一种基于SOI的光子晶体分束器及制法

摘要

本发明涉及基于SOI材料的光子晶体分束器，包括一SOI材料衬底，在SOI衬底刻蚀产生硅柱，该硅柱呈正方晶格或六方晶格排列，硅柱高度为SOI顶层硅的厚度，在完整晶格结构中省去一行硅柱分别形成分束器的输入波导、两路输出波导；输入波导夹在两路输出波导的中间，它与两路输出波导分别由一列硅柱隔离，输入波导前端至少还留有一个硅柱，输出波导末端至少还留有一个硅柱；与外界相连的SOI条载波导分别设置在输入波导输入端、两路输出波导的输出端，该SOI条载波导与硅柱等高。该分束器结构紧凑，其长度比传统波导Y分束器缩小数十倍。通过控制隔离输入波导与输出波导的硅柱大小就能实现不同分束比的光输出，因此更具灵活性与实用性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于光通讯、光计算，光传感和光学测量等领域的光子晶体分束器；特别是涉及一种以为SOI材料的光子晶体分束器及制作方法。

背景技术

过去半个世纪中，以硅为主导的微电子技术取得了举世瞩目的成就，大力推动了信息技术黄金时代的到来。硅在市场方面的垄断地位和在工艺方面的巨大优势，吸引着人们不断研发小型化、集成化的硅基光子器件，以实现大规模集成的光子芯片。

绝缘体上的硅(Silicon-on-Insulator，SOI)是一种独特的硅基材料体系，采用这种材料制作光电子器件有利于兼容成熟的CMOS工艺，实现大规模的光子集成与光电集成。但是，普通的SOI光波导尺寸较大，相应的器件很难实现高密度的集成芯片，于是，光子晶体的概念应运而生。

所谓光子晶体，指的是折射率发生波长尺度的周期性改变、具有一定光子带隙(PBG)的材料结构。光子晶体的出现，为将来的光电和光子集成芯片开辟了一条新路。比如，光子晶体波导通过带隙的限制效应而导光，由于波导宽度在波长量级，就能使波导器件的尺寸大为降低。

产生完全光子带隙的3-D光子晶体在制作上还有一定困难，因此，二维光子晶体平板是目前构造光子晶体器件的最优选择。在平板平面内，通过光子禁带产生光限制，而在垂直于平板波导的方向上，通过折射率导引产生光限制。如果是周期性的空气孔分布于介质材料中，将对TE模(电场矢量位于平板平面内)产生较大的光子带隙，如果是周期性的介质柱分布于空气中，将对TM模(电场矢量沿着介质柱的轴向)产生较大的光子带隙。

Y型光功率分束器(简称Y分束器)是光学和光电领域中的基本器件。但是，目前的波导型Y分束器大多长达几千微米，光纤型的Y分束器更是长达几个毫米，这种大尺寸的器件将无法应用于将来大规模的集成光子芯片中。

光子晶体的出现为器件小型化提供了一条新途径。然而，普通结构的光子晶体Y分束器一般在输入、输出波导的交接区引入缺陷小孔(或缺陷柱)来提高分束效率、减小插入损耗。这种结构的最大不足是制作容差小，缺陷孔或缺陷柱的直径往往只有几十纳米，其位置也需要精确确定，因而给实际制作带来很大困难。而且，由于缺陷的小孔位于Y分支中心，该结构也很难实现不等功率的光输出。有鉴于此，研究短小紧凑、设计灵活、制作容差和可用带宽范围大的分束器是一项具有实际意义的工作。

发明内容

本发明的目的在于克服上述光子晶体Y分束器存在的不足，以及制作上的困难；从而提供一种基于SOI材料的宽带光子晶体光分束器及制作方法；该光子晶体光分束器与传统的Y分束器相比，由于采用了光子晶体波导，分束区的长度小于10微米，这将使总体的器件长度极大缩短；与普通的光子晶体Y分束器相比，它不需要引入缺陷柱，制作容差更大、设计更为灵活，能广泛应用在未来的光子芯片中。

本发明是一种基于SOI的光子晶体分束器，包括SOI材料衬底、在SOI材料衬底上经过电子束曝光、电感耦合等离子体(ICP)刻蚀产生硅柱，与外界(如光纤或其他器件)相连的SOI条载波导；其特征在于，所述的硅柱在SOI材料衬底上呈正方晶格或六方晶格排列，所述的硅柱高度为SOI材料顶层硅的厚度，在完整晶格结构中省去一行硅柱分别形成分束器的输入波导、两路输出波导；所述的输入波导夹在两路输出波导的中间，它与两路输出波导分别由一列硅柱隔离；所述的输入波导前端至少还留有一个硅柱；所述的输出波导末端至少还留有一个硅柱，分别对入射光和反向耦合光起反射作用；所述的与外界相连的SOI条载波导分别设置在输入波导输入端、两路输出波导的输出端，该SOI条载波导与硅柱等高。

在上述的技术方案中，所述的硅柱数量在SOI的长度和宽度方向都应大于9个，以便产生光子晶体的波导效应。

在上述的技术方案中，所述的隔离硅柱数量至少为3个。

在上述的技术方案中，所述的SOI材料其埋层二氧化硅的厚度应大于1μm，避免光经该层而辐射到材料中引起光能量损耗。

在上述的技术方案中，硅柱半径R与晶格周期a之比(即为光子晶体的占空比r)，应不小于0.2。本发明的SOI光子晶体分束器结构，当调整隔离输入、输出波导的硅柱直径之比时，能够改变两个输出端的功率分配比，增加了器件的灵活性与实用性。

在上述的技术方案中，所述的SOI条载波导的高度须等于硅柱高度即SOI材料顶层硅的厚度，其SOI条载波导的宽度约等于光子晶体晶格周期的倍。

所述的SOI光子晶体分束器，输入光进入分支器的输入波导与输出波导的耦合区后，将耦合到两输出波导中。未完全耦合的光传输到输入波导末端的硅柱后将被反射，反射光在耦合区继续与输出波导模式发生耦合，而耦合到输出波导中的反向传输光将被前端的硅柱反射回去。此过程反复进行，直到绝大部分光都从输出端输出。通过合理设计，能够使光来回反射时损耗的能量小于1％。

本发明提供的基于SOI材料的光子晶体分束器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)首先依次用HF酸、清水、丙酮、清水、无水乙醇和清水清洗SOI材料，除去硅表面的杂质和氧化物；

(2)甩胶：由于是深硅刻蚀，为了获得高分辨率和高宽高比的图形，采用双层胶工艺：首先在SOI上涂覆一层厚度在400nm到600nm、分子量为950、浓度为4％的正胶聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)光刻胶，底层光刻胶PMMA作为SOI图形化的掩模，甩胶后在75℃至95℃的烤箱中烘烤一个小时以上，以使PMMA中的溶剂挥发，促进PMMA与材料的附着；胶完全固化后再涂覆50nm至90nm厚的氢化硒酸盐即HSQ作为负胶，在同样温度范围的烤箱中烘烤3-10分钟；

(3)采用电子束曝光工艺，其曝光条件：加速偏压为10至100Kv、孔径光澜为20至40μm、写场大小为100至300μm²，曝光剂量范围为100到1000μC/cm^-2，在HSQ上曝光产生高分辨率光子晶体图形；

(4)显影：首先在MF322的显影液中显影40到120s，再浸入MF322∶H₂O＝1∶9的混合液中显影12到16s，最后在水中清洗15s以上除去残留的显影和定影液；MF322是国际上较通用的HSQ显影液；如果使用其他的光刻胶可以选择配套的显影液；

(5)反应离子刻蚀(RIE)：以氧气O₂作为工作气体，在射频功率密度为0.03Wcm^-2-0.1Wcm^-2，压强为0.2-0.8Pa的条件下把图形从HSQ转移到底层胶PMMA；

(6)ICP刻蚀：PMMA光刻胶作为刻蚀掩模，用ICP刻蚀SOI材料。刻蚀条件为：采用温度范围在-10℃到10℃的冷却液，源功率300-500W，偏压150V-250V，压强1-2Pa，工作气体为C₄F₈(流量120-200sccm)、SF₆(流量20-100sccm)和氧气O₂(流量2-10sccm)。刻蚀过程达到埋层二氧化硅时将自停止，此时硅柱及外连条载波导即制作完成；

(7)把已经产生图形的SOI浸入浓硫酸中，加热至沸腾除去残胶；

(8)将步骤(7)制作的芯片端面解理、抛光；

(9)用去离子水和超声清洗机清洗芯片，即得到本发明的基于SOI材料的光子晶体分束器。

所述步骤(1)是这样进行的：首先把片子浸入HF酸中，除去表面氧化物，用去离子水振荡清洗片子，放入丙酮溶液中加热，沸腾后使之在常温下自然冷却，再用去离子水清洗30遍以上，然后放入无水乙醇中重复加热、冷却和清洗过程，之后用超声清洗机清洗5分钟，最后用氮气把片子吹干，放入100℃烤箱中烘烤3-4分钟。

SOI柱形光子晶体的制备工艺不限于电子束曝光和ICP刻蚀，也包括其他光刻和刻蚀方法，例如深紫外光刻和聚焦离子束等所有能在SOI上形成光子晶体的工艺手段。

本发明的优点在于，采用SOI材料制作，成本相对其他材料体系(如GaAs、InP等)低廉，也方便用于将来的光电和光子集成芯片中。该分束器具有插入损耗小、可用带宽范围大的优点。所述的SOI光子晶体分束器，可以在设计电子束曝光的版图时，省去完整晶格结构的一行硅柱，形成光子晶体W1波导。这种波导是单模波导，将用作分束器的输入、输出波导。在输入、输出波导中的反射硅柱结构，使绝大部分光能量得以有效输出。由于多次反射的输出增强作用，大大拓展了分束器的可用带宽范围，其高效输出的频率区间几乎占据了光子带隙中波导色散曲线的绝大部分。同时，光子晶体波导的采用使器件尺寸比传统的Y分束器缩小了数十倍以上，结构更为紧凑。隔离硅柱的使用也使之较普通的光子晶体Y分束器具有更大的灵活性与实用性，主要改变这些硅柱的直径，就能得到任意功率分束比的光输出，使用范围因此得以扩大，可实现光子集成芯片中的光分路、合束、互连等功能，广泛应用于光通讯、光计算，光传感和光学测量等领域。

本发明提供的基于SOI材料的光子晶体分束器的制作方法，与目前成熟的CMOS工艺兼容，可以实现大高宽比(Aspect Ratio)的硅柱刻蚀。该方法由于是深硅刻蚀，所以采用双层胶工艺，此外，器件具有宽带和制作容差大的特性，由于是深硅刻蚀，所以采用双层胶工艺，此外，器件具有宽带和制作容差大的特性，采用独特的双层胶工艺，既能保证制作精度，又能实现深硅刻蚀，且整个器件的刻蚀掩模只要通过一次电子束曝光就能形成，具有制作工艺简单成熟、成本低廉的优势。

为了获得高分辨率和高宽高比的图形。另外，由于不需要采用孔径很小的缺陷柱，因此制备方法简单，制作容差大，器件成品率高，易于批量生产。

附图说明

图1是普通的SOI光子晶体Y分束器的结构示意图；

图2是本实用新型实施的SOI光子晶体分束器的结构示意图；

图3是本实用新型所用SOI材料的侧视图

图4是本实用新型实施的SOI光子晶体分束器的侧视图；

图5是r/a等于0.2、输入光频率为归一化频率(a/λ)0.4时，沿波导长度方向分束器中稳态光场分布的有限时域差分(FDTD)模拟结果；

图6是r/a等于0.2、输入光波长为归一化频率0.4时，分束器一个输出端功率随归一化频率的变化关系；

图7是r/a等于0.2、输入光波长为归一化频率0.4时，采用FDTD方法模拟分束器中输入、输出波导能量随计算时间的变化。横坐标是以距离为标度的时间轴(计算时间乘以光速)，纵坐标代表归一化能量。蓝色(图中上方)和红色(图中下方)曲线分别代表从条载波导中输入的光能量和从分束器一路输出波导中输出的光能量；

图8是r/a等于0.2、两路输出波导功率分配比为1∶2时的分束器结构；

图9是r/a等于0.2时、输入光波长为归一化频率0.4时，采用FDTD方法模拟1∶2分束器输入、输出波导能量随计算时间的变化。横坐标是以距离为标度的时间轴(计算时间乘以光速)，纵坐标代表归一化能量。红色(上方的曲线)、蓝色(中间的曲线)和绿色(下方的曲线)曲线分别代表从条载波导中输入的光能量和从分束器两路输出波导中输出的光能量

图面说明：

1-SOI         2-硅衬底           3-二氧化硅

4-硅柱        5-SOI条载波导      6-分束器输入波导

7-分束器输出波导

具体实施方式

下面结合制备方法和附图，通过实施例对本实用新型的SOI光子晶体分束器的结构进行详细地说明

实施例1

(1)首先把SOI材料浸入HF酸中，除去表面氧化物，用去离子水振荡清洗片子，放入丙酮溶液中加热，沸腾后使之在常温下自然冷却，再用去离子水清洗30遍以上，然后放入无水乙醇中重复加热、冷却和清洗过程；之后用超声清洗机清洗5分钟，最后用氮气把片子吹干，放入100℃烤箱中烘烤3-4分钟；

(2)甩胶：由于是深硅刻蚀，为了获得高分辨率和高宽高比的图形，采用双层胶工艺：首先在SOI上涂覆厚约500nm、分子量为950、浓度为4％的正胶PMMA，底层光刻胶PMMA作为SOI图形化的掩模，甩胶后在85℃的烤箱中烘烤一个小时，以使PMMA中的溶剂挥发，促进PMMA与材料的附着；PMMA胶完全固化后再涂覆约50nm厚的负胶HSQ，在同样温度范围的烤箱中烘烤约4分钟。其中顶层负光刻胶HSQ的厚度应在100nm以下，以减小电子散射造成图形分辨率降低，提高图形制作精度；

(3)电子束曝光：采用电子束曝光工艺，其曝光条件：加速偏压为10Kv、孔径光澜为20μm、写场大小为100μm²，曝光剂量100μC/cm^-2，在HSQ上曝光产生高分辨率光子晶体图形；

(4)显影：首先在MF322的显影液中显影1min，再浸入MF322∶H2O＝1∶9的混合液15s，最后在水中清洗15s；

(5)反应离子刻蚀(RIE)：以氧气O₂作为工作气体，在射频功率密度为0.07Wcm^-2，压强为0.3Pa的条件下把图形从HSQ转移到底层胶PMMA；

(6)ICP刻蚀：PMMA作为刻蚀掩模，用ICP刻蚀SOI材料。刻蚀条件为：采用温度为0℃的冷却液，源功率400W，偏压180V，压强1.6Pa，工作气体为C₄F₈(流量180sccm)、SF₆(流量60sccm)和氧气O₂(流量6sccm)。刻蚀过程达到埋层二氧化硅时将自停止，此时硅柱及外连条载波导即制作完成。

(7)把已经产生图形的SOI浸入浓硫酸中，加热至沸腾除去残胶；

(8)芯片端面解理、抛光；

(9)用去离子水和超声清洗机清洗芯片，即得到本实用新型的SOI光子晶体分束器。

上述实施例1制作的集成在同一SOI材料上的SOI光子晶体分束器和条载输入、输出波导，请参阅图2和图4，该SOI光子晶体分束器包括：在SOI 1的下埋层二氧化硅3上制作出硅柱4，该硅柱4按照正方晶格排列，在按正方晶格排列的硅柱4中的中心一列保留6个硅柱4，其余硅柱4删掉，形成输入波导6；在输入波导6的两侧相隔一列硅柱4，再删掉2列硅柱4作为两路输出波导7，输出波导7的末端还保留4个硅柱4；本实施例沿SOI 1的长度和宽度方向硅柱4至少为9个，优选的为19个，每一个硅柱4的高度为1.5μm，直径为250nm。3条SOI条载波导5包括：2条SOI条载输出波导，1条SOI条载输入波导，用作分束器输入/输出波导的光子晶体W1波导，SOI条载输入波导的高度与硅柱4等高，设置在输入波导6的输入端；设置在输入波导6的输入端；2条SOI条载输出波导的高度与硅柱4等高，分别设置在两条输出波导6的输出端。为了减小条载波导与光子晶体W1波导的模场失配、提高耦合效率，本实施例的条载波导5的高度等于硅柱高度，即SOI晶片的顶层硅厚度，其条载波导5的宽度约等于光子晶体晶格周期的倍。而光子晶体的周期由测试所用波长决定。比如，如果选用1550nm的光通信窗口，工作点在归一化频率0.4处，则晶格周期a应取为620nm。

测试或使用时，来自激光器、从光纤输出的光首先进入SOI条载波导，再耦合到光子晶体的分束器。经分束器的分束作用，从W1波导输出的光分别耦合到对应的SOI条载波导中，最后输出到光谱仪或其他器件中。由于光路可逆，该分束器也可用作合束器。

附图1是传统光子晶体Y分束器的结构示意图。可见，该结构需要在输入波导和输出波导的交接处引入直径较小的硅柱(即缺陷柱)，以降低器件损耗、提高输出效率，这就需要比较精确的曝光工艺，当需要在输出波导中得到不等分的光输出时，这种结构也很难满足要求。但是，采用图2所示本实用新型实施的分束器结构，就可以有效避免上述问题，因为它不需要引入直径较小硅柱。改变隔离硅柱的直径之比，能够轻易实现不等功率的光输出。

图5是r/a等于0.2、输入光频率为归一化频率(a/λ)0.4时，沿波导长度方向分束器中稳态光场分布的有限时域差分(FDTD)模拟结果，该图形象地给出了稳态时分束器输入波导与输出波导中的光场分布。。图6是r/a等于0.2、输入光波长为归一化频率0.4时，分束器一个输出端功率随归一化频率的变化关系。该曲线部分区域的值略大于0.5，这是由于功率监测点置于输出波导末端，此处光场边界的不连续引起了部分光被末端的硅柱反射，这种现象在FDTD计算中是很正常的。该图清楚表明了光波长位于归一化频率0.373-0.413之间时，可以得到十分理想的分束结果。如果取晶格周期为620nm，则对应波长范围为1501-1662nm，该范围已经把第三光通信窗口全部覆盖。如果采用普通结构的光子晶体Y分束器，可利用的带宽范围要小得多。这也是本实用新型的优势之一。

图7是r/a等于0.2、输入光波长为归一化频率0.4时，采用FDTD方法模拟分束器中输入、输出波导能量随计算时间的变化。横坐标是以距离为标度的时间轴(计算时间乘以光速)，纵坐标代表归一化能量。蓝色(图中上方)和红色(图中下方)曲线分别代表从条载波导中输入的光能量和从分束器一路输出波导输出的光能量。可见，当计算时间足够长而达到稳定状态后，输出能量极为接近输入能量的50％，从而构成插入损耗极低的3dB分束器。

图8是r/a等于0.2、两路输出波导功率分配比为1∶2时的分束器结构；图9是r/a等于0.2时、输入光波长为归一化频率0.4时，采用FDTD方法模拟1∶2分束器输入、输出波导能量随计算时间的变化。横坐标是以距离为标度的时间轴(计算时间乘以光速)，纵坐标代表归一化能量。红色(上方的曲线)、蓝色(中间的曲线)和绿色(下方的曲线)曲线分别代表从条载波导中输入的光能量和从分束器两路输出波导中输出的能量。可见，一路输出波导中的光功率正好是另一路输出波导的两倍，因而得到了理想的1∶2分束器。因此，通过改变输入波导与一个输出波导的隔离硅柱的大小能轻易实现不同分束比的光输出，突显本实用新型的广泛实用性

实施例2

按实施例1的方法制作一本实用新型的基于SOI材料的光子晶体分束器，其工艺同实施例1，只是工艺条件有如下区别：

(2)甩胶：首先在SOI上涂覆厚约600nm、分子量为950、浓度为4％的正胶PMMA，甩胶后在75℃的烤箱中烘烤2小时；胶完全固化后再涂覆约70nm厚的负胶HSQ；在80℃的温度中烘烤5分钟；

(3)电子束曝光：采用电子束曝光工艺，其曝光条件：加速偏压为30Kv、孔径光澜为30μm、写场大小为200μm²，曝光剂量250μC/cm^-2；

(4)显影：首先在MF322的显影液中显影2min，再浸入MF322∶H2O＝1∶9的混合液12s，最后在水中清洗25s；

(5)反应离子刻蚀(RIE)：以氧气O₂作为工作气体，在射频功率密度为0.08Wcm^-2，压强为0.5Pa的条件下把图形从HSQ转移到底层胶PMMA；

(6)ICP刻蚀：PMMA作为刻蚀掩模，用ICP刻蚀SOI材料。刻蚀条件为：采用温度范围在10℃的冷却液，源功率200W，偏压160V，压强1.5Pa，工作气体为C₄F₈(流量160sccm)、SF₆(流量50sccm)和氧气O₂(流量4sccm)。刻蚀过程达到埋层二氧化硅时将自停止，此时硅柱及外连条载波导即制作完成。

参考图8，制作一个r/a等于0.2、两路输出波导功率分配比为1∶2时的分束器，包括以下结构：在SOI 1的下埋层二氧化硅3上制作出硅柱4，该硅柱4按照正方晶格排列，在按正方晶格排列的硅柱4中的中心一列保留6个硅柱4，其余硅柱4删掉，形成的光子晶体W1波导用作分束器的输入波导6；在输入波导6的两侧相隔一列硅柱4，再删掉2列硅柱4作为分束器的两路输出波导7，输出波导7的末端还保留4个硅柱4；本实施例沿SOI 1的长度和宽度方向硅柱4为9个，每一个硅柱4的高度为2.5μm，直径为350nm。用于隔离输入和输出波导的两列硅柱，其直径比例的最佳值为1∶1.83。3条SOI条载波导5包括：2条SOI条载输出波导，1条SOI条载输入波导，SOI条载输入波导的高度与硅柱4等高，设置在输入波导6的输入端；2条SOI条载输出波导的高度与硅柱4等高，分别设置在两条输出波导6的输出端。为了减小条载波导与光子晶体W1波导的模场失配、提高耦合效率，本实施例的条载波导5的高度等于硅柱高度，即SOI晶片的顶层硅厚度，其宽度约等于光子晶体晶格周期的倍。而光子晶体的周期由测试所用波长决定。比如，如果选用1550nm的光通信窗口，工作点在归一化频率0.4处，则晶格周期a应取为620nm。

实施例3

按实施例1和例2的方法制作一本实用新型的基于SOI材料的光子晶体分束器，其工艺同实施例1和例2，只是工艺条件有如下区别：

(3)电子束曝光：采用电子束曝光工艺，其曝光条件：加速偏压为100Kv、孔径光澜为40μm、写场大小为300μm²，曝光剂量800μC/cm^-2；

(4)显影：首先在MF322的显影液中显影50s，再浸入MF322∶H20＝1∶9的混合液16s，最后在水中清洗20s；

(5)反应离子刻蚀(RIE)：以氧气O₂作为工作气体，在射频功率密度为0.10Wcm^-2，压强为0.8Pa的条件下把图形从HSQ转移到底层胶PMMA；

(6)ICP刻蚀：PMMA作为刻蚀掩模，用ICP刻蚀SOI材料。刻蚀条件为：采用温度为-10℃的冷却液，源功率450W，偏压250V，压强1.8Pa，工作气体为C₄F₈(流量120sccm)、SF₆(流量40sccm)和氧气O₂(流量2sccm)。刻蚀过程达到埋层二氧化硅时将自停止，此时硅柱及外连条载波导即制作完成。