一种光子晶体定向耦合器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种光子晶体定向耦合器，一种光子晶体定向耦合器，其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。本实用新型专利技术的优点在于：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。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种耦合器，尤其涉及一种光子晶体定向耦合器。 
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
本技术要解决的技术问题是提出一种能在更小尺度上实现两束不同频率电磁波高效率分光的光子晶体定向耦合器件。 为达到上述目的，本技术采用的技术方案是：一种光子晶体定向耦合器，其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，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）。 作为上述方案的进一步改进，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。 作为上述方案的进一步改进，主波导部分（8）为W1型光子晶体直波导。 作为上述方案的进一步改进，直角转弯耦合波导部分（5）为W1型直角转弯波导。 作为上述方案的进一步改进，圆柱型介质柱（2）高度为h1、半径为r，该跑道型介质柱（7）的高度为h1，该跑道型介质柱（7）的横截面上垂直于主波导部分（8）走向方向上的拉伸长度为t，该跑道型介质柱（7）的跑道半径为r1，其中t大于零，r1大于或小于r。 作为上述方案的进一步改进，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）均设置在该二氧化硅埋层（3）上，二氧化硅埋层（3）位于硅衬底层（4）上。 作为上述方案的进一步改进，该基板包括顶硅层、二氧化硅埋层和硅衬底层，圆柱型介质柱与跑道型介质柱形成于该顶硅层上而与该顶硅层为一体结构，该顶硅层位于二氧化硅埋层上，二氧化硅埋层位于硅衬底层上。 作为上述方案的进一步改进，二氧化硅埋层（3）的厚度为3μm，跑道型介 质柱（7）的高度为220nm，硅衬底层（4）的厚度为600μm。 作为上述方案的进一步改进，耦合波导线缺陷（10）包括水平部分以及与该水平部分垂直的垂直部分，主波导线缺陷（9）呈“一”字形且平行于该水平部分，主波导线缺陷（9）与水平部分之间间隔有一排介质柱，该排介质柱平行于主波导线缺陷（9）以及耦合波导线缺陷（10）的水平部分，该排介质柱的长度与该水平部分的长度相同。 作为上述方案的进一步改进，该若干介质柱呈阵列式排列。 与传统的光子晶体定向耦合器相比，本技术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是本技术光子晶体定向耦合器主体结构三维意图。 图3是本技术光子晶体定向耦合器主体结构侧视图。 图4是本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示意图。 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10a-10f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11a-11e为去除器件结构边缘区域的工艺流程示意图。 具体实施方式为了使本技术的目的、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技术，并不用于限定本技术。 如图1、2、3所示，为本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均设置在该二氧化硅埋层3上，二氧化硅埋层3位于硅衬底层4上。如图2中，h1=220nm为硅柱高度（即圆柱型介质柱2的高度），h2=3μm为二氧化硅埋层的厚度，h3=600μm为底层硅的厚度，主体结构中排列的圆柱型介质柱2周期为a=600nm，半径r=0.2a。 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。主波导部分8为W1型光子晶体直波导，直角转弯耦合波导部分5为W1型直角转弯波导。 如图1所示，圆柱型介质柱2高度为h1、半径为r，该跑道型介质柱7的高度为h1，该跑道型介质柱7的横截面上垂直于主波导部分8走向方向上的拉伸长度为t，该跑道型介质柱7的跑道半径为r1，其中t大于零，r1大于或小于r。 如图3所示，在本实施方式中，耦合波导线缺陷10包括水平部分以及与该 水平部分垂直的垂直部分，主波导线缺陷9呈“一”字形且平行于本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光子晶体定向耦合器，其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，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）。

【技术特征摘要】
1.一种光子晶体定向耦合器，其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，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）。
2.如权利要求1所述的光子晶体定向耦合器，其特征在于：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。
3.如权利要求2所述的光子晶体定向耦合器，其特征在于：主波导部分（8）为W1型光子晶体直波导。
4.如权利要求2所述的光子晶体定向耦合器，其特征在于：直角转弯耦合波导部分（5）为W1型直角转弯波导。
5.如权利要求2所述的光子晶体定向耦合器，其特征在于：圆柱型介质柱（2）高度为h1、半径为r，该跑道型介质柱（7）的高度为h1，该跑道型介质柱（7）的横截面上垂直于主波导部分（8）走向方向上的拉伸长度为t，该跑道型介质柱（7）的跑道半径为r1，其中t大于零，r1...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔乃迪，郭进，冯俊波，滕婕，王皖君，周杰，曹国威，
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：实用新型
国别省市：