基于光子晶体谐振腔的两级缩束系统及其制作方法

摘要

本发明涉及一种基于光子晶体谐振腔的两级缩束系统及制作方法，该系统由W7型光子晶体波导、光子晶体谐振腔、W1型光子晶体波导和纳米线波导顺序密接排列构成；光子晶体谐振腔采用在光子晶体中加入点缺陷构成，并且光子晶体谐振腔与W7型光子晶体波导衔接处分布一行介质柱，该行介质柱构成耦合区；光子晶体谐振腔与W1型光子晶体波导衔接处，且与点缺陷对应位置分布有一个或多个耦合介质柱；整个系统集成在一个基底上。本发明采用两级压缩结构，使光束经过一级压缩和二级压缩两次压缩，从而达到更高的压缩比以及更小的出射光斑，耦合效率高，光信息在器件间传播的损耗低；另外相对于渐变波导，大大的减小了器件的体积，提高了器件的集成度。

说明书

技术领域：

本发明属于光学技术领域，涉及一种微结构光子晶体元件，具体地说是一种基于光子晶 体谐振腔的两级缩束系统及其制作方法。

背景技术：

光子晶体是由具有不同介电常数的物质，在空间周期性排列形成的人工微结构。近年来， 基于光子晶体材料的光电功能器件得到了广泛的关注，利用光子晶体的光子禁带和光子局域 特性，光子晶体波导、滤波器、光开关、耦合器等光子晶体光电器件已见诸报道，为未来大 规模光电集成以及全光网络的实现打下了良好的基础。

光子晶体是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构，电磁波在其中传播时由 于布拉格散射，电磁波会受到调制而形成能带结构，这种能带结构叫做光子能带。光子能带 之间可能出现带隙，即光子带隙。由于带隙中没有任何态存在，频率落在带隙中的电磁波被 禁止传播。如果在光子晶体中引入介电缺陷或介电无序，会出现光子局域现象，在光子带隙 中将形成相应的缺陷能级，特定频率的光可在这个缺陷能级中出现。通过在完整的二维光子 晶体中引入缺陷，破坏光子禁带，引入缺陷态，可用来制作二维光子晶体功能器件。在二维 光子晶体中引入线缺陷即去掉数排介质柱，那么相应频率的电磁波就只能在这个线缺陷中传 播，离开线缺陷就会迅速衰减，可以通过在二维光子晶体中引入线缺陷来制作光子晶体波导。 区别于传统光学波导的内反射原理，光子晶体波导基础原理是不同方向缺陷模共振匹配，故 理论上光子晶体波导不受转角限制，弯曲损耗极小，可以用于制作低损耗转弯波导。

然而想要将现有的光子晶体器件集成在同一基片上却面临着器件间通光宽度不同以及耦 合效率低下等诸多困难，故能在连接功能器件的同时，实现对光束高效的微压缩及微聚焦的 缩束系统对多光子晶体功能器件的集成有着极为重要的意义。缩束系统的主要技术参数是光 斑大小、压缩率和传输效率。压缩率是指入射光束和出射光束半高宽的比值，其数值根据设 计要求越大越好。而传输效率则是出射端和入射端光强的比值，传输效率的高低直接影响着 系统的效率。渐变波导可以实现器件连接并对光束进行控制，然而，渐变波导宽度的变化会 导致严重的反射损失及模式失配，从而影响传输效率。所以，渐变波导的渐变角通常比较小 而长度较长，难以缩小体积并应用于光电集成及全光网络中。为了减小宽度变化带来的损耗， 有的研究提出引入抛物面透镜或伽利略望远镜光学系统来增大渐变角，以便能在较小的长度 下完成光束宽度的控制。但同时光学器件的引入会使得渐变波导的结构复杂化，降低器件的 集成度。另外，在光通信波段光子晶体器件尺度即亚微米尺度下，几何光学器件的衍射效应 非常明显，限制了上述两种方法的应用。所以，迫切需要一种能实现亚微米尺度下对光束进 行调节，并具有高传输效率的缩束系统以实现光信息在器件间低损耗耦合传播。

发明内容：

本发明要解决的一个技术问题是提供一种能实现亚微米尺度下对光束进行调节，并具有 高传输效率，能够实现光信息在器件间低损耗耦合传播的基于光子晶体谐振腔的两级缩束系 统。

为了解决上述技术问题，本发明的基于光子晶体谐振腔的两级缩束系统由W7型光子晶 体波导、光子晶体谐振腔、W1型光子晶体波导和纳米线波导顺序密接排列构成；光子晶体 谐振腔采用在光子晶体中加入点缺陷构成，并且光子晶体谐振腔与W7型光子晶体波导衔接 处分布一行介质柱，该行介质柱构成耦合区；光子晶体谐振腔与W1型光子晶体波导衔接处， 且与点缺陷对应位置分布有一个或多个耦合介质柱；整个系统集成在一个基底上。

构成W7型光子晶体波导、光子晶体谐振腔及W1型光子晶体波导主体结构的介质柱半 径为r。

所述W7型光子晶体波导的缺陷区由半径为r₁的介质柱构成，r₁大于或小于r。

所述光子晶体谐振腔中的点缺陷由半径为r₃的一个或多个介质柱构成，r₃大于或小于r。

所述点缺陷也可为光子晶体中去掉一个或多个介质柱形成的空隙。

所述光子晶体谐振腔耦合区介质柱的半径为r₂，r₂大于或小于r。

所述光子晶体谐振腔的耦合介质柱半径为r₄，r₄大于或小于r。

本发明中W7型光子晶体波导、W1型光子晶体波导和纳米线波导的通光宽度不同，尤 其W7型光子晶体波导和纳米线波导间通光宽度相差较大。而对于通信波段的W1型光子晶 体波导，其通光宽度为几百个纳米，与纳米线波导通光宽度较为接近，故本发明采用W1型 光子晶体波导和光子晶体谐振腔作为中介，将W7型光子晶体波导和纳米线波导连接起来， 即采用两次压缩的方式实现对光束宽度的控制。其中一级压缩部分由W7型光子晶体波导、 光子晶体谐振腔和W1型光子晶体波导构成，二级压缩部分由W1型光子晶体波导和纳米线 波导构成。一、二级缩束之间由W1型光子晶体波导连接。由于W7型光子晶体波导、W1 型光子晶体波导和纳米线波导的通光宽度依次减小，故只要实现三者之间的高效耦合，即可 实现对光束宽度的微控制。

本发明的优点是采用两级压缩结构，使光束经过一级压缩和二级压缩两次压缩，从而达 到更高的压缩比以及更小的出射光斑。特别是采用光子晶体谐振腔作为中介，将W7型光子 晶体波导与W1型光子晶体波导连接，光子晶体谐振腔与W7型光子晶体波导衔接处分布一 行作为耦合区的介质柱，光子晶体谐振腔与W1型光子晶体波导衔接处且与点缺陷对应位置 分布有耦合介质柱，大大提高了耦合效率，光信息在器件间传播的损耗低。另外相对于渐变 波导，本发明大大的减小了器件的体积，提高了器件的集成度。

本发明要解决的另一个技术问题是提供一种基于光子晶体谐振腔的两级缩束系统的制作 方法。

为了解决上述技术问题，本发明的基于光子晶体谐振腔的两级缩束系统的制作方法通过 在基底上制作钛酸锶介质柱阵列和钛酸锶纳米线波导形成缩束系统结构。

具体制作过程如下：

第一步，制备划片所需的划片槽；

第二步，制备ICP刻蚀钛酸锶介质柱阵列和钛酸锶纳米线波导所需的光刻胶掩膜；

第三步，利用第二步制备的ICP光刻胶掩膜结构进行ICP刻蚀，制作基于光子晶体谐振 腔的两级缩束系统主体结构；

第四步，对要求尺寸精度高于10nm的介质柱进行单独加工；

第五步，去除器件结构边缘区。

第一步，制备划片所需的划片槽；

(A)对衬底硅上生长二氧化硅埋层的基底进行清洁处理；

(B)在二氧化硅埋层上利用溶胶凝胶法制备一层钛酸锶薄膜；

(C)在钛酸锶薄膜上制作一层光刻胶膜；

(D)将步骤(C)制作完成的结构放入烘箱中前烘；

(E)对光刻胶膜进行紫外曝光，得到与刻蚀划片槽所需光刻版相同的图形；

(F)经过显影、坚膜，得到制作划片槽所需的光刻胶掩膜结构；

(G)对步骤(F)制作好的光刻胶掩膜结构进行ICP刻蚀，然后去掉光刻胶膜得到带有 划片槽的划片结构；

第二步，制备ICP刻蚀钛酸锶介质柱阵列和钛酸锶纳米线波导所需的光刻胶掩膜；

(H)在步骤(G)制备好的带有划片槽的划片结构上制作一层光刻胶膜；

(I)将步骤(H)制备完成的结构放入烘箱中前烘；

(J)对制备好的光刻胶膜进行电子束曝光；

(K)经过显影、坚膜，得到制作钛酸锶介质柱阵列和钛酸锶纳米线波导所需的ICP光 刻胶掩膜结构；

第三步，利用第二步制备的ICP光刻胶掩膜结构进行ICP刻蚀，制作基于光子晶体谐振 腔的两级缩束系统主体结构；

(L)对步骤(K)制作好的ICP光刻胶掩膜结构进行ICP刻蚀，得到钛酸锶介质柱阵列 和钛酸锶纳米线波导；

(M)将钛酸锶介质柱阵列和钛酸锶纳米线波导上的光刻胶去除，并清洗；

第四步，对要求尺寸精度高于10nm的介质柱进行单独加工；

(N)在步骤(M)得到的结构上涂覆一层光刻胶作为保护层；

(O)对制备好的光刻胶进行光学曝光、显影，得到光刻胶掩膜结构，将需要加工的钛 酸锶介质柱所在区域暴露出来；

(P)利用FIB工艺对需要加工的钛酸锶介质柱进行加工使其达到所需尺寸，去除光刻胶；

第五步，去除器件结构边缘区；

(Q)在步骤(P)得到的器件结构表面涂覆PMMA层；

(R)对PMMA层进行同步辐射X射线曝光、显影，在器件结构上制作一个保护层；

(S)按照划片槽划片，得到由钛酸锶介质柱阵列和钛酸锶纳米线波导构成的基于光子晶 体谐振腔的两级缩束系统器件主体结构；

(T)将步骤(S)得到的基于光子晶体谐振腔的两级缩束系统器件结构放入磨片机中， 分别用不同的研磨液或抛光液进行侧面研磨及抛光，去除边缘区并使器件结构侧面平整。

本发明应用电子束曝光加ICP刻蚀和FIB刻蚀方法加工，使所述光子晶体两级缩束系统 有加工精度高、聚焦效果好，表面粗糙度低等优点，解决了因粗糙度偏高带来的散射大的问 题。将同步辐射X射线光刻技术与研磨、抛光技术相结合进行边缘区去除及侧面修整，可以 在去除边缘区的过程中有效保护多级二维光子晶体缩束系统结构。

附图说明：

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的基于光子晶体谐振腔的两级缩束系统主体平面示意图。

图2是二级压缩部分示意图。

图3为刻蚀划片槽所需光刻版示意图。

图4a～4g为制备划片所需的划片槽工艺过程示意图。

图5a～5f为制备钛酸锶介质柱的工艺过程示意图。

图6a～6f为加工要求尺寸精度高于10nm的介质柱的工艺过程示意图。

图7a～7e为去除器件结构边缘区的工艺过程示意图。

具体实施方式：

如图1、2所示，本发明的基于光子晶体谐振腔的两级缩束系统由W7型光子晶体波导4、 光子晶体谐振腔5、W1型光子晶体波导6和纳米线波导7顺序密接排列构成；光子晶体谐振 腔5采用在光子晶体中加入点缺陷14构成，并且光子晶体谐振腔5与W7型光子晶体波导4 衔接处分布一行介质柱13，该行介质柱构成耦合区；光子晶体谐振腔5与W1型光子晶体波 导衔接处，且与点缺陷14对应位置分布有一个或多个耦合介质柱15；整个系统集成在一个 基底上。

特征频率的电磁波(1550nm)从左侧W7型光子晶体波导入射，经过高品质光子晶体谐 振腔的耦合作用，光束从W7型光子晶体波导耦合到W1型光子晶体波导，由于W1型光子 晶体波导通光孔径尺寸小于W7型光子晶体波导，光束完成一级压缩。W1型光子晶体波导 中的光束经过W1型光子晶体波导和纳米线波导的高效耦合，从通光孔径更小的纳米线波导 出射，完成光束的二级压缩。

W7型光子晶体波导、W1型光子晶体波导和纳米线波导的通光宽度不同，尤其W7型光 子晶体波导和纳米线波导间通光宽度相差较大。而对于通信波段的W1型光子晶体波导，其 通光宽度为几百个纳米，与纳米线波导通光宽度较为接近，故本发明采用W1型光子晶体波 导和光子晶体谐振腔作为中介，将W7型光子晶体波导和纳米线波导连接起来，即采用两次 压缩的方式实现对光束宽度的控制。两级光子晶体压缩系统由一级压缩和二级压缩两部分组 成，其中一级压缩由W7型光子晶体波导、光子晶体谐振腔和W1型光子晶体波导构成，二 级压缩由W1型光子晶体波导和纳米线波导构成。一、二级缩束之间由W1型光子晶体波导 连接。由于W7型光子晶体波导、W1型光子晶体波导和纳米线波导的通光宽度依次减小， 故只要实现三者之间的高效耦合，即可实现对光束宽度的微控制。

所述构成W7型光子晶体波导4、光子晶体谐振腔5及W1型光子晶体波导6主体结构的 介质柱11半径为r。光子晶体谐振腔5与W1型光子晶体波导4衔接处分布一行半径为r₂的 耦合区介质柱13；光子晶体谐振腔中的点缺陷14由一个半径为r₃的介质柱构成；光子晶体 谐振腔5与W1型光子晶体波导衔接处，且与点缺陷14对应位置分布有一个耦合介质柱15， 耦合介质柱半径为r₄；纳米线波导宽度W＝140nm，光子晶体谐振腔中的点缺陷14与纳米线 波导7间距离d＝1.05μm.

当r＝102nm，r₁＝51nm，r₂＝35nm，r₃＝75nm时，该缩束系统具有93.1％的出射效率。

当r＝102nm，r₁＝51nm，r₂＝45nm，r₃＝r₄＝57nm时，出射效率可达91.87％；

当r＝102nm，r₁＝51nm，r₂＝170nm，r₃＝r₄＝205nm时，出射效率为90.45％；

当r＝102nm，r₁＝51nm，r₂＝55nm，r₃＝r₄＝235nm时，出射效率为85.6％；

当r＝102nm，r₁＝51nm，r₂＝67nm，r₃＝r₄＝228nm时，出射效率为87.5％；

当r＝102nm，r₁＝51nm，r₂＝40nm，r₃＝r₄＝80nm时，出射效率为92.32％；

当r＝102nm，r₁＝51nm，r₂＝82nm，r₃＝r₄＝160nm时，出射效率为90.49％；

当r＝102nm，r₁＝51nm，r₂＝105nm，r₃＝r₄＝82nm时，出射效率为85.68％；

当r＝102nm，r₁＝51nm，r₂＝95nm，r₃＝r₄＝75nm时，出射效率为80.25％。

为了达到缩束的目的，本发明利用W7型光子晶体波导、高品质光子晶体谐振腔和W1 型光子晶体波导的高效耦合，将光束进行压缩。制作过程中要求在完整的光子晶体结构中分 别对W7型光子晶体波导缺陷区介质柱和光子晶体谐振腔的耦合区介质柱、构成点缺陷的介 质柱和耦合介质柱的半径进行优化。其中，缩束系统主体上的介质柱均为钛酸锶介质柱，钛 酸锶介质柱制备于基底上。钛酸锶介质柱为正方晶格结构，其晶格周期为510nm。钛酸锶介 质柱高度h＝220nm，基底的二氧化硅埋层102厚度h₂＝3μm，衬底硅101厚度h₃＝600μm。

图3为刻蚀划片槽所需光刻版示意图。光刻版为边长为A＝2cm的正方形结构，正方形结 构被分为16个正方形小单元，每个单元变长为a＝0.5cm。所设计的二维光子晶体缩束系统制 作于小单元内，经过划片一次曝光可得16组两级缩束系统。

本发明的两级缩束系统制作于基底上，基底上排列有数十个至数百个钛酸锶介质柱和一 个钛酸锶纳米线波导。基底由二氧化硅埋层(低折射率层)102和衬底硅101构成。钛酸锶 介质柱阵列及纳米线波导与二氧化硅埋层接触。

本发明的具体制作过程如下：

第一步，制备划片所需的划片槽；

(A)对衬底硅101为600μm厚，其上生长3μm厚二氧化硅埋层102的基底(如图4a 所示)进行清洁处理；

(B)如图4b所示，在二氧化硅埋层102上利用溶胶凝胶法制备一层钛酸锶薄膜103；

(C)如图4c所示，在钛酸锶薄膜103上制作一层厚度为2-3μm的光刻胶膜104；

(D)将步骤(C)制作完成的结构放入烘箱中前烘；

(E)如图4d所示，对光刻胶膜104进行紫外曝光，得到与刻蚀划片槽所需光刻版相同 的图形；

(F)如图4e所示，经过显影、坚膜，得到制作划片槽所需的光刻胶掩膜结构；

(G)如图4f所示，对步骤(F)制作好的光刻胶掩膜结构进行ICP(感应耦合等离子体 刻蚀)刻蚀，刻蚀深度为4μm；如图4g所示，去掉光刻胶膜104得到带有划片槽的划片结构；

第二步，制备ICP刻蚀钛酸锶介质柱阵列和钛酸锶纳米线波导所需的掩膜；

(H)如图5a、5b所示，在步骤(G)制备好的带有划片槽的划片结构上制作一层厚度 为100nm的光刻胶膜201；

(I)将步骤(H)制备完成的结构放入烘箱中前烘；

(J)如图5c所示，对制备好的光刻胶膜201进行电子束曝光；

(K)如图5d所示，经过显影、坚膜，得到制作基于光子晶体谐振腔的两级缩束系统主 体结构所需的ICP光刻胶掩膜结构；

第三步，利用第二步制备的ICP光刻胶掩膜结构进行ICP刻蚀，制作基于光子晶体谐振 腔的两级缩束系统主体结构；

(L)如图5e所示，对步骤(K)制作好的ICP光刻胶掩膜结构进行ICP刻蚀，刻蚀深 度为220nm，得到钛酸锶介质柱阵列和钛酸锶纳米线波导；

(M)如图5f所示，将钛酸锶介质柱阵列和钛酸锶纳米线波导上的光刻胶去除，并清洗；

第四步，对要求尺寸精度高于10nm的介质柱进行单独加工；

(N)如图6a、6b所示，在步骤(M)得到的结构上涂覆一层光刻胶301作为保护层；

(O)如图6c、6d所示，对制备好的光刻胶301进行光学曝光、显影，得到光刻胶掩膜 结构，将需要加工的钛酸锶介质柱(包括一级光子晶体缺陷区介质柱12、光子晶体谐振腔耦 合区介质柱13、光子晶体谐振腔点缺陷介质柱14、光子晶体谐振腔耦合介质柱15，图中以 介质柱14为例)所在区域暴露出来；

(P)如图6e、6f所示，利用聚焦离子束(FIB)工艺对需要加工的钛酸锶介质柱进行高 精度加工使其达到所需尺寸，去除光刻胶(图中介质柱11为W7型光子晶体波导4、光子晶 体谐振腔5及W1型光子晶体波导6主体结构介质柱，为不需要单独加工的介质柱)；

第五步，去除器件结构边缘区；

(Q)如图7a、7b所示，在步骤(P)得到的器件结构表面涂覆PMMA层401；

(R)如图7c、7d所示，对PMMA层401进行同步辐射X射线曝光、显影，在器件结 构上制作一个保护层；

(S)按照划片槽划片，即得到16个由钛酸锶介质柱阵列和钛酸锶纳米线波导构成的基 于光子晶体谐振腔的两级缩束系统器件主体结构；

(T)如图7e所示，将步骤(S)得到的基于光子晶体谐振腔的两级缩束系统器件结构放 入磨片机中，分别用不同的研磨液或抛光液进行侧面研磨及抛光，去除边缘区并使器件结构 侧面平整。

由于PMMA折射率小于硅材料，满足在垂直器件方向上的全反射条件，故保留PMMA 作为器件的保护结构，增加器件的牢固度，不易损坏。