CN114296182B - 一种基于硅基光波导的三维光交叉器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于硅基光波导的三维光交叉器及其制备方法，属于集成光电子学技术领域。由硅衬底、二氧化硅下包层、二氧化硅中间层、二氧化硅上包层和光波导芯层组成；光波导芯层由第一层硅波导和第二层硅波导组成，第一层硅波导制备在二氧化硅下包层之上、被包覆在二氧化硅中间层之中；第二层硅波导制备在二氧化硅中间层之上、被包覆在二氧化硅上包层之中；第一层硅波导和第二层硅波导结构尺寸完全相同，呈十字交叉设置。本发明使用的函数型波导结构尺寸小，制备方法与CMOS工艺兼容，利于集成。在1550nm波长下，传输效率为0.985，层间串扰为‑59.8dB。在保持低层间串扰特性的同时，可实现低损耗传输，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于集成光电子学技术领域，具体涉及一种基于硅基光波导的三维光交叉器及其制备方法，该器件在片上光通信、高性能计算机、光学传感等领域具有重要的应用价值和发展前景。
背景技术
随着信息技术的飞速发展，大数据、人工智能等新兴产业更加离不开信息化的参与，高速率、大带宽、高效率的通信技术逐渐成为了未来的主流需求。从二十世纪六十年代提出摩尔定律至今，受限于寄生电容、电阻的传统集成电路已发展到瓶颈期，开始无法满足当今日渐增长的需求。因此，硅基光电子技术作为解决传统集成光路体积和功耗大等问题的方案之一，受到了科研和产业界的广泛关注。硅基光电子技术能与十分成熟的CMOS工艺相兼容，可以进行大规模加工生产，具有低成本、高可靠性和高集成度等优点。但目前片上集成光路的器件密度仍然较低，随着器件集成度的提高，二维平面构型已无法满足日益增长的带宽需求。三维光子集成可以提供更高的器件集成度及路由选择，是解决二维平面集成光路带宽瓶颈的有效方法。但三维光子集成芯片中，层与层之间存在光能量泄露导致的损耗和串扰增加，是三维集成中待解决的重要问题之一。
发明内容
本发明目的在于提供一种便于集成、串扰低、传输效率高的基于硅基光波导的三维光交叉器及其制备方法。
本发明所述的基于硅基光波导的三维光交叉器，其特征在于：该三维光交叉器由硅衬底、二氧化硅下包层、二氧化硅中间层、二氧化硅上包层和光波导芯层组成；光波导芯层由第一层硅波导和第二层硅波导组成，第一层硅波导制备在二氧化硅下包层之上、被包覆在二氧化硅中间层之中；第二层硅波导制备在二氧化硅中间层之上、被包覆在二氧化硅上包层之中；第一层硅波导和第二层硅波导结构尺寸完全相同，呈十字交叉设置，两者间被二氧化硅中间层分隔开；第一层硅波导由第一输入波导Core1、第一耦合波导Core2和第一输出波导Core3构成，第二层硅波导由第二输入波导Core4、第二耦合波导Core5和第二输出波导Core6构成；其中，二氧化硅下包层、二氧化硅中间层、二氧化硅上包层的折射率为1.445，硅衬底的折射率为3.455。
第一输入波导Core1、第二输入波导Core4、第一输出波导Core3和第二输出波导Core6结构相同，为矩形结构直波导，厚度H＝0.22μm、宽度W1＝0.4μm，满足单模传输条件，支持TE11模式；第一耦合波导Core2和第二耦合波导Core5结构相同，为一个宽度函数型变化的中心对称波导，其宽度由第一输入波导Core1和第二输入波导Core4的宽度逐渐增加，到达最大值后，再逐渐变小为第一输出波导Core3和第二输出波导Core6的宽度；第一耦合波导Core2和第二耦合波导Core5的宽度首先由0.4μm增宽为1μm，在将长度x归一化为[-1，0)时，该宽度变化记为y1，再由宽度1μm逐步变窄为0.4μm，在将长度x归一化为[0，1)时，该宽度变化记为y2；其中，y1满足函数关系y1＝1-0.6·(-x)1.5(-1≤x<0)，y2满足函数关系y2＝1-0.6·(x)1.5(0≤x≤1)。第一层硅波导和第二层硅波导之间的二氧化硅中间层的厚度Gap＝300nm。利用时域有限差分法分析第一耦合波导Core2与第二耦合波导Core5结构参数，选择第一耦合波导Core2与第二耦合波导Core5宽度变化函数幂指数为1.5，确定第一耦合波导Core2与第二耦合波导Core5的长度L1＝16.8μm，宽度W2＝1μm。
从第一输入波导Core1中输入的光模场在第一耦合波导Core2中随波导宽度增大而扩展，可降低泄露光损耗；然后光模场随第一耦合波导Core2(支持TE11、TE21和TE31模式的传播)宽度减小而收窄，并进入第一输出波导Core3输出，同理，从第二输入波导Core4中输入，也是同样的工作原理。
当两根折射率相同或者相差不大的波导互相邻近时，输入信号光波导所传输的模式，会与另一根无输入信号光的波导发生模式耦合，两根波导相互作用，继而产生功率的交换。所以，不论是从第一输入波导Core1，还是从第二输入波导Core4输入信号光，都会发生模式耦合，并产生一个耦合区波导模场，即第一耦合波导Core2与第二耦合波导Core5投影在X-Y平面的重叠部分所传播的模场。第一耦合波导Core2与第二耦合波导Core5为绝热结构，波导宽度变化时非常缓慢，以满足低串扰、低损耗三维光交叉连接要求。
三维光交叉器的层间串扰(Cross Talk)指光在第一层硅波导或第二层硅波导中传播时，部分光能量耦合泄漏至另一层波导。当串扰越大时，泄漏到另一层硅波导的光越多，三维光交叉器的性能越差。层间串扰与第一层硅波导与第二层硅波导间的中间层距离Gap有关，层间串扰随Gap的增加而降低，但层间耦合的效率会同时下降。本发明所采用的二氧化硅中间层厚度Gap选为300nm，通过有限时域差分法确定第一耦合波导Core2波导长度L1＝16.8μm，宽度W2＝1μm时，层间串扰为-59.7dB。在第一层硅波导或者第二层硅波导的层内，归一化的传输效率(Tramsmission)也是一个重要的参数之一，它表示在同一层内信号光的输出所占输入的百分比。传输效率越接近1，三维光交叉器的性能越好。在第一耦合波导Core2的长度为16.8μm，宽为1μm时，信号光波长1550nm时，层内的传输效率为0.9889。图3(a)与(b)分别显示了在通过时域有限差分法(Finite-Difference Time-Domain，FDTD)优化第一层硅波导的第一耦合波导Core2长度与三维光交叉器串扰与传输效率的关系曲线。由图可知，在第一耦合波导Core2长度为16.8μm时，三维光交叉器的层间串扰最小，为-53.6dB，层内传输效率为0.984。图4(a)与(b)分别显示了在通过时域有限差分法优化第一层硅波导的第一耦合波导Core2宽度与三维光交叉器串扰与传输效率的关系曲线。由图可知，在第一耦合波导Core2宽度为1μm时，三维光交叉器的层间串扰最小，为-59.8dB，层内传输效率为0.985。图5(a)与(b)分别显示了三维光交叉器层间串扰与层内传输效率随着信号光波长变化，结果表明，在1500nm～1600nm波长范围内，该三维光交叉器的串扰小于-50dB，传输效率大于0.985。图6(a)与(b)为信号光从第一层硅波导的第一输入波导Core1输入时，第一层硅波导与第二层硅波导的光场分布图，从结果可以看出，第一层硅波导的光场无明显泄露，第二层硅波导内光场能量小，由此说明第一层硅波导与第二层硅波导之间的串扰很低。
第一层硅波导和第二层硅波导分别传输下层和上层的信号光。两层硅波导基于光模式耦合原理，当硅波导宽度增加时，其所支持的光模场也随之增大，导致光交叉器交叉重叠区域折射率差下降，从而减小损耗，降低串扰。相比于传统的二维光交叉器，本发明所述的三维光交叉器的第一层硅波导和第二层硅波导的层间串扰小于二维光交叉器，基于硅基光波导的三维光交叉器可支持与其它功能器件的三维集成。在椭圆型、函数型和多模干涉型等实现三维光交叉器的不同方法中，函数型结构和工艺简单，串扰与传输性能良好，符合本发明技术要求。
本发明所述的基于硅基光波导的三维光交叉器采用两片绝缘体上硅(silicon-on-insulator，SOI)晶圆，第一片SOI晶圆为底层硅、二氧化硅掩埋层和顶层硅结构；底层硅作为三维光交叉器的硅衬底，厚度为500μm；二氧化硅掩埋层作为三维光交叉器的二氧化硅下包层，厚度为3μm；顶层硅用于制备三维光交叉器的第一层硅波导，厚度为0.22μm。第二片SOI晶圆为底层硅、二氧化硅掩埋层和顶层硅结构，底层硅厚度为500μm，被刻蚀掉；二氧化硅掩埋层厚度为3μm，被刻蚀掉；顶层硅用于制备三维光交叉器的第二层硅波导，厚度为0.22μm。在第一层硅波导和第二层硅波导间制备厚度为0.3μm的二氧化硅中间层，在第二层硅波导上制备厚度为1μm的二氧化硅上包层。具体制备步骤如下如图7所示：
1)第一片SOI晶圆的准备：将第一片SOI晶圆清洗处理后烘干；
2)刻蚀形成第一层硅波导：在第一片SOI晶圆的顶层硅表面旋涂193nm波长深紫外的氟化氩(Arf)光刻胶0.5μm，在120℃下烘30秒，以增强光刻胶的黏附性，释放光刻胶膜内的应力；接着将掩模版的对准标记与晶圆上的切割线对准，固定掩模版，使用193nm波长的激光光源扫描过掩模版，选择掩模版的结构使第一层硅波导结构之外需要刻蚀地方的光刻胶被曝光，而第一层硅波导结构之内的光刻胶未被曝光，从而完成硅波导图形从掩模版到晶圆的传递；然后使用化学显影液四甲基氢氧化铵(TMAH)显影60秒，曝光的光刻胶被去除，而未曝光的光刻胶不受影响；显影完成后通过旋转甩掉多余显影液，并用去离子水清洗后甩干，再在100℃下烘2分钟，完全蒸发掉光刻胶里面的溶剂；采用感应耦合等离子法(Inductively Coupled Plasma，ICP)刻蚀SOI晶圆表面未受光刻胶保护的顶层硅，刻蚀深度为220nm全刻蚀，即利用ICP方法去除第一层硅波导结构之外的顶层硅，刻蚀气体为SF6和C4F8，C4F8与SF6分别为钝化气体和刻蚀气体。钝化过程为通入C4F8气体，C4F8在等离子状态下分解成离子态基、/>基与活性F-基，其中/>基和/>基与硅表面反应，形成CF2高分子钝化膜。刻蚀过程通入SF6气体，增加氟离子解离，F-与CF2反应刻蚀掉钝化膜并生成挥发性气体SF2，接着Si与F-反应生成SiFx进行硅基材的刻蚀。刻蚀完成后去除光刻胶，得到由第一输入波导Core1、第一耦合波导Core2和第一输出波导Core3构成的第一层硅波导阵列；
3)沉积SiO2中间层：通过增强等离子体化学气相沉积(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition,PECVD)的方法，在上下电极温度分别为300℃和250℃、反应压强为4758Pa、射频源输出功率为700W的条件下，使用硅烷(SiH4)及笑气(N2O)在流量分别为17sccm(标准状态下1cm3/min的流量)和2000sccm下，反应生成SiO2、N2、H2，从而在第一层硅波导阵列上沉积0.5μm厚的SiO2层；该SiO2层覆盖第一层硅波导表面的同时，也将第一层硅波导阵列间的空隙填满；再采用化学机械(CMP)的方法控制SiO2层的厚度，即使用氧化硅、去离子水和碱性溶液组成的研磨液对SiO2层进行研磨，使第一层硅波导表面上SiO2层的厚度为0.2μm；
4)第二片SOI晶圆的准备：将第二片SOI晶圆清洗处理后烘干；
5)沉积研磨形成二氧化硅中间层：在第二片SOI晶圆的顶层硅表面通过PECVD的方法生长1μm厚的SiO2层，再利用化学机械研磨(CMP)的方法将该SiO2层的厚度研磨至0.1μm；
6)利用晶圆键合方法制备双片SOI晶圆结构：将步骤5)得到的第二片SOI晶圆和步骤3)得到的第一片SOI晶圆共同在NH4OH、H2O2和H2O的混合溶液中浸泡10分钟，NH4OH、H2O2和H2O的摩尔比为0.2：1：5；再用去离子水清洗5分钟，完成SiO2表面活化；将经表面活化处理后的第二片SOI晶圆倒置后与第一片SOI晶圆键合，再经500℃退火后形成稳定的SiO2-SiO2化学键，构建出双片SOI晶圆结构，键合后的SiO2层作为二氧化硅中间层，厚度为0.3μm；
7)CMP法粗抛第二片SOI晶圆的底层硅：利用化学机械研磨(CMP)的方法将第二片SOI的底层硅减薄至1μm；
8)CMP法完全去除第二片SOI晶圆的底层硅：利用化学机械研磨(CMP)的方法进行细磨，控制刻蚀速率，通过膜厚仪表征，完全去除第二片SOI晶圆的底层硅；
9)CMP法去除第二片SOI晶圆的二氧化硅掩埋层：利用化学机械研磨(CMP)的方法对第二片SOI晶圆的二氧化硅掩埋层进行研磨，去除第二片SOI晶圆的二氧化硅掩埋层，留下第二片SOI晶圆0.22μm厚的顶层硅，用于制备第二层硅波导；
10)等离子刻蚀形成第二层硅波导：在第二片SOI晶圆的顶层硅表面旋涂193nm波长深紫外的氟化氩(Arf)光刻胶，然后利用深紫外光刻工艺，将第二光刻版上第二层硅波导图形转移至光刻胶上，采用与制备第一层硅波导相同的刻蚀工艺，制备由第二输入波导Core4、第二耦合波导Core5和第二输出波导Core6构成的第二层硅波导阵列；第二光刻版与第一光刻版的结构相同，第二光刻版与第一光刻版间成90度角设置，从而得到十字交叉的第一层硅波导阵列和第二层硅波导阵列；
11)沉积SiO2上包层：采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法在第二层硅波导表面沉积SiO2层，该SiO2层在覆盖第二层硅波导表面的同时，也将第二层硅波导阵列间的空隙填满；第二层硅波导表面的SiO2层为二氧化硅上包层，其厚度为1μm，从而制备得到本发明所述的基于硅基光波导的三维光交叉器。
与现有器件相比，本发明的有益效果是：本发明设计了一种函数型宽度渐变的基于硅波导三维光交叉器，相比于硅波导二维光交叉器，本发明使用的函数型波导结构尺寸小，制备方法与CMOS工艺兼容，利于集成。在1550nm波长下，三维光交叉器的传输效率为0.985，三维光交叉器的层间串扰为-59.8dB。在保持低层间串扰特性的同时，可实现低损耗传输，为信息传输容量拓展提供可靠支撑，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1：本发明所述的基于硅基光波导的三维光交叉器结构示意图；
图2：本发明所述的基于硅基光波导的三维光交叉器的第一层硅波导与第二层硅波导十字交叉结构的俯视图(a)和前视图(b)；
图3(a)：时域有限差分法(FDTD,Finite-Difference Time-Domain)计算第一层硅波导的Core2长度与三维光交叉器串扰的关系曲线；图3(b)：时域有限差分法计算第一层硅波导的Core2长度与三维光交叉器传输效率的关系曲线；
图4(a)：时域有限差分法计算第一层硅波导的Core2宽度与三维光交叉器串扰的关系曲线；图4(b)：时域有限差分法计算第一层硅波导的Core2宽度与三维光交叉器传输效率的关系曲线；
图5(a)：时域有限差分法计算三维光交叉器串扰随光波长的变化；图5(b)：时域有限差分法计算三维光交叉器的传输效率随光波长的变化；
图6(a)：光波长1550nm的光信号由Core1波导输入时，第一层硅波导的光强分布图；图6(b)：光波长1550nm光信号由Core1波导输入时，第二层硅波导的光强分布图；
图7：本发明所述基于硅基光波导的三维光交叉器制备工艺流程：制备工艺依次为第一层硅波导SOI晶圆准备，沉积SiO2中间层，第二层硅波导SOI晶圆准备，沉积研磨形成二氧化硅中间层，利用晶圆键合方法制备双层单晶硅薄膜，CMP粗抛第二片SOI硅衬底，CMP完全去除第二片SOI的硅衬底，去除第二片SOI晶圆的二氧化硅层，等离子刻蚀形成第二层硅波导，沉积SiO2上包层。
具体实施方式
实施例1：
本发明为实现三维层间光交叉功能，采用了模场展宽的方法，其原理是通过输入光在波导中模场的不断展宽，减少层内的光泄露。
首先确定第一层硅波导和第二层硅波导中矩形结构直单模波导Core1和Core3，Core4和Core6的尺寸。将波导确定为高度H＝0.22μm的条形波导，通过时域有限差分法模拟分析不同波导宽度条件下光模式，确定波导宽度W1选择为0.4μm，以满足TE11单模传输。确定交叉重叠区Core2和Core4尺寸，利用时域有限差分法模拟分析，确定Core2与Core4波导宽度变化关系满足函数y＝1-0.6·x1.5时，三维光交叉器串扰小，且在1500nm-1600nm波长范围内串扰均小于-50dB，具有良好的三维光传输特性。
本发明提出的基于硅基光波导的三维光交叉器实现了光信号在上、下两层硅波导内的低串扰独立传输，具有光场隔离度高和结构紧凑的特点。
实施例2：
利用深紫外光刻工艺，将光刻版上第一层硅波导图形转移至SOI晶圆表面光刻胶上，采用感应耦合等离子法(ICP)刻蚀硅波导，刻蚀深度为220nm，而后去除光刻胶。采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法在硅波导表现沉积1μm厚二氧化硅SiO2。采用等离子刻蚀形成第一层硅波导。通过增强等离子体化学气沉积方法沉积二氧化硅中间层。采用化学机械抛光减薄。并将第二片SOI晶圆键合在第一片SOI晶圆上。刻蚀第二层硅波导并沉积二氧化硅上包层。
1)第一片SOI晶圆的准备：将第一片SOI晶圆清洗处理后烘干；
2)刻蚀形成第一层硅波导：在第一片SOI晶圆的顶层硅表面旋涂193nm波长深紫外的氟化氩(Arf)光刻胶0.5μm，用热板在120℃下烘30秒，以增强光刻胶的黏附性，释放光刻胶膜内的应力。接着将掩模版的对准标记与晶圆上的切割线对准，固定掩模版，使用193nm波长的激光光源扫描过掩模版，掩模版透光区域(即硅波导旁边需要刻蚀的地方)的光刻胶上被曝光生成羧酸并留下图形，硅波导图形则不透光，光刻胶未被曝光，完成了图形从掩模版到晶圆的传递。使用化学显影液四甲基氢氧化铵(TMAH)溶解由曝光造成的光刻胶可溶解区域60秒，TMAH显影液中的碱与羧酸中和使曝光的光刻胶溶解于显影液，而未曝光的光刻胶没有影响，显影完成后通过旋转甩掉多余显影液，并用去离子水清洗后甩干。再使用热板100℃下烘2分钟，完全蒸发掉光刻胶里面的溶剂。采用感应耦合等离子法(InductivelyCoupled Plasma，ICP)刻蚀SOI晶圆未受光刻胶保护的顶层硅，刻蚀深度为220nm全刻蚀，即利用ICP方法去除第一层硅波导结构之外的顶层硅，刻蚀气体为SF6和C4F8，C4F8与SF6分别为钝化气体和刻蚀气体。钝化过程为通入C4F8气体，C4F8在等离子状态下分解成离子态基、基与活性F-基，其中/>基和/>基与硅表面反应，形成CF2高分子钝化膜。刻蚀过程通入SF6气体，增加氟离子解离，F-与CF2反应刻蚀掉钝化膜并生成挥发性气体SF2，接着Si与F-反应生成SiFx进行硅基材的刻蚀。刻蚀完成后去除光刻胶，得到由第一输入波导Core1、第一耦合波导Core2和第一输出波导Core3构成的第一层硅波导阵列；
3)沉积SiO2中间层：通过增强等离子体化学气相沉积(Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition,PECVD)的方法，在上下电极温度分别为300℃和250℃、反应压强为4758Pa、射频源输出功率为700W的条件下，使用硅烷(SiH4)及笑气(N2O)在流量分别为17sccm(标准状态下1cm3/min的流量)和2000sccm下，反应生成SiO2、N2、H2，从而在第一层硅波导阵列上沉积0.5μm厚的SiO2层；该SiO2层覆盖第一层硅波导表面的同时，也将第一层硅波导阵列间的空隙填满；再采用化学机械(CMP)的方法控制SiO2层的厚度，即使用氧化硅、去离子水和碱性溶液组成的研磨液对SiO2层进行研磨，使第一层硅波导表面上SiO2层的厚度为0.2μm；
4)第二片SOI晶圆的准备：将第二片SOI晶圆清洗处理后烘干；
5)沉积研磨形成二氧化硅中间层：在第二片SOI晶圆的顶层硅表面通过PECVD的方法生长1μm厚的SiO2层，再利用化学机械研磨(CMP)的方法将该SiO2层的厚度研磨至0.1μm；
6)利用晶圆键合方法制备双片SOI晶圆结构：将步骤5)得到的第二片SOI晶圆和步骤3)得到的第一片SOI晶圆共同在NH4OH、H2O2和H2O的混合溶液中浸泡10分钟，NH4OH、H2O2和H2O的摩尔比为0.2：1：5；再用去离子水清洗5分钟，完成SiO2表面活化；将经表面活化处理后的第二片SOI晶圆倒置后与第一片SOI晶圆键合，再经500℃退火后形成稳定的SiO2-SiO2化学键，构建出双片SOI晶圆结构，键合后的SiO2层作为二氧化硅中间层，厚度为0.3μm；
7)CMP法粗抛第二片SOI晶圆的底层硅：利用化学机械研磨(CMP)的方法将第二片SOI的底层硅减薄至1μm；
8)CMP法完全去除第二片SOI晶圆的底层硅：利用化学机械研磨(CMP)的方法进行细磨，控制刻蚀速率，通过膜厚仪表征，完全去除第二片SOI晶圆的底层硅；
9)CMP法去除第二片SOI晶圆的二氧化硅掩埋层：利用化学机械研磨(CMP)的方法对第二片SOI晶圆的二氧化硅掩埋层进行研磨，去除第二片SOI晶圆的二氧化硅掩埋层，留下第二片SOI晶圆0.22μm厚的顶层硅，用于制备第二层硅波导；
10)等离子刻蚀形成第二层硅波导：在第二片SOI晶圆的顶层硅表面旋涂193nm波长深紫外的氟化氩(Arf)光刻胶，然后利用深紫外光刻工艺，将第二光刻版上第二层硅波导图形转移至光刻胶上，采用与制备第一层硅波导相同的刻蚀工艺，制备由第二输入波导Core4、第二耦合波导Core5和第二输出波导Core6构成的第二层硅波导阵列；第二光刻版与第一光刻版的结构相同，第二光刻版与第一光刻版间成90度角设置，从而得到十字交叉的第一层硅波导阵列和第二层硅波导阵列；
11)沉积SiO2上包层：采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法在第二层硅波导表面沉积SiO2层，该SiO2层在覆盖第二层硅波导表面的同时，也将第二层硅波导阵列间的空隙填满；第二层硅波导表面的SiO2层为二氧化硅上包层，其厚度为1μm，从而制备得到本发明所述的基于硅基光波导的三维光交叉器。
上述具体实施方式只是本发明有代表性的实例之一，本发明技术应用不限于上述实施例。本领域的技术人员，以本发明所明确公开或根据文件书面描述毫无异议得到的，都应该是本专利所要保护的范围。
Claims (4)
1.一种基于硅基光波导的三维光交叉器，其特征在于：该三维光交叉器由硅衬底、二氧化硅下包层、二氧化硅中间层、二氧化硅上包层和光波导芯层组成；光波导芯层由第一层硅波导和第二层硅波导组成，第一层硅波导制备在二氧化硅下包层之上、被包覆在二氧化硅中间层之中；第二层硅波导制备在二氧化硅中间层之上、被包覆在二氧化硅上包层之中；第一层硅波导和第二层硅波导结构尺寸完全相同，呈十字交叉设置，两者间被二氧化硅中间层分隔开；第一层硅波导由第一输入波导Core1、第一耦合波导Core2和第一输出波导Core3构成，第二层硅波导由第二输入波导Core4、第二耦合波导Core5和第二输出波导Core6构成；
第一输入波导Core1、第二输入波导Core4、第一输出波导Core3和第二输出波导Core6结构相同，为矩形结构直波导，宽度W1＝0.4μm，满足单模传输条件，支持TE11模式；第一耦合波导Core2和第二耦合波导Core5结构相同，为一个宽度函数型变化的中心对称波导，第一耦合波导Core2和第二耦合波导Core5的宽度首先由0.4μm增宽为1μm，在将长度x归一化为[-1，0)时，该宽度变化记为y1，再由宽度1μm逐步变窄为0.4μm，在将长度x归一化为[0，1)时，该宽度变化记为y2；其中，y1满足函数关系y1＝1-0.6·(-x)1.5(-1≤x<0)，y2满足函数关系y2＝1-0.6·(x)1.5(0≤x≤1)；第一耦合波导Core2与第二耦合波导Core5的长度L1＝16.8μm。
2.如权利要求1所述的一种基于硅基光波导的三维光交叉器，其特征在于：硅衬底的厚度为500μm，二氧化硅下包层的厚度为3μm，第一层硅波导的厚度为0.22μm，第二层硅波导的厚度为0.22μm，第一层硅波导和第二层硅波导之间的二氧化硅中间层的厚度Gap＝300nm。
3.如权利要求1所述的一种基于硅基光波导的三维光交叉器，其特征在于：二氧化硅下包层、二氧化硅中间层、二氧化硅上包层的折射率为1.445，硅衬底的折射率为3.455。
4.权利要求1、2或3所述的一种基于硅基光波导的三维光交叉器的制备方法，其步骤如下：
1)第一片SOI晶圆的准备：将第一片SOI晶圆清洗处理后烘干；
2)刻蚀形成第一层硅波导：在第一片SOI晶圆的顶层硅表面旋涂193nm波长深紫外的氟化氩光刻胶0.5μm，在120℃下烘30秒，以增强光刻胶的黏附性，释放光刻胶膜内的应力；接着将掩模版的对准标记与晶圆上的切割线对准，固定掩模版，使用193nm波长的激光光源扫描过掩模版，选择掩模版的结构使第一层硅波导结构之外需要刻蚀地方的光刻胶被曝光，而第一层硅波导结构之内的光刻胶未被曝光，从而完成硅波导图形从掩模版到晶圆的传递；然后使用化学显影液四甲基氢氧化铵显影60秒，曝光的光刻胶被去除，而未曝光的光刻胶不受影响；显影完成后通过旋转甩掉多余显影液，并用去离子水清洗后甩干，再在100℃下烘2分钟，完全蒸发掉光刻胶里面的溶剂；采用感应耦合等离子法刻蚀SOI晶圆表面未受光刻胶保护的顶层硅，刻蚀深度为220nm全刻蚀；刻蚀完成后去除光刻胶，得到由第一输入波导Core1、第一耦合波导Core2和第一输出波导Core3构成的第一层硅波导阵列；
3)沉积SiO2中间层：通过增强等离子体化学气相沉积的方法，在上下电极温度分别为300℃和250℃、反应压强为4758Pa、射频源输出功率为700W的条件下，使用硅烷及笑气在流量分别为17sccm和2000sccm下，反应生成SiO2、N2、H2，从而在第一层硅波导阵列上沉积0.5μm厚的SiO2层；该SiO2层覆盖第一层硅波导表面的同时，也将第一层硅波导阵列间的空隙填满；再采用化学机械的方法控制SiO2层的厚度，使第一层硅波导表面上SiO2层的厚度为0.2μm；
4)第二片SOI晶圆的准备：将第二片SOI晶圆清洗处理后烘干；
5)沉积研磨形成二氧化硅中间层：在第二片SOI晶圆的顶层硅表面通过增强等离子体化学气相沉积的方法生长1μm厚的SiO2层，再利用化学机械研磨的方法将该SiO2层的厚度研磨至0.1μm；
6)利用晶圆键合方法制备双片SOI晶圆结构：将步骤5)得到的第二片SOI晶圆和步骤3)得到的第一片SOI晶圆共同在NH4OH、H2O2和H2O的混合溶液中浸泡10分钟，NH4OH、H2O2和H2O的摩尔比为0.2：1：5；再用去离子水清洗5分钟，完成SiO2表面活化；将经表面活化处理后的第二片SOI晶圆倒置后与第一片SOI晶圆键合，再经500℃退火后形成稳定的SiO2-SiO2化学键，构建出双片SOI晶圆结构，键合后的SiO2层作为二氧化硅中间层，厚度为0.3μm；
7)粗抛第二片SOI晶圆的底层硅：利用化学机械研磨的方法将第二片SOI的底层硅减薄至1μm；
8)完全去除第二片SOI晶圆的底层硅：利用化学机械研磨的方法进行细磨，控制刻蚀速率，通过膜厚仪表征，完全去除第二片SOI晶圆的底层硅；
9)去除第二片SOI晶圆的二氧化硅掩埋层：利用化学机械研磨的方法对第二片SOI晶圆的二氧化硅掩埋层进行研磨，去除第二片SOI晶圆的二氧化硅掩埋层，留下第二片SOI晶圆0.22μm厚的顶层硅，用于制备第二层硅波导；
10)等离子刻蚀形成第二层硅波导：在第二片SOI晶圆的顶层硅表面旋涂193nm波长深紫外的氟化氩光刻胶，然后利用深紫外光刻工艺，将第二光刻版上第二层硅波导图形转移至光刻胶上，采用与制备第一层硅波导相同的刻蚀工艺，制备由第二输入波导Core4、第二耦合波导Core5和第二输出波导Core6构成的第二层硅波导阵列；第二光刻版与第一光刻版的结构相同，第二光刻版与第一光刻版间成90度角设置，从而得到十字交叉的第一层硅波导阵列和第二层硅波导阵列；
11)沉积SiO2上包层：采用等离子体增强化学气相沉积方法在第二层硅波导表面沉积SiO2层，该SiO2层在覆盖第二层硅波导表面的同时，也将第二层硅波导阵列间的空隙填满；第二层硅波导表面的SiO2层为二氧化硅上包层，其厚度为1μm，从而制备得到基于硅基光波导的三维光交叉器。
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