳米天线边长减去较小的电介质纳米天线边长。
本发明的优点在于，核心分束部件采用纯高折射率电介质纳米天线，对入射电磁波无损耗，具有耦合效率高、体积小、分光比高、易与硅集成技术兼容的技术优势。
附图说明
图1 本发明提出的微型集成波导分束器件剖面图
图2 本发明提出的微型集成波导分束器件俯视图
图3 本发明提出的微型集成波导分束器件一个具体实施例的场分布图
附图中，图1和图2中的1、2表示纳米天线；3表示波导层、4表示耦合层、5表示金属衬底。图3中场分量为磁场的沿入射方向的分量。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
在该实施例中，针对通讯波长1.46微米和1.58微米进行设计。高折射率电介质纳米天线由边长分别为600纳米和400纳米的方形硅耦合而成，即图1中1和2部分为正方形，边长分别如上所述，材料为硅。硅波导厚度为250纳米，二氧化硅耦合层厚度为0.95微米。金属反射镜材料选为铝，厚度为500微米。入射光为高斯光，束腰直径为6微米。
由图3可以看出，1.46微米的入射波经分束器后，耦合进入硅波导向左传播；1.58微米的入射波经分束器后，耦合进入硅波导向右传播。证明本发明所述微型光波导分束器具有良好的路由效果。经过对坡印廷矢量进行积分，从能量的角度分析，该实施例对1.46微米的入射波耦合效率为41%，对1.58微米的入射波的耦合效率为28%，分束比为30dB。
综上所述，通过对本实施例的研究，可以证明本发明具有良好的耦合效率及分束比。需要声明的是，本实施例仅为本发明的某一实施方式，本发明不限于以上实施例。通过改变尺寸，本发明可以适用于可见光和中红外波段。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的基本构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种带有金属衬底的微型集成波导分束器件，其特征在于，从顶部到底部，依次包含以下组件：
①高折射率介质纳米天线；所述的高折射率介质纳米天线由一对耦合在一起的折射率相同、尺寸不相同的高折射率介质纳米天线组成，两个纳米天线的尺寸及相互之间的距离，针对不同波长分别满足干涉相长或相消条件，所述的高折射率介质纳米天线是核心分束组件；所述的相长或相消条件的达成来自两方面的相位差：a. 由于天线尺寸不同，共振存在初始相位差；b. 相互之间由传播引起的光程相位差；
②波导层；所述的波导为SOI（Silicon On Insulator）光波导，波导材料为Si，绝缘体材料为SiO2；
③耦合层；所述的耦合层同时做为SOI波导的绝缘体，材料为SiO2；
④金属衬底；所述的金属衬底，材料为金、银或铝，厚度大于50微米。
2.如权利要求1所述的带有金属衬底的微型集成波导分束器件，其特征在于，所述核心分束组件采用全电介质纳米天线，用做纳米天线材料的折射率为3-4.5，如Si。
3.如权利要求1所述的带有金属衬底的微型集成波导分束器件，其特征在于，所述波导层和所述金属衬底之间通过所述耦合层连接，所述耦合层厚度根据工作波长确定，满足FP共振条件。
4.如权利要求1所述的带有金属衬底的微型集成波导分束器件，其特征在于，入射波为线偏振平面波，沿所述波导层平面的垂直方向入射，入射波的电场偏振方向垂直于所述介质纳米天线。
5.如权利要求1所述的带有金属衬底的微型集成波导分束器件，其特征在于，所述高折射率介质纳米天线的尺寸与入射波长在同一数量级；所述高折射率介质纳米天线的尺寸是入射光斑的1/5-1/2。
6.一种制备如权利要求1所述的带有金属衬底的微型集成波导分束器件的方法，其特征在于，包含以下步骤：
①硅片清洗：用医用棉絮蘸取适量乙醇，将硅片擦拭10次；将硅片浸入体去离子水或乙醇或去离子水与乙醇的混合溶液中，超声清洗15分钟；将硅片至于鼓风干燥箱中干燥12小时。超声清洗用溶液优选体积比为1：2的去离子水/乙醇混合溶液；
②镀金膜：在洁净的硅片表面镀一层金膜。所述的镀膜优选采用蒸发镀膜的方式，镀膜速度优选5nm/min；
③退火：将样品在80℃下退火24小时；
④镀SiO2膜：在样品表面蒸镀一层SiO2膜，镀膜速度优选1nm/min；
⑤镀Si膜：在样品表面蒸镀一层Si膜，镀膜厚度为波导层厚度。优选采用电子束蒸发镀膜的方法；
⑥样品清洗：将样品浸入体去离子水或乙醇或去离子水与乙醇的混合溶液中，低功率超声清洗30秒；将样品至于鼓风干燥箱中干燥12小时；
⑦光刻：在样品表面均匀旋涂一层光刻胶；掩模曝光，曝光尺寸为电介质纳米天线边长与距离之和；显影、定影；
⑧镀Si膜与剥离：在样品表面蒸镀一层Si膜，镀膜厚度为较厚的纳米天线厚度；优选采用电子束蒸发镀膜的方法。剥离多余Si膜部分；
⑨样品清洗：将样品浸入体去离子水或乙醇或去离子水与乙醇的混合溶液中，低功率超声清洗30秒；将样品至于鼓风干燥箱中干燥12小时；
⑩离子束刻蚀加工：在Si膜中间刻蚀宽度为电介质纳米天线之间距离的凹槽，刻蚀厚度为步骤⑧中的镀膜厚度；在尺寸较小的电介质纳米天线上去除较厚的部分，刻蚀厚度为较大的电介质纳米天线边长减去较小的电介质纳米天线边长。
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