CN112596157A - 一种硅基磁光非互易条形光波导 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅基磁光非互易条形光波导，在SOI晶片上顶层硅的基础上形成条形光波导的芯部。这种光波导的特征在于：条形光波导的芯部包括两部分，一部分是位于波导芯部最上层的铁磁金属纳米颗粒掺杂条形顶层硅芯部，另一部分是位于铁磁金属纳米颗粒掺杂条形顶层硅芯部与氧化硅层之间的条形顶层硅芯部，其中铁磁金属纳米颗粒掺杂条形顶层硅芯部中的铁磁金属纳米颗粒在SOI基片上的顶层硅中用掺杂技术原位形成。本发明可以实现硅基磁光非互易条形光波导的制作，解决了磁光材料与SOI条形顶层硅芯部光学参数之间匹配的问题，同时解决了磁光材料与硅基光波导制作工艺的兼容性问题。
Description
技术领域
本发明涉及集成光波导器件，具体涉及一种硅基磁光非互易条形光波导。
背景技术
随着微纳电子和光电子技术的发展，光通信网络和光传感系统对磁光功能器件的应用日益迫切。磁光隔离器和磁光电流传感器(MOCT)是最为典型的器件。磁光隔离器又被称为“光学二极管”，其非互易性质打破了光传播的时间反演对称性，可保证该器件所在光路中光波的单向传输，避免激光光源受反射光的影响而产生的不稳定性，是光通信网络中和光信息处理芯片上不可或缺的器件。MOCT通过测试电流所产生的磁场强度实现对电流强度的测量，在线性度和安全性等方面比传统的电流互感器有显著优势，因而在电力测量，尤其是高压输电线的电流测量中扮演着越来越重要的角色。
面向光信息处理和光传感的应用需求，在光波导芯片上实现磁光器件的集成制作受到前所未有的关注。截至目前，由微小光学元件和光纤元件构建的磁光器件(譬如磁光隔离器和MOCT等)制作技术已经基本发展成熟，并在光传感和光通信网络中成功获得应用。但这些基于分立元件的磁光器件一方面具有体积大和制作成本高的不足，另一方面，分立器件不能应用于集成光学信息处理芯片。受到器件功能集成需求的驱动，集成型磁光器件制作成为研究者们的一个主攻方向。磁光器件集成化的优势不仅体现在器件尺寸的大幅缩减，以及批量化生产带来的器件成本的大幅降低，更体现在功能集成给光信息处理芯片带来的便利。
磁光波导是构建集成磁光器件的基本结构单元，高性能磁光波导的研制对磁光器件的实现具有基础性的意义。
硅基SOI波导由于具有优异的性能且能与CMOS工艺兼容而受到广泛重视，被认为是光电子产业发展的重要方向。受到来自磁光隔离器、以及基于磁场传感原理的多种传感器应用的需求牵引，在硅基集成光学芯片实现磁光功能的集成变成一个新兴的研究热点。磁光波导制作是构建磁光功能集成的基础，也是实现磁光功能集成必须解决的核心问题。
硅基片上的磁光波导的制作目前通过异质集成的途径实现。这种光波导的横截面结构如图1所示。即用掺Ce的YIG晶体4(磁光材料)与SOI晶片键合，掺Ce的YIG晶体4与条形顶层硅芯部3、氧化硅层2构成复合的磁光波导，其中条形顶层硅芯部3形成的条形光波导芯部，实现磁光非互易相移的功能。然而，这种技术途径面临两个挑战：其一，掺Ce的YIG晶体4的光学参数与作为条形光波导芯部的条形顶层硅芯部3光学参数之间失配程度大，难以获得较大的非互易相移；其二，这种磁光波导的制作技术与CMOS工艺兼容性较差，掺Ce的YIG晶体4与SOI基片中的条形顶层硅芯部3之间结合的技术难度和可靠性限制了这项技术的大规模推广。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硅基磁光非互易条形光波导。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明在SOI晶片上顶层硅的基础上形成条形光波的芯部。这种光波导的特征在于：条形光波导的芯部包括两部分，一部分是位于波导芯部最上层的铁磁金属纳米颗粒掺杂条形顶层硅芯部5，另一部分是位于铁磁金属纳米颗粒掺杂条形顶层硅芯部5与氧化硅层2之间的条形顶层硅芯部3，其中铁磁金属纳米颗粒掺杂条形顶层硅芯部5中的铁磁金属纳米颗粒在SOI基片上的顶层硅中用掺杂技术原位形成。
所述铁磁金属材料为Fe、Co或Ni。
本发明具有的有益效果是：
铁磁金属纳米颗粒掺杂条形顶层硅芯部5作为磁光功能层，具有比掺Ce的YIG晶体4更高的磁光活性，因此器件的尺寸可以大幅度减小，可以实现硅基磁光非互易条形光波导的制作。不仅如此，这种含有铁磁金属纳米颗粒的SOI光波导中铁磁金属纳米颗粒掺杂条形顶层硅芯部5中的铁磁金属纳米颗粒在SOI基片上的顶层硅中用掺杂技术原位形成，本发明还解决了磁光材料与SOI条形顶层硅芯部3光学参数之间匹配的问题，同时解决了磁光材料与硅基光波导制作工艺的兼容性问题。
这种含有铁磁金属纳米颗粒的硅基SOI光波导的制备可以通过常规的CMOS兼容工艺即可实现，具有现有的硅基光波导工艺的优点。
附图说明
图1是SOI基片上通过引入掺Ce的YIG晶体4制作的复合光波导横截面结构示意图(横截面图)。
图2是本发明的硅基磁光非互易条形光波导横截面结构示意图(横截面图)。
图3是本发明的硅基磁光非互易条形光波导的主要制作步骤示意图(横截面图)。
图中：1、衬底硅；2、氧化硅层；3、条形顶层硅芯部；4、掺Ce的YIG晶体；5、铁磁金属纳米颗粒掺杂条形顶层硅芯部；6、平板状顶层硅；7、平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂顶层硅。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图2所示，本发明所述的硅基磁光非互易光波导在SOI基片上制作。在SOI基片的衬底硅1上方设有氧化硅层2；氧化硅层2上方设有条形顶层硅芯部3；条形顶层硅芯部3上方设有铁磁金属纳米颗粒掺杂条形顶层硅芯部5；铁磁金属纳米颗粒掺杂条形顶层硅芯部5中的铁磁金属纳米颗粒在SOI基片上的顶层硅中用掺杂技术原位形成；条形顶层硅芯部3和铁磁金属纳米颗粒掺杂条形顶层硅芯部5共同构成硅基条形光波导芯部。这种硅基条形光波导具有磁光非互易光波导的特性。
所述铁磁金属纳米颗粒掺杂条形顶层硅芯部5中的铁磁金属为Fe，Co或Ni。
本发明的制作步骤如下：
步骤A)平板状顶层硅6表面层铁磁金属纳米颗粒掺杂(如图3步骤A)。
先在SOI基片的表面通过离子注入并经过后续退火过程，将SOI基片上平板状顶层硅6的上层制作成平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂顶层硅7；控制离子注入的工艺参数，可以控制平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂顶层硅7的厚度，使平板状顶层硅6厚度方向上部分掺杂，即掺杂后平板状顶层硅6的厚度大于零。
步骤B)条形光波导的加工(如图3步骤B)。
采用常规的硅基条形光波导制作技术将SOI基片氧化硅层2上方的平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂顶层硅7和平板状顶层硅6的基础上制作成条形光波导，制作完成后平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂顶层硅7形成铁磁金属纳米颗粒掺杂条形顶层硅芯部5；平板状顶层硅6形成条形顶层硅芯部3。铁磁金属纳米颗粒掺杂条形顶层硅芯部5和条形顶层硅芯部3共同构成条形光波导的芯部。
实施例1
下面以Fe金属纳米颗粒掺杂的硅基磁光非互易条形光波导为例，介绍这种光波导制作方式，如图3所示：
(A)SOI基片上平板状顶层硅6表面层铁磁金属纳米颗粒掺杂(如图3步骤A)：
采用离子注入设备，SOI作为基片(SOI基片中的平板状顶层硅6厚度为220nm，如图3上图所示)，离子注入在室温下进行，将Fe离子加速至45keV，注入剂量(1～10)×1017ion/cm2；离子注入完成后，将SOI基片在800～1200℃下退火，退火时间2～8h。经过此离子注入和退火过程，SOI基片中平板状顶层硅6上面部分大约20～40nm的厚度范围内，Fe纳米颗粒形成，平板状顶层硅6的上部转换成平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂顶层硅7(如图3中图所示)。
(B)采用微细加工工艺在SOI基片表面制作条形光波导(如图3步骤B)：
采用常规的硅基条形光波导制作技术将SOI基片氧化硅层2上方的平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂顶层硅7和平板状顶层硅6的基础上制作成条形光波导，制作完成后平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂顶层硅7形成铁磁金属纳米颗粒掺杂条形顶层硅芯部5；平板状顶层硅6形成条形顶层硅芯部3。铁磁金属纳米颗粒掺杂条形顶层硅芯部5和条形顶层硅芯部3共同构成条形光波导的芯部。波导的宽度400～450nm(如图3下图所示)。
实施例2
下面以Co金属纳米颗粒掺杂的硅基磁光非互易条形光波导为例，介绍这种光波导制作方式，如图3所示：
(A)SOI基片上平板状顶层硅6表面层铁磁金属纳米颗粒掺杂(如图3步骤A)：
采用离子注入设备，SOI作为基片(SOI基片中的平板状顶层硅6厚度为220nm，如图3上图所示)，离子注入在500℃下进行，将Co离子加速至0.4～2.5MeV，注入剂量(1～10)×1012ion/cm2；离子注入完成后，将SOI基片在800～1200℃下退火，退火时间0.5～3h。经过此离子注入和退火过程，经过此离子注入和退火过程，SOI基片中平板状顶层硅6上面部分大约20～40nm的厚度范围内，Co纳米颗粒形成，平板状顶层硅6的上部转换成平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂顶层硅7(如图3中图所示)。
(B)采用微细加工工艺在SOI基片表面制作条形光波导(如图3步骤B)：
采用常规的硅基条形光波导制作技术将SOI基片氧化硅层2上方的平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂顶层硅7和平板状顶层硅6的基础上制作成条形光波导，制作完成后平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂顶层硅7形成铁磁金属纳米颗粒掺杂条形顶层硅芯部5；平板状顶层硅6形成条形顶层硅芯部3。铁磁金属纳米颗粒掺杂条形顶层硅芯部5和条形顶层硅芯部3共同构成条形光波导的芯部。波导的宽度400～450nm(如图3下图所示)。
实施例3
下面以Ni金属纳米颗粒掺杂的硅基磁光非互易条形光波导为例，介绍这种光波导制作方式，如图3所示：
(A)SOI基片上平板状顶层硅6表面层铁磁金属纳米颗粒掺杂(如图3步骤A)：
采用离子注入设备，SOI作为基片(SOI基片中的平板状顶层硅6厚度为220nm，如图3上图所示)，离子注入在350～400℃下进行，将Ni离子加速至0.4～0.5MeV，注入剂量(1～10)×1017ion/cm2；离子注入完成后，将SOI基片在400～1000℃下退火，退火时间0.5～4h。经过此离子注入和退火过程，经过此离子注入和退火过程，SOI基片中平板状顶层硅6上面部分大约20～40nm的厚度范围内，Ni纳米颗粒形成，平板状顶层硅6的上部转换成平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂顶层硅7(如图3中图所示)。
(B)采用微细加工工艺在SOI基片表面制作条形光波导(如图3步骤B)：
采用常规的硅基条形光波导制作技术将SOI基片氧化硅层2上方的平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂顶层硅7和平板状顶层硅6的基础上制作成条形光波导，制作完成后平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂顶层硅7形成铁磁金属纳米颗粒掺杂条形顶层硅芯部5；平板状顶层硅6形成条形顶层硅芯部3。铁磁金属纳米颗粒掺杂条形顶层硅芯部5和条形顶层硅芯部3共同构成条形光波导的芯部。波导的宽度400～450nm(如图3下图所示)。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种硅基磁光非互易条形光波导，其特征在于：条形光波导的芯部包括两部分，一部分是位于波导芯部最上层的铁磁金属纳米颗粒掺杂条形顶层硅芯部(5)，另一部分是位于铁磁金属纳米颗粒掺杂条形顶层硅芯部(5)与氧化硅层(2)之间的条形顶层硅芯部(3)，其中铁磁金属纳米颗粒掺杂条形顶层硅芯部(5)中的铁磁金属纳米颗粒在SOI基片上的顶层硅中用掺杂技术原位形成。
2.根据权利要求1所述的一种硅基磁光非互易条形光波导，其特征在于：所述铁磁金属纳米颗粒掺杂条形顶层硅芯部(5)中的铁磁金属为Fe、Co或Ni。
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