一種波導(dǎo)交叉單元及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的一種波導(dǎo)交叉單元及其制作方法，其中，基于SOI的波導(dǎo)交叉單元包括：襯底、下層光波導(dǎo)、上層光波導(dǎo)、中間層及隔離層；下層光波導(dǎo)與上層光波導(dǎo)呈橋式結(jié)構(gòu)相互交叉設(shè)置在襯底上；隔離層設(shè)置在襯底的中間部位處，中間層分別設(shè)置在下層光波導(dǎo)、隔離層的上表面，上層光波導(dǎo)設(shè)置在中間層的上表面；下層光波導(dǎo)與上層光波導(dǎo)的折射率相同；中間層的折射率小于下層光波導(dǎo)的折射率；隔離層的折射率小于下層光波導(dǎo)的折射率；襯底的折射率小于下層光波導(dǎo)的折射率；隔離層的折射率小于中間層的折射率；本發(fā)明具有低損耗、低串?dāng)_的結(jié)構(gòu)特點。
【專利說明】一種波導(dǎo)交叉單元及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光波導(dǎo)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種波導(dǎo)交叉單元及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代光子技術(shù)的發(fā)展對器件的集成性、片上器件密度、功能、性能等要求越來越高，這使得單芯片上光波導(dǎo)之間交叉次數(shù)大大增加。同時，SOI (Silicon On Isolator,絕緣襯底上的硅)材料作為光集成研究的熱點材料具有導(dǎo)光特性好、對光的限制作用強以及與標(biāo)準(zhǔn)CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor,互補金屬氧化物半導(dǎo)體)工藝完全兼容等優(yōu)點，然而SOI大的芯/包折射率差使其導(dǎo)模的空間角很大，從而導(dǎo)致光在波導(dǎo)交叉的部分會產(chǎn)生顯著的散射。SOI光波導(dǎo)單次直接交叉的損耗和串?dāng)_分別為I?1.5dB和-10?-15dB，大量交叉產(chǎn)生的損耗和串?dāng)_對單芯片而言將難以接受。因此，尋找一種低損耗、低串?dāng)_、具有緊湊性且與現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝相容的光波導(dǎo)交叉方案一直是現(xiàn)階段急需解決的難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種低損耗、低串?dāng)_的基于SOI的波導(dǎo)交叉單元及其制作方法。
[0004]為解決上述技術(shù)問題，依據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種波導(dǎo)交叉單元，包括:襯底、下層光波導(dǎo)、上層光波導(dǎo)、中間層及隔離層；所述下層光波導(dǎo)與所述上層光波導(dǎo)呈橋式結(jié)構(gòu)相互交叉設(shè)置在所述襯底上；所述隔離層設(shè)置在所述襯底的中間部位處，且覆蓋在所述下層光波導(dǎo)的上表面；所述中間層分別設(shè)置在所述下層光波導(dǎo)和所述隔離層的上表面，且覆蓋所述襯底；所述上層光波導(dǎo)設(shè)置在所述中間層的上表面；所述下層光波導(dǎo)與所述上層光波導(dǎo)的折射率相同；所述中間層的折射率小于所述下層光波導(dǎo)的折射率；所述隔離層的折射率小于所述下層光波導(dǎo)的折射率；所述襯底的折射率小于所述下層光波導(dǎo)的折射率；所述隔離層的折射率小于所述中間層的折射率；所述襯底、所述下層光波導(dǎo)、所述上層光波導(dǎo)及所述中間層構(gòu)成波導(dǎo)交叉單元的垂直耦合部分，所述垂直耦合部分由下至上依次為:所述襯底、所述下層光波導(dǎo)、所述中間層、所述上層光波導(dǎo)；所述襯底、所述下層光波導(dǎo)、所述上層光波導(dǎo)、所述中間層及所述隔離層構(gòu)成波導(dǎo)交叉單元的交叉部分，所述交叉部分由下至上依次為:所述襯底、所述下層光波導(dǎo)、所述隔離層、所述中間層和所述上層光波導(dǎo)。
[0005]進一步地，所述下層光波導(dǎo)是直波導(dǎo)和錐形波導(dǎo)中的一種；和/或，所述上層光波導(dǎo)是直波導(dǎo)和錐形波導(dǎo)中的一種。
[0006]進一步地，還包括:包層；所述包層設(shè)置在所述上層光波導(dǎo)的上表面，且覆蓋所述上層光波導(dǎo)；所述包層的折射率小于所述下層光波導(dǎo)的折射率。
[0007]進一步地，所述上層光波導(dǎo)的寬度大于或等于所述下層光波導(dǎo)的寬度。
[0008]又一方面，本發(fā)明提供了一種基于SOI的波導(dǎo)交叉單元制作方法，包括:對光波導(dǎo)材料基片進行初次刻蝕，生成相互交叉的下層光波導(dǎo)；所述下層光波導(dǎo)的折射率為Il1 ;在生成有下層光波導(dǎo)的光波導(dǎo)材料基片中間部位處生長隔離層；所述隔離層覆蓋所述下層光波導(dǎo)；所述隔離層的折射率為n2 ;對所述光波導(dǎo)材料基片上除生長隔離層區(qū)域外的其他區(qū)域進行二次刻蝕至所述下層光波導(dǎo)的上表面；分別在所述下層光波導(dǎo)、所述隔離層上生長中間層；所述中間層覆蓋所述光波導(dǎo)材料基片；所述中間層的折射率為n3 ;在所述中間層上生長上層光波導(dǎo)；所述上層光波導(dǎo)的折射率為n4 ;其中，n2小于Ii1 ；n3小于Ii1 ；n2小于n3等于n4。
[0009]進一步地，還包括:在生成有所述下層光波導(dǎo)、所述隔離層、所述中間層及所述上層光波導(dǎo)的光波導(dǎo)材料基片上生長包層；所述包層覆蓋所述下層光波導(dǎo)、所述隔離層、所述中間層及所述上層光波導(dǎo)。
[0010]進一步地，還包括:在所述光波導(dǎo)材料基片上除生長隔離層區(qū)域外的其他區(qū)域進行二次刻蝕之前，對所述隔離層進行平坦化；平坦化之后的所述隔離層的上表面與所述下層光波導(dǎo)的上表面的垂直距離大于零。
[0011]進一步地，還包括:在所述中間層上生長上層光波導(dǎo)之前，對所述中間層進行平坦化；平坦化之后的所述中間層的上表面與所述下層光波導(dǎo)的上表面的垂直距離大于零。
[0012]本發(fā)明提供了的一種波導(dǎo)交叉單元，通過將下層光波導(dǎo)與上層光波導(dǎo)采用橋式結(jié)構(gòu)相互交叉設(shè)置在襯底上(下層光波導(dǎo)在下，上層光波導(dǎo)在上)；將隔離層設(shè)置在襯底的中間部位處，且覆蓋在下層光波導(dǎo)的上表面；中間層分別設(shè)置在下層光波導(dǎo)、隔離層的上表面，且覆蓋襯底；上層光波導(dǎo)設(shè)置在中間層的上表面，實現(xiàn)了相互交叉的兩支光波導(dǎo)中的一支首先通過下層光波導(dǎo)進行傳輸，然后耦合至上層光波導(dǎo)中，另一支在下層光波導(dǎo)中保持原有的方向進行傳輸，從而使原本應(yīng)該產(chǎn)生交叉的兩支光波導(dǎo)在空間上分為上、下兩層光波導(dǎo)，同時在交叉部分的下層光波導(dǎo)、上層光波導(dǎo)之間填充低折射率的隔離層使串?dāng)_幾乎為零，填充較大折射率的中間層實現(xiàn)了短距離、高效率的光束耦合；具有低損耗、低串?dāng)_的結(jié)構(gòu)特點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0014]圖1為本發(fā)明實施例提供的一種波導(dǎo)交叉單元結(jié)構(gòu)主視圖；以及
[0015]圖2為本發(fā)明實施例提供的一種波導(dǎo)交叉單元中，未設(shè)置隔離層時襯底及下層光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)俯視圖；以及
[0016]圖3為本發(fā)明實施例提供的一種波導(dǎo)交叉單元中，設(shè)置隔離層后襯底、下層光波導(dǎo)及隔離層的結(jié)構(gòu)俯視圖；以及
[0017]圖4為本發(fā)明實施例提供的一種波導(dǎo)交叉單元中，設(shè)置上層光波導(dǎo)后襯底、下層光波導(dǎo)、隔離層、中間層及上層光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)俯視圖；以及
[0018]圖5為本發(fā)明實施例提供的一種波導(dǎo)交叉單元制作方法的工藝流程圖；
[0019]其中，襯底-101，下層光波導(dǎo)-102，上層光波導(dǎo)-103，中間層-104，包層-105，隔離層-106。
【具體實施方式】
[0020]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0021]請參閱圖1，本發(fā)明實施例提供的一種波導(dǎo)交叉單元，包括:襯底101、下層光波導(dǎo)102、上層光波導(dǎo)103、中間層104及隔離層106 ;其中，下層光波導(dǎo)102與上層光波導(dǎo)103呈橋式結(jié)構(gòu)相互交叉設(shè)置在襯底101上(下層光波導(dǎo)102在下，上層光波導(dǎo)103在上);隔離層104設(shè)置在襯底101的中間部位處，且覆蓋在下層光波導(dǎo)102的上表面；中間層104分別設(shè)置在下層光波導(dǎo)102、隔離層106的上表面，且覆蓋襯底101 ;上層光波導(dǎo)103設(shè)置在中間層104的上表面。
[0022]具體而言，請參閱圖2-4，可選用基于SIO的光波導(dǎo)材料基片作為波導(dǎo)交叉單元的襯底101，該襯底101可呈方形結(jié)構(gòu)；在襯底101的上表面可設(shè)置呈十字型交叉結(jié)構(gòu)的若干條下層光波導(dǎo)102，以設(shè)置方形條狀的豎直下層光波導(dǎo)、水平下層光波導(dǎo)為例，其中，豎直下層光波導(dǎo)與水平下層光波導(dǎo)相互垂直，且豎直下層光波導(dǎo)整體覆蓋在襯底101的上表面，水平下層光波導(dǎo)與豎直下層光波導(dǎo)重疊部分留有空白區(qū)域，該空白區(qū)域可用于設(shè)置隔離層106，該隔離層106覆蓋在豎直下層光波導(dǎo)的上表面；中間層104分別設(shè)置在下層光波導(dǎo)102、隔離層106的上表面，且覆蓋襯底101 ;上層光波導(dǎo)103設(shè)置在中間層104的上表面。最終實現(xiàn)在襯底101的上表面除設(shè)置有隔離層106以外的區(qū)域，由襯底101、下層光波導(dǎo)102、上層光波導(dǎo)103及中間層104構(gòu)成波導(dǎo)交叉單元的垂直耦合部分，該垂直耦合部分由下至上依次為:襯底101、下層光波導(dǎo)102、中間層104、上層光波導(dǎo)103 ;在襯底101的上表面設(shè)置有隔離層106的區(qū)域，由襯底101、下層光波導(dǎo)102、上層光波導(dǎo)103、中間層104及隔離層106構(gòu)成波導(dǎo)交叉單元的交叉部分，該交叉部分由下至上依次為:襯底101、下層光波導(dǎo)102、隔離層106、中間層104、上層光波導(dǎo)103。
[0023]需要指出的是，下層光波導(dǎo)102與上層光波導(dǎo)103的折射率相同或相近沖間層104的折射率(略)小于下層光波導(dǎo)102的折射率；隔離層106的折射率小于下層光波導(dǎo)102的折射率；襯底101的折射率小于下層光波導(dǎo)102的折射率；隔離層106的折射率小于中間層104的折射率；實際作業(yè)過程中，本實施例通過采用橋式結(jié)構(gòu)將相互交叉的兩支光波導(dǎo)中的一支首先通過水平的下層光波導(dǎo)102進行傳輸，然后通過垂直耦合器耦合至上層光波導(dǎo)103中進行傳輸,另一支在豎直的下層光波導(dǎo)102中保持原有的方向進行傳輸,從而使原本應(yīng)該產(chǎn)生交叉的兩支光波導(dǎo)在空間上分為上、下兩層光波導(dǎo)，同時在交叉部分的下層光波導(dǎo)102、上層光波導(dǎo)103之間填充低折射率的隔離層106使串?dāng)_幾乎為零，填充較大折射率的中間層實現(xiàn)了短距離、高效率的光束耦合。
[0024]本實施例中，為對襯底101上所設(shè)置的下層光波導(dǎo)102、上層光波導(dǎo)103、中間層104及隔離層106進行防護，優(yōu)選的，各層上表面還設(shè)置有包層，進而避免下層光波導(dǎo)102、上層光波導(dǎo)103、中間層104及隔離層106直接裸露在空氣中，起到防護作用。下層光波導(dǎo)102、上層光波導(dǎo)103均可以是直波導(dǎo)、或者寬度逐漸變小的錐形波導(dǎo)中的一種。[0025]請參閱圖5，本發(fā)明實施例提供的一種波導(dǎo)交叉單元制作方法，主要包括以下步驟:
[0026]步驟201，對光波導(dǎo)材料基片進行初次刻蝕，生成相互交叉的下層光波導(dǎo)；所述下層光波導(dǎo)的折射率為Ii1 ;步驟202，在生成有下層光波導(dǎo)的光波導(dǎo)材料基片中間部位處生長隔離層；所述隔離層覆蓋所述下層光波導(dǎo)；所述隔離層的折射率為n2 ;步驟203，對所述光波導(dǎo)材料基片上除生長隔離層區(qū)域(圖3所示的陰影區(qū)域)外的其他區(qū)域進行二次刻蝕至所述下層光波導(dǎo)的上表面；步驟204，分別在所述下層光波導(dǎo)、所述隔離層上生長中間層；所述中間層覆蓋所述光波導(dǎo)材料基片；所述中間層的折射率為H3 ;步驟205，在所述中間層上生長上層光波導(dǎo)(或者在光波導(dǎo)材料基片生長上層光波導(dǎo)，對光波導(dǎo)材料基片上除生長中間層區(qū)域外的其他區(qū)域進行三次刻蝕至下層光波導(dǎo)的上表面，未被刻蝕的區(qū)域即圖4所示的陰影區(qū)域，即為上層光波導(dǎo));所述上層光波導(dǎo)的折射率為H4 ；n2和/或n3小于Ii1 ；n2小于n3 !Ii1 等于 η4。
[0027]其中，對于步驟202中生長的隔離層106、步驟204中生長的中間層104，由于各自表面會存在凸起，因此，在光波導(dǎo)材料基片上除生長隔離層區(qū)域外的其他區(qū)域進行二次刻蝕之前，對隔離層106進行平坦化(拋光);平坦化之后的隔離層106的上表面與下層光波導(dǎo)102的上表面的垂直距離大于零；同樣的，在中間層104上生長上層光波導(dǎo)103之前，對中間層104進行平坦化(拋光)；平坦化之后的中間層104的上表面與下層光波導(dǎo)102的上表面的垂直距離大于零。同時，在生成有下層光波導(dǎo)102、隔離層106、中間層104及上層光波導(dǎo)103的光波導(dǎo)材料基片上(襯底101)生長包層105 ;且包層105覆蓋下層光波導(dǎo)102、隔離層106、中間層104及上層光波導(dǎo)103，進而避免下層光波導(dǎo)102、上層光波導(dǎo)103、中間層104及隔離層106直接裸露在空氣中，起到防護作用。
[0028]需要說明的是，由于一種基于SOI的波導(dǎo)交叉單元制作方法的實施例與用于一種基于SOI的波導(dǎo)交叉單元的實施例是對應(yīng)的，因此，方法實施例中未詳述部分可以參見波導(dǎo)交叉單元實施例中的介紹`，這里不再贅述。
[0029]本發(fā)明實施例提供的一種波導(dǎo)交叉單元及其制作方法(適合于高折射率差材料)，通過采用橋式結(jié)構(gòu)制作含有隔離層、中間層的波導(dǎo)交叉單元，在實際作業(yè)過程中，將相互交叉的兩支光波導(dǎo)中的一支首先通過水平的下層光波導(dǎo)102進行傳輸，然后在波導(dǎo)交叉單元的垂直耦合部分通過垂直耦合器耦合至上層光波導(dǎo)103中進行傳輸，另一支在豎直的下層光波導(dǎo)102中保持原有的方向進行傳輸,從而使原本應(yīng)該產(chǎn)生交叉的兩支光波導(dǎo)在空間上分為上、下兩層光波導(dǎo)，同時在交叉部分的下層光波導(dǎo)102、上層光波導(dǎo)103之間填充低折射率的隔離層106使串?dāng)_幾乎為零，填充較大折射率的中間層實現(xiàn)了短距離、高效率的光束耦合。本發(fā)明實施例通過對波導(dǎo)交叉單元的結(jié)構(gòu)進行重新設(shè)計，使得其在低損耗、低串?dāng)_的同時長度大為縮短，適用于使用高折射率差的光波導(dǎo)材料進行的光集成，具有結(jié)構(gòu)簡單、適用性廣的特點。
[0030]最后所應(yīng)說明的是，以上【具體實施方式】僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照實例對本發(fā)明進行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1.一種波導(dǎo)交叉單元，其特征在于，包括: 襯底、下層光波導(dǎo)、上層光波導(dǎo)、中間層及隔離層； 所述下層光波導(dǎo)與所述上層光波導(dǎo)呈橋式結(jié)構(gòu)相互交叉設(shè)置在所述襯底上；所述隔離層設(shè)置在所述襯底的中間部位處，且覆蓋所述下層光波導(dǎo)的位于所述襯底中間部位的部分的上表面；所述中間層分別設(shè)置在所述下層光波導(dǎo)和所述隔離層的上表面，且覆蓋所述襯底；所述上層光波導(dǎo)設(shè)置在所述中間層的上表面； 所述下層光波導(dǎo)與所述上層光波導(dǎo)的折射率相同；所述中間層的折射率小于所述下層光波導(dǎo)的折射率；所述隔離層的折射率小于所述下層光波導(dǎo)的折射率；所述襯底的折射率小于所述下層光波導(dǎo)的折射率；所述隔離層的折射率小于所述中間層的折射率； 所述襯底、所述下層光波導(dǎo)、所述上層光波導(dǎo)及所述中間層構(gòu)成波導(dǎo)交叉單元的垂直耦合部分，所述垂直耦合部分由下至上依次為:所述襯底、所述下層光波導(dǎo)、所述中間層、所述上層光波導(dǎo)； 所述襯底、所述下層光波導(dǎo)、所述上層光波導(dǎo)、所述中間層及所述隔離層構(gòu)成波導(dǎo)交叉單元的交叉部分，所述交叉部分由下至上依次為:所述襯底、所述下層光波導(dǎo)、所述隔離層、所述中間層和所述上層光波導(dǎo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于SOI的波導(dǎo)交叉單元，其特征在于: 所述下層光波導(dǎo)是直波導(dǎo)和錐形波導(dǎo)中的一種； 和/或， 所述上層光波導(dǎo)是直波導(dǎo)和錐形波導(dǎo)中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于SOI的波導(dǎo)交叉單元，其特征在于，還包括: 包層； 所述包層設(shè)置在所述上層光波導(dǎo)的上表面，且覆蓋所述上層光波導(dǎo)；所述包層的折射率小于所述下層光波導(dǎo)的折射率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的波導(dǎo)交叉單元，其特征在于: 所述上層光波導(dǎo)的寬度大于或等于所述下層光波導(dǎo)的寬度。
5.一種波導(dǎo)交叉單元制作方法，其特征在于，包括: 對光波導(dǎo)材料基片進行初次刻蝕，生成相互交叉的下層光波導(dǎo)；所述下層光波導(dǎo)的折射率為Ii1 ； 在生成有下層光波導(dǎo)的光波導(dǎo)材料基片中間部位處生長隔離層；所述隔離層覆蓋所述下層光波導(dǎo)；所述隔離層的折射率為H2 ； 對所述光波導(dǎo)材料基片上除生長隔離層區(qū)域外的其他區(qū)域進行二次刻蝕至所述下層光波導(dǎo)的上表面； 分別在所述下層光波導(dǎo)和所述隔離層上生長中間層；所述中間層覆蓋所述光波導(dǎo)材料基片；所述中間層的折射率為H3 ; 在所述中間層上生長上層光波導(dǎo)；所述上層光波導(dǎo)的折射率為H4 ； 其中，n2小于II1 ；n3小于II1 ；n2小于n3 等于n4。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，還包括: 在生成有所述下層光波導(dǎo)、所述隔離層、所述中間層及所述上層光波導(dǎo)的光波導(dǎo)材料基片上生長包層；所述包層覆蓋所述下層光波導(dǎo)、所述隔離層、所述中間層及所述上層光波導(dǎo)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，還包括: 在所述光波導(dǎo)材料基片上除生長隔離層區(qū)域外的其他區(qū)域進行二次刻蝕之前，對所述隔離層進行平坦化；平坦化之后的所述隔離層的上表面與所述下層光波導(dǎo)的上表面的垂直距離大于零。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，還包括: 在所述中間層上生長上層光波導(dǎo)之前，對所述中間層進行平坦化；平坦化之后的所述中間層的上表面與所述下層`光波導(dǎo)的上表面的垂直距離大于零。
【文檔編號】G02B6/125GK103777273SQ201410048787
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年2月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月12日
【發(fā)明者】劉陳, 魏玉明, 劉德明 申請人:華中科技大學(xué)