一种非易失相变的可重构硅基模式转换器及制作方法技术

本发明专利技术公开了一种非易失相变的可重构硅基模式转换器及制作方法，包括转换器单元，所述转换器单元包括输入区、转换区、输出区、二氧化硅层、硅衬底层、石墨烯层和氧化膜层，其制作方法包括在晶圆上构筑硅衬底层；在硅衬底层上构筑二氧化硅层；在二氧化硅层上方构筑第一硅波导区、第二波导区和第三波导区；在第一硅波导区内部蚀刻梯形凹槽结构；在梯形凹槽结构中填充相变波导；在第一硅波导区上方覆盖石墨烯层；在石墨烯层上方覆盖氧化膜层，本发明专利技术的有益效果为可重构模式转换、状态非易失且转换效率高，损耗低、尺寸小，可扩展性高、器件制造简单。单。单。

【技术实现步骤摘要】
一种非易失相变的可重构硅基模式转换器及制作方法


[0001]本专利技术涉及硅基光子学
，特别是一种非易失相变的可重构硅基模式转换器及制作方法。

技术介绍

[0002]在数据通信需求不断增加的形势下，光互连需要具备大容量和低功耗的特征，为此片上复用技术受到了人们的重点关注，目前，研究人员对多种光复用技术正进行着深入研究，如波分复用(WDM)、偏振复用(PDM)和模分复用(MDM)相继被用来提高通信容量，其中，MDM技术由于可以同时利用多个波导区模式来提高单波长光互连链路的通信容量，正成为一种新兴的片上复用技术，另外，MDM系统中所用的模式通道可共享来自单个半导体激光器的波长，因此它是一种有效降低硬件成本和功耗的技术，模式转换器作为MDM系统中的一种重要功能器件，其基本工作方式是通过改变转换区结构或增加特定材料等方式转换输入波导区内的光模式以输出目标高阶光波导区模式的器件，主要应用于MDM系统及多模光子学领域，目前已报道的典型模式转换器结构及性能论述如下，多模干涉仪型(MMI)结构拥有较强的加工容差能力和较大的工作带宽，但其模式转换尺寸较大；绝热耦合型器件相对于MMI型结构更加简单，但只能支持两种模式转换；非对称Y结可以支持多种模式传输，但为避免产生模式串扰需精确控制模式转换区的耦合长度增加了设计难度和工艺挑战；非对称定向耦合结构相对简易，通过扩大尺寸可实现多种模式的转换，但是基于相位匹配原理致使器件的带宽较窄，值得注意的是，在现有的模式转换器中几乎不存在具有模式可重构且状态非易失的功能，因此，具备模式可重构、状态非易失、结构简单、功能可扩展特性的模式转换器成为了当前研究的重点，而这也成为了本专利技术的创新之处。

技术实现思路

[0003]本部分的目的在于概述本专利技术的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和专利技术名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和专利技术名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本专利技术的范围。
[0004]鉴于上述或现有技术中存在的问题，提出了本专利技术。
[0005]因此，本专利技术的目的是提供一种非易失相变的可重构硅基模式转换器及制作方法。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：一种非易失相变的可重构硅基模式转换器，其包括转换器单元，所述转换器单元包括输入区、转换区、输出区、二氧化硅层、硅衬底层、石墨烯层和氧化膜层，所述输入区设置于所述转换器单元一侧，所述输出区设置于所述转换器单元另一侧，所述转换区设置于所述输入区和输出区之间，所述二氧化硅层设置于所述转换器单元内部，所述硅衬底层设置于所述二氧化硅层下方，所述石墨烯层设置于所述转换器单元上方表面，所述氧化膜层设置于所述石墨烯层上方。
[0007]作为本专利技术所述非易失相变的可重构硅基模式转换器的一种优选方案，其中：所
述转换器单元为“凸”字形结构。
[0008]作为本专利技术所述非易失相变的可重构硅基模式转换器的一种优选方案，其中：所述转换区包括设置于其两端的第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极均与所述石墨烯层相连接，所述第一电极和第二电极均设置于所述氧化膜层之下。
[0009]作为本专利技术所述非易失相变的可重构硅基模式转换器的一种优选方案，其中：所述转换区中间部位还包括相变波导和第一硅波导区，所述相变波导设置于所述第一硅波导区内部，所述相变波导为锥形结构，所述相变波导与所述第一硅波导区镶嵌固定。
[0010]作为本专利技术所述非易失相变的可重构硅基模式转换器的一种优选方案，其中：所述输入区包括设置于所述二氧化硅层上方的第二硅波导区，所述输出区包括设置于所述二氧化硅层上方的第三硅波导区。
[0011]作为本专利技术所述非易失相变的可重构硅基模式转换器的一种优选方案，其中：所述第一硅波导区设置于所述第二硅波导区与所述第三硅波导区之间，且所述第一硅波导区、第二硅波导区和第三硅波导区电性连通。
[0012]作为本专利技术所述非易失相变的可重构硅基模式转换器制作方法的一种优选方案，其中：包括以下步骤，
[0013]在晶圆上构筑硅衬底层；
[0014]在硅衬底层上构筑二氧化硅层；
[0015]在二氧化硅层上方构筑第一硅波导区、第二波导区和第三波导区；
[0016]在第一硅波导区内部蚀刻梯形凹槽结构；
[0017]在梯形凹槽结构中填充相变波导；
[0018]在第一硅波导区上方覆盖石墨烯层；
[0019]在石墨烯层上方覆盖氧化膜层。
[0020]作为本专利技术所述非易失相变的可重构硅基模式转换器制作方法的一种优选方案，其中：所述第一硅波导区采用电子束曝光及等离子刻蚀方式在晶圆上制作而成，所述第一硅波导区厚度为220nm，宽度为1.4um，梯形凹槽结构设置在第一硅波导区侧半边靠近边缘位置，且长度为3.3um，上下底宽度分别为0.1um和0.32um，深度为0.22um。
[0021]作为本专利技术所述非易失相变的可重构硅基模式转换器制作方法的一种优选方案，其中：所述相变波导通过金属溅射工艺将相变材料硒化锑填充在梯形凹槽结构当中形成。
[0022]作为本专利技术所述非易失相变的可重构硅基模式转换器制作方法的一种优选方案，其中：利用第一电极和第二电极与石墨烯层进行电接触以提供驱动电压，在石墨烯层表面成长一层氧化膜层。
[0023]本专利技术的有益效果：
[0024]1、可重构模式转换、状态非易失且转换效率高，本专利技术在硅基条形波导内嵌入了一块小尺寸的锥形相变材料波导，由于相变材料的两种状态之间存在较大折射率差，通过加热的方式切换该材料的状态可实现晶态与非晶态的转变，从而产生模式的可重构转换输出，这是目前模式转换器无法实现的功能，另外，相变材料具备非易失性，即在无任何外加能量的情况下其状态仍可长时间保持，静态功耗为零，此外，锥形波导能够线性改变条形波导的等效折射率，进而通过波导传输可积累模式相位差，实现波导横电基模向高阶模式的转换，且转换效率高(95％)。
[0025]2、损耗低、尺寸小，本专利技术中锥形波导所使用的相变材料是硒化锑，该材料的两种状态在通信波段的固有损耗极低，同时采用锥形结构使得器件的整体插入损耗较低，另外，本专利技术器件实现模阶转换所需的长度仅为3.3um，这将利于实现器件的紧凑型设计和片上高密度集成。
[0026]3、可扩展性高、器件制造简单，本专利技术还可通过扩大硅波导宽度并调整锥形波导位置，实现输入横电基模TE0到输出高阶模TE2甚至向着输出更高阶横电模式TEn的可重构模式转换，具有较好的可扩展性且制造工艺简单，完全兼容目前的CMOS加工工艺，本专利技术器件可借助成熟的CMOS工艺线实现器件制造。
附图说明
[0027]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非易失相变的可重构硅基模式转换器，其特征在于：转换器单元(100)，所述转换器单元(100)包括输入区(101)、转换区(102)、输出区(103)、二氧化硅层(104)、硅衬底层(105)、石墨烯层(106)和氧化膜层(107)，所述输入区(101)设置于所述转换器单元(100)一侧，所述输出区(103)设置于所述转换器单元(100)另一侧，所述转换区(102)设置于所述输入区(101)和输出区(103)之间，所述二氧化硅层(104)设置于所述转换器单元(100)内部，所述硅衬底层(105)设置于所述二氧化硅层(104)下方，所述石墨烯层(106)设置于所述转换器单元(100)上方表面，所述氧化膜层(107)设置于所述石墨烯层(106)上方。2.如权利要求1所述的非易失相变的可重构硅基模式转换器，其特征在于：所述转换器单元(100)为“凸”字形结构。3.如权利要求2所述的非易失相变的可重构硅基模式转换器，其特征在于：所述转换区(102)包括设置于其两端的第一电极(102a)和第二电极(102b)，所述第一电极(102a)和第二电极(102b)均与所述石墨烯层(106)相连接，所述第一电极(102a)和第二电极(102b)均设置于所述氧化膜层(107)之下。4.如权利要求1～3任一所述的非易失相变的可重构硅基模式转换器，其特征在于：所述转换区(102)中间部位还包括相变波导(102c)和第一硅波导区(102d)，所述相变波导(102c)设置于所述第一硅波导区(102d)内部，所述相变波导(102c)为锥形结构，所述相变波导(102c)与所述第一硅波导区(102d)镶嵌固定。5.如权利要求4所述的非易失相变的可重构硅基模式转换器，其特征在于：所述输入区(101)包括设置于所述二氧化硅层(104)上方的第二硅波导区(101a)，所述输出区(...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐银，费耶灯，倪屹，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：