CN110095840A - 一种硅基浅刻蚀波导起偏器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及集成光子学领域，提出一种硅基浅刻蚀波导起偏器，包括由下至上依次设置的衬底、掩埋层和硅芯层，衬底的材质为硅，掩埋层的材质为二氧化硅；硅芯层上表面浅刻蚀有连续的突起结构，突起结构的宽度从突起结构的两端到突起结构的中央位置线性增加。本发明还提出一种硅基浅刻蚀波导起偏器的制备方法，包括以下步骤：将两个硅晶原片直接键合，在硅晶原片上注入制备二氧化硅掩埋层；在二氧化硅掩埋层上旋涂一层电子胶，曝光出中间的突起结构；对突起结构区域进行部分刻蚀；再旋涂一层电子胶，曝光出槽形区域；对槽形区域进行部分刻蚀，然后去胶；在器件上表面覆盖一层二氧化硅；对二氧化硅保护层上表面进行平坦化处理。
Description
技术领域
本发明涉及集成光子学领域，更具体地，涉及一种硅基浅刻蚀波导起偏器及其制备方法。
背景技术
光波导器件在集成光子学领域具有非常重要的应用，它能够提供结构紧凑、性能良好、制作简便、易于集成的功能器件，广泛应用于光通信领域。在实际的硅基光子学系统中，由于工艺误差等因素，通常存在偏振模式色散、偏振相关损耗和偏振相关增益等问题，这往往会降低器件的性能。由于很多硅基器件都对偏振模式敏感，偏振管理器件就变得极为重要。目前常用的偏振管理器件包括偏振分束器、偏振旋转器和起偏器。其中，起偏器能够在制作简单的前提下展现出优越的性能，因而得到了人们的青睐。
现有技术中，通过在绝缘体上覆盖一层金属，如铬、铜、金等，使得绝缘体中的TM模与金属层满足相位匹配条件，TM模大幅度泄露到金属层，达到消除TM模的目的，但这种方案存在工艺比较复杂，TM模的消除不能达到理想的效果等问题；在实际的器件制备过程中，因曝光、刻蚀等工艺误差得到的波导，其侧壁是比较粗糙的，而TE模与波导的粗糙侧壁存在较大的重叠，因此会存在较大的传输损耗。另外，有人提出一种基于横向磁波TM模在浅刻蚀硅波导中的侧向泄露效应的起偏器，利用一条足够长的浅刻蚀硅基直波导将TM模逐渐泄露掉。这种器件制作简单，但是它的长度长达1mm，过大的尺寸导致它难以应用于集成度日益提高的硅基光芯片平台。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的传统的起偏器中TM模的消除不能达到理想效果等至少一种缺陷，提供一种硅基浅刻蚀波导起偏器。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种硅基浅刻蚀波导起偏器，包括由下至上依次设置的衬底、掩埋层和硅芯层，衬底的材质为硅，掩埋层的材质为二氧化硅；硅芯层上表面浅刻蚀有连续的突起结构，突起结构的宽度从突起结构的两端到突起结构的中央位置线性增加。
本技术方案中，采用硅衬底、二氧化硅掩埋层和硅芯层组成硅基浅刻蚀波导起偏器。在1550nm波长下，硅的折射率为3.47，二氧化硅的折射率为1.44，此时硅为高折射率材料，二氧化硅为低折射率材料，能够提供垂直方向的紧束缚，形成结构紧凑的起偏器器件；起偏器中的硅芯层上表面刻蚀有连续的突起结构，使TE模在高折射率的硅芯层中正常传输，而TM模则泄漏到周围的低折射率包层，达到消除TM模的目的；突起结构的宽度逐渐拓宽，能够减小TE模与波导粗糙侧壁的重叠，有效降低TE模损耗。
优选地，硅芯层的突起结构设置在硅芯层的中央位置，且突起结构的两侧与硅芯层的两侧之间的距离为固定值。
优选地，起偏器的输入端设置有输入波导，起偏器的输出端设置有输出波导。
优选地，输入波导和输出波导为深刻蚀条形波导。
优选地，硅芯层的上表面设置有一层二氧化硅保护层。
优选地，衬底的厚度为700μm，掩埋层的厚度为2μm，硅芯层的厚度为220nm，二氧化硅保护层的厚度为2μm，硅基浅刻蚀波导起偏器的长度为46μm。
本实施例还涉及硅基浅刻蚀波导起偏器的制备方法，包括以下步骤：
S1：将两个硅晶原片直接键合，然后在硅晶原片上方通过热氧化和高密度离子注入制备二氧化硅掩埋层；
S2：在二氧化硅掩埋层上用匀胶机旋涂一层负性光刻胶，利用电子束曝光技术曝光出突起结构对应的区域，然后用显影液进行显影；
S3：利用感应耦合等离子体刻蚀对曝光区域进行部分刻蚀，保留负性光刻胶；
S4：在器件上表面再用匀胶机旋涂一层负性光刻胶，利用电子束曝光技术曝光出突起结构两侧对应的区域，然后用显影液进行显影；
S5：利用感应耦合等离子体刻蚀方法对曝光区域进行部分刻蚀，然后去除负性光刻胶；
S6：利用电感耦合等离子体化学气相沉积方法在器件的上表面覆盖一层二氧化硅保护层；
S7：对二氧化硅层上表面进行平坦化处理，得到硅基浅刻蚀波导起偏器器件。
优选地，S3步骤中的刻蚀深度为70nm，S5步骤中的刻蚀深度为150nm。
优选地，制备方法中的负性光刻胶采用氢硅倍半环氧乙烷(HSQ)负性光刻胶，显影液采用四甲基氢氧化铵(TMAH)显影液，去胶溶液采用氢氟酸水溶液。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
(1)通过高折射率材料和低折射率材料的组合，使TE模在高折射率的硅芯层中正常传输，而TM模则泄漏到周围的低折射率包层，从而达到消除TM模的效果；
(2)硅芯层的突起结构上表面的逐渐拓宽能够有效减小TE模与波导粗糙侧壁的重叠，减少TE模的损耗。
附图说明
图1为本实施例的硅基浅刻蚀波导起偏器的结构示意图俯视图。
图2为本实施例的硅基浅刻蚀波导起偏器A-A'处的剖面图。
图3为本实施例的硅基浅刻蚀波导起偏器B-B'处的剖面图。
图4为本实施例的硅基浅刻蚀波导起偏器的制备方法流程图。
图5为不同偏振态在本实施例的起偏器中有效折射率的模拟计算结果。
其中，图1中为了方便理解省略了二氧化硅保护层；W1表示硅芯层在x方向上的突起结构的A-A'处的宽度，W2表示硅芯层在x方向上的突起结构的B-B'处的宽度，Ws表示突起结构一侧与硅芯层一侧之间的距离，L表示起偏器y方向上主体的长度，t表示突起结构的深度，H表示突起结构的上表面与硅芯层下表面之间的厚度。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1、2、3所示，为本实施例的硅基浅刻蚀波导起偏器的结构示意图。
本实施例的硅基浅刻蚀波导起偏器包括由下至上依次设置的硅衬底1、二氧化硅掩埋层2、硅芯层3和二氧化硅保护层4，其中硅芯层3上表面浅刻蚀有连续的突起结构31，突起结构31的宽度从突起结构31的两端到突起结构31的中央位置线性增加，突起结构31设置在硅芯层3的中央位置，且突起结构31的两侧与硅芯层3的两侧之间的距离为固定值。
本实施例的起偏器主体为以x轴对称的楔形结构。
本实施例的硅基浅刻蚀波导起偏器的输入端设置有输入波导5，硅基浅刻蚀波导起偏器的输出端设置有输出波导6，且输入波导5和输出波导6均为深刻蚀条形波导。
如图4所示，为本实施例的硅基浅刻蚀波导起偏器制备方法的流程图。
本实施例的硅基浅刻蚀波导起偏器的制备方法包括以下步骤：
S1：将两个硅晶原片直接键合，然后在硅晶原片上方通过热氧化和高密度离子注入制备二氧化硅掩埋层；
S2：在二氧化硅掩埋层上用匀胶机旋涂一层氢硅倍半环氧乙烷(HSQ)负性光刻胶，利用电子束曝光技术曝光出突起结构对应的区域，然后用四甲基氢氧化铵(TMAH)显影液进行显影；
S3：利用感应耦合等离子体刻蚀对曝光区域进行部分刻蚀，刻蚀深度为70nm，初步形成突起结构，保留HSQ负性光刻胶；
S4：在器件上表面再用匀胶机旋涂一层HSQ负性光刻胶，利用电子束曝光技术曝光出突起结构两侧对应的区域，然后用TMAH显影液进行显影；
S5：利用感应耦合等离子体刻蚀方法对曝光区域进行部分刻蚀，刻蚀深度为150nm，然后用氢氟酸水溶液去除HSQ负性光刻胶；
S6：利用电感耦合等离子体化学气相沉积方法在器件的上表面覆盖一层二氧化硅保护层；
S7：利用化学或机械抛光方法对二氧化硅层上表面进行平坦化处理，得到硅基浅刻蚀波导起偏器器件。
在具体实施过程中，将波长为1550nm的近红外光从输入波导5进入硅基浅刻蚀波导起偏器中，TE模在高折射率的硅芯层3中正常传输，而TM模则泄漏到周围的低折射率包层，因此TM模在硅基浅刻蚀波导起偏器中被截止，TE模顺利通过硅基浅刻蚀波导起偏器并从输出波导6输出，最终得到纯度较高的TE模的光。
本实施例中，通过硅衬底1、二氧化硅掩埋层2、硅芯层3和二氧化硅保护层4的组合，通过高折射率材料和低折射率材料的组合，使TE模在高折射率的硅芯层中正常传输，而TM模则泄漏到周围的低折射率包层，从而得到纯度较高的TE模。且逐渐拓宽的突起结构31，能够有效减小TE模与波导粗糙侧壁的重叠，从而减小TE模的损耗。此外，本实施例的硅基浅刻蚀波导起偏器中的硅芯层3在制备过程中采用浅刻蚀，其刻蚀深度小于硅芯层3的最大可刻蚀深度。其中，最大可刻蚀深度通过FDE计算不同偏振态在硅基浅刻蚀波导起偏器中的有效折射率，据此推断TM模在硅基浅刻蚀波导起偏器中传输的理论截止条件，该理论截止条件即为最大可刻蚀深度。本实施例通过利用TM模在浅刻蚀波导中传输的介质条件尽可能增大TM模的损耗，进一步消除TM模。
实施例2
本实施例的硅基浅刻蚀波导起偏器包括由下至上依次设置的硅衬底1、二氧化硅掩埋层2、硅芯层3和二氧化硅保护层4，其中硅芯层3上表面浅刻蚀有连续的突起结构31，突起结构31的宽度从突起结构31的两端到突起结构31的中央位置线性增加，突起结构31设置在硅芯层3的中央位置，且突起结构31的两侧与硅芯层3的两侧之间的距离为固定值。
本实施例的起偏器主体为以x轴对称的楔形结构。
本实施例的硅基浅刻蚀波导起偏器的输入端设置有输入波导5，硅基浅刻蚀波导起偏器的输出端设置有输出波导6，且输入波导5和输出波导6均为深刻蚀条形波导。
本实施例的硅基浅刻蚀波导起偏器的制备方法包括以下步骤：
S1：将两个硅晶原片直接键合，然后在硅晶原片上方通过热氧化和高密度离子注入制备二氧化硅掩埋层；
S2：在二氧化硅掩埋层上用匀胶机旋涂一层氢硅倍半环氧乙烷(HSQ)负性光刻胶，利用电子束曝光技术曝光出突起结构对应的区域，然后用四甲基氢氧化铵(TMAH)显影液进行显影；
S3：利用感应耦合等离子体刻蚀对曝光区域进行部分刻蚀，刻蚀深度为70nm，初步形成突起结构，保留HSQ负性光刻胶；
S4：在器件上表面再用匀胶机旋涂一层HSQ负性光刻胶，利用电子束曝光技术曝光出突起结构两侧对应的区域，然后用TMAH显影液进行显影；
S5：利用感应耦合等离子体刻蚀方法对曝光区域进行部分刻蚀，刻蚀深度为150nm，然后用氢氟酸水溶液去除HSQ负性光刻胶；
S6：利用电感耦合等离子体化学气相沉积方法在器件的上表面覆盖一层二氧化硅保护层；
S7：利用化学或机械抛光方法对二氧化硅层上表面进行平坦化处理，得到硅基浅刻蚀波导起偏器器件。
本实施例利用有限差分本征模算法(Finite Difference Eigenmode,FDE)和本征模展开算法(Eigenmode Expansion,EME)进行数值模拟，以及对结构参数进行优化。首先，在满足完美匹配层(Perfect matched layer,PML)边界条件的基础上，用FDE计算不同偏振态在带二氧化硅保护层4的浅刻蚀硅芯层3波导中的有效折射率，据此判断出TM模在硅基浅刻蚀波导起偏器中传输的理论截止条件，即最大可刻蚀深度，然后用EME算法对起偏器的几何结构参数进行优化。
本实施例计算得到的TM模在硅基浅刻蚀波导起偏器中传输的的截止条件如图5所示，即不同偏振态在起偏器中的有效折射率的模拟计算结果。其中，带左箭头标志的曲线对应于TE模的有效折射率，带右箭头标志的曲线对应于TM模的有效折射率，x轴表示刻蚀深度，y轴表示模式在偏振器浅刻蚀波导中的有效折射率。本实施例分别计算了当硅芯层3的波导宽度分别为0.5μm、1μm、2μm、3μm和4μm，刻蚀深度的取值范围为10～210nm时对应的情况，模拟结果显示最大可刻蚀深度为90nm。
本实施例中，二氧化硅保护层4的厚度为2μm，硅芯层突起结构31的上表面与硅芯层3下表面之间的厚度H为220nm，硅芯层上突起结构31的深度t为70nm，即本实施例对硅芯层3进行浅刻蚀的刻蚀深度为70nm，硅芯层突起结构31一侧与硅芯层3一侧之间的距离Ws为7μm，硅芯层x方向上的突起结构的最窄处的宽度W1＝500nm，最宽处的宽度为W2＝3μm，二氧化硅掩埋层2的厚度为2μm，SOI衬底1的厚度约为700μm，起偏器主体的长度L为46μm。
本实施例的硅基浅刻蚀波导起偏器的性能测试结果显示，当输入波长为1550nm的TE模时，其插入损耗低至0.15dB，消光比为18.5dB。在1542nm至1568nm的波长范围内，消光比能够保持在15.24dB以上。
此外，本实施例的硅基浅刻蚀波导起偏器的尺寸远小于现有技术中的传统起偏器，现有技术中的传统起偏器的长度为1mm。且本实施例的硅基浅刻蚀波导起偏器能够与水平耦合器、微环等微纳器件集成于芯片上，可应用于集成度日益提高的硅基光芯片平台。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种硅基浅刻蚀波导起偏器，包括由下至上依次设置的衬底、掩埋层和硅芯层，其特征在于：所述衬底的材质为硅，所述掩埋层的材质为二氧化硅；所述硅芯层上表面浅刻蚀有连续的突起结构，所述突起结构的宽度从突起结构的两端到突起结构的中央位置线性增加。
2.根据权利要求1所述的硅基浅刻蚀波导起偏器，其特征在于：所述硅芯层的突起结构设置在硅芯层的中央位置，且所述突起结构的两侧与硅芯层的两侧之间的距离为固定值。
3.根据权利要求1所述的硅基浅刻蚀波导起偏器，其特征在于：所述起偏器的输入端设置有输入波导，起偏器的输出端设置有输出波导。
4.根据权利要求3所述的硅基浅刻蚀波导起偏器，其特征在于：所述输入波导和输出波导为深刻蚀条形波导。
5.根据权利要求1所述的硅基浅刻蚀波导起偏器，其特征在于：所述硅芯层的上表面设置有一层二氧化硅保护层。
6.根据权利要求5所述的硅基浅刻蚀波导起偏器，其特征在于：所述衬底的厚度为700μm，所述掩埋层的厚度为2μm，所述硅芯层的厚度为220nm,所述二氧化硅保护层的厚度为2μm，所述硅基浅刻蚀波导起偏器的长度为46μm。
7.一种硅基浅刻蚀波导起偏器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将两个硅晶原片直接键合，然后在硅晶原片上方通过热氧化和高密度离子注入制备二氧化硅掩埋层；
S2：在二氧化硅掩埋层上用匀胶机旋涂一层负性光刻胶，利用电子束曝光技术曝光出突起结构对应的区域，然后用显影液进行显影；
S3：利用感应耦合等离子体刻蚀对曝光区域进行部分刻蚀，保留负性光刻胶；
S4：在器件上表面再用匀胶机旋涂一层负性光刻胶，利用电子束曝光技术曝光出突起结构两侧对应的区域，然后用显影液进行显影；
S5：利用感应耦合等离子体刻蚀方法对曝光区域进行部分刻蚀，然后去除负性光刻胶；
S6：利用电感耦合等离子体化学气相沉积方法在器件的上表面覆盖一层二氧化硅保护层；
S7：对二氧化硅层上表面进行平坦化处理，得到硅基浅刻蚀波导起偏器器件。
8.根据权利要求7所述的硅基浅刻蚀波导起偏器的制备方法，其特征在于：所述S3步骤中的刻蚀深度为70nm，所述S5步骤中的刻蚀深度为150nm。
9.根据权利要求7所述的硅基浅刻蚀波导起偏器的制备方法，其特征在于：所述S7步骤中的平坦化处理采用化学或机械抛光方法。
10.根据权利要求7所述的硅基浅刻蚀波导起偏器的制备方法，其特征在于：所述制备方法中的负性光刻胶采用氢硅倍半环氧乙烷负性光刻胶，显影液采用四甲基氢氧化铵显影液，去胶溶液采用氢氟酸水溶液。
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