一种微型高性能正交硅波导结构制造技术

本发明专利技术提供了一种微型高性能正交硅波导结构，采用正交交叉的波导结构，波导的组成材料为硅。在波导结构的内部、四个正交交叉口处分别设有棱镜结构，棱镜结构的折射率低于组成波导的基底材料。进一步地，在波导结构的正交交叉点的四个外角处加设有修饰结构，其厚度与波导的厚度一致；所述修饰结构由两个形状相同的微结构拼接而成，两个微结构拼接后沿着正交交叉外角的对角线成镜面对称。当基模在波导内传播时，本发明专利技术的结构可以保持小于0.2dB的损耗，同时可以维持很低的串扰损耗和反射损耗，其值分别为小于-35dB和小于-30dB。本发明专利技术的另一个很重要的优点是结构的几何尺寸很小，整个设计的交叉结构尺寸仅约为1×1um2。

【技术实现步骤摘要】
一种微型高性能正交硅波导结构
本专利技术属于硅基光子学领域，具体涉及一种微型高性能正交硅波导结构。
技术介绍
目前，随着科学技术的发展，特别是微加工工艺和技术的提升，计算机的CPU计算速度更快，内存存储速度更快，容量更大。著名的摩尔定律指出，集成电路上可容纳的电晶体数目，约每隔18个月便会增加一倍。但是随着传统工艺的制备极限的限定，如何进一步提高集成度是人们遇到的首要问题。因此各种不同材料组成的光电子器件就引起了人们的广泛兴趣，包括砷化镓、磷化铟等Ⅲ-Ⅴ族的材料，又有锗、硅等Ⅳ族材料。但是这些器件的制备工艺都是互不兼容的，这不便于以后进一步将这些器件集成化。而硅基的微纳加工技术随着集成电路工艺的发展，已经越来越成熟，同时硅的价格也比其他的材料有优势，这使得近年来硅基光子学得到了显著的发展，并且引起了科学工作者以及产业工程师的广泛关注。此外，由于硅与二氧化硅等衬底材料的高折射率差，当光在其内部传播的时候能够非常好地被限制在硅波导内。基于对硅波导微纳结构的设计，目前在国际顶级期刊科学（science）、自然（nature）等上报道科研工作者已经制备出一批具有良好应用前景和市场价值的硅基光电子器件，比如硅基拉曼激光器，基于石墨烯的硅基红外光探测器，硅基光调制器，硅基单向反射器，硅波导的光二极管等。这些都为未来的光子集成提供了可能。但是，当在一个芯片上的集成度提高的时候，不可避免的就会出现波导与波导的交叉的情况。如何实现高效、CMOS工艺可兼容的、微型化的交叉波导，是人们在近年来的一个重要目标。进行表征交叉硅波导的性能的重要参数包括透过率，交叉波导的串扰损耗，还有反射损耗。然而传统的波导交叉后，在原波导中只会剩下不超过70%的能量，同时串扰损耗会达到-9dB左右，这种效果是很难投入到实际应用的。基于以上目标，已经有一部分工作提供了解决方案，但是都有不可避免的缺陷。比如，在2007年P.Sanchis提出了利用改变角度的方法来增加效率（参见P.Sanchis,J.Galan,A.Griol,J.Marti,M.Piqueras,andJ.Perdigues,"Low-crosstalkinsilicon-on-insulatorwaveguidecrossingswithoptimized-angle,"PhotonicsTechnologyLetters,IEEE,vol.19,pp.1583-1585,2007），让波导和波导之间的角度为120度或者60度，而不是90度。这种虽然可以提高效率，但是改变了角度，由于一般的结构都是正交排列的，这使得集成的时候不是很方便，对于未来光子集成，并不是那么的有吸引力。同年，W.Bogaerts等又提出了基于一种模式扩展的机制来提高效率（参见W.Bogaerts,P.Dumon,D.V.Thourhout,andR.Baets,"Low-loss,low-cross-talkcrossingsforsilicon-on-insulatornanophotonicwaveguides,"Opticsletters,vol.32,pp.2801-2803,2007.）。我们知道，当光波通过波导的交叉结的时候，由于折射率的变化不存在，光波就失去了原来的限制作用，也就是说原来单模的波导会产生高阶的模式分量。而这种模式扩展的方式就是在交叉点处改变波导的宽度，使得原来曲折的波前能够重新整合成平整的平面波波前。这样就能够很好地使光波传播过去并且得到很小的串扰损失和反射损失。此外，值得一提的是，在2011年的光学快报（opticsexpress）上，A.V.Tsarev等又提出了一种新的方案（参见A.V.Tsarev,"Efficientsiliconwirewaveguidecrossingwithnegligiblelossandcrosstalk,"OpticsExpress,vol.19,pp.13732-13737,2011）。A.V.Tsarev指出，在已有的波导结构上，再铺一层聚合物层，这也能得到很好的效果，包括获得很高的透过率，较低的串扰损耗和反射损耗。根据这篇文章所述，可知这种结构的透过率能达到98%，同时串扰损耗只有-70dB，反射损耗只有-50dB。但是这种结构具有一种很致命的缺陷就是，其与硅基半导体工艺的不兼容性，另外其为了实现高性能的波导交叉需要引入额外的一层波导层，从而加大了制备的复杂度。因此，虽然其具有非常优异的性能，但是由于其上述的缺陷，在日后的集成光子器件的应用前景是非常有限的。由此可以知道，如何设计出一个具有良好性能并且小型化的硅波导交叉结构是一个有重大意义的挑战。
技术实现思路
本专利技术提出一种基于新的机制的波导交叉结构的具体设计，目的在于得到高透射率，低串扰损耗和低反射损耗，且结构简单，稳定性好，小型化，容易用硅基半导体工艺来实现的波导结构。本专利技术采用的技术方案为：一种微型高性能正交硅波导结构，采用正交交叉的波导结构，波导的组成材料为硅，在波导结构的内部、四个正交交叉口处分别设有棱镜结构，棱镜结构的折射率低于波导材料的折射率。进一步地，在波导结构的正交交叉点的四个外角处加设有修饰结构，其厚度与波导的厚度一致；所述修饰结构由两个形状相同的微结构拼接而成，两个微结构拼接后沿着正交交叉外角的对角线成镜面对称。进一步地，所述棱镜结构为凸透镜结构，其折射率为1。本专利技术设计的结构主要包括两部分内容，其中一部分是在交叉结构周围的小块硅结构，这种硅结构与硅波导的厚度一样，这样可以去除因厚度不同而造成的光散射。设在波导旁边的修饰结构主要的作用是支持被散射的大角度传播的波的传播。另外一个起主要作用的是在波导中间的类透镜结构，它在波导内部可以是镂空的，也就是说其折射率为空气的折射率，设为1。当波导的基模的光在波导内部传播的时候，遇到交叉结构时，会散射出大角度的波矢，如果没有本专利技术这种透镜结构，这部分光会在交叉的波导中传播或者被散射出自由空间。但是由于本专利技术这种透镜结构的存在，本来要散射出去的波，由于阻抗失配，其会被反射回来，这样就会抑制波的串扰损耗并且提高透过率。本专利技术的有益效果：（1）这种设计的器件的透过率损耗可以小于0.2dB，而串扰损耗可以达到小于-35dB，同时反射损耗可以为小于-30dB。这种条件完全可以满足产业生产的需求。（2）本专利技术的器件还具有非常微型化的优点，该器件的几何尺寸约为1×1um2，比之前报道的都要微小，甚至其几何尺寸可以小于5倍以上。（3）本专利技术的结构也同样适用于其他的高折射率限制的波导结构，只是对于不同材料的波导，其修饰硅结构的参数和棱镜结构的参数不同。因此，本专利技术这种简单、高效且微型化的波导交叉结构给未来高密度的硅基光子集成提供了新的保证和思路。对未来的高集成度、高性能的光子集成器件有重要意义。附图说明图1为本专利技术实施例1的波导结构示意图，(a)为整体设计的结构图，(b)为波导修饰硅结构的示意图。图2为本专利技术实施例2的波导结构示意图，(a)为整体设计的结构图，(b)为波导修饰硅结构的示意图。图3为棱镜结构示意图。图4为本专利技术图1（a）在不同情况下的电场x分量的场分布图，其中从(a)到(c)依次为存在前后左右四个棱镜结构的Ex场分布图、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微型高性能正交硅波导结构，采用正交交叉的波导结构，波导的组成材料为硅，其特征在于，在波导结构的内部、四个正交交叉口处分别设有凸透镜结构，凸透镜结构的折射率为1，低于波导材料的折射率；在波导结构的正交交叉点的四个外角处加设有修饰结构，其厚度与波导的厚度一致；所述修饰结构由两个形状相同的三角形微结构拼接而成，两个微结构拼接后沿着正交...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓平，卢明辉，戴明，徐叶龙，陈延峰，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：