一种基于二氧化硅/聚合物嵌入波导平台的多端口波导交叉器件及其制备方法技术

一种基于二氧化硅/聚合物嵌入波导平台的多端口波导交叉器件及其制备方法，属于光子集成芯片制备技术领域。由Si衬底、SiO2下包层、聚合物芯层、聚合物上包层组成，聚合物芯层被包埋在SiO2下包层之中，聚合物芯层上表面与SiO2下包层上表面位于同一平面，聚合物上包层位于聚合物芯层和SiO2下包层之上；聚合物芯层为多通道交叉波导结构，由N个在中心点交叉的1

【技术实现步骤摘要】
一种基于二氧化硅/聚合物嵌入波导平台的多端口波导交叉器件及其制备方法


[0001]本专利技术属于光子集成芯片制备
，具体涉及一种基于二氧化硅/聚合物嵌入波导平台的波导交叉器件及其制备方法。

技术介绍

[0002]为了满足人们日常生活中对信息传递容量的需求，以光为媒介的通信方式在通信系统中起到了越来越大作用。在平板光波导(Planar Lightwave Circuit,PLC)器件的研究中，聚合物PLC制备工艺简单，成本低，得到了广泛应用与研究。为了在聚合物基PLC平台上设计系统复杂、集成度高、功能齐全的集成光路，不可避免的需要引入波导交叉器件，常规交叉器件只能支持2
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2端口工作，随着集成复杂性的增加，路由拓扑将需要大量的交叉点，使用大量的2
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2端口波导交叉器件，不仅会引入巨大的损耗和串扰，而且会占用较大的面积。

技术实现思路

[0003]为了解决现有技术中存在的问题，减少光交叉阵列中互连使用的波导交叉器件的个数，降低版图的复杂度，提高光子集成芯片的集成度，本专利技术提出了一种基于二氧化硅/聚合物嵌入波导平台的多端口波导交叉器件及其制备方法。
[0004]本专利技术所述波导交叉器件，从下至上，由Si衬底(1)、SiO2下包层(2)、聚合物芯层(3)、聚合物上包层(6)组成，聚合物芯层(3)被包埋在SiO2下包层(2)之中，聚合物芯层(3)上表面与SiO2下包层(2)上表面位于同一平面，聚合物上包层(6)位于聚合物芯层(3)和SiO2下包层(2)之上；聚合物芯层(3)为多通道交叉波导结构，由N个在中心点(自映像点)交叉的1
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1多模干涉器(Multimode interferometer，MMI)组成(记为1
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1MMI)，形成星形结构。
[0005]1×
1多模干涉器为由输入波导(111)、输入端Taper(112)、多模干涉区(113)、输出端Taper(114)和输出波导(115)顺次连接组成的对称结构，输入波导(111)和输出波导(115)、输入端Taper(112)和输出端Taper(114)的结构和尺寸相同；输入端Taper(112)和输出端Taper(114)沿输入光方向为宽度渐变波导，输入端Taper(112)由窄到宽线性变化，输出端Taper(114)由宽到窄线性变化；光从输入端(111)输入后，经过输入端Taper(112)，由于输入端Taper(112)波导宽度缓慢变化，降低了波导损耗，光到达多模干涉区(113)；根据自映像原理，光经过特定长度的传输，会再次形成和输入端相同的光场分布。选择合适的多模干涉区(113)的长度L
mmi
，将光在多模干涉区(113)内的第一个自映像点作为波导交叉器件的交叉点，此处的光汇聚在一个和输入端相同尺寸的光场中，最大程度的限制了光的扩散，可以减小交叉波导之间的串扰。将第二个自映像点作为光输出点，可以得到高的光输出强度，最后光经过输出端Taper(114)从输出波导(115)输出。
[0006]对于多通道波导交叉结构，从任一输入端口输入光后，由于交叉点在第一个自映像点，降低了交叉波导之间的串扰，光继续沿此通道在多模干涉区(113)内传播，直至输出
端输出。当在多个输入端口输入时，各个端口的输入光会沿各个通道继续传播，相互之间互不影响。
[0007]如图4所示，3
×
3端口波导交叉器件(100)，由三个1
×
1MMI在中心点交叉组成，每两个相邻MMI的夹角为60
°
，两个相邻的MMI由二氧化硅下包层分隔开；如图7所示，4
×
4端口波导交叉器件(200)，由四个1
×
1MMI在中心点交叉组成，每两个相邻MMI的夹角为45
°
，两个相邻的MMI由二氧化硅下包层分隔开，以此类推。
[0008]所述的聚合物芯层材料可以为EPO芯层、SU
‑
8 2005、SU
‑
8 2002、ZPU芯层等，在本专利技术中采用SU
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8 2002为聚合物芯层材料。
[0009]为了将光限制在聚合物芯层中，聚合物上包层材料的折射率需要小于聚合物芯层材料的折射率。所述的聚合物上包层材料可以为EPO包层、PMMA、PDMS、ZPU包层等，在本专利技术中采用PMMA。
[0010]本专利技术所述的一种基于二氧化硅/聚合物嵌入波导平台的多端口波导交叉器件的制备方法，其步骤如下：
[0011]1)在硅衬底(1)上，通过热氧化法生长一层致密的12～18μm厚的二氧化硅下包层(21)；
[0012]2)使用真空匀胶机在二氧化硅下包层(21)上旋涂光刻胶层(51)，前烘处理后自然降温固化；
[0013]3)通过紫外光刻、显影、后烘，将掩模版上与需要制备的多端口波导交叉器件聚合物芯层结构相同(光刻胶层为正性光刻胶)或互补(光刻胶层为负性光刻胶)的图形转移到光刻胶层上，形成光刻胶层波导结构(52)；
[0014]4)通过ICP刻蚀方法，在二氧化硅下包层上制备得到用于填充聚合物芯层材料的凹槽(2)，该凹槽(2)的结构与需要制备的聚合物芯层结构相同；然后再去掉二氧化硅下包层上的光刻胶层波导结构(52)；
[0015]5)使用真空匀胶机在二氧化硅下包层上旋涂聚合物芯层材料，前烘处理后自然降温固化，聚合物芯层材料填满步骤4)中形成的凹槽，也会在二氧化硅下包层(21)及凹槽(2)之上形成0～5μm的聚合物平板层(4)；
[0016]6)通过ICP刻蚀方法，刻蚀掉聚合物平板层(4)，在二氧化硅下包层(21)中得到聚合物芯层(3)，聚合物芯层(3)上表面与SiO2下包层(2)上表面位于同一平面；
[0017]7)使用真空匀胶机在刻蚀掉聚合物平板层(4)的聚合物芯层(3)与SiO2下包层(2)上表面旋涂聚合物上包层(6)，加热固化后自然降温；从而制备得到本专利技术所述的基于二氧化硅/聚合物嵌入波导平台的多端口波导交叉器件。
[0018]为制备2
×
2、3
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3乃至N
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N端口波导交叉器件，只需要改变步骤3)中掩模版的图形，使掩模版图形与制备器件形状相同即可。
[0019]与现有技术相比，本专利技术的创新之处在于：
[0020]1.波导为二氧化硅/聚合物嵌入波导，首先通过ICP刻蚀在二氧化硅层中制备凹槽，再用聚合物填充二氧化硅凹槽，得到的聚合物芯层的侧壁陡直，可以降低器件损耗，提高器件性能；
[0021]2.波导为二氧化硅/聚合物嵌入波导，以聚合物材料为波导芯层，不同的聚合物上包层和芯层的折射率都大于1.55，下包层二氧化硅折射率为1.445，折射率差大于2％，芯
层/下包层折射率差大，可以实现更紧凑的端面尺寸，利于制备大规模光波导集成回路；
[0022]3.波导为二氧化硅/聚合物嵌入波导，通过简单的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于二氧化硅/聚合物嵌入波导平台的多端口波导交叉器件，其特征在于：从下至上，由Si衬底(1)、SiO2下包层(2)、聚合物芯层(3)、聚合物上包层(6)组成，聚合物芯层(3)被包埋在SiO2下包层(2)之中，聚合物芯层(3)上表面与SiO2下包层(2)上表面位于同一平面，聚合物上包层(6)位于聚合物芯层(3)和SiO2下包层(2)之上；聚合物芯层(3)为多通道交叉波导结构，由N个在中心点交叉的1
×
1多模干涉器组成，形成星形结构的N
×
N端口波导交叉器件；其中，1
×
1多模干涉器为由输入波导(111)、输入端Taper(112)、多模干涉区(113)、输出端Taper(114)和输出波导(115)顺次连接组成的对称结构，输入波导(111)和输出波导(115)、输入端Taper(112)和输出端Taper(114)的结构和尺寸相同；输入端Taper(112)和输出端Taper(114)沿输入光方向为宽度渐变波导，输入端Taper(112)由窄到宽线性变化，输出端Taper(114)由宽到窄线性变化；光从输入端(111)输入后，经过输入端Taper(112)，由于输入端Taper(112)波导宽度缓慢变化，降低了波导损耗，光到达多模干涉区(113)；将光在多模干涉区(113)内的第一个自映像点作为波导交叉器件的中心点，将第二个自映像点作为光输出点；聚合物上包层材料的折射率小于聚合物芯层材料的折射率。2.如权利要求1所述的一种基于二氧化硅/聚合物嵌入波导平台的多端口波导交叉器件，其特征在于：3
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3端口波导交叉器件(100)，由三个1
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1MMI在中心点交叉组成，每两个相邻MMI的夹角为60
°
，两个相邻的MMI由二氧化硅下包层分隔开。3.如权利要求1所述的一种基于二氧化硅/聚合物嵌入波导平台的多端口波导交叉器件，其特征在于：4
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4端口波导交叉器件(200)，由四个1
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1MMI在中心点交叉组成，每两个相邻MMI的夹角为45
°
，两个相邻的MMI由二氧化硅下包层分隔开。4.如权利要求1所述的一种基于二氧化硅/聚合物嵌入波导平台的多端口波导交叉器件，其特征在于：聚合物芯层材料为EPO芯层、SU
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8 2005、SU
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【专利技术属性】
技术研发人员：梁佳琦，尹悦鑫，吕昕雨，丁颖智，姚梦可，许馨如，张大明，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：