CN115308839B - 一种基于二氧化硅/聚合物嵌入波导平台的多端口波导交叉器件及其制备方法 - Google Patents

一种基于二氧化硅/聚合物嵌入波导平台的多端口波导交叉器件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种基于二氧化硅/聚合物嵌入波导平台的多端口波导交叉器件及其制备方法，属于光子集成芯片制备技术领域。由Si衬底、SiO2下包层、聚合物芯层、聚合物上包层组成，聚合物芯层被包埋在SiO2下包层之中，聚合物芯层上表面与SiO2下包层上表面位于同一平面，聚合物上包层位于聚合物芯层和SiO2下包层之上；聚合物芯层为多通道交叉波导结构，由N个在中心点交叉的1×1多模干涉器形成星形结构。将光在多模干涉区内的第一个自映像点作为波导交叉器件的中心点，此处的光汇聚在一个和输入端相同尺寸的光场中，最大程度的限制了光的扩散，可以减小交叉波导之间的串扰；将第二个自映像点作为光输出点，可以得到高的光输出强度。

Description

一种基于二氧化硅/聚合物嵌入波导平台的多端口波导交叉 器件及其制备方法
技术领域
本发明属于光子集成芯片制备技术领域，具体涉及一种基于二氧化硅/聚合物嵌入波导平台的波导交叉器件及其制备方法。
背景技术
为了满足人们日常生活中对信息传递容量的需求，以光为媒介的通信方式在通信系统中起到了越来越大作用。在平板光波导(Planar Lightwave Circuit,PLC)器件的研究中，聚合物PLC制备工艺简单，成本低，得到了广泛应用与研究。为了在聚合物基PLC平台上设计系统复杂、集成度高、功能齐全的集成光路，不可避免的需要引入波导交叉器件，常规交叉器件只能支持2×2端口工作，随着集成复杂性的增加，路由拓扑将需要大量的交叉点，使用大量的2×2端口波导交叉器件，不仅会引入巨大的损耗和串扰，而且会占用较大的面积。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，减少光交叉阵列中互连使用的波导交叉器件的个数，降低版图的复杂度，提高光子集成芯片的集成度，本发明提出了一种基于二氧化硅/聚合物嵌入波导平台的多端口波导交叉器件及其制备方法。
本发明所述波导交叉器件，从下至上，由Si衬底(1)、SiO2下包层(2)、聚合物芯层(3)、聚合物上包层(6)组成，聚合物芯层(3)被包埋在SiO2下包层(2)之中，聚合物芯层(3)上表面与SiO2下包层(2)上表面位于同一平面，聚合物上包层(6)位于聚合物芯层(3)和SiO2下包层(2)之上；聚合物芯层(3)为多通道交叉波导结构，由N个在中心点(自映像点)交叉的1×1多模干涉器(Multimode interferometer，MMI)组成(记为1×1MMI)，形成星形结构。
1×1多模干涉器为由输入波导(111)、输入端Taper(112)、多模干涉区(113)、输出端Taper(114)和输出波导(115)顺次连接组成的对称结构，输入波导(111)和输出波导(115)、输入端Taper(112)和输出端Taper(114)的结构和尺寸相同；输入端Taper(112)和输出端Taper(114)沿输入光方向为宽度渐变波导，输入端Taper(112)由窄到宽线性变化，输出端Taper(114)由宽到窄线性变化；光从输入端(111)输入后，经过输入端Taper(112)，由于输入端Taper(112)波导宽度缓慢变化，降低了波导损耗，光到达多模干涉区(113)；根据自映像原理，光经过特定长度的传输，会再次形成和输入端相同的光场分布。选择合适的多模干涉区(113)的长度Lmmi，将光在多模干涉区(113)内的第一个自映像点作为波导交叉器件的交叉点，此处的光汇聚在一个和输入端相同尺寸的光场中，最大程度的限制了光的扩散，可以减小交叉波导之间的串扰。将第二个自映像点作为光输出点，可以得到高的光输出强度，最后光经过输出端Taper(114)从输出波导(115)输出。
对于多通道波导交叉结构，从任一输入端口输入光后，由于交叉点在第一个自映像点，降低了交叉波导之间的串扰，光继续沿此通道在多模干涉区(113)内传播，直至输出端输出。当在多个输入端口输入时，各个端口的输入光会沿各个通道继续传播，相互之间互不影响。
如图4所示，3×3端口波导交叉器件(100)，由三个1×1MMI在中心点交叉组成，每两个相邻MMI的夹角为60°，两个相邻的MMI由二氧化硅下包层分隔开；如图7所示，4×4端口波导交叉器件(200)，由四个1×1MMI在中心点交叉组成，每两个相邻MMI的夹角为45°，两个相邻的MMI由二氧化硅下包层分隔开，以此类推。
所述的聚合物芯层材料可以为EPO芯层、SU-8 2005、SU-8 2002、ZPU芯层等，在本发明中采用SU-8 2002为聚合物芯层材料。
为了将光限制在聚合物芯层中，聚合物上包层材料的折射率需要小于聚合物芯层材料的折射率。所述的聚合物上包层材料可以为EPO包层、PMMA、PDMS、ZPU包层等，在本发明中采用PMMA。
本发明所述的一种基于二氧化硅/聚合物嵌入波导平台的多端口波导交叉器件的制备方法，其步骤如下：
1)在硅衬底(1)上，通过热氧化法生长一层致密的12～18μm厚的二氧化硅下包层(21)；
2)使用真空匀胶机在二氧化硅下包层(21)上旋涂光刻胶层(51)，前烘处理后自然降温固化；
3)通过紫外光刻、显影、后烘，将掩模版上与需要制备的多端口波导交叉器件聚合物芯层结构相同(光刻胶层为正性光刻胶)或互补(光刻胶层为负性光刻胶)的图形转移到光刻胶层上，形成光刻胶层波导结构(52)；
4)通过ICP刻蚀方法，在二氧化硅下包层上制备得到用于填充聚合物芯层材料的凹槽(2)，该凹槽(2)的结构与需要制备的聚合物芯层结构相同；然后再去掉二氧化硅下包层上的光刻胶层波导结构(52)；
5)使用真空匀胶机在二氧化硅下包层上旋涂聚合物芯层材料，前烘处理后自然降温固化，聚合物芯层材料填满步骤4)中形成的凹槽，也会在二氧化硅下包层(21)及凹槽(2)之上形成0～5μm的聚合物平板层(4)；
6)通过ICP刻蚀方法，刻蚀掉聚合物平板层(4)，在二氧化硅下包层(21)中得到聚合物芯层(3)，聚合物芯层(3)上表面与SiO2下包层(2)上表面位于同一平面；
7)使用真空匀胶机在刻蚀掉聚合物平板层(4)的聚合物芯层(3)与SiO2下包层(2)上表面旋涂聚合物上包层(6)，加热固化后自然降温；从而制备得到本发明所述的基于二氧化硅/聚合物嵌入波导平台的多端口波导交叉器件。
为制备2×2、3×3乃至N×N端口波导交叉器件，只需要改变步骤3)中掩模版的图形，使掩模版图形与制备器件形状相同即可。
与现有技术相比，本发明的创新之处在于：
1.波导为二氧化硅/聚合物嵌入波导，首先通过ICP刻蚀在二氧化硅层中制备凹槽，再用聚合物填充二氧化硅凹槽，得到的聚合物芯层的侧壁陡直，可以降低器件损耗，提高器件性能；
2.波导为二氧化硅/聚合物嵌入波导，以聚合物材料为波导芯层，不同的聚合物上包层和芯层的折射率都大于1.55，下包层二氧化硅折射率为1.445，折射率差大于2％，芯层/下包层折射率差大，可以实现更紧凑的端面尺寸，利于制备大规模光波导集成回路；
3.波导为二氧化硅/聚合物嵌入波导，通过简单的接触式曝光可完成器件的制备，所需要加工成本极低；
4.所设计的波导交叉结构可以拓展连接端口，实现多通道波导交叉，在大规模阵列中可以减少使用的交叉个数，节约空间，降低了由于多个交叉而带来的损耗。
综上所述，本发明提出的基于二氧化硅/聚合物嵌入波导平台的波导交叉器件具有结构紧凑、损耗低、制备工艺简单、成本低等优点，在光网络中起到器件连接、光域优化等作用，具有着广阔的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1：本发明所述波导交叉器件的截面示意图；
图2：本发明所述1×1MMI的结构示意图；
图3：本发明所述1×1MMI的仿真光场传输图；
图4：本发明所述嵌入波导3×3端口波导交叉器件的结构示意图；
图5：本发明所述嵌入波导3×3端口波导交叉器件的仿真光场传输图；
图6：本发明所述嵌入波导3×3端口波导交叉器件的透射光谱图；
图7：本发明所述嵌入波导4×4端口波导交叉器件的结构示意图；
图8：本发明所述嵌入波导4×4端口波导交叉器件的仿真光场传输图；
图9：本发明所述嵌入波导4×4端口波导交叉器件的透射光谱图；
图10：本发明所述基于嵌入波导交叉器件的制备工艺流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
如附图1所示，为基于嵌入波导的波导交叉器件截面示意图，从下至上，由Si衬底(1)、SiO2下包层(2)、聚合物芯层(3)、聚合物上包层(6)组成。所述的SiO2下包层(2)包括热氧化法生长、PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)沉积法生长的SiO2，本实施例中，采用热氧化发生长SiO2，二氧化硅下包层厚度为15μm，折射率为1.4456。聚合物芯层(3)可以采用具有负热光系数的聚合物材料，在本实施例中，采用SU-8 2002材料作为聚合物芯层(3)材料，折射率为1.5802。为了降低波导内模式串扰与偏振相关损耗，同时降低工艺难度，聚合物芯层(3)波导的高度为3μm，宽度为3μm。聚合物上包层(6)的折射率小于聚合物芯层(3)，在本实施例中，采用聚甲基丙烯酸甲酯(polymethy-methacrylate,PMMA)-C10光刻胶作为聚合物上包层(6)材料，折射率为1.47606，聚合物上包层(6)的厚度为4μm。
如附图2所示为1×1MMI结构示意图(110)，输入波导(111)和输出波导(115)的宽度相同，为3μm；输入端Taper(112)和输出端Taper(114)沿输入光方向为宽度渐变波导，输入端Taper(112)的宽度由3μm线性渐变到4.8μm，输出端Taper(114)的宽度由4.8μm线性渐变到3μm，输入端Taper(112)和输出端Taper(114)的长度Ltaper相同为28μm；多模干涉区(113)的宽度Wmmi为20μm，长度Lmmi为863μm。
附图3中左图为在附图2参数下1×1MMI的光谱图；右图为在输入波导(111)、输入端Taper(112)、输出端Taper(114)、输出波导(115)添加功率监视器后，监视器所显示的器件光功率变化图，由于未在中间多模干涉区(113)添加功率监视器，因此中间部分光功率显示为0。图中X、Z表示器件的宽度和长度，Monitor Value表示功率监视器的值，PathwayMonitor表示不同的监视器路径，Launch表示输入光的强度在此条路径中的强度。由图中可知，1×1MMI的传播效率为99.43％。
附图4为所设计的3×3端口波导交叉器件(100)的结构示意图，3×3端口波导交叉器件(100)由三组1×1MMI(110)在中心点交叉形成，相邻两个MMI(110)夹角为60°，附图5为所设计的3×3端口波导交叉器件的仿真光场传输图，传播效率为99.46％。附图6为所设计的3×3端口波导交叉器件在1500nm～1630nm波长下的透射光谱图，在1551nm的损耗最低，为0.026dB，1dB带宽为67nm；
附图7为所设计的4×4端口波导交叉器件(200)的结构示意图，4×4端口波导交叉器件(200)由四组1×1MMI(210)在中心点交叉形成，相邻两个MMI(210)夹角为45°。附图8为所设计的4×4端口波导交叉器件的仿真光场传输图，传播效率为99.45％。附图9为所设计的4×4端口波导交叉器件在1500nm～1630nm波长下的透射光谱图，在1551nm的损耗最低，为0.02923dB，1dB带宽为67nm；
如附图10所示，本发明所述嵌入波导平台的波导交叉器件制备工艺流程图，其步骤如下：
1)在硅晶圆衬底(1)上，通过热氧化法生长一层致密的15μm厚的二氧化硅下包层(21)；
2)使用真空匀胶机在二氧化硅下包层表面旋涂Micro Chem公司的SU-82002光刻胶，前烘首先需要在60℃10分钟，90℃20分钟处理并自然降温固化，通过控制转速600转/分，旋涂时间20s，形成3μm厚的SU-8光刻胶层(51)；
3)将步骤2)的器件放置在365nm的紫外光光刻机下，光功率为23mW/cm2，对版光刻，所用掩模版Ⅰ的结构、形状与需要制备的二氧化硅凹槽的结构、形状互补(即分别使用3×3及4×4端口波导交叉器件的掩模版进行对版)，曝光时间3.5s，之后再进行65℃10分钟，95℃20分钟的后烘，冷却至室温，放入PGMEA(Propyleneglygol-monomethylether-acetate)显影液中显影，再放入异丙醇中漂洗除去余胶，用去离子水洗净反应液；然后在120℃下，坚膜30分钟，形成SU-8光刻胶层，用于刻蚀的掩模(52)；
4)通过ICP刻蚀方法，在二氧化硅下包层上制备得到二氧化硅凹槽，深度3μm，宽度3μm；为了保证波导的侧壁陡直，ICP通入的气体为C4F8/SF8混合气体，再去掉二氧化硅芯层波导上的SU-8光刻胶层；形成倒脊型交叉波导的二氧化硅凹槽(2)；
5)使用真空匀胶机在二氧化硅下包层表面旋涂Micro Chem公司的SU-82002光刻胶，前烘首先需要在60℃10分钟，90℃20分钟处理并自然降温固化，通过控制转速3000转/分，旋涂时间20s，将二氧化硅凹槽填满(3)，由于SU-8具有自平整型，将形成2μm厚的平整的SU-8平板层(4)；
6)通过ICP刻蚀方法，使用和步骤4)中相同的气体组分，将填充后形成的2μm厚的SU-8平板层(4)去除；
7)在聚合物SU-8芯层波导(3)上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(polymethy-methacrylate,PMMA)-C10光刻胶，旋涂速度控制在3000转/分，然后放入烘箱中，120℃加热2小时，得到4μm厚的聚合物上包层(6)，从而得到本发明所述嵌入波导平台的3×3及4×4端口波导交叉器件。

Claims (6)

1.一种基于二氧化硅/聚合物嵌入波导平台的多端口波导交叉器件，其特征在于：从下至上，由Si衬底（1）、SiO2下包层（2）、聚合物芯层（3）、聚合物上包层（6）组成，聚合物芯层（3）被包埋在SiO2下包层（2）之中，聚合物芯层（3）上表面与SiO2下包层（2）上表面位于同一平面，聚合物上包层（6）位于聚合物芯层（3）和SiO2下包层（2）之上；聚合物芯层（3）为多通道交叉波导结构，由N个在中心点交叉的1 × 1多模干涉器组成，形成星形结构的N × N端口波导交叉器件；其中，1 × 1多模干涉器为由输入波导（111）、输入端Taper（112）、多模干涉区（113）、输出端Taper（114）和输出波导（115）顺次连接组成的对称结构，输入波导（111）和输出波导（115）、输入端Taper（112）和输出端Taper（114）的结构和尺寸相同；输入端Taper（112）和输出端Taper（114）沿输入光方向为宽度渐变波导，输入端Taper（112）由窄到宽线性变化，输出端Taper（114）由宽到窄线性变化；光从输入端（111）输入后，经过输入端Taper（112），由于输入端Taper（112）波导宽度缓慢变化，降低了波导损耗，光到达多模干涉区（113）；将光在多模干涉区（113）内的第一个自映像点作为波导交叉器件的中心点，将第二个自映像点作为光输出点；聚合物上包层材料的折射率小于聚合物芯层材料的折射率；聚合物芯层（3）波导的高度为3μm，宽度为3μm；聚合物上包层（6）的厚度为4μm；输入波导（111）和输出波导（115）的宽度相同，为3μm；输入端Taper（112）和输出端Taper（114）沿输入光方向为宽度渐变波导，输入端Taper（112）的宽度由3μm线性渐变到4.8μm，输出端Taper（114）的宽度由4.8μm线性渐变到3μm，输入端Taper（112）和输出端Taper（114）的长度Ltaper相同为28μm；多模干涉区（113）的宽度Wmmi为20μm，长度Lmmi为863μm。
2.如权利要求1所述的一种基于二氧化硅/聚合物嵌入波导平台的多端口波导交叉器件，其特征在于：3 × 3端口波导交叉器件（100），由三个1 × 1 MMI在中心点交叉组成，每两个相邻MMI的夹角为60°，两个相邻的MMI由二氧化硅下包层分隔开。
3.如权利要求1所述的一种基于二氧化硅/聚合物嵌入波导平台的多端口波导交叉器件，其特征在于：4 × 4端口波导交叉器件（200），由四个1 × 1 MMI在中心点交叉组成，每两个相邻MMI的夹角为45°，两个相邻的MMI由二氧化硅下包层分隔开。
4.如权利要求1所述的一种基于二氧化硅/聚合物嵌入波导平台的多端口波导交叉器件，其特征在于：聚合物芯层材料为EPO芯层、SU-8 2005、SU-8 2002或ZPU芯层。
5.如权利要求1所述的一种基于二氧化硅/聚合物嵌入波导平台的多端口波导交叉器件，其特征在于：聚合物上包层材料为EPO包层、PMMA、PDMS或ZPU包层。
6.权利要求1~5任何一项所述的一种基于二氧化硅/聚合物嵌入波导平台的多端口波导交叉器件的制备方法，其步骤如下：
1)在硅衬底（1）上，通过热氧化法生长一层致密的12~18 μm厚的二氧化硅下包层（21）；
2)使用真空匀胶机在二氧化硅下包层（21）上旋涂光刻胶层（51），前烘处理后自然降温固化；
3)通过紫外光刻、显影、后烘，将掩模版上与需要制备的N × N端口波导交叉器件聚合物芯层结构相同或互补的图形转移到光刻胶层上，形成光刻胶层波导结构（52）；
4) 通过ICP刻蚀方法，在二氧化硅下包层上制备得到用于填充聚合物芯层材料的凹槽（2），该凹槽（2）的结构与需要制备的聚合物芯层结构相同；然后再去掉二氧化硅下包层上的光刻胶层波导结构（52）；
5) 使用真空匀胶机在二氧化硅下包层上旋涂聚合物芯层材料，前烘处理后自然降温固化，聚合物芯层材料填满步骤4）中形成的凹槽，也会在二氧化硅下包层（21）及凹槽（2）之上形成0~5 μm的聚合物平板层（4）；
6) 通过ICP刻蚀方法，刻蚀掉聚合物平板层（4），在二氧化硅下包层（21）中得到聚合物芯层（3），聚合物芯层（3）上表面与SiO2下包层（2）上表面位于同一平面；
7) 使用真空匀胶机在刻蚀掉聚合物平板层（4）的聚合物芯层（3）与SiO2下包层（2）上表面旋涂聚合物上包层（6），加热固化后自然降温；从而制备得到基于二氧化硅/聚合物嵌入波导平台的多端口波导交叉器件。
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