一种波导光栅滤波器及其制作方法技术

本发明专利技术提供一种波导光栅滤波器，所述波导光栅滤波器包括衬底(1)和波导(2)，还包括用于支撑波导(2)的梁柱结构(3)；所述梁柱结构(3)包括位于波导(2)两侧、设置在衬底(1)上的柱结构(302)和用于连接柱结构(302)的梁结构(301)；波导(2)与衬底(1)之间具有空气隙(201)。本发明专利技术波导光栅滤波器采用热调谐的方法改变波导光栅滤波器的光谱特性，通过在波导下方构造空气隙实现波导与衬底之间的局部热隔离结构，阻碍了热的垂直流动，从而降低波导光栅滤波器的功耗。本发明专利技术的波导光栅滤波器具有低功耗、调谐效率高、调谐较快、结构稳定、易集成等优点，在波分复用系统中有显著的应用价值。

Waveguide grating filter and its making method

The present invention provides a waveguide grating filter comprising a substrate (1) and a waveguide (2), and a beam-column structure (3) for supporting the waveguide (2), comprising a column structure (302) located on both sides of the waveguide (2), and a beam structure (301) for connecting the column structure (302). There is an air gap (201) between the substrate and the substrate (1). The waveguide grating filter of the invention adopts the method of thermal tuning to change the spectral characteristics of the waveguide grating filter, realizes the local thermal isolation structure between the waveguide and the substrate by constructing an air gap under the waveguide, hinders the vertical flow of heat, and thus reduces the power consumption of the waveguide grating filter. The waveguide grating filter of the invention has the advantages of low power consumption, high tuning efficiency, fast tuning, stable structure and easy integration, and has remarkable application value in the wavelength division multiplexing system.

【技术实现步骤摘要】
一种波导光栅滤波器及其制作方法
本专利技术属于光学滤波
，涉及集成光波导器件
，具体涉及一种波导光栅滤波器及其制作方法。
技术介绍
光学滤波器是一个的重要光子器件，主要应用于绝缘体上的硅(SOI)基片为光学平台的集成光路中。光滤波器的主要功能是将包含多种频率成分的光进行频率分离，得到其中一种或者多种频率成分。在光通信系统的框架下，滤波器主要有法布里—珀罗(F-P)滤波器、马赫-泽德(MZ)滤波器、光栅滤波器以及微环滤波器等类型。相比于其它三种结构，光栅滤波器具有制作简单、光谱特性易于设计等优点，得到了广泛的关注。可调谐波导光栅滤波器是一种中心波长可以在一定范围内进行连续改变的光滤波器，其调谐机制有多种，如基于等离子体色散效应的电流调谐、基于电光效应的电调谐、基于热光效应的热调谐以及基于微机电系统的MEMS调谐等等。其中，由于硅的热光系数较大，所以，其中，由于硅的热光系数较大，所以，硅基热调谐波导光栅滤波器在集成光子光路方面具有更大的优势。一般的硅基热调谐波导光栅滤波器常用SOI晶片的顶层硅刻出波导结构，波导上方形成氧化层后再蒸镀薄膜加热器层，波导下方是氧化层和底层硅组成的衬底，其调谐效率相对较低(小于100pm/mW)。目前主要有两种改进结构：一是在波导侧边设置空气隙形成热绝缘，二是在波导下方刻蚀出空气隙。第一种侧边空气隙结构能保证相对较高的结构稳定性，但不能有效地提高热调谐波导光栅滤波器的调谐效率。第二种结构是挖空硅基波导光栅滤波器波导正下方的氧化层，以阻碍垂直方向上的热流动，使波导和衬底之间形成局部的热隔离，从而降低功耗、提高其热调谐效率。但是，这种结构存在两个问题：一是增加了调谐的响应时间(约在百微秒量级)，即降低了响应速度；二是由于这种含空气隙结构的波导光栅滤波器没有良好的支撑结构，波导会产生较大的变形，极大地降低了机械机构的稳定性。综上所述，目前的硅基热调谐波导光栅滤波器普遍调谐效率不高，且响应速度较慢，结构稳定性较差。
技术实现思路
本专利技术目的是克服现有技术缺陷，提供一种高调谐效率、响应速度快且结构相对稳定的波导光栅滤波器，以及其制作方法。本专利技术的思路是构造一种热调谐的波导光栅滤波器，通过加热或冷却的方式改变器件温度来实现波长选择。通过结合空气隙与周期性的侧向梁柱支撑结构，能够在极大提升调谐效率的前提下，保证其响应速度和机械结构稳定性，从而提高制作过程中的成品率。为了实现上述目的，本专利技术提供一种波导光栅滤波器，所述波导光栅滤波器包括衬底1和设置在衬底1上的波导2，所述波导2包括波导主体202、设于波导主体202以上的二氧化硅上包层203和设于二氧化硅上包层203以上的薄膜加热器层204，所述波导主体202两侧刻有光栅；其中，所述波导光栅滤波器还包括用于支撑波导2的梁柱结构3；所述梁柱结构3包括位于波导2两侧、设置在衬底1上的柱结构302和用于连接柱结构302的梁结构301；波导2与衬底1之间具有空气隙201。作为一种优选的实施方式，所述柱结构302包括对称设置在波导主体202两侧、周期性设置的多个梁柱单元，相邻梁柱单元间距为5～20μm。作为一种优选的实施方式，所述波导主体202为脊形波导，所述光栅刻在脊形波导的内脊两侧。在本专利技术中，脊形波导(单脊波导)的截面形状如图3所示，W、H、h、l分别为内脊宽度、总厚度、下平板厚度以及下平板宽度。本领域技术人员通过合理地优化设计这四个尺寸参数，可以实现严格的单横模传输，有效减小光传输损耗。在本专利技术中，所述光栅选用矩形光栅，更优选地，其中心波长在通信波段C波段，即1525-1565nm。矩形光栅的参数包括调制宽度Δw、周期Λ以及占空比，本领域技术人员根据现有技术的教导可以通过合理设计这些参数的选择，从而将波导光栅滤波器的透射谱中心波长以及带宽设定在某初始值。根据一种优选的实施方式，所述空气隙201的高度为200-300nm。根据另一种优选的实施方式，所述薄膜加热器层204是金属薄膜加热器层，其包括位于下部的镍层和位于上部金层。当向金属薄膜加热器层204施加电流使其发热，通过控制电流实现对金属电阻的发热量的控制，从而控制波导202的温度。波导的温度变化使材料的折射率发生变化，进而使得波导光栅的光谱发生移动，从而实现热调谐滤波作用。位于金层和二氧化硅上包层之间的镍层能够起到良好粘黏作用，使金层和二氧化硅层粘附更牢固且便于热传递。进一步地，本专利技术的波导光栅滤波器还包括设置在波导2两端、通过锥形过渡段连接的光输入端4和光输出端5。本专利技术还提供上述波导光栅滤波器的制作方法，包括以下步骤：(1)取SOI晶片，在所述晶片上层涂覆光刻胶，构造波导2和梁柱结构3；所述SOI晶片具有硅材料衬底、二氧化硅中间层和顶层硅；(2)对所述光刻胶层曝光显影，除去波导2和梁柱结构3以外的光刻胶层，并以余下的光刻胶层为掩膜进行刻蚀，除去掩膜以外的顶层硅，得到两侧具有光栅的波导；(3)通过湿法腐蚀掉所述波导2下方的二氧化硅中间层，构成空气隙201，且保留梁柱结构3部分二氧化硅中间层以构成柱结构302；(4)在波导2上部沉积二氧化硅上包层203；(5)在二氧化硅上包层203的上表面构造薄膜加热器层204。本专利技术通过在波导下方构造空气隙，利用空气隙以基本实现波导与衬底间的热绝缘；通过由梁结构和柱结构组成的梁柱结构支撑波导、二氧化硅上包层和薄膜加热器；所述薄膜加热器层在二氧化硅上包层之上，对其注入电流可产生热量，并由热传导的方式将热量传递到波导，使波导升温；因而通过控制薄膜加热器的注入电流可改变本专利技术的滤波器的温度，利用热光效应使所述波导的材料折射率发生变化，从而改变波导光栅的透射谱，由此实现波长选择。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：本专利技术波导光栅滤波器采用热调谐的方法改变波导光栅滤波器的光谱特性，通过在波导下方构造空气隙，实现波导与衬底之间的局部热隔离结构，阻碍了热的垂直流动，从而降低波导光栅滤波器的功耗；另一方面，本专利技术通过周期性设置的梁柱结构实现对波导、二氧化硅上包层和薄膜加热器层的支撑，根据波导的受力和温度分布情况设置相应的梁柱结构参数，可以使波导光栅滤波器具有良好的机械稳定性、温度均匀性，同时可以增加响应速度；此外，由于支撑结构与光栅波导的接触面积较小，本专利技术的波导光栅滤波器工作过程中与相邻器件之间的热串扰较低，可以很好地适用于密集集成。总而言之，本专利技术的波导光栅滤波器具有低功耗、调谐效率高、调谐较快、结构稳定、易集成等优点，在波分复用系统(WDM)中有显著的应用价值。【附图说明】图1是本专利技术的波导光栅滤波器的整体结构示意图；图2是SOI晶片剖面结构示意图；图3是波导与梁柱结构的局部俯视机构图；图4是波导主体与空气隙的剖面结构示意图；图5是脊形波导的结构示意图；图6是矩形光栅结构示意；图7是梁柱结构单元的局部放大图；图8为具有二氧化硅上包层的波导主体的剖面结构示意图；图9为具有金属薄膜加热器层的波导主体的剖面结构示意图；图10是温升60℃时模拟得到的波导光栅滤波器局部温度分布；图11调制宽度为60nm时不同加热功率下的透射谱；图12本专利技术的波导光栅滤波器的响应曲线测试结果；图13是本专利技术的波导光栅滤波器的制作流程方框图。【具体实施方式】以下实施例用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种波导光栅滤波器，所述波导光栅滤波器包括衬底(1)和设置在衬底(1)上的波导(2)，所述波导(2)包括波导主体(202)、设于波导主体(202)以上的二氧化硅上包层(203)和设于二氧化硅上包层(203)以上的薄膜加热器层(204)，所述波导主体(202)两侧刻有光栅；其特征在于所述波导光栅滤波器还包括用于支撑波导(2)的梁柱结构(3)；所述梁柱结构(3)包括位于波导(2)两侧、设置在衬底(1)上的柱结构(302)和用于连接柱结构(302)的梁结构(301)；波导(2)与衬底(1)之间具有空气隙(201)。

【技术特征摘要】
1.一种波导光栅滤波器，所述波导光栅滤波器包括衬底(1)和设置在衬底(1)上的波导(2)，所述波导(2)包括波导主体(202)、设于波导主体(202)以上的二氧化硅上包层(203)和设于二氧化硅上包层(203)以上的薄膜加热器层(204)，所述波导主体(202)两侧刻有光栅；其特征在于所述波导光栅滤波器还包括用于支撑波导(2)的梁柱结构(3)；所述梁柱结构(3)包括位于波导(2)两侧、设置在衬底(1)上的柱结构(302)和用于连接柱结构(302)的梁结构(301)；波导(2)与衬底(1)之间具有空气隙(201)。2.根据权利要求1所述的波导光栅滤波器，其特征在于所述梁柱结构(302)包括对称设置在波导主体(202)两侧、周期性设置的多个梁柱单元，相邻梁柱单元间距为5～20μm。3.根据权利要求1所述的波导光栅滤波器，其特征在于所述波导主体(202)为脊形波导，所述光栅刻在脊形波导的内脊两侧。4.根据权利要求3所述的波导光栅滤波器，其特征在于所述光栅是矩形光栅。5.根据权利要求3所述的波导光栅滤波器，其特征在于所述光栅的中心波长在通信波段C波段。6.根据权利要求1所述的波导光栅滤波器，其特征在于所述空气隙(201)的高度为200-300...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈开，段飞，余永林，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42