CN115963597A - 一种微纳结构加载的基于槽型波导的超紧凑型波导结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微纳结构加载的基于槽型波导的超紧凑型波导结构，通过在槽型波导的条形波导上构建微纳结构，使得条形波导的等频率线在光的传输方向上发生偏移，与槽型区域的等频率线无交叠，从而使得槽型波导的高折射率的条形波导区和低折射率的槽型区都可以有效传输光场且彼此之间无串扰，以提高集成光子芯片的空间利用率。

Description

一种微纳结构加载的基于槽型波导的超紧凑型波导结构

技术领域

本发明属于光子器件领域，特别涉及一种微纳结构加载的基于槽型波导的超紧凑型波导结构。

背景技术

为了实现光学器件的小型化、提高光子芯片的集成密度，必须尽可能地提高光场的局域性。各种类型的光波导结构，如表面等离子体波导、槽型波导、以及具有高折射率对比度的波导等应运而生。表面等离子体波导由于金属的吸收而损耗较大，槽型波导相比高折射率对比度的波导具有更强的模场局域性。槽型波导是通过利用两种介质交界面处电磁场的正交边界条件将光场局域在纳米量级的槽型区域传输。为了将光场局域在低折射率的槽型区域传输，必须利用高折射率材料来形成纳米量级的槽型区域，这里的高折射率区就类似于波导的包层，并不能有效传光，这使得槽型波导的空间利用率不高。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种微纳结构加载的基于槽型波导的超紧凑型波导结构。

本发明的一种波导结构，所述波导结构依次包括衬底、埋氧层、设于埋氧层上的槽型波导、包覆层，其中槽型波导由高折射率的条形波导和低折射率的槽型区域组成，条形波导上设有微纳结构。

所述槽型波导为单个槽型波导结构或阵列排布结构。

所述低折射率槽型区域尺寸为纳米量级，尺寸是指两个条形波导之间的距离，可以是几纳米到百纳米量级。

所述槽型区域的特征尺寸在纳米量级，以实现对光场较强的局域性。

所述微纳结构为单个结构或复合结构；其中所述单个结构的横截面为椭圆形、矩形中的一种；所述复合结构的横截面为不同尺寸的矩形组成一个微纳单元结构。

所述条形波导上设有若干微纳结构，微纳结构排列为周期性排列或变周期排列。

所述微纳结构为非对称结构。

为了消除在y方向(非传输方向)上的对称性，一般情况下，微纳结构应该是非对称的。

所述包覆层为二氧化硅包覆层。

所述条形波导为硅波导、锗波导、氮化硅波导、碳化硅波导中的一种。

本发明的一种波导结构的制备方法，包括：

(1)在晶圆上通过光刻、刻蚀形成槽型波导或槽型波导阵列；

(2)通过光刻、刻蚀在条形波导上形成微纳结构；

(3)沉积二氧化硅以填充微纳结构和槽型区域，并形成包覆层。

本发明的一种所述波导结构在集成光学中的应用。可基于此波导结构实现超紧凑型弯曲波导、交叉波导、分束器、耦合器等，以构成超紧凑型光子链路，极大地提高集成光子芯片的空间利用率。

本发明提出了一种微纳结构加载的基于槽型波导的超紧凑型波导结构及其制作方法。通过在槽型波导的条形波导上构建微纳结构，使得条形波导的等频率线在光的传输方向上发生偏移，与槽型区域的等频率线无交叠，从而使得槽型波导的高折射率的条形波导区和低折射率的槽型区都可以有效传输光场且彼此之间无串扰。

有益效果

(1)本发明通过在槽型波导的条形波导上设计微纳结构，使得微纳结构加载的条形波导的等频率线在光的传输方向上发生偏移，与槽型区域的等频率线无交叠，从而使得光可以在微纳结构加载的条形波导区和槽型区这两个区域独立传输，彼此之间无串扰，若将其拓展成阵列波导的形式，则整个空间都可以实现光场的有效传输且彼此之间无串扰，从而可以大大提高光子芯片的空间利用率和集成密度。而且，基于槽型波导的工作原理，低折射率的槽型区域可以被压缩到纳米量级，可以进一步提高模场的局域性；

(2)本发明中整个空间都可以有效地传输光场，微纳结构加载的高折射率的条形波导与低折射率的槽型区域可以互为包层，两个区域都可以实现光的有效传输；

(3)本发明所涉及的器件结构的制备工艺与CMOS兼容，具有低成本、体积小、易集成等优点；

(4)不仅可以用于通信波段，还可以扩展到其它波段；

(5)可以为后续基于该波导结构的功能器件的设计和发展奠定基础。

附图说明

图1为微纳结构加载的基于槽型波导的超紧凑型波导结构的三维立体示意图；

图2为微纳结构加载的基于槽型波导的超紧凑型波导结构俯视图；

图3为等频率线示意图；

图4为阵列波导俯视图；

图5为微纳结构加载的基于槽型波导的超紧凑型波导结构制备流程图；

图6为各制作步骤对应的器件截面图。

注：衬底硅层1；埋氧层二氧化硅层2；晶圆顶层3a；条形波导3；微纳结构4；槽型区域5；包覆层6。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

微纳结构加载的基于槽型波导的超紧凑型波导结构，所述波导结构包括衬底、埋氧层、设于埋氧层上的槽型波导、包覆层，其中槽型波导由高折射率的条形波导和低折射率的槽型区域组成，其中条形波导上设有微纳结构，微纳结构可为单个结构(横截面如椭圆形、矩形)，或复合结构(横截面如两个不同尺寸的矩形组成一个微纳单元)，本实施例中具体选择为单个结构，其横截面为椭圆形结构，微纳结构的排列可为周期性排列的，或者为变周期排列，本实施例具体为周期性排列。条形波导之间设有槽型区域，尺寸为纳米量级。

如图1所示在硅基槽型波导的条形波导上构建微纳结构，使得条形波导的等频率线在传输方向上发生偏移，与槽型区域的等频率线无交叠，如图3所示，从而使得在微纳结构加载的条形波导和槽型区这两个区域传输的光场在理论上不存在串扰。

将其形成阵列排布的形式(如图4所示)，则整个空间都可以实现光场的有效传输且彼此之间无串扰，从而可以大大提高光子芯片的空间利用率和集成密度。

实施例2

制备方法：

(1)在SOI晶圆顶层硅3a上通过光刻、刻蚀形成槽型波导或槽型波导阵列；

(2)通过光刻、刻蚀在条形波导上形成微纳结构；

(3)沉积二氧化硅以填充微纳结构区和槽型区域，并形成包覆层。

Claims (9)

1.一种波导结构，其特征在于，所述波导结构包括衬底、埋氧层、设于埋氧层上的槽型波导、包覆层，其中槽型波导由条形波导和槽型区域组成，条形波导上设有微纳结构。

2.根据权利要求1所述波导结构，其特征在于，所述槽型波导为单个槽型波导结构或阵列排布结构。

3.根据权利要求1所述波导结构，其特征在于，所述槽型区域尺寸为纳米量级。

4.根据权利要求1所述波导结构，其特征在于，所述微纳结构为单个结构或复合结构；其中所述单个结构的横截面为椭圆形、矩形中的一种；所述复合结构的横截面为不同尺寸的矩形组成一个微纳单元结构。

5.根据权利要求1所述波导结构，其特征在于，所述条形波导上设有若干微纳结构，微纳结构排列为周期性排列或变周期排列。

6.根据权利要求1所述波导结构，其特征在于，所述微纳结构为非对称结构。

7.根据权利要求1所述波导结构，其特征在于，所述条形波导为硅波导、锗波导、氮化硅波导、碳化硅波导中的一种。

8.一种波导结构的制备方法，包括：

(1)在晶圆上通过光刻、刻蚀形成槽型波导或槽型波导阵列；

(2)通过光刻、刻蚀在条形波导上形成微纳结构；

(3)沉积二氧化硅以填充微纳结构和槽型区域，并形成包覆层。

9.一种权利要求1所述波导结构在集成光学中应用。

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