一种基于亚波长光栅的硅基偏振分束芯片及其制造方法

摘要

本发明公开了一种基于亚波长光栅的硅基偏振分束芯片及其制造方法，其中，所述芯片包括：一硅基衬底；一设置在所述硅基衬底上的二氧化硅缓冲层；一设置在所述二氧化硅缓冲层上的基于硅波导的芯层，其包括：从左到右依次相连的一输入直波导、一第一亚波长光栅结构和一正弦函数弯曲波导，以及从左到右依次相连的一第二亚波长光栅结构和一输出直波导，其中，所述第二亚波长光栅结构与所述第一亚波长光栅结构平行设置并与该第一亚波长光栅结构的输入端对齐；以及一设置在所述二氧化硅缓冲层上并包覆在所述芯层外的二氧化硅包层。本发明不仅实现了偏振分束功能，而且具有结构简单紧凑、消光比高、带宽大、工艺流程不繁琐复杂等优异性能。

说明书

技术领域

本发明涉及集成硅光子芯片领域，尤其涉及一种基于亚波长光栅的硅基偏振分束芯片及其制造方法。

背景技术

偏振分束器(PBS)和偏振旋转器(PRS)对于偏振复用、偏振分集、相干光收发器和量子PIC(光子集成电路)等具有重要意义。以PBS为例，其作为硅光子电路的基本组成部分，具有偏振处理能力。通过使用紧凑型PBS，可以利用发射光的偏振维度，从而增加片上光学系统的数据容量。

众所周知，在耦合模式理论的基础上，通过优化结构中的各个参数并计算相对应的有效模式指数，使得对于TM模式能匹配并使其发生耦合，对于TE模式不发生匹配和耦合。PBS结构可以在输入TE模和TM模时实现分离的功能。最近，不同的结构，如基于光子晶体、多模干涉(MMI)结构、定向耦合器(DCs)、马赫-曾德尔干涉仪(MZI)结构和光栅辅助反方向耦合器(GACC)，已经成功地被证明可以实现PBS结构。但是一般来说，MMI和MZI往往具有较大的插入损耗(IL)和尺寸，这阻碍了它们在超紧凑PIC中的应用。定向耦合器通常由两个平行波导组成，结构简单。在已演示的宽带PBS中，弯曲DC-PBS由于其紧凑的占地面积、高稳定性和设计简单而被视为具有吸引力的结构。然而，寻常DC结构的工作带宽小、串扰高，在实际应用中效果不好。因此，在宽带通信系统中，开发高消光比、低插入损耗的宽带PBS是迫切需要的。

一方面来说，光栅是一种不同折射率材料周期性交替的结构。近年来，随着微纳加工技术的发展，光栅的特征尺寸越来越小，亚波长光栅(SWG)波导越来越受到人们的关注，并得到广泛的重视。在SWG波导中，光栅周期(间距)远小于光在其中传播的波长(工作波长)。此外，可以通过调整其周期和占空比来改变SWG波导中模式的色散关系，光栅结构可以帮助光快速发生耦合，这些优异的性能导致了许多基于SWG器件的创新。此外，SWG波导还用于偏振管理设备，包括PRS和PBS。然而，在传统的双波导直流结构中，要将SWG波导转换成常规波导，往往需要一个锥形区域，这会使制作过程复杂化，增加器件的整体长度。

另一方面来说，绝缘体上硅(SOI)由于具有高折射率对比度和与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容的特点，被认为是硅光子学中最重要和最有前途的平台之一，这使得它有可能实现紧凑、低成本的集成电路，以及高产量PIC。然而，Si(～3.47)和SiO2(～1.44)之间的高折射率反差为光提供了强大的限制，使SOI波导具有亚微米横截面和较小的弯曲半径。同时，高折射率对比度以及结构的不对称性也会导致波导的双折射，因此几乎所有基于SOI平台的集成光学器件都是偏振相关的，这限制了它在光通信系统中的应用。

综合这两方面来看，SWG作为一种均匀介质，可以有效地抑制衍射效应，并且发生快速耦合，通过改变光栅周期和占空比，可以灵活地调整波导芯的等效折射率和器件的结构双折射率，从而为SOI或其他平台中新型光子器件的设计提供新的自由度；而与此同时，在SOI平台上设计基于SWG的偏振光学器件也可以大大降低器件的制造要求。

鉴于上述情况，可以同时利用SOI平台和SWG开发一种适用于宽带通信系统中的具有高消光比、低插入损耗的宽带PBS。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明旨在提供一种紧凑的基于亚波长光栅的硅基偏振分束芯片及其制造方法，从而不仅能提高在特定光波段的偏振分束性能，还能减小器件体积，提高器件消光比，增大工作带宽，简化工艺流程。

本发明之一所述的一种基于亚波长光栅的硅基偏振分束芯片，其包括：

一硅基衬底；

一设置在所述硅基衬底上的二氧化硅缓冲层；

一设置在所述二氧化硅缓冲层上的基于硅波导的芯层，其包括：从左到右依次相连的一输入直波导、一第一亚波长光栅结构和一正弦函数弯曲波导，以及从左到右依次相连的一第二亚波长光栅结构和一输出直波导，其中，所述第二亚波长光栅结构与所述第一亚波长光栅结构平行设置并与该第一亚波长光栅结构的输入端对齐；以及

一设置在所述二氧化硅缓冲层上并包覆在所述芯层外的二氧化硅包层。

在上述的基于亚波长光栅的硅基偏振分束芯片中，所述输入直波导的长度为2～4μm，宽度为0.45～0.5μm。

在上述的基于亚波长光栅的硅基偏振分束芯片中，所述第一亚波长光栅结构和第二亚波长光栅结构的长度均为5～7μm，宽度均为0.45～0.5μm；

所述第一亚波长光栅结构的周期为0.3～0.4μm，占空比为0.5～0.7，该第一亚波长光栅结构的光栅数量为15～17；

所述第二亚波长光栅结构的周期为0.4～0.5μm，占空比为0.5～0.8，该第二亚波长光栅结构的光栅数量为12～14；

相互平行的所述第一亚波长光栅结构和第二亚波长光栅结构之间的间距为0.25～0.35μm。

在上述的基于亚波长光栅的硅基偏振分束芯片中，所述正弦函数弯曲波导的长度为5～12μm，宽度为0.45～0.5μm，横向偏移长度为3～5μm，弯曲半径为7～10μm。

在上述的基于亚波长光栅的硅基偏振分束芯片中，所述输出直波导的长度为5～10μm，宽度为0.45～0.5μm。

在上述的基于亚波长光栅的硅基偏振分束芯片中，所述二氧化硅缓冲层的厚度为2μm。

在上述的基于亚波长光栅的硅基偏振分束芯片中，所述二氧化硅包层的厚度为2μm。

本发明之二所述的一种如上述的基于亚波长光栅的硅基偏振分束芯片的制造方法，其包括以下步骤：

步骤S1，提供一绝缘体上硅基片，其从下至上依次包括：所述硅基衬底、所述二氧化硅缓冲层和一硅层；

步骤S2，通过等离子体增强溅射方式在所述硅层表面镀上一层二氧化硅作为掩膜；

步骤S3，通过电子束光刻和等离子刻蚀方式对镀有所述掩膜的绝缘体上硅基片进行刻蚀，以制备得到表面具有二氧化硅的硅波导；

步骤S4，在氢氟酸腐蚀液中加入氟化铵作为缓冲剂，以形成缓冲氢氟酸腐蚀液，利用该缓冲氢氟酸腐蚀液除去所述硅波导表面的二氧化硅；

步骤S5，通过湿化学工艺清洗方式去除所述硅波导表面的杂质；

步骤S6，基于所述硅波导制备所述芯层；

步骤S7，通过等离子体增强化学气相沉积方式在所述二氧化硅缓冲层表面镀上所述二氧化硅包层，并使该二氧化硅包层包覆在基于所述硅波导的所述芯层外，以制备得到所述硅基偏振分束芯片。

基于上述技术方案，本发明不仅实现了偏振分束功能，而且还具有结构简单紧凑、消光比高、带宽大、工艺流程不繁琐复杂等优异性能，未来可通过加入锥形结构、倾斜光栅角度、刻蚀波导等操作进一步改善器件性能，其在硅基光子领域具有重要的应用前景。

附图说明

图1是本发明之一的一种基于亚波长光栅的硅基偏振分束芯片的结构剖视图；

图2是本发明之一的一种基于亚波长光栅的硅基偏振分束芯片中基于硅波导的芯层的结构俯视图；

图3是基于时域有限差分法使用Lumerical FDTD Solutions模拟在中心波长为1550nm时，TE偏振光入射本发明之一的一种基于亚波长光栅的硅基偏振分束芯片时的光传输的场分布图；

图4是基于时域有限差分法使用Lumerical FDTD Solutions模拟在中心波长为1550nm时，TM偏振光入射本发明之一的一种基于亚波长光栅的硅基偏振分束芯片时的光传输的场分布图；

图5是本发明之一的一种基于亚波长光栅的硅基偏振分束芯片在1520-1580nm波段的TE偏振光消光比图；

图6是本发明之一的一种基于亚波长光栅的硅基偏振分束芯片在1505-1705nm波段的TM偏振光消光比图；

图7是本发明之二的一种基于亚波长光栅的硅基偏振分束芯片的制造方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1和图2，本发明之一，即一种基于亚波长光栅的硅基偏振分束芯片，其包括：

硅基衬底1；

设置在硅基衬底1上的二氧化硅缓冲层2；

设置在二氧化硅缓冲层2上的基于硅波导3的芯层，其包括：从左到右依次相连的输入直波导41、第一亚波长光栅结构42和正弦函数弯曲波导43，以及从左到右依次相连的第二亚波长光栅结构44和输出直波导45，其中，第二亚波长光栅结构44与第一亚波长光栅结构41平行设置并与该第一亚波长光栅结构41的输入端对齐；以及

设置在二氧化硅缓冲层2上并包覆在基于硅波导3的芯层外的二氧化硅包层5。

本发明之一的设计思路如下：首先，确定输入波导的宽度，以基本保证单模条件光输入；然后，通过仿真计算随着光栅宽度和占空比变化的TE和TM有效模式指数，优化两个亚波长光栅结构的宽度、周期和占空比使得对于TM模式可以很容易产生相位匹配发生耦合，而TE模式不发生耦合接穿过第一个亚波长光栅结构然后从弯曲波导出射。

下面模拟仿真在工作波长为1550nm时，TE偏振光源通过输入直波导41并穿过第一亚波长光栅结构42到达正弦函数弯曲波导43出射，TM偏振光源通过输入直波导41并通过第二亚波长光栅结构44耦合到输出直波导45出射的情况下，本发明之一对于TE模式偏振光和TM模式偏振光的耦合效果和偏振分束效果：

首先，考虑到基模条件和对两个偏振态的传播损耗，在本实施例中，输入直波导41的长度L1设计为2～4μm，宽度设计为0.45～0.5μm，从而可以基本保证单模条件输入TE0模式和TM0模式光；

其次，在引入了第一亚波长光栅结构42和第二亚波长光栅结构44来帮助两种偏振光发生快速耦合的基础上，可以通过优化仿真光栅周期、占空比等参数，来使波导之间TM模式相位匹配，TE模式不受影响，从而达到偏振分束的目的。为了在1550nm工作波长下达到更好的偏振分束效果，在本实施例中，第一亚波长光栅结构42和第二亚波长光栅结构44的长度L2、L4均设计为5～7μm，宽度均设计为0.45～0.5μm；第一亚波长光栅结构42的周期T1设计为0.3～0.4μm，占空比为0.5～0.7，该第一亚波长光栅结构42的光栅数量设计为15～17；第二亚波长光栅结构44的周期T2设计为0.4～0.5μm，占空比为0.5～0.8，该第二亚波长光栅结构44的光栅数量设计为12～14；相互平行的第一亚波长光栅结构42和第二亚波长光栅结构44之间的间距D为0.25～0.35μm。

然后，由于正弦函数弯曲波导43作为第一出射端口(Through Port)，输出直波导45作为第二出射端口(Cross Port)，考虑到正弦函数弯曲波导43与输出直波导45之间的串扰，在本实施例中，正弦函数弯曲波导43的长度L3设计为5～12μm，宽度设计为0.45～0.5μm，横向偏移长度L5设计为3～5μm，弯曲部分采用正弦函数，弯曲半径设计为7～10μm，从而保证第一出射端口与相邻第二出射端口之间的串扰更小；另外，在本实施例中，输出直波导45的长度L6设计为5～10μm，宽度设计为0.45～0.5μm。

另外，在本实施例中，二氧化硅缓冲层2的厚度设计为2μm；二氧化硅包层5的厚度设计为2μm。

如图3-4所示，本实施例在在工作波长为1550nm情况下，输入TE0模，光束从第一出射端口出射，不发生耦合现象；输入TM0模，光束通过亚波长光栅结构发生耦合，从第二出射端口出射。

在此，可以通过比较第一出射端口和第二出射端口的投射率来确定本实施例的偏振分束效果，记P

如图7所示，本发明之二，即一种如上述的基于亚波长光栅的硅基偏振分束芯片的制造方法，包括以下步骤：

步骤S1，提供绝缘体上硅基片SOI，其从下至上依次包括：硅基衬底1、二氧化硅缓冲层2和硅层31；

步骤S2，通过等离子体增强溅射方式在硅层31表面镀上一层二氧化硅作为掩膜32；

步骤S3，通过电子束光刻和等离子刻蚀方式对镀有掩膜32的绝缘体上硅基片进行刻蚀，并实时监控刻蚀深度，以制备得到表面平坦且具有二氧化硅的硅波导3；

步骤S4，在氢氟(HF)酸腐蚀液中加入氟化铵作为缓冲剂，以形成缓冲氢氟酸(BHF)腐蚀液，利用该缓冲氢氟酸腐蚀液除去硅波导3表面的二氧化硅；

步骤S5，通过湿化学工艺清洗(RCA)方式去除硅波导3表面的杂质；

步骤S6，基于硅波导3制备芯层；

步骤S7，通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方式在二氧化硅缓冲层2表面镀上二氧化硅包层5，并使该二氧化硅包层5包覆在基于硅波导3的芯层外，最后切割得到硅基偏振分束芯片。

基于上述情况由此可以看出，本发明通过采用正弦函数弯曲波导、输入(输出)直波导和两个不同的且互相平行的SWG构成，器件总长度为15～20μm。通过公式推导和仔细选择结构参数仿真得到TM偏振态的耦合长度，使得TE偏振态不发生耦合，从而可有效实现在1550nm波段分离TE偏振光和TM偏振光的作用。同时，利用输入TM模的强耦合，本发明的总耦合长度仅为5～7μm，这大大缩短了基于SWG的偏振相关DC的尺寸，使得结构整体尺寸小而紧凑；在1550nm波长下，本发明消光比高，带宽大，在宽带通信领域具有重要的实用价值。另外，本发明的结构也具有容忍较大的制造误差的能力，而且与使用氮化硅的紧凑方案相比，本发明只需要在SOI平台上进行单步光刻和刻蚀，从而大大降低了制造要求。

综上所述，本发明具有以下特点：

1)本发明基于SOI制作，可与CMOS技术结合，工艺成熟，产品良率高；

2)本发明可实现偏振分束功能，通过引入亚波长光栅结构以减小器件结构尺寸，结构紧凑且加工简单，制作容差大；

3)本发明可实现：在1550nm光波段对TM偏振态消光比大，在1505-1705nm波段内对TM偏振态的消光比均大于10dB，且带宽为200nm；

4)本发明可实现对TM偏振光在1520-1580nm光波段的偏振分束功能，这在宽带通信领域具有重要的实用价值。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。