基于氮化硅光子晶体的光分路器及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种基于氮化硅光子晶体的光分路器及其制备方法，该光分路器包括：自下而上依次设置的硅层、氧化硅层及氮化硅波导层；氮化硅波导层的中间部分形成有二维氮化硅光子晶体波导，两端分别形成有光栅发射器；二维氮化硅光子晶体波导包括一列沿氮化硅波导层长度方向呈周期性排布的圆形凹槽及中间部分氮化硅波导层；光栅发射器为半圆环形的同心环绕光栅且具有两个半圆环形镂空孔。采用氮化硅材料可应用的带宽大，且两个半圆环形镂空孔设计的氮化硅光栅光学损耗小，光出射效率高；另外，光分束器可实现对片外光波的收集同时对光波传输、分光形成片外出射光；最后，制备方法与CMOS工艺良好兼容，工艺简单，易于规模化生产。易于规模化生产。易于规模化生产。

【技术实现步骤摘要】
基于氮化硅光子晶体的光分路器及其制备方法


[0001]本专利技术属于半导体领域和光电集成领域，特别是涉及一种基于氮化硅光子晶体的光分路 器及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着智能设备的崛起和社交网络的普及，通信业务量呈现爆炸式增长。传统的电互联技 术由于晶体管数量的增加和芯片吞吐量成倍增长面临着功耗过大和延时过高的问题，仅目前 全球计算中心消耗的电量就占全球总发电量的0.8％。硅光子技术的发展，为解决这些问题提 供了有效的途径。在过去的几十年中，绝缘体上硅(SOI)平台上的硅光子技术因其紧凑的占 地面积，高集成度，低功耗以及与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺的兼容性而得到了 长足的发展。
[0003]氮化硅(SiN)材料也是作为扩充光互联应用的主要材料，在光传输方面也有很多研究。 基于氮化硅(SiN)在700nm～800nm附近较好的光学性质，目前多应用于光栅耦合器件。由 于不同的光源和SiN结构设计会有不同的耦合效率，可以考虑基于氮化硅光子晶体设计新型 的光分路器。

技术实现思路

[0004]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于氮化硅光子晶体的光分 路器及其制备方法，以将氮化硅光子晶体设计应用于光分路器结构中，以扩充现有光分路器 的传输波长。
[0005]为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种基于氮化硅光子晶体的光分路器，所 述光分路器包括：
[0006]自下而上依次设置的硅层、氧化硅层及氮化硅波导层；
[0007]所述氮化硅波导层的中间部分形成有二维氮化硅光子晶体波导，所述氮化硅波导层的两 端分别形成有光栅发射器；
[0008]所述二维氮化硅光子晶体波导包括一列沿所述氮化硅波导层长度方向呈周期性排布的圆 形凹槽及中间部分所述氮化硅波导层，所述圆形凹槽自所述氮化硅波导层表面延伸至所述氮 化硅波导层内；
[0009]所述光栅发射器为半圆环形的同心环绕光栅且具有两个半圆环形镂空孔，所述环形镂空 孔自所述氮化硅波导层表面延伸至所述氧化硅层内。
[0010]可选地，所述氧化硅层的厚度介于900nm～1100nm之间，所述氮化硅波导层的厚度介于 280nm～320nm之间。
[0011]可选地，所述环形镂空孔在所述氧化硅层内的延伸深度介于750nm～850nm之间。
[0012]可选地，所述环形镂空孔的宽度介于260nm～360nm之间。
[0013]可选地，所述氮化硅波导层的中间部分分别与其两端之间为连接波导。
[0014]可选地，所述连接波导的宽度与所述二维氮化硅光子晶体波导相同。
[0015]可选地，所述二维氮化硅光子晶体波导中的所述圆形凹槽大小尺寸及刻蚀深度均相同。
[0016]本专利技术还提供一种基于氮化硅光子晶体的光分路器的制备方法，所述制备方法包括如下 步骤：
[0017]提供绝缘体上氮化硅衬底，所述绝缘体上氮化硅衬底自下而上依次包括硅层、氧化硅层 及氮化硅层；
[0018]刻蚀所述氮化硅层形成氮化硅波导层；
[0019]刻蚀所述氮化硅波导层的中间部分，形成一列沿所述氮化硅波导层长度方向呈周期性排 布的圆形凹槽，从而使所述氮化硅波导层的中间部分形成为二维氮化硅光子晶体波导；
[0020]刻蚀所述氮化硅波导层的两端，在该两端分别形成光栅发射器，所述光栅发射器为半圆 环形的同心环绕光栅且具有两个半圆环形镂空孔，所述环形镂空孔自所述氮化硅波导层表面 延伸至所述氧化硅层内。
[0021]可选地，形成所述氮化硅波导层的步骤之前，还包括：于所述氮化硅层上制备对准标记 的步骤。
[0022]可选地，形成所述光栅发射器的步骤之前，还包括：于所述氮化硅波导层的表面形成保 护层的步骤。
[0023]如上所述，本专利技术的基于氮化硅光子晶体的光分路器及其制备方法，采用氮化硅材料可 应用的带宽大，且两个半圆环形镂空孔设计的氮化硅光栅光学损耗小，光出射效率高；另外， 光分束器可实现对片外光波的收集同时对光波传输、分光形成片外出射光，即该光分束器整 体上是将片外光波经过本实施例的光分束器后实现片外分光，该光分束器的功能为以后光波 层与层之间的互连奠定基础，具有重要的应用价值；最后，制备方法与互补金属氧化物半导 体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)工艺良好兼容，工艺简单，易于规 模化生产。
附图说明
[0024]图1显示为本专利技术的基于氮化硅光子晶体的光分路器的俯视结构示意图。
[0025]图2显示为本专利技术基于氮化硅光子晶体的光分路器沿图1中AA位置的剖面结构示意图。
[0026]图3显示为本专利技术的基于氮化硅光子晶体的光分路器中光栅发射器的光场图。
[0027]图4显示为本专利技术的基于氮化硅光子晶体的光分路器中光栅发射器的远场图。
[0028]图5显示为本专利技术的基于氮化硅光子晶体的光分路器的制备方法工艺流程图。
[0029]图6至图11显示为本专利技术的基于氮化硅光子晶体的光分路器的制备方法中各步骤的剖面 结构示意图，各步骤的剖面切割位置为图1中的AA位置。
[0030]元件标号说明
[0031]10
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绝缘体上氮化硅衬底
[0032]101
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硅层
[0033]102
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氧化硅层
[0034]103
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氮化硅层
[0035]104
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氮化硅波导层
[0036]11
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氮化硅波导层的中间部分
[0037]12
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二维氮化硅光子晶体波导
[0038]121
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圆形凹槽
[0039]13
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氮化硅波导层的端部
[0040]14
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光栅发射器
[0041]141
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同心环绕光栅
[0042]142
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环形镂空孔
[0043]15
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连接区
[0044]151
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连接波导
[0045]16
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于氮化硅光子晶体的光分路器，其特征在于，所述光分路器包括：自下而上依次设置的硅层、氧化硅层及氮化硅波导层；所述氮化硅波导层的中间部分形成有二维氮化硅光子晶体波导，所述氮化硅波导层的两端分别形成有光栅发射器；所述二维氮化硅光子晶体波导包括一列沿所述氮化硅波导层长度方向呈周期性排布的圆形凹槽及中间部分所述氮化硅波导层，所述圆形凹槽自所述氮化硅波导层表面延伸至所述氮化硅波导层内；所述光栅发射器为半圆环形的同心环绕光栅且具有两个半圆环形镂空孔，所述环形镂空孔自所述氮化硅波导层表面延伸至所述氧化硅层内。2.根据权利要求1所述的基于氮化硅光子晶体的光分路器，其特征在于：所述氧化硅层的厚度介于900nm～1100nm之间，所述氮化硅波导层的厚度介于280nm～320nm之间。3.根据权利要求2所述的基于氮化硅光子晶体的光分路器，其特征在于：所述环形镂空孔在所述氧化硅层内的延伸深度介于750nm～850nm之间。4.根据权利要求2所述的基于氮化硅光子晶体的光分路器，其特征在于：所述环形镂空孔的宽度介于260nm～360nm之间。5.根据权利要求1所述的基于氮化硅光子晶体的光分路器，其特征在于：所述氮化硅波导层的中间部分分别与其两端之间为连接波导。6.根据权利要求5所述的基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：佘小娟，廖涵，赵瑛璇，仇超，甘甫烷，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：