CN112162349A - 一种悬浮脊形波导结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

提供一种悬浮脊形波导结构，该结构包括：脊形波导，其由具有三阶非线性系数的材料构成，该三阶非线性系数大于等于2.7×10^‑20m²/W；用于支撑脊形波导的悬浮支撑结构，其材料与脊形波导材料相同，该悬浮支撑结构连接该脊形波导，并且在材料外延方向上的高度小于脊形波导的高度；孔洞结构，其位于悬浮支撑结构中；以及衬底，其连接悬浮支撑结构；其中，脊形波导是通过外延的方法生长的，以及所述脊形波导和所述悬浮支撑结构被设置为相对于所述衬底悬浮。

Description

一种悬浮脊形波导结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种悬浮脊形波导结构及其制备方法。

背景技术

非线性光学效应以及其在通讯波段的应用，近年来受到人们的广泛关注。由于其在应用过程中主要涉及光信号在非线性介质中产生的相位变化及能量转换，使得能够在非常短的时间内触发这一效应。常见的非线性光学效应主要包括：二次谐波的产生、自相位调制效应、四波混频效应、超连续光谱的产生等。其中后三种光学非线性效应主要基于克尔非线性效应(三阶非线性)。利用材料的三阶光学非线性效应，在光通讯领域可以实现波长转换功能、产生超连续光谱以及光频梳等功能。在提高通讯带宽和信号处理速度等方面具有非常巨大的应用前景。

目前，在非线性光集成芯片的制备上主要存在两个材料体系，其一是硅基材料，主要包括晶体硅、氮化硅两种；其二是III-V族化合物半导体材料，代表为铝镓砷单晶。前者主要利用硅基IV族材料，在工艺上能够完全兼容现有的集成电路工艺，在集成度、成本、兼容性方面具有不可替代的优势。然而，受到材料能带结构的影响，硅基材料在非线性光学器件的制备上存在不可避免的劣势。例如，单晶硅虽然在CMOS兼容材料体系中具有较高的三阶非线性系数，但是其在通讯波段存在严重的双光子吸收效应；氮化硅材料由于其带隙较高，在通讯波段能够完全避免出现双光子吸收效应，并且能够制备出传输损耗极低的波导器件，但其三阶非线性系数低于单晶硅两个数量级。因此，硅基非线性材料在制备高效率的非线性光学器件上存在难以逾越的障碍。

以铝镓砷为代表的III-V族化合物半导体材料，因其较高的三阶非线性系数成为了近年来备受关注的新兴非线性光学材料。同时，通过改变化合物中元素占比，可以调整材料的能带结构从而兼顾高非线性效应和避免双光子吸收。利用组分可调的铝镓砷材料，可以制备出高非线性响应的光学元件。目前世界范围内主要的技术方法有：

(1)在砷化镓衬底上，通过深刻蚀的方法制备出GaAs/AlGaAs波导结构。

(2)利用晶片键合的方法，将外延之后的铝镓砷材料转移到硅基氧化硅衬底上，再进行微纳加工得到铝镓砷波导。

然而，由于受到材料自身能带结构的限制以及工艺稳定性、兼容性等一系列原因的限制，现阶段解决方案仍然存在以下几点问题：

(1)由于砷化镓材料的折射率高于铝镓砷材料，因此利用深刻蚀方法制备波导的过程中，刻蚀深度过大从而对工艺稳定性要求极高；该方法制备的波导需要在砷化镓衬底上完成，因此在芯片成本、工艺兼容性、集成度等方面受到了极大的限制。

(2)利用晶片键合的方法，虽然能够在很大程度上兼容现有的集成电路工艺，然而键合本身的工艺难度偏大，同时该结构的温度稳定性较差。这种方法很难适应大规模生产的需求。

现有技术中存在利用SOI材料制备中长红外undercut型波导的方法，其利用SOI材料的特性，将顶层硅下方的埋氧层去除，以形成波导结构。其结构如附图5所示，具体地，其通过在SOI片上的脊波导中央刻蚀出狭缝51形成slot波导，通过狭缝51掏去slot波导正下方高损耗的埋氧层52，实现中长红外undercut型slot波导结构。在该方法中，由于利用了SOI片埋氧层的特性，其脊波导只能由硅材料构成，不能使用其他材料，但由于硅在通讯波段存在严重的双光子吸收效应，使得该方法无法用于通讯波段中。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的问题，提供一种悬浮脊形波导结构，所述结构包括：

脊形波导，其由具有三阶非线性系数的材料构成，所述三阶非线性系数大于等于2.7×10^-20m²/W；

用于支撑所述脊形波导的悬浮支撑结构，其材料与所述脊形波导材料相同，所述悬浮支撑结构连接所述脊形波导，并且在材料外延方向上的高度小于所述脊形波导的高度；

孔洞结构，其位于所述悬浮支撑结构中；以及

衬底，其连接所述悬浮支撑结构；

其中，所述脊形波导是通过外延的方法生长的，以及所述脊形波导和所述悬浮支撑结构被设置为相对于所述衬底悬浮。

优选地，所述脊形波导为在电磁波传播的方向延伸且横截面保持一致的条形脊波导或在电磁波传播方向延伸且横截面逐渐变小或变大的锥形脊波导。

优选地，所述波导结构材料是选自铌酸锂、氮化铝、碳化硅、III-V族化合物半导体薄膜材料和多层量子阱结构材料中的任一种。

优选地，所述III-V族化合物半导体薄膜材料是铝镓砷材料。

优选地，所述孔洞结构在沿电磁波传播方向成周期性排列并且成对的出现在所述脊形波导的两侧。

优选地，所述锥形脊波导在波导平面内投影为一端与所述条形脊波导的宽度相同并连接所述条形脊波导，另一端与所述条形波导结构的宽度不同。

优选地，所述另一端是用于将所述条形脊波导中的电磁波耦合到光纤的光纤耦合器端面。

优选地，所述衬底材料被选择为能够实现波导材料的外延生长并且与波导材料之间存在物理化学性质上的差异，使得所述衬底材料能够被选择性地去掉。

优选地，所述悬浮脊形波导结构还包括位于所述脊形波导与所述衬底之间的缓冲层，所述缓冲层被选择为与所述波导结构的材料存在物理化学性质上的差异，使其能够被选择性地去掉。

优选地，所述悬浮脊形波导结构还包括位于所述缓冲层与所述衬底之间的外延生长层，所述外延生长层用于实现缓冲层的外延生长。

优选地，所述衬底材料被选择为能够外延生长所述外延生长层或所述缓冲层。

本发明还提供一种用于制备上述悬浮脊形波导结构的方法，所述制备方法包括：

在衬底上利用外延法生长波导材料层，所述波导材料为具有大于等于 2.7×10^{- 20}m²/W的三阶非线性系数的材料；

在所述波导材料层上形成脊形波导以及悬浮支撑结构，所述悬浮支撑结构连接所述脊形波导，并且在材料外延方向上的高度小于所述脊形波导的高度；

在所述脊形波导两侧形成孔洞结构；

通过所述孔洞结构去除所述脊形波导以及悬浮支撑结构下方的材料；

其中，所述脊形波导和所述悬浮支撑结构被设置为相对于所述衬底悬浮。

优选地，所述衬底材料被选择为能够实现波导材料的外延生长并且与波导材料之间存在物理化学性质上的差异，使得所述衬底材料能够被选择性地去掉。

优选地，还包括，在所述衬底上外延生长缓冲层，所述缓冲层位于所述衬底与所述波导材料层之间，所述缓冲层被选择为与所述波导结构的材料存在物理化学性质上的差异，使其能够被选择性地去掉。

优选地，还包括，在所述衬底上外延生长外延生长层，所述外延生长层位于所述衬底与所述缓冲层之间，用于实现缓冲层的外延生长。

本发明提出的新型悬浮脊形波导结构能够将具有良好非线性性能的材料体系与成熟的半导体工艺相结合，在实现高效、大面积非线性光学芯片的制备方面具有非常重要的意义。其实现有助于推动高性能脉冲光信号整形、波长转换、超连续光信号的产生以及光频梳等利于片上集成光学元件的发展。该技术还可以解决硅基非线性光学元件原有的非线性系数偏低、通讯波段非线性吸收效应明显等核心技术难题，为硅基非线性光学元件的制备提供一种新的材料制备方法以及新的光学结构。

附图说明

图1是本发明一个实施例的悬浮脊形波导的三维结构的示意图；

图2A是根据本发明一个实施例的悬浮脊形波导结构的俯视示意图；

图2B是根据本发明另一实施例的悬浮脊形波导结构的俯视示意图；

图3是图2A中悬浮脊形波导结构沿A-A’的截面示意图；

图4是图2A中悬浮脊形波导结构沿B-B’的截面示意图；

图5是现有技术中的中长红外undercut型波导的截面示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，下面将结合附图通过具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当注意，本发明给出的实施例仅用于说明，而不限制本发明的范围。

图1是本发明一个实施例的悬浮脊形波导三维结构的示意图，参照图 1中的直角坐标系，x方向为电磁波传播方向1(即光传播方向1)，z方向为材料外延方向2(即垂直波导平面的方向2)，以及y方向为在波导平面内垂直电磁波传播方向1的方向。如图1所示，本发明的悬浮脊形波导结构包括脊形波导4、悬浮支撑结构6、缓冲层8、外延生长层9以及衬底10。其中，脊形波导4用于定向引导电磁波，由具有高的三阶非线性系数 (即三阶非线性系数大于等于2.7×10^-20m²/W)的材料构成，脊形波导4 的最右端为用于将波导中的电磁波耦合到光纤的水平光纤耦合器端面5，该端面平整光滑，有利于减小光纤到波导的耦合插损；用于支撑脊形波导 4的悬浮支撑结构6与脊形波导4相连接，其材料与脊形波导4相同并且在材料外延方向上的高度小于脊形波导4的高度，其中，悬浮支撑结构6 包括孔洞结构3，用于通过溶液湿法腐蚀等的方法去除悬浮支撑结构6以及脊形波导4下方的部分材料；缓冲层8与悬浮支撑结构6的远离脊形波导4的两侧相连接，其位于脊形波导4与悬浮支撑结构6下方，并且缓冲层8、悬浮支撑结构6与脊形波导4三者形成悬空结构7，其中缓冲层8 的材料同脊形波导4的波导材料(以下简称为波导材料)之间存在一定的物理化学性质上的差异，使缓冲层8能够被选择性的去掉一部分，以形成悬空结构7；外延生长层9位于缓冲层8的下方，其作用是实现缓冲层8 的外延生长，应当注意，本发明中的外延生长包括分子束外延和化学气相沉积这两种方法；以及衬底10位于外延生长层9的下方，衬底材料应当具有以下特性中的一个：(1)能够实现波导材料的外延生长并且与波导材料之间存在一定的物理化学性质上的差异，使其能够被选择性的去掉；(2) 可以通过在衬底和波导材料中间外延一层能够被选择性去掉的材料，从而实现悬浮结构。

应当注意，在图1中所示的悬浮脊形波导结构中，缓冲层8以及外延生长层9不是必须存在的，如果衬底10上可以直接外延生长波导材料，并且满足衬底材料与波导材料之间存在一定的物理化学性质上的差异，使得衬底材料可以被选择性的去掉一部分从而形成悬空结构7，则可以省略缓冲层8以及外延生长层9。但是如果衬底10上无法直接外延生长波导材料，则需要通过在衬底和波导结构中间外延一层能够被选择性去掉的材料，从而实现悬浮结构，该层材料即为缓冲层8。应当注意外延生长层9是用于生长缓冲层8，如果可以在衬底10上直接生长缓冲层8，则外延生长层 9也可以省略，在实际制备过程中，外延生长层9也可以是多层结构。

图2A是根据本发明一个实施例的悬浮脊形波导结构的俯视示意图，如图2A所示，悬浮脊形波导结构包括两部分，位于C-C’分界线左侧的悬浮条形脊波导结构20，以及位于C-C’分界线右侧的悬浮锥形脊波导结构 21。悬浮条形脊波导结构20包括条形脊波导22，条形脊波导22的俯视图为长条形(即矩形)，其沿电磁波传播的方向x延伸且横截面保持一致。悬浮锥形脊波导结构21(也称为水平光纤耦合器21，在本文中两个术语可以互换使用)包括锥形脊波导23，锥形脊波导23沿电磁波传播方向x 延伸且横截面逐渐变小或变大(具体情况取决于目标耦合波导的尺寸，一般集成非线性波导应用中为“逐渐变小”)，即其俯视图为一端与条形脊波导22的宽度相同，另一端为不同宽度的等腰梯形，并且，该另一端是用于将条形脊波导中的电磁波耦合到光纤的光纤耦合器端面5。在该实例中，脊形波导4包括条形脊波导22和锥形脊波导23，但本发明不限于此，在实际应用中，可以根据需要设置不同的悬浮脊形波导的形状。锥形脊波导 23可以用于将条形脊波导22中的光场模式进行转换从而高效耦合进光纤，其可以利用设计好的锥形结构实现与光纤的模式匹配，从而提高光纤与波导之间的光耦合效率。在图2A中还示出了矩形的孔洞结构3，在此定义，沿电磁波传播方向x的孔洞间隔为d，在波导平面内垂直电磁波传播方向 x(即y方向)孔洞与波导的间隔为l。

在本发明中，通常情况下，悬浮条形脊波导结构20与悬浮锥形脊波导结构21需要结合在一起，以便于将条形脊波导22中的电磁波通过锥形脊波导23高效耦合进光纤中。但本发明不以此为限，实际应用中可以仅使用其中的任一种，或者与其他形状的悬浮脊形波导一起结合使用。

图2B是根据本发明另一实施例的悬浮脊形波导结构的俯视示意图，如图2B所示，其结构与图2A类似，除了其孔洞结构3为圆形。再次参考图1，在悬浮脊形波导结构中，孔洞结构3仅用以通过溶液湿法腐蚀等的方法去除悬浮支撑结构6以及脊形波导4下方的部分材料以形成悬空结构 7，所以其形状不限于矩形和圆形，实际应用中可以是其他任意的形状。通常孔洞结构3在沿电磁波传播方向x周期性排列并且成对的出现在脊形波导4的两侧。

孔洞结构3应尽可能的远离脊形波导4(包括条形脊波导22和锥形脊波导23)，以减少孔洞结构3的侧壁对波导内传输光的散射损耗，即，只要孔洞结构3与脊形波导4之间的距离l足够大则孔洞结构3不会引起脊形波导4的损耗。通常情况下，距离l的长度应大于传输波长的1.5倍。随着l的增加，波导悬浮结构的长度也会同样增加，因此在设计结构时还需考虑结构整体的支撑性能。波导悬浮结构长度过大，容易导致结构整体塌陷断裂。

图3是图2A中悬浮脊形波导结构沿A-A’的截面示意图。如图3所示，该悬浮脊形波导结构的截面为“凸”形，其中脊形波导4由上下两部分组成，上部31(即脊31)以及下部32。上部31(即脊31)与下部32宽度相同，如图所示，宽度为w，脊31的高度为h，表面外延的波导材料的厚度(即脊形波导4的厚度)为H，下部32高度为H-h。以下将结合图3 简单介绍脊形波导的原理。悬空结构7中间填充的是空气或其他填充材料，填充的选择需要兼顾结构的力学支撑作用同时满足折射率小于脊形波导4 的材料，保证光场能够很好的限制在脊形波导4中。此处是否使用填充材料需要根据器件结构具体分析，填充材料不是必须的。由于脊31的存在，光场会被限制在下部32中，上部31处的光场比较弱，其传输损耗主要由脊31决定。脊31的高度h太小会降低对广场的限制作用，高度h太大则会影响损耗，因此需在具体应用中根据电磁波的波长以及脊形波导4的材料决定。

图4是图2A中悬浮脊形波导结构沿B-B’的截面示意图。从图中可以看到孔洞结构3。

以下结合附图以硅基铝镓砷悬浮脊形波导结构为例具体说明本发明的悬浮波导结构及其制备方法，制备过程如下：

(1)在硅基衬底上直接分子束外延生长平坦的砷化镓表面；

在表面具有周期性凹槽结构的(100)硅基衬底表面，利用分子束外延生长技术在上述衬底上生长具有锯齿形结构的硅中间层；在硅中间层上生长砷化镓缓冲层；在砷化镓缓冲层上先后生长InGaAs/GaAs、 InAlAs/GaAs多量子阱结构的位错过滤层；在位错过滤层上方生长 GaAs/AlGaAs超晶格结构(该步骤(1)中生长的多层结构，对应于图1 中的外延生长层9)。

(2)在硅基砷化镓表面上利用分子束外延制备GaAs/AlGaAs薄膜结构；

在已经获得的硅基砷化镓表面利用分子束外延的方法沉积2μm的砷化镓薄膜(对应于图1中的缓冲层8)，生长温度为530℃；沉积370nm的铝镓砷薄膜(即波导材料)，生长温度为580℃。

(3)在铝镓砷薄膜层上制备悬浮脊形波导结构；

利用电子束曝光技术在硅基铝镓砷薄膜表面形成悬浮条形脊波导以及悬浮锥形脊波导，通过电感耦合等离子体刻蚀技术完成铝镓砷材料脊形波导结构的制备；利用反应离子刻蚀技术去掉表面电子束胶残留；利用激光直写技术或者紫外光刻技术，在已经形成的铝镓砷脊形波导两侧在指定位置形成孔洞图形，通过电感耦合等离子刻蚀技术完成孔洞结构的制备；利用反应离子刻蚀技术去掉表面的光刻胶残留；利用溶液湿法腐蚀的方法去掉铝镓砷波导结构下方的砷化镓材料形成具有悬浮结构的铝镓砷悬浮脊形波导；利用临界点干燥法去除悬浮脊形波导结构中的水分同时保持波导结构无形变。

(4)对已经制备出的铝镓砷悬浮脊形波导芯片的表面旋涂聚合物，并且加热固化，之后用划片机在指定位置切开芯片露出光纤耦合器端面。

根据本发明的硅基铝镓砷悬浮脊形波导结构的实施例，在硅基衬底上直接分子束外延生长得到平坦的砷化镓表面的粗糙度为0.5～1.6nm，更优选为0.8～1.4nm。在上述步骤(2)中，附着在砷化镓表面上的GaAs/AlGaAs 结构为自衬底向上首先沉积一层厚度为1～4μm的砷化镓薄膜，优选为 2～3μm，其生长温度为500～600℃，优选为530～560℃；在上述砷化镓薄膜上沉积铝镓砷的厚度可以是200～1000nm，优选为300～700nm，其生长温度可以是550～600℃，优选为570～590℃。

在该实施例中，脊形波导由铝镓砷材料构成，其中Al元素的比例会影响到材料的三阶非线性系数和材料的能带结构，因此在具体实施中，Al 元素的比例十分重要。首先，材料的三阶非线性系数随着Al元素的增加，呈现下降趋势。因此，在化合物材料中应尽量保证Al元素的含量不能过高，否则会减弱波导本身产生的非线性效应。其次，铝镓砷材料的禁带宽度随着Al元素的提高而逐渐提高，并且随着禁带宽度的增加，材料针对特定波长的光的非线性吸收系数会降低，这里主要指双光子吸收和三光子吸收。

以C波段(波长为1530nm-1565nm的光波段)波长1550nm的光为例，理论研究表明Al元素的含量在17％时，材料的双光子吸收效应可以忽略不计。在此基础上进一步提高Al元素的含量，有利于减少或彻底消除材料的双光子吸收效应。然而随着Al元素含量的提高，材料禁带宽度的增加会提升三光子吸收效应。这将导致材料再次出现强的非线性吸收，同时削弱了材料的三阶非线性系数。因此，Al元素含量的选择要平衡上述两方面的因素，Al元素含量选择优选地应当适当高于17％。该实施例中，在上述附着在砷化镓表面的铝镓砷薄膜材料中，Al元素的比例可以是 10％～90％，优选为17％～50％。

上述实施例采用在硅基材料上直接外延III-V族材料的方法，将具有高非线性系数和通讯波段无非线性吸收效应的铝镓砷材料直接生长在硅基衬底上。可以同时利用悬浮脊形波导结构提高光场限制效应并且优化色散性能。

尽管上述实施例以硅基铝镓砷悬浮脊形波导结构为例详细介绍了悬浮脊形波导结构以及其制备过程，但本领域技术人员应当理解，本发明不限于此，在实际应用中，凡是满足具有高的三阶非线性系数(三阶非线性系数大于等于2.7×10^-20m²/W)的材料都可以用于本发明的波导结构，满足条件的材料除了铝镓砷材料以外，还包括铌酸锂(LiNbO₃)、AlN、碳化硅(SiC)、以及其他III-V族化合物半导体薄膜材料或多层量子阱结构材料等。同样，悬浮波导结构中的衬底也不限于硅衬底，凡是满足以下特性中的一个的衬底材料均可以：(1)能够实现波导材料的外延生长并且与波导材料之间存在物理化学性质上的差异，使得衬底材料能够被选择性地去掉；(2)能够通过在衬底和波导结构中间外延一层能够被选择性去掉的材料(例如外延生长层或缓冲层)，从而实现悬浮结构。

本发明的悬浮脊形波导结构可以用于通讯波段，在用于通讯波段时，波导结构的材料可以是具有高的三阶非线性系数(三阶非线性系数大于等于2.7×10^-20m²/W)且通讯波段无非线性吸收效应的材料。

在本发明中，脊形波导在沿电磁波传播方向x的长度、在波导平面内垂直电磁波传播方向x的方向(即y方向)的宽度和在垂直波导平面方向 (即z方向)的高度会影响到波导的非线性效应，需要仔细计算。理想情况下波导产生的非线性效应随着波导长度的增加会更加明显。然而由于波导不可避免的存在传输损耗，随着波导长度的增加泵浦光信号的强度在减弱，当强度低于产生非线性效应的阈值时将不会随着波导长度的增加而进一步提升非线性效应。同时，传输损耗的作用会进一步减小产生信号光的强度。因此，在传输损耗小的波导结构中，应尽可能提升波导的长度。另外，波导长度的选择还需要考虑设计的波导结构的色散效应，当长度超过一定范围时，色散效应会影响光信号在时域和频域上的形状。通常情况下，产生同非线性效应相抵消的现象。

对于波导在垂直电磁波传播方向上宽度和高度的选择，首先，波导在垂直电磁波传播方向上的横截面几何形貌决定了波导的色散特性，而非线性效应的产生离不开相适应的色散结构。例如，光孤子的产生需要结构具有反常色散效应。其次，该方向上波导的尺寸决定了光场在波导中的模式分布情况。例如，水平方向上波导宽度大的结构，有利于横电场模式的光传播；垂直方向上高度大的结构，有利于横磁场模式的光传播。这里需要根据实际需求设计相应的波导结构。第三，波导在垂直光传播方向上的结构决定了某种指定模式、波长的光在波导中的限制情况。通常情况下，宽度和高度越小的波导，越倾向于形成单模波导；而结构尺寸的增大会使得波导从单模波导向多模波导转变。并且，针对特定波长、特定模式的光，增加波导的宽度和高度都会增加光在波导中的限制作用，从而减小光场在波导边缘的强度分布，虚弱侧壁和表面散射对光的影响，减小波导的传输损耗。但是，尺寸的增加会使得波导的非线性系数减弱，在其他条件不变的情况下减小波导所能产生的非线性效应。

针对所要产生的非线性效应的不同，波导的长度、宽度和高度均需要仔细计算。在实际应用中可使用仿真软件：Lumerical FDTS solutions、 Lumerical MODE、RSOFT、COMSOL和Matlab等进行计算选择。

以悬浮条形脊波导结构为例，根据上述分析，在本发明提供的悬浮条形脊波导结构中，脊的宽度可以是300～2000nm，优选为400～800nm；脊的高度可以是表面波导材料厚度的10％～95％，优选为20％～30％和 90％～95％。

根据本发明的一个实施例，条形脊波导以及针对该波导结构设计的锥形脊波导下方的缓冲层材料被去掉，既除去起到支撑作用的缓冲层材料被保留下来外，其余部分都将被移除。悬浮脊形波导下方同缓冲层或衬底的间隔(即悬空结构的高度)可以是1～4μm，优选为2～3μm。该间隔不能太小，间隔越大，波导中的光通过倏逝波耦合到下层材料中的效率越低，有利于减小传输损耗。

根据本发明的一个实施例，悬浮脊形波导结构在沿着电磁波传播方向相邻的孔洞间隔d可以是500-5000nm，优选为1000～3000nm；在波导平面内垂直电磁波传播方向孔洞边缘距离相邻波导脊边缘的距离l可以是 500～3000nm，优选为1000～2000nm，以正方形孔洞为例，单个孔洞的边长可以是3～15μm，优选为5～10μm。

根据本发明的一个实施例，水平光纤耦合器中的锥形脊波导在水平面内投影为一端同波导宽度相同，另一端为不同长度的等腰梯形。水平光纤耦合器中的锥形脊波导在水平面内另一端的宽度可以是80～5000nm，优选为100～150nm以及3000～4000nm；该锥形脊波导沿电磁波传播方向的长度可以是30～200μm，优选为100～150μm；该锥形脊波导中脊的高度同前文所述条形脊波导的脊的高度相同。水平光纤耦合器中沿着波导方向周期排列的孔洞结构，与前文所述悬浮条形脊波导结构中两侧的孔洞结构及排列方式相一致。

本发明提出的悬浮脊形波导结构能够将具有良好非线性性能的材料体系同成熟的半导体工艺相结合，在实现高效、大面积非线性光学芯片的制备方面具有非常重要的意义。该技术不仅有助于推动高性能脉冲光信号整形、波长转换、超连续光信号的产生以及光频梳等利于片上集成光学元件的发展，还可以解决硅基非线性光学元件原有的非线性系数偏低、通讯波段非线性吸收效应明显等核心技术难题，为硅基非线性光学元件的制备提供一种新的材料制备方法以及新的光学结构。本发明提出的悬浮脊形波导结构，相较于其他波导结构，还具有工艺容差大、损耗低、模场面积大以及非线性能量密度低等的优点。

虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (15)

1.一种悬浮脊形波导结构，所述结构包括：

脊形波导，其由具有三阶非线性系数的材料构成，所述三阶非线性系数大于等于2.7×10^-20m²/W；

用于支撑所述脊形波导的悬浮支撑结构，其材料与所述脊形波导材料相同，所述悬浮支撑结构连接所述脊形波导，并且在材料外延方向上的高度小于所述脊形波导的高度；

孔洞结构，其位于所述悬浮支撑结构中；以及

衬底，其连接所述悬浮支撑结构；

其中，所述脊形波导是通过外延的方法生长的，以及所述脊形波导和所述悬浮支撑结构被设置为相对于所述衬底悬浮。

2.根据权利要求1所述的一种悬浮脊形波导结构，其中，所述脊形波导为在电磁波传播的方向延伸且横截面保持一致的条形脊波导或在电磁波传播方向延伸且横截面逐渐变小或变大的锥形脊波导。

3.根据权利要求1所述的一种悬浮脊形波导结构，其中，所述波导结构材料是选自铌酸锂、氮化铝、碳化硅、III-V族化合物半导体薄膜材料和多层量子阱结构材料中的任一种。

4.根据权利要求3所述的一种悬浮脊形波导结构，其中，所述III-V族化合物半导体薄膜材料是铝镓砷材料。

5.根据权利要求1所述的一种悬浮脊形波导结构，其中，所述孔洞结构在沿电磁波传播方向成周期性排列并且成对的出现在所述脊形波导的两侧。

6.根据权利要求2所述的一种悬浮脊形波导结构，其中，所述锥形脊波导在波导平面内投影为一端与所述条形脊波导的宽度相同并连接所述条形脊波导，另一端与所述条形脊波导结构的宽度不同。

7.根据权利要求6所述的一种悬浮脊形波导结构，其中，所述另一端是用于将所述条形脊波导中的电磁波耦合到光纤的光纤耦合器端面。

8.根据权利要求1所述的一种悬浮脊形波导结构，其中，所述衬底材料被选择为能够实现波导材料的外延生长并且与波导材料之间存在物理化学性质上的差异，使得所述衬底材料能够被选择性地去掉。

9.根据权利要求1所述的一种悬浮脊形波导结构，其中，所述悬浮脊形波导结构还包括位于所述脊形波导与所述衬底之间的缓冲层，所述缓冲层被选择为与所述波导结构的材料存在物理化学性质上的差异，使其能够被选择性地去掉。

10.根据权利要求9所述的一种悬浮脊形波导结构，其中，所述悬浮脊形波导结构还包括位于所述缓冲层与所述衬底之间的外延生长层，所述外延生长层用于实现缓冲层的外延生长。

11.根据权利要求9或10所述的一种悬浮脊形波导结构，其中，所述衬底材料被选择为能够外延生长所述外延生长层或所述缓冲层。

12.一种用于制备权利要求1-11之一所述的悬浮脊形波导结构的方法，所述制备方法包括：

在衬底上利用外延法生长波导材料层，所述波导材料为具有大于等于2.7×10^-20m²/W的三阶非线性系数的材料；

在所述波导材料层上形成脊形波导以及悬浮支撑结构，所述悬浮支撑结构连接所述脊形波导，并且在材料外延方向上的高度小于所述脊形波导的高度；

在所述脊形波导两侧形成孔洞结构；

通过所述孔洞结构去除所述脊形波导以及悬浮支撑结构下方的材料；

其中，所述脊形波导和所述悬浮支撑结构被设置为相对于所述衬底悬浮。

13.根据权利要求12所述的制备方法，其中，所述衬底材料被选择为能够实现波导材料的外延生长并且与波导材料之间存在物理化学性质上的差异，使得所述衬底材料能够被选择性地去掉。

14.根据权利要求12所述的制备方法，还包括，在所述衬底上外延生长缓冲层，所述缓冲层位于所述衬底与所述波导材料层之间，所述缓冲层被选择为与所述波导结构的材料存在物理化学性质上的差异，使其能够被选择性地去掉。

15.根据权利要求14所述的制备方法，还包括，在所述衬底上外延生长外延生长层，所述外延生长层位于所述衬底与所述缓冲层之间，用于实现缓冲层的外延生长。

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