一种悬浮波导结构及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种悬浮波导结构，该结构包括：波导结构，其由具有三阶非线性系数的材料构成，该三阶非线性系数大于等于2.7×10

【技术实现步骤摘要】
一种悬浮波导结构及其制备方法
本专利技术涉及一种悬浮波导结构及其制备方法。
技术介绍
全光信号处理过程利用光子作为信号的载体，可实现远距离通讯、中短途数据交换以及片上信号处理等功能。该技术能够有效克服传统电信号处理过程中由于RC效应产生的信号延迟，进而大幅度的提高信号传输和处理的速度，更好的适应大数据时代海量数据处理的需求。截止目前，光信号的传输问题已经找到了合理的解决方案，但是光信号的处理仍然需要进一步的研究。现阶段主要有两种解决方案，一种方法是利用光电集成的方式，将已经成熟的电信号同光信号相结合，主要思路仍然停留在用电信号调控光信号的层面上，该方法在一定程度上限制信号的处理速度；另一种方法利用材料的三阶非线性光学特性，利用光作为信号的控制手段同时对载波光信号进行调控，该方法的全光信号处理过程有望实现前所未有的高速信号处理。上述过程中，需要对光信号做如下控制：在时域或者频域上对脉冲光信号进行整形、对光信号进行波长转换、利用脉冲光在频域上产生超连续光谱以及产生光频梳。为了使得全光信号处理方法能够获得广泛的应用，一项最主要的工作就是开发一套能够兼容现有成熟集成电路制造工艺的光学非线性材料并且设计相应的光学元件的结构。目前国际上的主流解决思路是，找到一种能够在硅基衬底上制备的非线性材料，利用波导结构实现一系列光学非线性功能。然而，硅基波导材料由于自身能带结构和材料性质的原因，很难同时拥有高三阶非线性系数和低非线性吸收两种特点。目前世界范围内主要的技术方法有：(1)采用单晶或非晶硅作为波导材料：这一方法能够最大限度兼容现有的集成电路制备工艺，通过对波导结构的优化实现光信号的色散补偿以及高效非线性效应的产生。(2)采用非晶的氮化硅作为波导材料：利用氮化硅与氧化硅折射率差较小的特点，可以制备出传输损耗极低的波导结构，从而提高波导整体的非线性效应。(3)采用单晶铝镓砷化合物作为波导材料：利用晶片键合的方法，将具有高的三阶非线性系数和低非线性吸收效应的III-V材料和氧化硅衬底相结合，能够同时结合III-V族材料较高的非线性效应和IV族材料成熟的工艺。然而，由于受到材料自身能带结构的限制以及工艺稳定性、兼容性等一系列原因的限制，现阶段的解决方案仍然存在以下几点问题：(1)单晶或非晶硅材料，由于受到其自身能带结构的影响，使得他们在1550nm的通讯波段不可避免的存在非线性吸收效应，并且自身波导损耗也较高。(2)氮化硅材料自身的非线性系数比单晶硅低两个数量级，使得产生特定非线性效应的器件尺寸偏大，且转换效率不高。(3)晶片键合的方法虽然能够兼顾两种材料体系的优点，但是工艺过程复杂，难以适应大面积的制备需求。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术中存在的上述问题，提供一种悬浮波导结构，所述结构包括：波导结构，其由具有三阶非线性系数的材料构成，所述三阶非线性系数大于等于2.7×10-20m2/W；悬臂结构，其材料与所述波导结构材料相同，所述悬臂结构支承所述波导结构，并位于所述波导结构的两侧，所述悬臂结构的高度与所述波导结构的高度相同；支撑结构，其连接所述波导结构两侧的悬臂结构，以及衬底，其连接所述支撑结构；其中，所述波导结构和所述悬臂结构被设置为相对于所述衬底悬浮。优选地，其中，所述波导结构为在电磁波传播的方向延伸且横截面保持一致的条形波导结构或在电磁波传播方向延伸且横截面逐渐变小或变大的锥形波导结构。优选地，其中，所述波导结构材料是选自铌酸锂、氮化铝、碳化硅、III-V族化合物半导体薄膜材料和多层量子阱结构材料中的任一种。优选地，其中所述III-V族化合物半导体薄膜材料是铝镓砷材料。优选地，其中，所述衬底材料被选择为能够实现波导材料的外延生长并且与波导材料之间存在物理化学性质上的差异，使得所述衬底材料能够被选择性地去掉。优选地，其中，所述悬臂结构在波导平面中与电磁波传播方向垂直且沿着电磁波传播方向成周期性排列。优选地，其中，所述锥形波导结构在波导平面内投影为一端与所述条形波导结构的宽度相同并连接所述条形波导结构，另一端与所述条形波导结构的宽度不同。优选地，其中，所述另一端是用于将所述条形波导中的电磁波耦合到光纤的光纤耦合器端面。优选地，其中，所述悬浮波导结构还包括位于所述支撑结构与所述衬底之间的缓冲层，所述缓冲层被选择为与所述波导结构的材料存在物理化学性质上的差异，使其能够被选择性地去掉。优选地，其中，所述悬浮波导结构还包括位于所述缓冲层与所述衬底之间的外延生长层，所述外延生长层用于实现所述缓冲层的外延生长。优选地，其中，所述衬底材料被选择为能够外延生长所述外延生长层或所述缓冲层。优选地，其中所述波导结构的截面为矩形。本专利技术还提供一种用于制备上述悬浮波导结构的方法，所述方法包括：在衬底上利用外延法生长波导材料层；在所述波导材料层上形成条形波导、锥形波导以及悬臂结构；去除所述条形波导、锥形波导以及悬臂结构与所述衬底之间的部分材料；其中，所述条形波导、锥形波导以及悬臂结构被设置为相对于所述衬底悬浮。优选地，该方法还包括，在所述衬底上外延生长缓冲层，所述缓冲层位于所述衬底与所述波导材料层之间。优选地，该方法还包括，在所述衬底上外延生长外延生长层，所述外延生长层位于所述衬底与所述缓冲层之间。本专利技术提出的这一新型结构能够将具有良好非线性性能的材料体系同成熟的半导体工艺相结合，在实现高效、大面积非线性光学芯片的制备方面具有非常重要的意义。附图说明图1是本专利技术一个实施例的悬浮波导结构的扫描电子显微镜图；图2是本专利技术一个实施例的悬浮条形波导结构的俯视示意图；图3是本专利技术一个实施例的水平光纤耦合器的俯视示意图；图4是本专利技术一个实施例制得的在Si衬底表面外延GaAs薄膜的表面原子力显微图；图5是本专利技术一个实施例制得的条形波导结构的扫描电子显微镜图；图6是本专利技术一个实施例制得的硅基铝镓砷悬浮条形波导结构在聚合物保护下的悬浮光纤耦合器的截面扫描电子显微镜图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，下面将结合附图通过具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。应当注意，本专利技术给出的实施例仅用于说明，而不限制本专利技术的范围。图1是本专利技术一个实施例的悬浮波导结构的扫描电子显微镜图，参照图1中的直角坐标系，y方向为电磁波传播方向4(即光传播方向4)，z方向为材料外延方向(即垂直波导平面的方向)，以及x方向为在波导平面(即x-y平面)内垂直波导的方向。本专利技术的悬浮波导结构包括波导结构1、悬臂结构2、支撑结构3、缓冲层6以及衬底7。其中波导结构1用于定向引导电磁波，由具有高的三阶非线性系数(即三阶非线性系数大于等于2.7×10-20m2/W)的材料构成，使得波导结构1具有光学非线性效应，波导结构1的截面通常为矩形，并且波导结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种悬浮波导结构，所述结构包括：/n波导结构，其由具有三阶非线性系数的材料构成，所述三阶非线性系数大于等于2.7×10

【技术特征摘要】
1.一种悬浮波导结构，所述结构包括：
波导结构，其由具有三阶非线性系数的材料构成，所述三阶非线性系数大于等于2.7×10-20m2/W；
悬臂结构，其材料与所述波导结构材料相同，所述悬臂结构支承所述波导结构，并位于所述波导结构的两侧，所述悬臂结构的高度与所述波导结构的高度相同；
支撑结构，其连接所述波导结构两侧的悬臂结构，以及
衬底，其连接所述支撑结构；
其中，所述波导结构和所述悬臂结构被设置为相对于所述衬底悬浮。


2.根据权利要求1所述的悬浮波导结构，其中，所述波导结构为在电磁波传播的方向延伸且横截面保持一致的条形波导结构或在电磁波传播方向延伸且横截面逐渐变小或变大的锥形波导结构。


3.根据权利要求1所述的悬浮波导结构，其中，所述波导结构材料是选自铌酸锂、氮化铝、碳化硅、III-V族化合物半导体薄膜材料和多层量子阱结构材料中的任一种。


4.根据权利要求3所述的悬浮波导结构，其中所述III-V族化合物半导体薄膜材料是铝镓砷材料。


5.根据权利要求1所述的悬浮波导结构，其中，所述衬底材料被选择为能够实现波导材料的外延生长并且与波导材料之间存在物理化学性质上的差异，使得所述衬底材料能够被选择性地去掉。


6.根据权利要求1所述的悬浮波导结构，其中，所述悬臂结构在波导平面中与电磁波传播方向垂直且沿着电磁波传播方向成周期性排列。


7.根据权利要求2所述的悬浮波导结构，其中，所述锥形波导结构在波导平面内投影为一端与所述条形波导结构的宽度相同并连接所述条形波导结构，另...

【专利技术属性】
技术研发人员：王霆，张建军，丛慧，冯琦，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11