專利名稱：一種基于混合集成的光子晶體濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種基于介質(zhì)波導(dǎo)與光子晶體混合集成的濾波器。
背景技術(shù)：
上個(gè)世紀(jì)八十年末，Yablonovitch在控制材料的輻射特性方面[1]、John在光子的局域化方面[2]都做出了開創(chuàng)性的工作，幾乎同時(shí)提出了光子晶體的概念。光子晶體是用不同介電常數(shù)的物質(zhì)重復(fù)排列而成的大周期結(jié)構(gòu)[3]，在其光波頻率(ω)與倒易空間(k)的色散譜中，有可能出現(xiàn)慣穿整個(gè)譜圖的能隙，稱之為光子禁帶。出現(xiàn)光子禁帶的可能性與周期結(jié)構(gòu)的介電常數(shù)差成正比，并且光子晶體拒絕那些能量在其禁帶內(nèi)的光子進(jìn)入，或?qū)⑦@些光子局限在該晶體的缺陷中。這種限制完全不同于光波導(dǎo)全內(nèi)反射的機(jī)理，倒是與半導(dǎo)體晶格周期性對(duì)電子產(chǎn)生束縛相類似，其色散譜中的光子禁帶則是對(duì)應(yīng)著半導(dǎo)體能帶理論中的電子禁帶。隨著光子晶體的發(fā)展，使得在微小區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)光波回路集成有望成為可能，這大大激發(fā)了人們的興趣，不斷將光子晶體的禁帶從微波波段向紅外逼近，以尋求其在全光通信網(wǎng)和光計(jì)算中的應(yīng)用。
光子晶體在全光通信網(wǎng)和光計(jì)算中的一個(gè)重要應(yīng)用，就是平面光波回路，即光子集成。已有文章報(bào)道光子晶體波導(dǎo)和器件[4-6]，但其插入損耗巨大，約在15dB/mm以上，而較為成熟的平板條形介質(zhì)波導(dǎo)的插入損耗僅有0.5dB/cm，顯而易見，前者要大出后者300多倍。因此，我們認(rèn)為用介質(zhì)波導(dǎo)作為光波傳輸，用光子晶體在局部實(shí)現(xiàn)特殊功能，以此進(jìn)行混合集成的器件，則是未來的一個(gè)重要的發(fā)展方向。為此，我們申報(bào)基于該混合集成的濾波器專利。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是提供一種由平板條形介質(zhì)波導(dǎo)和光子晶體混合集成型的濾波器。其功能是在紅外和可見光波段中阻止某個(gè)或多個(gè)波長信號(hào)，而讓其余信號(hào)通過器件。該器件包括光波傳輸、濾波和模場(chǎng)耦合三個(gè)部分。
本發(fā)明的目的之二是通過平板條形介質(zhì)波導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的傳輸。平板條形介質(zhì)波導(dǎo)是較為成熟的技術(shù)，它具有插入損耗小、與外接光纖模場(chǎng)匹配良好等特性，因此，可以使光子晶體器件與外界形成較好的光波耦合渠道。
本發(fā)明一種基于混合集成的光子晶體濾波器，其功能是在紅外和可見光波段中阻止某個(gè)或多個(gè)波長信號(hào)，而讓其余信號(hào)通過器件，其特征在于，包括一基底；一下包層，該下包層制作在基底上；一下條形波導(dǎo)，該下條形波導(dǎo)制作在下包層上，其折射率大于下包層折射率；一上波導(dǎo)，該上波導(dǎo)制作在下條形波導(dǎo)的上面，其寬度應(yīng)小于或等于下條形波導(dǎo)的寬度，其折射率與下條形波導(dǎo)相同或不同，但應(yīng)大于下包層折射率；該上波導(dǎo)分為兩個(gè)部分，其相對(duì)的內(nèi)側(cè)端為楔形結(jié)構(gòu)，中間露出下條形波導(dǎo)，在露出的下條形波導(dǎo)的部分制備有光子晶體。
其中還包括一上包層，該上包層制作在濾波器的上面，該上包層的折射率小于下條形波導(dǎo)、上波導(dǎo)的折射率。
其中該光子晶體的周期是在波導(dǎo)平面上重復(fù)，而在垂直波導(dǎo)的方向上則是均勻無周期的，且貫穿下條形波導(dǎo)的厚度。
其中該周期結(jié)構(gòu)是一維之時(shí)，光子晶體就是垂直波導(dǎo)的豎片；該周期結(jié)構(gòu)是二維之時(shí)，光子晶體就是垂直波導(dǎo)的豎條，該豎條是圓洞或圓柱或是方洞或方柱，或是其它任意形狀的洞或柱。


為進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說明如后，其中圖1為濾波器的功能示意圖。
圖2是混合集成型光子晶體濾波器的立體示意圖。
圖3是條形介質(zhì)波導(dǎo)制備的工藝流程截面圖，A、B、C為三個(gè)工藝過程。
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖1，圖1為一濾波器框圖，其功能是阻止某一、或某幾個(gè)波長信號(hào)，而讓其余信號(hào)通過器件。
請(qǐng)參閱圖2，圖2為本發(fā)明一種基于混合集成的光子晶體濾波器的立體圖，包括一基底1；一下包層2，該下包層2制作在基底1上；一下條形波導(dǎo)3，該下條形波導(dǎo)3制作在下包層2上，其折射率大于下包層2折射率；一上波導(dǎo)4，該上波導(dǎo)4制作在下條形波導(dǎo)3的上面，其寬度應(yīng)小于或等于下條形波導(dǎo)3的寬度，其折射率與下條形波導(dǎo)3相同或不同，但應(yīng)大于下包層2折射率；該上波導(dǎo)4分為兩個(gè)部分，其相對(duì)的內(nèi)側(cè)端為楔形結(jié)構(gòu)5，中間露出下條形波導(dǎo)3，在露出的下條形波導(dǎo)3的部分制備有光子晶體6；其中該光子晶體6的周期是在波導(dǎo)平面上重復(fù)，而在垂直波導(dǎo)的方向上則是均勻無周期的，且貫穿下條形波導(dǎo)3的厚度。該周期結(jié)構(gòu)是一維之時(shí)，光子晶體6就是垂直波導(dǎo)的豎片；該周期結(jié)構(gòu)是二維之時(shí)，光子晶體6就是垂直波導(dǎo)的豎條，該豎條是圓洞或圓柱或是方洞或方柱，或是其它任意形狀的洞或柱。。
其中還包括一上包層7，該上包層7制作在濾波器的上面，該上包層7的折射率小于下條形波導(dǎo)3、上波導(dǎo)4的折射率。
本發(fā)明的制備過程1、條形介質(zhì)波導(dǎo)制備選則一個(gè)基底1，在該基底1上制備一下包層2，在該下包層2上制備一下波導(dǎo)層8，在該下波導(dǎo)層8上制備一上波導(dǎo)層9，參見圖3A。下波導(dǎo)層8的折射率可以等于上波導(dǎo)層9的折射率，也可以不等，但下波導(dǎo)層8和上波導(dǎo)層9的折射率都應(yīng)大于下包層2的折射率。通過分步刻蝕技術(shù)，將它們制備成橫截面為脊形或矩形的條形介質(zhì)波導(dǎo)，參見圖3B。刻蝕后的波導(dǎo)表面可以直接與空氣接觸、也可以被覆蓋一上包層7，且其折射率應(yīng)小于芯層折射率，見圖3C。
2、光子晶體制備在上述的分步刻蝕中，選則局部區(qū)域?qū)⑸喜▽?dǎo)4去除，在該局部區(qū)域的下條形波導(dǎo)3中通過預(yù)先設(shè)計(jì)、電子束曝光、和誘導(dǎo)耦合型離子刻蝕技術(shù)刻蝕出折射率光子晶體6。光子晶體6的周期是在波導(dǎo)平面上重復(fù)，而在垂直波導(dǎo)的方向上則是均勻無周期的，并貫穿下條形波導(dǎo)3的厚度。如果該周期結(jié)構(gòu)是一維的，光子晶體6就是垂直波導(dǎo)的豎片；如果該周期結(jié)構(gòu)是二維的，光子晶體6就是垂直波導(dǎo)的豎條。該豎條可以是圓洞或圓柱，可以是方洞或方柱，也可以是其它任意形狀的洞或柱。
3、模場(chǎng)耦合制備通過掩膜和刻蝕技術(shù)將上波導(dǎo)4分為兩部分，且相隔一定距離，其相互對(duì)應(yīng)端為楔形結(jié)構(gòu)端5，參見圖2。在光子晶體輸入端，上波導(dǎo)4通過俯視楔形終止其繼續(xù)延伸；而在光子晶體輸出端，上波導(dǎo)4通過俯視楔形又重新開始了其傳輸光波的功能。在此過程中，下條形波導(dǎo)3不變，與光子晶體相連。
原理說明1、條形介質(zhì)波導(dǎo)根據(jù)Snell折射定律，入射角、折射角、和折射率有下列關(guān)系n入·Sinθ入＝n折·Sinθ折(1)當(dāng)n入≤n折時(shí)，θ入≥θ折；當(dāng)n入≥n折時(shí)，以入≤θ折。對(duì)后一種情況，θ折有可能等于90度，也就是說發(fā)生了全反射。平板條形介質(zhì)波導(dǎo)就是依靠光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)所產(chǎn)生的全反射來束縛光波的，所以波導(dǎo)的折射率必須大于其上下包層、以及側(cè)壁的折射率。
2、光子晶體光子晶體是一種以折射率周期變化的人工結(jié)構(gòu)材料，通過這種周期變化，在光子晶體的色散譜上可以形成光子禁帶，當(dāng)光子的能量或波長落入光子禁帶的范圍內(nèi)，該光子則無法進(jìn)入或通過光子晶體。本專利正是利用光子晶體的這一特性，將一維或二維光子晶體制備在平板條形波導(dǎo)中，利用該禁帶來阻擋某個(gè)或多個(gè)波長的光信號(hào)，而非禁帶則為導(dǎo)通波段，從而達(dá)到濾波作用。
3、模場(chǎng)耦合本專利中的模場(chǎng)耦合是通過楔形結(jié)構(gòu)對(duì)大失配模場(chǎng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和連接，而楔形結(jié)構(gòu)又是制備在由多條相互重疊的波導(dǎo)上。由于兩條平行的波導(dǎo)之間具有橫向耦合效應(yīng)，在無外界干擾下，平行波導(dǎo)的光波能量可以相互傳遞，那么重疊在一起的兩條或多條波導(dǎo)中的光波就更容易進(jìn)行橫向耦合。本專利就是運(yùn)用了平行波導(dǎo)之間的橫向耦合原理，對(duì)重疊在一起的兩條或多條波導(dǎo)中的一條制備成兩個(gè)相對(duì)的楔形。在一個(gè)楔形端，將該條形波導(dǎo)中的模場(chǎng)能量耦合到其它條形波導(dǎo)中去；而在另一個(gè)楔形端，又將其它條形波導(dǎo)中的部分模場(chǎng)能量耦合回該條形波導(dǎo)中。
權(quán)利要求
1.一種基于混合集成的光子晶體濾波器，其功能是在紅外和可見光波段中阻止某個(gè)或多個(gè)波長信號(hào)，而讓其余信號(hào)通過器件，其特征在于，包括一基底；一下包層，該下包層制作在基底上；一下條形波導(dǎo)，該下條形波導(dǎo)制作在下包層上，其折射率大于下包層折射率；一上波導(dǎo)，該上波導(dǎo)制作在下條形波導(dǎo)的上面，其寬度應(yīng)小于或等于下條形波導(dǎo)的寬度，其折射率與下條形波導(dǎo)相同或不同，但應(yīng)大于下包層折射率；該上波導(dǎo)分為兩個(gè)部分，其相對(duì)的內(nèi)側(cè)端為楔形結(jié)構(gòu)，中間露出下條形波導(dǎo)，在露出的下條形波導(dǎo)的部分制備有光子晶體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于混合集成的光子晶體濾波器，其特征在于，其中還包括一上包層，該上包層制作在濾波器的上面，該上包層的折射率小于下條形波導(dǎo)、上波導(dǎo)的折射率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于混合集成的光子晶體濾波器，其特征在于，其中該光子晶體的周期是在波導(dǎo)平面上重復(fù)，而在垂直波導(dǎo)的方向上則是均勻無周期的，且貫穿下條形波導(dǎo)的厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、4所述的基于混合集成的光子晶體濾波器，其特征在于，其中該周期結(jié)構(gòu)是一維之時(shí)，光子晶體就是垂直波導(dǎo)的豎片；該周期結(jié)構(gòu)是二維之時(shí)，光子晶體就是垂直波導(dǎo)的豎條，該豎條是圓洞或圓柱或是方洞或方柱，或是其它任意形狀的洞或柱。
全文摘要
一種基于混合集成的光子晶體濾波器，其功能是在紅外和可見光波段中阻止某個(gè)或多個(gè)波長信號(hào)，而讓其余信號(hào)通過器件，包括一基底；一下包層，該下包層制作在基底上；一下條形波導(dǎo)，該下條形波導(dǎo)制作在下包層上，其折射率大于下包層折射率；上波導(dǎo)，該上波導(dǎo)制作在下條形波導(dǎo)的上面，其寬度應(yīng)小于或等于下條形波導(dǎo)的寬度，其折射率與下條形波導(dǎo)相同或不同，但應(yīng)大于下包層折射率；該上波導(dǎo)分為兩個(gè)部分，其相對(duì)的內(nèi)側(cè)端為楔形結(jié)構(gòu)，中間露出下條形波導(dǎo)，在露出的下條形波導(dǎo)的部分制備光子晶體。
文檔編號(hào)G02B6/10GK1815282SQ200510007088
公開日2006年8月9日 申請(qǐng)日期2005年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月3日
發(fā)明者韓培德, 陸曉東, 全宇軍, 葉志成, 竇金鋒 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所