CN114791648A - 高通低滤型滤模器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高通低滤型滤模器及其制备方法，该高通低滤型滤模器包括依次层叠的衬底、下包层、芯层及上包层；芯层包括相互连接的波导和功能区，波导包括依次集成的输入矩形直波导、第一锥形波导、第二锥形波导以及输出矩形直波导；功能区位于第一锥形波导和第二锥形波导之间，功能区包括通过结构和滤模结构，滤模结构与第一锥形波导和第二锥形波导连接，通过结构分布在滤模结构两侧并与第一锥形波导和第二锥形波导连接。高阶模式经过通过结构低损耗传输，基模或低于通过模式阶数的模式受第一锥形波导引导至滤模结构变为辐射模式，无法继续传输。本发明实现了高阶模式通过，低阶模式过滤的功能，具有紧凑的尺寸、低损耗和大带宽。
Description
技术领域
本发明涉及一种高通低滤型滤模器及其制备方法，属于集成光电子器件技术领域。
背景技术
随着通信技术的飞速发展和科技的不断进步，对通信容量的需求呈现爆炸性的增长，基于波分复用技术的光通信容量难以满足需求。同时，由于非线性香农容量的限制，单模光纤系统的传输容量逐渐达到上限。使用多个互相正交的本征模式作为不同的信道的模分复用技术的提出，提高了通信容量。
模分复用技术作为一种能够应对光通信传输和容量不断增长需求的重要手段。硅基片上模分复用系统能够实现高性能、紧凑的尺寸、低成本，并且与互补金属氧化物半导体(CMOS)制造工艺相兼容。为了构建模分复用系统，许多器件被提出，例如模式转换器、复用器等，其中存在一种对模式极其敏感的器件——滤模器。
滤模器用于提取所需模式的同时去除不需要的模式，是模分复用系统中必不可少的设备，它们对于在解复用不同的光学模式后过滤不需要的模式至关重要，可以显著减少模式串扰并提高系统性能。低通高滤型滤模器可以通过锥形波导、弯曲波导等方式实现高阶模式滤除低阶模式通过的功能。然而，迄今为止，关于高通低滤型滤模器的研究成果较少。一些研究成果使用了特殊的材料，例如石墨烯、双曲线材料和氧化钒，实现低阶模式滤模，但成本较高；基于模式转换的低阶模式滤模和光学谐振器件仅能阻止一种特定的高阶模式，并且这些结构需要级联各种模式阻塞过滤器，结构复杂，制备过程繁琐。
有鉴于此，确有必要提出一种高通低滤型滤模器及其制备方法，以解决昂贵的成本，较大的尺寸等问题，达到高阶模式通过，低阶模式过滤消除的效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高通低滤型滤模器，包括依次层叠的衬底、下包层、芯层及上包层；所述芯层包括相互连接的波导和功能区，所述波导包括依次集成的输入矩形直波导、第一锥形波导、第二锥形波导以及输出矩形直波导；所述功能区位于所述第一锥形波导和所述第二锥形波导之间，所述功能区包括通过结构和滤模结构，所述滤模结构与所述第一锥形波导和所述第二锥形波导连接，所述通过结构分布在所述滤模结构两侧并与所述第一锥形波导和所述第二锥形波导连接。
作为本发明的进一步改进，所述衬底和所述波导的材料均为硅，所述下包层和所述上包层的材料均为二氧化硅，所述功能区的材料包括硅和二氧化硅，或者硅和相变材料；所述相变材料包括石墨烯、双曲线材料、氧化钒和金、银、铜、锗。
作为本发明的进一步改进，所述通过结构分布在所述滤模结构两侧并与所述第一锥形波导和所述第二锥形波导连接，所述通过结构和所述滤模结构均包括多个方形亚单元，所述通过结构中的亚单元的材料为硅和二氧化硅；所述滤模结构中的亚单元的材料为硅和二氧化硅，或者硅和相变材料。
作为本发明的进一步改进，所述输入矩形直波导的高阶模式经过通过结构低损耗传输，所述输入矩形直波导的基模或低于通过模式阶数的模式受所述第一锥形波导引导至所述滤模结构变为辐射模式，无法继续传输。
作为本发明的进一步改进，所述功能区的通过结构利用直接二进制算法(DBS)进行优化，引入多个亚波长单元，每个单元材料均是硅和二氧化硅，分别用1和0表示；初始布局采用充满硅，计算其品质因数(FOM)，然后从第一个亚波长单元开始在硅和二氧化硅之间切换材料，比较两种材料下的FOM，较高FOM值所对应的材料被保留；对下一个子单元进行相同优化，直至最后一个子单元完成优化为一次迭代；重复进行迭代，最终得到通过结构；所述功能区滤模结构，利用DBS算法进行优化，引入多个亚波长单元，每个单元材料均是硅和二氧化硅，分别用1和0表示；初始布局采用充满硅，计算其FOM，然后从第一个亚波长单元开始在硅和二氧化硅(或其他相变材料)之间更换材料，比较两种材料下的FOM，较高FOM值所对应的材料被保留；对下一个子单元进行相同优化，直至最后一个子单元完成优化为一次迭代；重复进行迭代，最终得到滤模结构。
本发明的目的还在于提供一种高通低滤型滤模器的制备方法，以更好地应用上述高通低滤型滤模器。
为实现上述目的，本发明提供了一种高通低滤型滤模器的制备方法，所述制备方法应用前述的高通低滤型滤模器，该制备方法主要包括：
步骤1，设置衬底；
步骤2，在衬底上沉积下包层；
步骤3，在下包层上沉积波导层后刻蚀芯层；
步骤4，在波导上沉积上包层以提供光学绝缘。
作为本发明的进一步改进，在步骤3具体包括：设计第一锥形波导和第二锥形波导，所述第一锥形波导和所述第二锥形波导引导基模或低于通过模式阶数的模式传输至滤模结构。
作为本发明的进一步改进，在步骤3中具体包括：
步骤31，电子束光刻(EBL)，将旋涂完成的光刻胶样片放入到EBL设备舱中，并将样片移动到事先设置好的扫描位置，扫描光刻胶样片形成经过优化后的芯层图案，对准电子枪焦点之后按照指定好的芯层图案自动扫描，加工的电子束的加速电压为20KV，束流为120pA，等到直写完结构后再将片子从EBL设备舱中取出；
步骤32，显影，将光刻完成的样片在室温下放入甲基异丁酮(MIBK)和IPA的混合溶液中，摩尔比例为MIBK：IPA＝1：3，显影35秒，然后在IPA溶液中定影50秒，样片在显影后会显现出电子束光刻所光刻出的芯层图案，然后在热板上60℃热烘5分钟，在90℃热烘10分钟；
步骤33，刻蚀样片，使用ICP刻蚀机对完成显影的样片进行刻蚀，ICP刻蚀机的源功率为80W，刻蚀时间为1分40秒左右，刻蚀气体为SF4和C4F8气体流量分别为10sccm和15sccm，刻蚀的深度为220nm；
步骤34，洗去残胶，在完成刻蚀之后的芯层上面还残留着一些电子束曝光胶PMMA，用丙酮、甲酮、异丙酮和去离子水分别进行超声波清洗10分钟，在完成清洗后用氮气枪烘干样片。
作为本发明的进一步改进，所述衬底为5mm厚的硅晶片；所述下包层为3μm的SiO2。
作为本发明的进一步改进，所述芯层中矩形直波导、第一锥形波导以及第二锥形波导为Si，所述芯层中功能区通过结构为Si和SiO2，滤模结构为Si和SiO2，或为硅和相变材料。
本发明的有益效果是：创新性的对功能区按照不同功能进行结构划分，功能区包括通过结构和滤模结构，高阶模式经过通过结构传输，基模或低于通过模式阶数经过滤模结构被消除。结构划分减少模式间的串扰，高阶模式实现低损耗传输，低阶模式被有效消除；本发明的高通低滤型滤模器的尺寸小，结构紧凑，性能稳定；可扩展性强，滤模结构的填充材料可拓展为其它相变材料。本发明展示的仅是一阶层面的器件结构，可根据本发明由一阶层面扩展至高阶层面，实现更优的过滤效果；亦可通过增大器件尺寸，提高性能，具有很强的灵活度。同时，本发明结构简单，制作工艺成熟，成本低廉，并且与CMOS制造工艺相兼容。
附图说明
图1是本发明高通低滤型滤模器的截面示意图。
图2是本发明中芯层、衬底和下包层层叠后的结构示意图。
图3是本发明中芯层的结构图。
图4是本发明中功能区中通过结构的结构示意图。
图5是本发明中功能区中滤模结构的结构示意图。
图6是本发明高通低滤型滤模器的整体结构示意图。
图7是本发明高通低滤型滤模器的传输谱。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
如图1、图2、图3以及图4，本发明提供一种高通低滤型滤模器，即让高阶模式低损耗的通过，低阶模式有效滤除的紧凑滤模器，实现输入基模和高阶模式，输出高阶模式，过滤基模，从而实现模式的过滤功能。本发明为无源器件。
该高通低滤型滤模器包括依次层叠的衬底001、下包层002、芯层003及上包层004；所述芯层003包括相互连接的波导和功能区102，所述波导包括依次集成的输入矩形直波导101、第一锥形波导201、第二锥形波导201’以及输出矩形直波导101’；所述功能区102位于所述第一锥形波导201和所述第二锥形波导201’之间，所述功能区102包括通过结构202和滤模结构203。
结合图3、图4以及图5，所述滤模结构203与所述第一锥形波导201和所述第二锥形波导201’连接，所述通过结构202分布在所述滤模结构203两侧并与所述第一锥形波导201和所述第二锥形波导201’连接。
所述功能区的通过结构利用直接二进制算法(DBS)进行优化，引入多个亚波长单元，每个单元材料可能是硅和二氧化硅，分别用1和0表示；初始布局采用充满硅，计算其品质因数(FOM)，然后从第一个亚波长单元开始在硅和二氧化硅之间切换材料，比较两种材料下的FOM，较高FOM值所对应的材料被保留；对下一个子单元进行相同优化，直至最后一个子单元完成优化为一次迭代；重复进行迭代，最终得到通过结构；所述功能区滤模结构，利用DBS算法进行优化，引入多个亚波长单元，每个单元材料可能是硅和二氧化硅，分别用1和0表示；初始布局采用充满硅，计算其FOM，然后从第一个亚波长单元开始在硅和二氧化硅(或其他相变材料)之间更换材料，比较两种材料下的FOM，较高FOM值所对应的材料被保留；对下一个子单元进行相同优化，直至最后一个子单元完成优化为一次迭代；重复进行迭代，最终得到滤模结构。
衬底001和波导的材料均为硅，下包层002和上包层004的材料均为二氧化硅，功能区102的材料为硅和二氧化硅组成或者为硅和相变材料组成。通过结构202和滤模结构203均包括多个方形亚单元，通过结构202中的方形亚单元的材料为硅或二氧化硅；滤模结构203中的方形亚单元的材料为二氧化硅或相变材料。
输入矩形直波导101的TE1模式经过通过结构202低损耗传输，输入矩形直波导101的TE0模式受第一锥形波导201引导至滤模结构203变为辐射模式，无法继续传输。
该高通低滤型滤模器的制备方法主要包括：
步骤1，设置衬底001；该衬底001为5mm厚的硅晶片。
步骤2，在衬底001上沉积下包层002；该下包层002为3μm的PECVD SiO2。
步骤3，将芯层在下包层002上；所述芯层中矩形直波导和锥形波导为PECVD Si，所述芯层中功能区通过结构为PECVD Si和PECVD SiO2，滤模结构为PECVD Si和PECVD SiO2。
步骤4，在芯层上沉积上包层004以提供光学绝缘；该上包层004为1μm的PECVDSiO2。
在步骤3具体包括：设计第一锥形波导201和第二锥形波导201’，所述第一锥形波导201和所述第二锥形波导201’引导TE0传输至滤模结构203。其中W1＝2μm，W2＝400nm，W3＝300nm，W4＝100nm，Ltaper＝2μm，L＝9μm。
在步骤3中具体包括：
步骤31，EBL，将旋涂完成的光刻胶样片放入到EBL设备舱中，并将样片移动到事先设置好的扫描位置，扫描光刻胶样片形成经过优化后的芯层003图案，对准电子枪焦点之后按照指定好的芯层003图案自动扫描，加工的电子束的加速电压为20KV，束流为120pA，等到直写完结构后再将片子从EBL设备舱中取出；
步骤32，显影，将光刻完成的样片在室温下放入MIBK和IPA的混合溶液中，摩尔比例为MIBK：IPA＝1：3，显影35秒，然后在IPA溶液中定影50秒，样片在显影后会显现出电子束光刻所光刻出的芯层003图案，然后在热板上60℃热烘5分钟，在90℃热烘10分钟；
步骤33，刻蚀样片，使用ICP刻蚀机对完成显影的样片进行刻蚀，ICP刻蚀机的源功率为80W，刻蚀时间为1分40秒左右，刻蚀气体为SF4和C4F8气体流量分别为10sccm和15sccm，刻蚀的深度为220nm；
步骤34，洗去残胶，在完成刻蚀之后的芯层003上面还残留着一些电子束曝光胶PMMA，用丙酮、甲酮、异丙酮和去离子水分别进行超声波清洗10分钟，在完成清洗后用氮气枪烘干样片。
经测试，提出的高通低滤型滤模器的传输谱如图7所示。
综上所述，本发明设计了一种基于逆向设计实现高通低滤的紧凑滤模器，创新性的采用逆向设计设计器件。尺寸小，结构紧凑，性能稳定，逆向设计降低了器件面积占用的同时不影响高阶模式通过低阶模式过滤的功能。可扩展性强，滤模结构203的填充材料可拓展为石墨烯、双曲线材料、氧化钒和其它金属材料等。本发明展示的仅是一阶层面的器件结构，可根据本发明由一阶层面扩展至高阶层面，实现更优的过滤效果；亦可通过增大器件尺寸，提高性能，具有很强的灵活度。同时，本发明结构简单，制作工艺成熟，成本低廉，并且与CMOS制造工艺相兼容。可见本发明提出的一种基于逆向设计实现高通低滤的紧凑滤模器制作工艺简单，为实现硅光子学的发展奠定了基础，有着十分广阔的应用前景。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种高通低滤型滤模器，其特征在于：包括依次层叠的衬底、下包层、芯层及上包层；所述芯层包括相互连接的波导和功能区，所述波导包括依次集成的输入矩形直波导、第一锥形波导、第二锥形波导以及输出矩形直波导；所述功能区位于所述第一锥形波导和所述第二锥形波导之间，所述功能区包括通过结构和滤模结构，所述滤模结构与所述第一锥形波导和所述第二锥形波导连接，所述通过结构分布在所述滤模结构两侧并与所述第一锥形波导和所述第二锥形波导连接。
2.根据权利要求1所述的高通低滤型滤模器，其特征在于：所述衬底和所述波导的材料均为硅，所述下包层和所述上包层的材料均为二氧化硅，所述功能区的材料包括硅和二氧化硅，或者硅和相变材料；所述相变材料包括石墨烯、双曲线材料、氧化钒和金、银、铜、锗。
3.根据权利要求1所述的高通低滤型滤模器，其特征在于：所述通过结构分布在所述滤模结构两侧并与所述第一锥形波导和所述第二锥形波导连接，所述通过结构和所述滤模结构均包括多个方形亚单元，所述通过结构中的亚单元的材料为硅和二氧化硅；所述滤模结构中的亚单元的材料为硅和二氧化硅，或者硅和相变材料。
4.根据权利要求1所述的高通低滤型滤模器，其特征在于：所述输入矩形直波导的高阶模式经过通过结构低损耗传输，所述输入矩形直波导的基模或低于通过模式阶数的模式受所述第一锥形波导引导至所述滤模结构变为辐射模式，无法继续传输。
5.根据权利要求1所述的高通低滤型滤模器，其特征在于：所述功能区的通过结构利用直接二进制算法(DBS)进行优化，引入多个亚波长单元，每个单元材料均是硅和二氧化硅，分别用1和0表示；初始布局采用充满硅，计算其品质因数(FOM)，然后从第一个亚波长单元开始在硅和二氧化硅之间切换材料，比较两种材料下的FOM，较高FOM值所对应的材料被保留；对下一个子单元进行相同优化，直至最后一个子单元完成优化为一次迭代；重复进行迭代，最终得到通过结构；所述功能区滤模结构，利用DBS算法进行优化，引入多个亚波长单元，每个单元材料均是硅和二氧化硅，分别用1和0表示；初始布局采用充满硅，计算其FOM，然后从第一个亚波长单元开始在硅和二氧化硅(或其他相变材料)之间更换材料，比较两种材料下的FOM，较高FOM值所对应的材料被保留；对下一个子单元进行相同优化，直至最后一个子单元完成优化为一次迭代；重复进行迭代，最终得到滤模结构。
6.一种高通低滤型滤模器的制备方法，其特征在于，所述制备方法应用权利要求1-5中任意一项所述的高通低滤型滤模器，该制备方法主要包括：
步骤1，设置衬底；
步骤2，在衬底上沉积下包层；
步骤3，在下包层上沉积波导层后刻蚀芯层；
步骤4，在波导上沉积上包层以提供光学绝缘。
7.根据权利要求6所述的高通低滤型滤模器的制备方法，其特征在于，在步骤3具体包括：设计第一锥形波导和第二锥形波导，所述第一锥形波导和所述第二锥形波导引导基模或低于通过模式阶数的模式传输至滤模结构。
8.根据权利要求6所述的高通低滤型滤模器的制备方法，其特征在于，在步骤3中具体包括：
步骤31，电子束光刻(EBL)，将旋涂完成的光刻胶样片放入到EBL设备舱中，并将样片移动到事先设置好的扫描位置，扫描光刻胶样片形成经过优化后的芯层图案，对准电子枪焦点之后按照指定好的芯层图案自动扫描，加工的电子束的加速电压为20KV，束流为120pA，等到直写完结构后再将片子从EBL设备舱中取出；
步骤32，显影，将光刻完成的样片在室温下放入甲基异丁酮(MIBK)和IPA的混合溶液中，摩尔比例为MIBK：IPA＝1：3，显影35秒，然后在IPA溶液中定影50秒，样片在显影后会显现出电子束光刻所光刻出的芯层图案，然后在热板上60℃热烘5分钟，在90℃热烘10分钟；
步骤33，刻蚀样片，使用ICP刻蚀机对完成显影的样片进行刻蚀，ICP刻蚀机的源功率为80W，刻蚀时间为1分40秒左右，刻蚀气体为SF4和C4F8气体流量分别为10sccm和15sccm，刻蚀的深度为220nm；
步骤34，洗去残胶，在完成刻蚀之后的芯层上面还残留着一些电子束曝光胶PMMA，用丙酮、甲酮、异丙酮和去离子水分别进行超声波清洗10分钟，在完成清洗后用氮气枪烘干样片。
9.根据权利要求6所述的高通低滤型滤模器的制备方法，其特征在于：所述衬底为5mm厚的硅晶片；所述下包层为3μm的SiO2。
10.根据权利要求6所述的高通低滤型滤模器的制备方法，其特征在于：所述芯层中矩形直波导、第一锥形波导以及第二锥形波导为Si，所述芯层中功能区通过结构为Si和SiO2，滤模结构为Si和SiO2，或为硅和相变材料。
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