一种基于定向耦合结构的硅基光波导滤模器及其制备方法技术

一种基于定向耦合结构的硅基光波导滤模器及其制备方法，属于集成光电子学技术领域。由硅衬底，二氧化硅上、下包层，位于上、下包层间的两个结构参数相同的硅芯层输入波导Core1和输出波导Core2组成；输入波导Core1和输出波导Core2为少模波导，可以同时传输E

【技术实现步骤摘要】
一种基于定向耦合结构的硅基光波导滤模器及其制备方法
本专利技术属于集成光电子学
，具体涉及一种基于定向耦合结构的硅基光波导滤模器及其制备方法，该器件是模分复用/解复用芯片和系统中的重要器件，在高阶模式的信息处理和光通信等领域有着十分重要的应用价值和发展前景。
技术介绍
随着通信技术的飞速发展和科技的不断进步，特别是随着5G、多媒体、人工智能等业务的蓬勃发展，各种各样的智能设备逐渐普及应用，以数据存储、传输和处理为基础的“大数据时代”对通信网络的传输和单芯片多处理器提出了更高的要求，如何实现数百上千个处理器核之间的片上互连通信是决定未来单芯片多处理器性能的关键。传统的金属电互连网络受到物理特性制约，速率、延迟、噪声和功耗水平都无法满足未来片上集成通信的高速、大容量需求。光互连作为一种新的互连方式，具有极高带宽、超快传输速率和高抗干扰性等优点。将微电子和光电子结合起来，在集成电路芯片间乃至芯片内部用光互连网络替代电互连网络构成光电混合集成芯片，是“后摩尔时代”超大规模集成电路重要的技术发展方向之一。硅基光电子技术作为一种能够承载大量数据传输的重要手段的解决方法，能够实现大规模生产、低成本、高集成度，并且与CMOS工艺相兼容，其中最为重要的是可以降低功耗并提高传输速率。现阶段对于硅基光电子技术的研究在飞速发展当中，越来越多的研究机构在大力研究硅基光电子技术。在硅基光电子技术当中，硅基集成模式复用/解复用器件是超高速片上光互连关键器件之一，而在模分复用/解复用系统当中，有时需要将不同模式的光分离或者滤掉，进而实现模式的选择复用或者过滤。本专利技术就提供了一种结构简单、尺寸紧凑的基于定向耦合结构的硅基光波导滤模器。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够实现在少模波导中传输高阶模式和基模时，可以滤掉或分离基模，并让高阶模式继续传输的滤模器件，其基本结构为两根对称的硅基光波导，其原理为通过定向耦合技术，通过不同模式的有效折射率不同从而导致的耦合长度的不同，通过结构设计，在适当的耦合长度(定向耦合器直波导的长度)下，可以实现输入基模和高阶模式，输出高阶模式，过滤或分离基模，从而实现模式的滤波功能。本专利技术为无源器件，并且有着较高的工艺容差。与传统的滤波器相比，本专利技术所述的基于定向耦合结构的硅基光波导滤模器更适用于模分复用/解复用系统中。由于非线性香农容量的限制，单模波导系统的传输容量渐渐达到上限，模分复用技术为解决这一问题起到了关键作用。在模分复用技术当中，基于平面光波导结构模分复用/解复用器具有重要的应用，而在光波导中传输的高阶模式与基模之间的传输与选择又是十分重要的一个环节。本专利技术提供了一种能够将混合多个模式信号的信号光中的高阶模式信号光分离出来，而基模信号光被分离或过滤的器件。同时，本专利技术提出的制备方法比较简单，只需要一些常用的半导体设备和常规制作工艺，不需要复杂昂贵的工艺设备和高难的制备技术，并且与传统的半导体工艺相兼容，易于集成、适于大规模生产，因而具有重要的应用前景。本专利技术解决其技术问题采用的技术方案如下：本专利技术所述的基于定向耦合结构的硅基光波导滤模器，其特征在于：由硅衬底，二氧化硅上、下包层，位于上、下包层间的两个结构参数相同的硅芯层输入波导Core1和输出波导Core2组成，其中二氧化硅上、下包层的折射率为1.445，硅芯层的折射率为3.455。输入波导Core1和输出波导Core2均为少模波导，可以同时传输E11、E21、E31三种模式。将三种模式的信号光输入到输入波导Core1中，由于耦合原理，三种模式的信号光会逐渐耦合到输出波导Core2中，但由于三种模式信号光的有效折射率不同，想要其能量完全耦合到输出波导Core2中，每个模式对应的耦合长度并不相同。本专利技术通过设计硅芯层输入波导Core1和输出波导Core2的尺寸、两根波导间的波导间距和耦合长度(两根波导的直波导长度)，可以实现特定模式的滤波功能。输入波导Core1和输出波导Core2均为截面为矩形的直波导结构，并在其各自的输入和输出端具有S型弯曲，且Core1在尾端收窄。S型弯曲设计的目的是为了将Core1和Core2两根波导在输入端和输出端分离开，尾端收窄的设计目的是为了减小被过滤的信号光对输出波导Core2的影响。S型弯曲和尾端收窄对于消光比和串扰的影响可以忽略不计，对滤波功能没有影响。本专利技术所述器件的工作流程为：从输入波导Core1的输入端口Input输入E11、E21、E31三种模式的信号光，三种信号光在输入波导Core1中传输，进入到直波导耦合区域，通过输入波导Core1和输出波导Core2组成的定向耦合器，E21、E31模式的信号光在直波导耦合区域内耦合到输出波导Core2中，从输出端口Output输出，而E11模式的绝大部分能量留在了输入波导Core1中并经S型弯曲被过滤出去；或者实现从输入端口Input输入E11、E21、E31模式，从输出端口Output输出E21模式，滤掉E11和E31模式。为了得到最佳的耦合长度，需要对耦合长度有影响的参数进行仿真和计算，如波导的结构尺寸、波导之间的间距。本专利技术采用的标准CMOS工艺，硅芯层波导高度为标准的220nm。利用LumericalMODE软件对输入波导Core1的宽度和模式有效折射率进行模拟计算和扫描，当波导宽度为1.42μm时，输入和输出两根波导拥有稳定的E11、E21、E31三种模式，故选择硅芯层波导的宽度为1.42μm。定向耦合区域采用的是对称波导结构，故输出波导Core2的高度为220nm，宽度为1.42μm。波导间距对于耦合长度的影响十分显著，为了能够获得合适的耦合长度，通过LumericalMODE软件对输入波导Core1和输出波导Core2之间的波导间距对于耦合长度与耦合效率的关系进行了扫描计算。得出在不同的波导间距下，三种不同模式E11、E21、E31的耦合效率与耦合长度的关系。根据器件的性能要求来确定合适的波导间距和耦合长度。在各个不同的波导间距下，在保证输出端口的E11模式的信号光的归一化功率小于7％，E21、E31模式的信号光的归一化功率大于92％的情况下，选取适合的耦合长度。为了满足器件小型化的需求，并考虑到制备工艺，该专利技术最终选择了波导间距d为180nm和170nm。并对这两种波导间距下的器件进行了进一步的参数仿真。通过计算耦合长度和不同模式光的归一化透射率的关系可以发现该器件可以通过改变耦合长度来扩展器件功能，能够进一步实现滤掉E11和E31模式，只有E21模式通过，同时，对这一功能的器件进行进一步的仿真优化。本专利技术所述的基于定向耦合结构的硅基光波导滤模器可以制作在SOI(silicon-on-insulator，衬底Si-SiO2-顶层Si结构)上，具体工艺如图3所示。本专利技术所述的一种基于定向耦合结构的硅基光波导滤模器的制备方法，其步骤如下：1)清洗SOI片：将顶层Si厚度为220nm的SOI片用丙醇清洗10～20分钟，再用甲醇、异丙醇和去离子水分别超声清洗8～15分钟，氮气吹干后本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于定向耦合结构的硅基光波导滤模器，其特征在于：由硅衬底，二氧化硅上、下包层，位于上、下包层间的两个结构参数相同的硅芯层输入波导Core1和输出波导Core2组成；输入波导Core1和输出波导Core2为少模波导，可以同时传输E

【技术特征摘要】
1.一种基于定向耦合结构的硅基光波导滤模器，其特征在于：由硅衬底，二氧化硅上、下包层，位于上、下包层间的两个结构参数相同的硅芯层输入波导Core1和输出波导Core2组成；输入波导Core1和输出波导Core2为少模波导，可以同时传输E11、E21、E31三种模式；输入波导Core1和输出波导Core2均是截面为矩形的直波导结构；通过设计硅芯层输入波导Core1和输出波导Core2的尺寸、两根波导间的波导间距和耦合长度，可以实现特定模式的滤波功能。


2.如权利要求1所述的一种基于定向耦合结构的硅基光波导滤模器，其特征在于：输入波导Core1和输出波导Core2在其各自的输入和输出端具有S型弯曲，且Core1在尾端收窄。


3.如权利要求1所述的一种基于定向耦合结构的硅基光波导滤模器，其特征在于：从输入波导Core1和输出波导Core2的高度均为220nm，宽度均为1.42μm；当波导间距为180nm和170nm，耦合长度分别为102μm和94μm时，实现输入E11、E21、E31模式，输出E21和E31模式，滤掉E11模式；当波导间距为180nm和170nm，耦合长度分别为126μm和116μm时，实现输入E11、E21、E31模式，输出E21模式，滤掉E11和E31模式。


4.如权利要求1所述的一种基于定向耦合结构的硅基光波导滤模器，其特征在于：二氧化硅上、下包层的折射率为1.445，硅芯层的折射率为3.455。


5.权利要求1～4任何一项所述的一种基于定向耦合结构的硅基光波导滤模器的制备方法，其步骤如下：
1)清洗SOI片：将顶层Si厚度为220nm的S...

【专利技术属性】
技术研发人员：王希斌，杨凯迪，林柏竹，孙士杰，谷岳，余启东，张大明，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22