CN112051641A - 应用狭缝波导结构的倾斜光栅式偏振分束器及制造方法 - Google Patents

应用狭缝波导结构的倾斜光栅式偏振分束器及制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了应用狭缝波导结构的倾斜光栅式偏振分束器，包括：硅基衬底；沉积在所述硅基衬底上的二氧化硅缓冲层；位于所述二氧化硅缓冲层上的TE直通段芯层；位于所述二氧化硅缓冲层上的TM耦合段芯层；位于所述二氧化硅缓冲层上，并包覆所述TE直通段芯层和所述TM耦合段芯层的二氧化硅包层。整体结构尺寸小且紧凑、耦合效率高、消光比高、插入损耗低且带宽大。本发明还公开了倾斜光栅式偏振分束器的制造方法。

Description

应用狭缝波导结构的倾斜光栅式偏振分束器及制造方法
技术领域
本发明涉及集成硅光子芯片领域，尤其涉及偏振分束器。
背景技术
偏振分束器(PBS)是一种重要的偏振处理器件，它可以分离和组合横电(TE)和横磁(TM)两种模式。绝缘体上硅(SOI)作为一个光子学平台提供了多种好处，包括与互补金属氧化物半导体(CMOS)制造兼容和高折射率对比度，从而实现了密集集成。
不同结构的偏振分束器(PBS)已经实现，包括定向耦合器(DC)、弯曲定向耦合器(Bent DC)、光栅(Grating)、多模干涉仪(MMI)和马赫-曾德尔干涉仪(MZI)。基于垂直耦合三维马赫-曾德尔干涉仪的PBS已经被报道，但其采用了额外的金属加热器且制造工艺复杂。MMI可以用于PBS，但其长度较长，因为MMI结构本质上具有较弱的偏振依赖性。基于光子晶体的PBS耦合效率低，可能会由于散射而引入较大的损耗，同时设计复杂，制作难度较大。DC应用广泛，但由于交叉耦合器必须满足严格的相位匹配条件，因此其带宽较窄，加工容忍度较低。除了普通的绝缘体上硅(SOI)波导外，还报道了基于不同类型波导的偏振分束器(PBS)。混合等离子体波导可以加强耦合，缩短器件长度。但是，这种波导由于金属吸收而受到额外的损耗。
因此，一般的多模干涉仪(MMI)和马赫-曾德尔干涉仪(MZI)型PBS往往具有较大的插入损耗(IL)和尺寸，这阻碍了它们在超紧凑光子集成电路(PIC)中的应用。普通的光栅耦合器会由于光栅中光的能量泄漏导致耦合效率低。而寻常定向耦合器(DC)结构的工作带宽小、串扰高、光传输损耗高。有人提出了基于紧凑型水平缝隙波导的偏振无关定向耦合器(PIDC)，但消光比(ER)较小(～10db)。众所周知，由纯硅波导组成的定向耦合器通常尺寸较长，这会限制高密度片上集成。
发明内容
本发明的目的在于提供应用狭缝波导结构的倾斜光栅式偏振分束器及制造方法，整体结构尺寸小且紧凑、耦合效率高、消光比高、插入损耗低且带宽大。
实现上述目的的技术方案是：
一种应用狭缝波导结构的倾斜光栅式偏振分束器，包括：
硅基衬底；
沉积在所述硅基衬底上的二氧化硅缓冲层；
位于所述二氧化硅缓冲层上的TE直通段芯层；
位于所述二氧化硅缓冲层上的TM耦合段芯层；以及
位于所述二氧化硅缓冲层上，并包覆所述TE直通段芯层和所述TM耦合段芯层的二氧化硅包层；
其中，所述TE直通段芯层基于第一硅波导，从左到右包括依次相接的输入直波导、条带波导和余切函数弯曲波导；所述条带波导上设置有第一倾斜亚波长光栅结构；
所述TM耦合段芯层基于由第二硅波导、二氧化硅中间层和氮化硅波导从下往上依次相接而形成的三层波导，从左到右包括依次相接的第二倾斜亚波长光栅结构和正切函数弯曲波导。
优选的，所述输入直波导的长度为2-5μm，宽度为0.45-0.5μm；所述条带波导的长度为6-7μm，宽度为0.2-0.4μm。
优选的，所述第一倾斜亚波长光栅结构和所述第二倾斜亚波长光栅结构，各自周期相同并均为0.4-0.5μm，各自占空比相同并均为0.45-0.55；
所述第一倾斜亚波长光栅结构的宽度为0.42-0.48μm；所述第二倾斜亚波长光栅结构的宽度为0.62-0.68μm；
所述第一倾斜亚波长光栅结构的长度为6.4-6.8μm；所述第二倾斜亚波长光栅结构的长度为8.4-8.8μm；
所述第一倾斜亚波长光栅结构的光栅数量为14-17个；所述第二倾斜亚波长光栅结构的光栅数量为15-18个。
优选的，所述第一倾斜亚波长光栅结构的各个光栅平行；所述第二倾斜亚波长光栅结构的各个光栅平行；
所述第一倾斜亚波长光栅结构的光栅沿逆时针方向的水平倾斜角度为130-180度；
所述第二倾斜亚波长光栅结构的光栅沿顺时针方向的水平倾斜角度为140-180度。
优选的，所述第一倾斜亚波长光栅结构和所述第二倾斜亚波长光栅结构之间的间距为0.2-0.3μm；
所述第二倾斜亚波长光栅结构比所述第一倾斜亚波长光栅结构向左侧偏移1-2.4μm。
优选的，所述余切函数弯曲波导和所述正切函数弯曲波导各自的长度相同并为8-12μm，各自宽度相同并均为0.45-0.5μm，各自横向偏移相同并均为3-5μm，各自弯曲部分分别采用余切函数和正切函数。
本发明的上述倾斜光栅式偏振分束器的制造方法，包括：
步骤一、通过等离子体增强化学气相沉积在绝缘体上硅基片上形成一层二氧化硅层；
步骤二、进行匀胶、再使用电子束光刻、显影、等离子体刻蚀操作制备第一硅波导和第二硅波导；
步骤三、在氢氟酸腐蚀液中加入一定的氟化氨作为缓冲剂，形成缓冲氢氟酸蚀刻液，利用缓冲氢氟酸蚀刻液除去第一硅波导和第二硅波导表面的二氧化硅；
步骤四、利用湿化学工艺清洗方式，去除第一硅波导和第二硅波导表面的杂质；
步骤五、使用等离子体增强化学气相沉积在第一硅波导和第二硅波导表面形成一层二氧化硅层；
步骤六、对第一硅波导和第二硅波导表面二氧化硅使用化学机械抛光，得到50nm厚表面平坦的二氧化硅中间层；
步骤七、通过PECVD在二氧化硅中间层上沉积形成一层氮化硅层；
步骤八、使用光刻胶做掩模，使用电子束光刻和等离子体刻蚀操作制备氮化硅波导；
步骤九、利用湿化学工艺清洗方式，去除氮化硅波导表面的杂质；
步骤十、使用等离子体增强化学气相沉积在第一硅波导以及氮化硅波导表面镀上二氧化硅包层。
本发明的有益效果是：本发明引入氮化硅并且采用三层波导结构，又添加倾斜光栅结构使得光耦合迅速，所以本发明是一种高消光比、低插入损耗、大带宽、结构小而紧凑的新型偏振分束器，可灵活分离TE和TM两种模式光。在集成硅光子领域具有重要的应用前景。
附图说明
图1是本发明的倾斜光栅式偏振分束器的侧视剖面图；
图2是本发明中TE直通段芯层以及TM耦合段芯层的俯视结构图；
图3是本发明中TE偏振光入射场分布图；
图4是本发明中TM偏振光入射场分布图；
图5是本发明的倾斜光栅式偏振分束器的制造过程的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
请参阅图1-4，本发明的应用狭缝波导结构的倾斜光栅式偏振分束器，包括：硅基衬底1、二氧化硅缓冲层2、TE直通段芯层3、TM耦合段芯层4和二氧化硅包层5。
二氧化硅缓冲层2沉积在硅基衬底1上。TE直通段芯层3、TM耦合段芯层4位于二氧化硅缓冲层2上，并间隔一定距离。二氧化硅包层5位于二氧化硅缓冲层2上，并包覆TE直通段芯层3和TM耦合段芯层4。
TE直通段芯层3基于第一硅波导6，从左到右包括依次相接的输入直波导31、条带波导32和余切函数弯曲波导33；条带波导32上设置有第一倾斜亚波长光栅结构34。
TM耦合段芯层4基于由第二硅波导7、二氧化硅中间层8和氮化硅波导9从下往上依次相接而形成的三层波导，从左到右包括依次相接的第二倾斜亚波长光栅结构41和正切函数弯曲波导42。
倾斜光栅式偏振分束器的器件总长为18-22μm。输入直波导31的长度为2-5μm，宽度为0.45-0.5μm；条带波导32的长度为6-7μm，宽度为0.2-0.4μm。
第一倾斜亚波长光栅结构34和第二倾斜亚波长光栅结构41各自的各自周期相同并均为0.4-0.5μm，各自占空比相同并均为0.45-0.55。第一倾斜亚波长光栅结构34的宽度为0.42-0.48μm；第二倾斜亚波长光栅结构41的宽度为0.62-0.68μm。第一倾斜亚波长光栅结构34的长度为6.4-6.8μm；第二倾斜亚波长光栅结构41的长度为8.4-8.8μm。第一倾斜亚波长光栅结构34的光栅数量为14-17个；第二倾斜亚波长光栅结构41的光栅数量为15-18个。
第一倾斜亚波长光栅结构34的各个光栅平行；第二倾斜亚波长光栅结构41的各个光栅平行；第一倾斜亚波长光栅结构34的光栅沿逆时针方向的水平倾斜角度为130-180度；第二倾斜亚波长光栅结构41的光栅沿顺时针方向的水平倾斜角度为140-180度。
第一倾斜亚波长光栅结构34和第二倾斜亚波长光栅结构41之间的间距为0.2-0.3μm；第二倾斜亚波长光栅结构41比第一倾斜亚波长光栅结构34向左侧偏移1-2.4μm。余切函数弯曲波导33和正切函数弯曲波导42各自的长度相同并为8-12μm，各自宽度相同并均为0.45-0.5μm，各自横向偏移相同并均为3-5μm，各自弯曲部分分别采用余切函数和正切函数。图3是TE偏振光入射场分布图；图4是TM偏振光入射场分布图。
如图5所示，本发明的上述倾斜光栅式偏振分束器的制造方法，包括下列步骤：
步骤一、通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在绝缘体上硅(SOI)基片上形成一层二氧化硅层做掩膜。绝缘体上硅从下往上依次包括硅基衬底1、二氧化硅缓冲层2和硅层。
步骤二、首先进行匀胶、再使用电子束光刻、显影、等离子体刻蚀操作制备第一硅波导6和第二硅波导7；
步骤三、在氢氟酸(HF)腐蚀液中加入一定的氟化氨作为缓冲剂，形成缓冲氢氟酸蚀刻液(BHF)，利用腐蚀液BHF除去第一硅波导6和第二硅波导7表面的二氧化硅；
步骤四、利用湿化学工艺清洗(RCA)方式，去除第一硅波导6和第二硅波导7表面的杂质；
步骤五、使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在第一硅波导6和第二硅波导7表面形成一层二氧化硅层；
步骤六、对第一硅波导6和第二硅波导7表面二氧化硅使用化学机械抛光，得到50nm厚表面平坦的二氧化硅中间层8；
步骤七、通过PECVD在二氧化硅中间层8上沉积形成一层氮化硅层；
步骤八、使用光刻胶做掩模，使用电子束光刻和等离子体刻蚀操作制备氮化硅波导9；
步骤九、利用湿化学工艺清洗(RCA)方式，去除氮化硅波导9表面的杂质；
步骤十、使用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)在第一硅波导6以及氮化硅波导9表面镀上二氧化硅包层5。
综上，亚波长光栅(SWG)作为均匀介质，在光栅周期足够短的情况下，能有效地抑制衍射效应，是近年来引起人们广泛关注的一种新型光栅。本发明引入SWG结构，改变光栅周期和占空比可灵活调节俩种模式的分束。相比较目前的SOI，氮化硅是一种具有适中芯包层折射率差的互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容材料，拥有较少的模式约束，具有器件尺寸小、集成度高、性能稳定性高等优点。本发明引入氮化硅结构，在SOI技术上加入氮化硅，使得器件更加紧凑，有效提高ER和降低IL。波导的制造过程与CMOS工艺兼容，集成度高、结构紧凑以及制造公差大。
本发明相较于传统的结构，将倾斜SWG与氮化硅(SiN)合引入，还可加入锥形结构方便不同模式的光传输。对俩种偏振光在1530-1700nm光波段，消光比均大于13dB且插入损耗均低于1.7dB，带宽130nm，这在宽带通信领域具有重要的实用价值，且器件制造容忍度高，便于批量生产，投入使用。本发明引入俩种倾斜SWG，倾斜角度调节方便，利于光束的传播和耦合。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (7)

1.一种应用狭缝波导结构的倾斜光栅式偏振分束器，其特征在于，包括：
硅基衬底；
沉积在所述硅基衬底上的二氧化硅缓冲层；
位于所述二氧化硅缓冲层上的TE直通段芯层；
位于所述二氧化硅缓冲层上的TM耦合段芯层；以及
位于所述二氧化硅缓冲层上，并包覆所述TE直通段芯层和所述TM耦合段芯层的二氧化硅包层；
其中，所述TE直通段芯层基于第一硅波导，从左到右包括依次相接的输入直波导、条带波导和余切函数弯曲波导；所述条带波导上设置有第一倾斜亚波长光栅结构；
所述TM耦合段芯层基于由第二硅波导、二氧化硅中间层和氮化硅波导从下往上依次相接而形成的三层波导，从左到右包括依次相接的第二倾斜亚波长光栅结构和正切函数弯曲波导。
2.根据权利要求1所述的应用狭缝波导结构的倾斜光栅式偏振分束器，其特征在于，所述输入直波导的长度为2-5μm，宽度为0.45-0.5μm；所述条带波导的长度为6-7μm，宽度为0.2-0.4μm。
3.根据权利要求1所述的应用狭缝波导结构的倾斜光栅式偏振分束器，其特征在于，所述第一倾斜亚波长光栅结构和所述第二倾斜亚波长光栅结构，各自周期相同并均为0.4-0.5μm，各自占空比相同并均为0.45-0.55；
所述第一倾斜亚波长光栅结构的宽度为0.42-0.48μm；所述第二倾斜亚波长光栅结构的宽度为0.62-0.68μm；
所述第一倾斜亚波长光栅结构的长度为6.4-6.8μm；所述第二倾斜亚波长光栅结构的长度为8.4-8.8μm；
所述第一倾斜亚波长光栅结构的光栅数量为14-17个；所述第二倾斜亚波长光栅结构的光栅数量为15-18个。
4.根据权利要求3所述的应用狭缝波导结构的倾斜光栅式偏振分束器，其特征在于，所述第一倾斜亚波长光栅结构的各个光栅平行；所述第二倾斜亚波长光栅结构的各个光栅平行；
所述第一倾斜亚波长光栅结构的光栅沿逆时针方向的水平倾斜角度为130-180度；
所述第二倾斜亚波长光栅结构的光栅沿顺时针方向的水平倾斜角度为140-180度。
5.根据权利要求3所述的应用狭缝波导结构的倾斜光栅式偏振分束器，其特征在于，所述第一倾斜亚波长光栅结构和所述第二倾斜亚波长光栅结构之间的间距为0.2-0.3μm；
所述第二倾斜亚波长光栅结构比所述第一倾斜亚波长光栅结构向左侧偏移1-2.4μm。
6.根据权利要求1所述的应用狭缝波导结构的倾斜光栅式偏振分束器，其特征在于，所述余切函数弯曲波导和所述正切函数弯曲波导各自的长度相同并为8-12μm，各自宽度相同并均为0.45-0.5μm，各自横向偏移相同并均为3-5μm，各自弯曲部分分别采用余切函数和正切函数。
7.一种权利要求1所述倾斜光栅式偏振分束器的制造方法，其特征在于，包括：
步骤一、通过等离子体增强化学气相沉积在绝缘体上硅基片上形成一层二氧化硅层；
步骤二、进行匀胶、再使用电子束光刻、显影、等离子体刻蚀操作制备第一硅波导和第二硅波导；
步骤三、在氢氟酸腐蚀液中加入一定的氟化氨作为缓冲剂，形成缓冲氢氟酸蚀刻液，利用缓冲氢氟酸蚀刻液除去第一硅波导和第二硅波导表面的二氧化硅；
步骤四、利用湿化学工艺清洗方式，去除第一硅波导和第二硅波导表面的杂质；
步骤五、使用等离子体增强化学气相沉积在第一硅波导和第二硅波导表面形成一层二氧化硅层；
步骤六、对第一硅波导和第二硅波导表面二氧化硅使用化学机械抛光，得到50nm厚表面平坦的二氧化硅中间层；
步骤七、通过PECVD在二氧化硅中间层上沉积形成一层氮化硅层；
步骤八、使用光刻胶做掩模，使用电子束光刻和等离子体刻蚀操作制备氮化硅波导；
步骤九、利用湿化学工艺清洗方式，去除氮化硅波导表面的杂质；
步骤十、使用等离子体增强化学气相沉积在第一硅波导以及氮化硅波导表面镀上二氧化硅包层。
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