CN116009145A - 一种基于二氧化硅/聚合物嵌入波导的e10/e01模式旋转器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于二氧化硅/聚合物嵌入波导的E₁₀/E₀₁模式旋转器及其制备方法，属于光子集成芯片制备技术领域。本发明所述E₁₀/E₀₁模式旋转器，从下至上，由Si衬底、SiO₂下包层、聚合物芯层和聚合物上包层成，聚合物芯层为包埋在SiO₂下包层之中的嵌入直波导结构，聚合物芯层下表面沿光的传输方向带有贯通的方形凹槽。本发明通过两次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。本发明器件具有结构紧凑、损耗低、制备工艺简单成熟、成本低等优点，在光网络中起到器件连接、模式转换等作用，具有着广阔的应用前景。

Description

一种基于二氧化硅/聚合物嵌入波导的E10/E01模式旋转器及其制备方法

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/聚合物嵌入波导的E₁₀/E₀₁模式旋转器及其制备方法。

背景技术

模分复用(Mode Division Multiplexing,MDM)技术是指在同一根波导中传输多种模式的光来提高光通信容量的一种技术。基于独立光学元件、光纤和平板光波导(PlanarLightwave Circuit,PLC)的模式复用(解复用)器已经被提出，其中，基于PLC的模式复用(解复用)器由于采用了成熟的半导体制造技术，如光刻和离子蚀刻等，具有低损耗、较小的波长依赖性、结构紧凑和高批量生产的独特优势，更重要的是，聚合物材料PLC技术能够将热光和电光效应整合到同一设备中，轻松实现可切换或可调功能。

为了增加PLC上模式复用的数量，有必要激活E₁₀和E₀₁模式。然而，由于波导模式对称性的限制，在PLC上，实现E₀₁和E₁₀模式的复用(解复用)是难以实现的。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，实现一阶TE模式复用，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/聚合物嵌入波导的E₁₀/E₀₁模式旋转器(ModeRotator)及其制备方法。

本发明所述E₁₀/E₀₁模式旋转器，从下至上，由Si衬底(1)、SiO₂下包层(2)、聚合物芯层(3)和聚合物上包层(7)组成，聚合物芯层(3)为包埋在SiO₂下包层(2)之中的嵌入直波导结构，聚合物芯层(3)的上表面与SiO₂下包层(2)的上表面位于同一平面，聚合物芯层(3)下表面沿光的传输方向带有贯通的方形凹槽；聚合物上包层(7)位于聚合物芯层(3)和SiO₂下包层(2)之上。聚合物芯层(3)的高度和宽度为6μm×6μm，方形凹槽的宽度w为0.5～1μm，高度d为0.5～1μm，方形凹槽距离聚合物芯层(3)边缘的距离s为1～1.5μm，方形凹槽的长度与聚合物芯层(3)的长度相同为Lμm。

如图3所示，图3(a)对应E₁₀模式，图3(b)对应E₀₁模式，当聚合物芯层(3)下表面没有方形凹槽时，输入光会在嵌入波导中传播，且光斑形貌不会发生变化，在聚合物芯层(3)输入E₁₀(E₀₁)模式光后，聚合物芯层(3)的输出端仍是E₁₀(E₀₁)模式光。当聚合物芯层(3)下表面带有方形凹槽时，波导结构具有不对称性，因此光在波导中传播时光轴会发生旋转，方形凹槽的参数不同，光轴的旋转角度也不同，通过适当地设计方形凹槽参数，使得光轴相对于x轴和y轴旋转约45°的两个正交一阶TE模式光在方形凹槽波导中传播，最终形成输出端的光场，图3(c)和图3(d)为上述两个正交一阶TE模式光。当波导中传播的光满足图3(c)和图3(d)时，若在聚合物芯层(3)的起始端输入光斑形貌如图3(a)的E₁₀模式光，会在聚合物芯层(3)的终止端输出光斑形貌如图3(b)的E₀₁模式光；反之，在聚合物芯层(3)的起始端输入光斑形貌如图3(b)的E₀₁模式光，会在聚合物芯层(3)的终止端输出光斑形貌如图3(a)的E₁₀模式光。

当在波导芯层(3)中输入E₁₀(E₀₁)时，两个光轴相对于x轴和y轴旋转约45°的正交一阶TE模式光在方形凹槽波导中以不同的传播常数β₁和β₂同时激励和传播，传播常数的计算如公式(1)，其中n_eff是模式的有效折射率，λ是入射光波长，设置方形凹槽波导的长度L为半拍长，如公式(2)，光轴的旋转进而引起光斑形貌的旋转，输入E₁₀(E₀₁)模式光，在模式旋转器中光斑发生旋转，最后经过长度L后在输出端得到E₀₁(E₁₀)模式光。

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为聚合物上包层材料。

本发明所述的一种基于二氧化硅/聚合物嵌入波导的E₁₀/E₀₁模式旋转器的制备方法，其步骤如下：

1)在硅衬底(1)上，生长一层致密的12～18μm厚的二氧化硅下包层(21)；

2)在二氧化硅下包层(21)上蒸镀金属铝层(51)；

3)在金属铝层(51)上旋涂一层光刻胶，通过紫外曝光，显影，将掩膜板上与需要制备的聚合物芯层(3)方形凹槽结构和尺寸相同的图形转移到金属铝层(51)上，形成铝掩膜(52)；

4)通过ICP刻蚀方法利用铝掩膜(52)对二氧化硅下包层(21)进行刻蚀，得到带有凸起的二氧化硅下包层(22)，该凸起的结构及尺寸与需要制备的方形凹槽的结构和尺寸相同，然后去掉铝掩膜(52)；

5)在带有凸起的二氧化硅下包层(22)上旋涂光刻胶掩膜层材料，前烘处理后自然降温固化，形成平整的光刻胶掩膜层(61)；

6)通过紫外光刻、显影、后烘，将掩模版上与需要制备的聚合物芯层(3)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掩膜层(61)上，形成与聚合物芯层(3)结构互补的光刻胶掩膜(62)；

7)再次通过ICP刻蚀方法，刻蚀未被光刻胶掩膜(62)保护的带有凸起的二氧化硅下包层(22)，形成凹槽结构的二氧化硅下包层(2)，该凹槽结构与需要制备的聚合物芯层(3)具有相同结构和尺寸，然后再去掉光刻胶掩膜(62)；

8)在带有凹槽结构的二氧化硅下包层(2)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7)中形成的凹槽结构，也会在二氧化硅下包层(21)及凹槽结构的上表面形成0～5μm的聚合物平板层(4)；

9)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(2)中得到聚合物芯层(3)，聚合物芯层(3)的上表面与SiO₂下包层(2)的上表面位于同一平面；

10)在刻蚀掉聚合物平板层(4)的聚合物芯层(3)与二氧化硅下包层(2)的上表面旋涂聚合物上包层(7)，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/聚合物嵌入波导的E₁₀/E₀₁模式旋转器。

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，首先通过两次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.利用凹槽实现模式旋转的功能，不需要外加电极进行调制，器件制备工艺已经成熟，结构简单；

4.所设计的一阶模式旋转器可以与其他嵌入波导结构的器件连接，实现多模复用，增加了器件的集成度。

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一阶模式旋转器件具有结构紧凑、损耗低、制备工艺简单成熟、成本低等优点，在光网络中起到器件连接、模式转换等作用，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：本发明所述模式旋转器的截面示意图；

图2(a)：本发明所述模式旋转器的三维结构示意图；图2(b)：本发明所述模式旋转器之聚合物芯层(3)的尺寸参数示意图；

图3(a)：本发明所述模式旋转器E₁₀模式的输入/输出光场图；图3(b)：本发明所述模式旋转器E₀₁模式的输入/输出光场图；图3(c)、图3(d)：输入光激发的两个正交一阶TE模式的光场图；

图4：本发明所述模式旋转器在波长为1550nm时的仿真光场传输图；图4(a)：输入E₁₀模式光时光场传输图；图4(b)：输入E₀₁模式光时光场传输图；

图5：本发明所述模式旋转器的波长扫描透射光谱图；

图6：本发明所述基于嵌入波导模式旋转器的制备工艺流程图。

图7(a)：本发明所述模式旋转器凹槽深度的工艺容差图；图7(b)：本发明所述模式旋转器凹槽宽度的工艺容差图。

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，为基于嵌入波导的模式旋转器截面示意图，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(7)组成。SiO₂下包层(2)由热氧化法生长或由PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)沉积法生长，本实施例中，采用热氧化发生长，高度为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。为了激发出一阶模式光，同时降低工艺难度，聚合物芯层(3)的高度a为6μm，宽度为6μm。聚合物上包层(7)的折射率小于聚合物芯层(3)的折射率，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(7)材料，折射率为1.47606，高度为4μm。

如附图2所示，为模式旋转器的三维结构示意图，模式旋转器的凹槽距离波导边缘的距离为s，凹槽的宽度为w，凹槽的高度为d。为了减少无方形凹槽的输入波导和有方形凹槽的旋转波导之间的插入损耗，凹槽的尺寸应该尽量减小，最后确定凹槽尺寸，凹槽宽度w为0.8μm，凹槽高度d为0.6μm，凹槽距边缘的距离s为1μm。由于方形凹槽的引入，波导具有不对称性，因此光在波导中传播时光轴会发生旋转，在此方形凹槽参数下，使得光轴相对于x轴和y轴旋转约45°的两个正交一阶TE模式光在方形凹槽波导中传播，最终形成输出端的光场，图3(c)和图3(d)为上述两个正交一阶TE模式光。当波导中传播的光满足图3(c)和图3(d)时，若在聚合物芯层(3)的起始端输入光斑形貌如图3(a)的E₁₀模式光，会在聚合物芯层(3)的终止端输出光斑形貌如图3(b)的E₀₁模式光；反之，在聚合物芯层(3)的起始端输入光斑形貌如图3(b)的E₀₁模式光，会在聚合物芯层(3)的终止端输出光斑形貌如图3(a)的E₁₀模式光。两个正交的一阶TE模式在方形凹槽波导中以不同的传播常数β1和β2同时激励和传播，设置模式旋转器的长度为半拍长，根据公式(2)计算出长度L为977μm，输入的E₁₀(E₀₁)模式光经过光轴旋转进而引起光斑形貌的旋转，最后经过长度L后在输出端得到E₀₁(E₁₀)模式光。

附图4中为在附图2参数时，工作在1550nm波长下的一阶模式旋转器的光谱图，由图(a)可知，当输入E₁₀模式光后，E₁₀模式光逐渐减弱，最后变为E₀₁模式光；由图(b)可知，当输入E₀₁模式光后，E₀₁模式光逐渐减弱，最后变为E₁₀模式光。图中X、Z表示器件的宽度和长度，曲线表示不同的监视器路径下功率监视器中光强的值。由图中可知，E₁₀(E₀₁)模式光最终转换程度为99.275％。

附图5为所设计的一阶模式旋转器在1530nm～1565nm波长下，转换效率的波长依赖性图，由图可以看出模式转换器在C波段宽带范围内均能实现功能，且转换效率大于98.5％。

如附图6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)使用蒸铝仪在二氧化硅下包层(21)上蒸镀一层500nm厚的金属铝薄膜(51)；

3)使用真空匀胶机在金属铝(51)表面旋涂BP-212重氮萘醌型紫外正型光刻胶，控制转速2500转/分，旋涂时间20s，旋涂后在87℃加热20分钟处理并自然降温固化。在365nm的紫外光光刻机下对版光刻3s，光功率为23mW/cm²，所用掩模版Ⅰ的结构、形状与方形凹槽的尺寸相同，使掩模版上与需要制备的聚合物芯层(3)方形凹槽结构和尺寸相同的图形转移到铝薄膜上，形成铝掩膜(52),起到保护铝掩膜的作用。在92℃后烘20分钟处理并自然降温固化，而后在0.5％浓度的NaOH中显影，去除多余的铝薄膜，最后光刻10s，去除所有的BP-212光刻胶；

4)通过ICP刻蚀的方法利用铝掩膜(52)对二氧化硅下包层(21)进行刻蚀，ICP通入的气体为C₄F₈/SF₈混合气体，再用0.5％浓度的NaOH去除多余的铝掩膜(52)，在二氧化硅下包层(21)上得到带有高度0.6μm凸起的二氧化硅下包层(22)；

5)在步骤4)的器件上旋涂Micro Chem公司的SU-8 2005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1000转/分，旋涂时间20s，形成6μm厚的SU-8光刻胶掩膜层(61)；

6)将步骤5)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Ⅱ的结构、形状与需要制备的二氧化硅凹槽的结构、形状相同，曝光时间7s，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，形成与聚合物芯层(3)结构互补的光刻胶掩膜(62)；

7)通过ICP刻蚀方法，使用和步骤4)中相同的气体组分，在带有凸起的二氧化硅下包层(22)上刻蚀出高度和高度均为6μm的凹槽结构，且凹槽内有0.6μm的凸起，然后再去掉光刻胶掩膜(62)

8)使用真空匀胶机在二氧化硅下包层(2)的表面旋涂Micro Chem公司的SU-82005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，由于SU-8具有自平整型，将在二氧化硅下包层(21)及凹槽结构的上表面形成2μm厚平整的SU-8平板层(4)；

9)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，从而得到聚合物芯层(3)，其上表面与二氧化硅下包层(2)的上面表位于同一平面内；

10)在聚合物SU-8芯层波导(3)与二氧化硅下包层(2)的上表面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(7)，从而得到本发明所述嵌入波导一阶模式旋转器件。

由于在实际工艺制备过程中，紫外光刻并湿法刻蚀容易使得掩膜宽度展宽，影响干法刻蚀后的器件宽度。在ICP刻蚀过程中，会产生负载效应，即局部刻蚀气体的消耗大于供给，引起刻蚀速率下降或刻蚀不均匀，且负载效应无法完全消除，同样会使刻蚀的宽度发生变化。由于刻蚀速率非线性变化，刻蚀的高度同样无法精确保证。因此，该器件的凹槽部分，经过湿法刻蚀和干法刻蚀后，尺寸会与设计值产生偏差。如附图7所示，为模式旋转器的转换效率随凹槽高度d和凹槽宽度w变化曲线图。凹槽高度d在设定值正负0.03μm范围内变化时，转换效率均大于97％，凹槽宽度w在设定值正负0.03μm范围内变化时，转换效率均大于98.6％。因此，在器件实际制备时，可能产生的工艺误差对器件转换效率带来的影响较小，器件转换效率始终保持在97％以上。

Claims (4)

1.一种基于二氧化硅/聚合物嵌入波导的E₁₀/E₀₁模式旋转器，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)和聚合物上包层(7)组成，聚合物芯层(3)为包埋在SiO₂下包层(2)之中的嵌入直波导结构，聚合物芯层(3)的上表面与SiO₂下包层(2)的上表面位于同一平面，聚合物芯层(3)下表面沿光的传输方向带有贯通的方形凹槽；聚合物上包层(7)位于聚合物芯层(3)和SiO₂下包层(2)之上；聚合物芯层(3)的高度和宽度为6μm×6μm，方形凹槽的宽度w为0.5～1μm，高度d为0.5～1μm，方形凹槽距离聚合物芯层(3)边缘的距离s为1～1.5μm，方形凹槽的长度与聚合物芯层(3)的长度相同为Lμm。

2.如权利要求1所述的一种基于二氧化硅/聚合物嵌入波导的E₁₀/E₀₁模式旋转器，其特征在于：聚合物芯层材料为EPO芯层、SU-8 2005、SU-8 2002或ZPU芯层等，在本发明中采用SU-8 2002为聚合物芯层材料。

3.如权利要求1所述的一种基于二氧化硅/聚合物嵌入波导的E₁₀/E₀₁模式旋转器，其特征在于：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，为EPO包层、PMMA、PDMS或ZPU包层。

4.一种基于二氧化硅/聚合物嵌入波导的E₁₀/E₀₁模式旋转器的制备方法，其步骤如下：

1)在硅衬底(1)上，生长一层致密的12～18μm厚的二氧化硅下包层(21)；

2)在二氧化硅下包层(21)上蒸镀金属铝层(51)；

3)在金属铝层(51)上旋涂一层光刻胶，通过紫外曝光，显影，将掩膜板上与需要制备的聚合物芯层(3)方形凹槽结构和尺寸相同的图形转移到金属铝层(51)上，形成铝掩膜(52)；

4)通过ICP刻蚀方法利用铝掩膜(52)对二氧化硅下包层(21)进行刻蚀，得到带有凸起的二氧化硅下包层(22)，该凸起的结构及尺寸与需要制备的方形凹槽的结构和尺寸相同，然后去掉铝掩膜(52)；

5)在带有凸起的二氧化硅下包层(22)上旋涂光刻胶掩膜层材料，前烘处理后自然降温固化，形成平整的光刻胶掩膜层(61)；

6)通过紫外光刻、显影、后烘，将掩模版上与需要制备的聚合物芯层(3)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掩膜层(61)上，形成与聚合物芯层(3)结构互补的光刻胶掩膜(62)；

7)再次通过ICP刻蚀方法，刻蚀未被光刻胶掩膜(62)保护的带有凸起的二氧化硅下包层(22)，形成凹槽结构的二氧化硅下包层(2)，该凹槽结构与需要制备的聚合物芯层(3)具有相同结构和尺寸，然后再去掉光刻胶掩膜(62)；

8)在带有凹槽结构的二氧化硅下包层(2)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7)中形成的凹槽结构，也会在二氧化硅下包层(21)及凹槽结构的上表面形成0～5μm的聚合物平板层(4)；

9)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(2)中得到聚合物芯层(3)，聚合物芯层(3)的上表面与SiO₂下包层(2)的上表面位于同一平面；

10)在刻蚀掉聚合物平板层(4)的聚合物芯层(3)与二氧化硅下包层(2)的上表面旋涂聚合物上包层(7)，加热固化后自然降温，从而制备得到基于二氧化硅/聚合物嵌入波导的E₁₀/E₀₁模式旋转器。

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