一种光子晶体定向耦合器的制作方法技术

本发明专利技术公开了一种光子晶体定向耦合器的制作方法，该光子晶体定向耦合器包括基板以及设置在基板上的若干介质柱，若干介质柱围出两个相互独立的主波导线缺陷与耦合波导线缺陷，主波导线缺陷与耦合波导线缺陷之间间隔有至少一排介质柱，该排介质柱均为跑道型介质柱，其余介质柱均为圆柱型介质柱。该制作方法包括下列步骤：制备划片所需的划片槽；在划片槽上制备ICP刻蚀所需的光刻胶掩膜，得到硅柱阵列结构；利用第二步制备的光刻胶掩膜结构进行ICP刻蚀，制作光子晶体定向耦合器的主体结构；对主体结构中的跑道型介质柱进行修整；去除主体结构的边缘区域形成该光子晶体定向耦合器。本发明专利技术的优点在于：具有体积小、结构紧凑、效率高、集成度高等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种耦合器的制作方法，尤其涉及。
技术介绍
光子晶体又被称为光半导体，是由具有不同介电常数的物质，在空间周期性排列而形成的人工微结构。光子晶体具备光子禁带，具有控制光在其内传播的特性，是实现未来大规模光电集成以及全光网络的潜在应用材料。在完整的光子晶体材料中引入缺陷时，则会在光子禁带中引入缺陷态。例如，引入点缺陷则可以将光局域在缺陷内，从而形成光子晶体谐振腔；而如果引入线缺陷，则可以将光限制于线缺陷内传播，形成光子晶体波导。近年来，基于光子晶体材料的光电功能器件得到了广泛的关注，利用光子晶体的光子禁带和光子局域特性，光子晶体波分复用器、耦合器、滤波器等光子晶体光电器件已经成为该领域的研究热点方向。在光波导光路中，两个相邻的光子晶体波导间可能产生耦合，从而将光耦合到相邻波导中。我们将光从一个波导完全耦合到另一个波导过程中经过的耦合长度称为耦合周期，不同频率电磁波的耦合周期不同，这就为利用光子晶体波导间耦合实现不同频率电磁波分光提供了应用基础。波导定向耦合器为基于上述原理的波导分光器件，被广泛应用于光开关、波分复用和光分束器等光学器件系统中，在光信号处理、光通信、集成光路以及光子计算等领域有着重要的应用。而传统的光子晶体定向耦合器由于耦合周期比较长，故体积大、集成度低。例如，基于传统光波导的定向耦合器通常需要数百个晶格周期甚至更多的长度才能实现对不同频率电磁波的高效分光。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提出，其制作出的光子晶体定向耦合器能在更小尺度上实现两束不同频率电磁波高效率分光。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是，该光子晶体定向耦合器包括基板以及垂直设置在该基板上的若干介质柱，该若干介质柱围出两个相互独立的主波导线缺陷(9)与耦合波导线缺陷(10)，主波导线缺陷(9)与耦合波导线缺陷(10)之间间隔有至少一排介质柱,位于该排介质柱一侧的介质柱区域为主波导部分(8)，位于该排介质柱相对一侧的介质柱区域为直角转弯耦合波导部分(5)，主波导部分(8)、直角转弯耦合波导部分(5)以及它们之间的这排跑道型介质柱(7)构成光子晶体定向耦合器的主体结构，该排介质柱均为跑道型介质柱(7)，其余介质柱均为圆柱型介质柱(2)，该光子晶体定向耦合器的制作方法包括下列步骤第一步，制备划片所需的划片槽；第二步，在该划片槽上制备ICP刻蚀所需的光刻胶掩膜，得到硅柱阵列结构；第三步，利用第二步制备的光刻胶掩膜结构进行ICP刻蚀，制作光子晶体定向耦合器的主体结构；第四步，对主体结构中的跑道型介质柱进行修整；第五步，去除主体结构的边缘区域形成该光子晶体定向耦合器。作为上述方案的进一步改进，所述制备划片所需的划片槽包括下列步骤(A)制作SOI基底，二氧化硅埋层(102)位于衬底硅(101)即底层硅上，顶硅(103)位于二氧化硅埋层(102)上，对SOI基底进行清洁处理；(B)在SOI基底上制作一层厚度为2-3 iim的光刻胶膜(104)；(C)将涂覆光刻胶膜的SOI基底(104)进行前烘；(D)对制备好的光刻胶薄膜(104)进行电子束曝光，得到划片槽图形；(E)经过显影、坚膜等工艺流程制作光刻胶掩模结构；(F)对应用步骤(E)制作好的光刻胶掩模结构进行感应耦合等离子体刻蚀(Inductively Coupled Plasma etching, ICP),制作光子晶体定向稱合器主体结构,刻蚀深度为4 ii m，去除光刻胶薄膜(104)，得到划片槽结构。优选地，顶硅103厚220nm、二氧化硅埋层102厚3 y m、衬底硅厚101600 ym。作为上述方案的进一步改进，所述制备ICP刻蚀所需的光刻胶掩膜包括下列步骤(G)在步骤(F)制备好的带有划片槽结构的SOI基底上制备一层光刻胶薄膜(201)；(H)将步骤(G)制备完成的结构进行前烘；(I)对制备好的光刻胶薄膜(201)进行电子束曝光；(J)经过显影、坚膜得到硅柱阵列结构。优选地，光刻胶薄膜(201)的厚度为lOOnm。作为上述方案的进一步改进，制备所述光子晶体定向耦合器主体结构包括下列步骤(K)对步骤(J)制作好的ICP光刻胶掩膜结构进行ICP刻蚀，刻蚀深度为220nm，得到硅柱阵列；(L)去除步骤(K)所得到的硅柱阵列结构上光刻胶薄膜，并进行清洗。作为上述方案的进一步改进，所述对跑道型介质柱进行修整包括下列步骤(M)在步骤(L)所得到的结构上涂覆光刻胶薄膜(301)作为保护层；(N)对制备好的光刻胶薄膜(301)进行光学曝光、显影等工艺，得到光刻胶掩膜结构，将需要修整的跑道型硅柱(7)所在区域暴露出来；(0)利用聚焦离子束刻蚀工艺对需要高精度修整的硅柱进行刻蚀使其达到所需尺寸，去除光刻胶。作为上述方案的进一步改进，所述去除器件结构的边缘区域包括下列步骤(P)在步骤(0)所得到的器件结构表面涂覆PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯)层(401)；(Q)对PMMA层(401)进行同步辐射X射线曝光、显影，在器件结构上制作一个保护层；(R)按照划片槽划片，即可得到16个由硅柱阵列构成的光子晶体定向耦合器主体结构；(S)将步骤(R)得到的基于跑道型介质柱的光子晶体定向耦合器结构进行侧面研磨抛光，去除边缘区使器件结构侧面平整。本专利技术光子晶体定向耦合器的制作方法制作的光子晶体定向耦合器，采用跑道型介质柱作为主波导部分和直角转弯耦合波导部分的间隔区域，大大缩短了电磁波在定向耦合器中的耦合周期，从而达到缩小器件体积的目的，具有体积小、结构紧凑、效率高、集成度高等优点，同时，耦合周期的减小也为在固定体积上制作信道间隔更小的波导耦合器件及波分复用器件提供有效途径。附图说明图1是耦合周期随间隔区跑道型介质柱(7)拉伸长度t的变化曲线，可见随着拉伸长度t的增加，器件的耦合周期呈减小趋势，其中a为介质柱排列的晶格周期。图2是本专利技术光子晶体定向耦合器主体结构三维意图。图3是本专利技术光子晶体定向耦合器主体结构侧视图。图4是本专利技术光子晶体定向耦合器主体结构俯视图。图5为主波导和直角转弯耦合波导间隔区跑道型介质柱的结构示意图。 图6是主波导和直角转弯耦合波导间隔区跑道型介质柱的俯视图。图7是刻蚀划片槽所需光刻版不意图。图8a_8f为制备划片所需的划片槽工艺流程示意图。图9a_9f为制备SOI顶硅层硅柱的工艺流程示意图。图1Oa-1Of为对加工精度要求高的跑道型介质柱的工艺流程示意图。图1la-1le为去除器件结构边缘区域的工艺流程示意图。具体实施例方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1、2、3所示，为本专利技术较佳实施方式提供的光子晶体定向耦合器的结构示意图。光子晶体定向耦合器包括基板以及垂直设置在该基板上的若干介质柱，该若干介质柱围出两个相互独立的主波导线缺陷9与耦合波导线缺陷10，主波导线缺陷9与耦合波导线缺陷10之间间隔有一排介质柱，该排介质柱均为跑道型介质柱7，其余介质柱均为圆柱型介质柱2。该基板包括二氧化硅埋层3以及硅衬底层4，圆柱型介质柱2与跑道型介质柱7设置该二氧化硅埋层3上，二氧化硅埋层3位于硅衬底层4上。如图2中，1^=22011111为硅柱本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光子晶体定向耦合器的制作方法，该光子晶体定向耦合器包括基板以及垂直设置在该基板上的若干介质柱，该若干介质柱围出两个相互独立的主波导线缺陷（9）与耦合波导线缺陷（10），主波导线缺陷（9）与耦合波导线缺陷（10）之间间隔有至少一排介质柱，位于该排介质柱一侧的介质柱区域为主波导部分（8），位于该排介质柱相对一侧的介质柱区域为直角转弯耦合波导部分（5），主波导部分（8）、直角转弯耦合波导部分（5）以及它们之间的这排跑道型介质柱（7）构成光子晶体定向耦合器的主体结构，其特征在于，该排介质柱均为跑道型介质柱（7），其余介质柱均为圆柱型介质柱（2），该光子晶体定向耦合器的制作方法包括下列步骤：第一步，制备划片所需的划片槽；第二步，在该划片槽上制备ICP刻蚀所需的光刻胶掩膜，得到硅柱阵列结构；第三步，利用第二步制备的光刻胶掩膜结构进行ICP刻蚀，制作光子晶体定向耦合器的主体结构；第四步，对主体结构中的跑道型介质柱进行修整；第五步，去除主体结构的边缘区域形成该光子晶体定向耦合器。

【技术特征摘要】
1.一种光子晶体定向耦合器的制作方法，该光子晶体定向耦合器包括基板以及垂直设置在该基板上的若干介质柱，该若干介质柱围出两个相互独立的主波导线缺陷(9)与耦合波导线缺陷(10)，主波导线缺陷(9)与耦合波导线缺陷(10)之间间隔有至少一排介质柱，位于该排介质柱一侧的介质柱区域为主波导部分(8)，位于该排介质柱相对一侧的介质柱区域为直角转弯耦合波导部分(5)，主波导部分(8)、直角转弯耦合波导部分(5)以及它们之间的这排跑道型介质柱(7)构成光子晶体定向耦合器的主体结构，其特征在于，该排介质柱均为跑道型介质柱(7),其余介质柱均为圆柱型介质柱(2),该光子晶体定向稱合器的制作方法包括下列步骤第一步，制备划片所需的划片槽；第二步，在该划片槽上制备ICP刻蚀所需的光刻胶掩膜，得到硅柱阵列结构；第三步，利用第二步制备的光刻胶掩膜结构进行ICP刻蚀，制作光子晶体定向耦合器的主体结构；第四步，对主体结构中的跑道型介质柱进行修整；第五步，去除主体结构的边缘区域形成该光子晶体定向耦合器。2.根据权利要求1所述的光子晶体定向耦合器的制作方法，其特征在于，所述制备划片所需的划片槽包括下列步骤(A)制作SOI基底，二氧化硅埋层(102)位于衬底硅(101)即底层硅上，顶硅(103)位于二氧化硅埋层(102)上，对SOI基底进行清洁处理；(B)在SOI基底上制作一层厚度为2-3μ m的光刻胶膜(104);(C)将涂覆光刻胶膜的SOI基底(104)进行前烘；(D)对制备好的光刻胶薄膜(104)进行电子束曝光，得到划片槽图形；(E)经过显影、坚膜等工艺流程制作光刻胶掩模结构；(F)对应用步骤(E)制作好的光刻胶掩模结构进行感应耦合等离子体刻蚀(Inductively Coupled Plasma etching, ICP),制作光子晶体定向稱合器主体结构,刻蚀深度为4 μ m，去除光刻胶薄膜(104)，得到划片槽结构。3.根据权利要求2所述的光子晶体定向耦合器的制作方...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔乃迪，郭进，冯俊波，滕婕，谢峰，王俊，赵恒，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥公共安全技术研究院，
类型：发明
国别省市：