一种波导交叉单元及其制作方法
【专利摘要】本发明提供的一种波导交叉单元及其制作方法，其中，基于SOI的波导交叉单元包括：衬底、下层光波导、上层光波导、中间层及隔离层；下层光波导与上层光波导呈桥式结构相互交叉设置在衬底上；隔离层设置在衬底的中间部位处，中间层分别设置在下层光波导、隔离层的上表面，上层光波导设置在中间层的上表面；下层光波导与上层光波导的折射率相同；中间层的折射率小于下层光波导的折射率；隔离层的折射率小于下层光波导的折射率；衬底的折射率小于下层光波导的折射率；隔离层的折射率小于中间层的折射率；本发明具有低损耗、低串扰的结构特点。
【专利说明】一种波导交叉单元及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光波导【技术领域】，特别涉及一种波导交叉单元及其制作方法。
【背景技术】
[0002]现代光子技术的发展对器件的集成性、片上器件密度、功能、性能等要求越来越高，这使得单芯片上光波导之间交叉次数大大增加。同时，SOI (Silicon On Isolator,绝缘衬底上的硅)材料作为光集成研究的热点材料具有导光特性好、对光的限制作用强以及与标准CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor,互补金属氧化物半导体)工艺完全兼容等优点，然而SOI大的芯/包折射率差使其导模的空间角很大，从而导致光在波导交叉的部分会产生显著的散射。SOI光波导单次直接交叉的损耗和串扰分别为I?1.5dB和-10?-15dB，大量交叉产生的损耗和串扰对单芯片而言将难以接受。因此，寻找一种低损耗、低串扰、具有紧凑性且与现代半导体工艺相容的光波导交叉方案一直是现阶段急需解决的难题。
【发明内容】
[0003]本发明所要解决的技术问题是提供一种低损耗、低串扰的基于SOI的波导交叉单元及其制作方法。
[0004]为解决上述技术问题，依据本发明的一个方面，提供了一种波导交叉单元，包括:衬底、下层光波导、上层光波导、中间层及隔离层；所述下层光波导与所述上层光波导呈桥式结构相互交叉设置在所述衬底上；所述隔离层设置在所述衬底的中间部位处，且覆盖在所述下层光波导的上表面；所述中间层分别设置在所述下层光波导和所述隔离层的上表面，且覆盖所述衬底；所述上层光波导设置在所述中间层的上表面；所述下层光波导与所述上层光波导的折射率相同；所述中间层的折射率小于所述下层光波导的折射率；所述隔离层的折射率小于所述下层光波导的折射率；所述衬底的折射率小于所述下层光波导的折射率；所述隔离层的折射率小于所述中间层的折射率；所述衬底、所述下层光波导、所述上层光波导及所述中间层构成波导交叉单元的垂直耦合部分，所述垂直耦合部分由下至上依次为:所述衬底、所述下层光波导、所述中间层、所述上层光波导；所述衬底、所述下层光波导、所述上层光波导、所述中间层及所述隔离层构成波导交叉单元的交叉部分，所述交叉部分由下至上依次为:所述衬底、所述下层光波导、所述隔离层、所述中间层和所述上层光波导。
[0005]进一步地，所述下层光波导是直波导和锥形波导中的一种；和/或，所述上层光波导是直波导和锥形波导中的一种。
[0006]进一步地，还包括:包层；所述包层设置在所述上层光波导的上表面，且覆盖所述上层光波导；所述包层的折射率小于所述下层光波导的折射率。
[0007]进一步地，所述上层光波导的宽度大于或等于所述下层光波导的宽度。
[0008]又一方面，本发明提供了一种基于SOI的波导交叉单元制作方法，包括:对光波导材料基片进行初次刻蚀，生成相互交叉的下层光波导；所述下层光波导的折射率为Il1 ;在生成有下层光波导的光波导材料基片中间部位处生长隔离层；所述隔离层覆盖所述下层光波导；所述隔离层的折射率为n2 ;对所述光波导材料基片上除生长隔离层区域外的其他区域进行二次刻蚀至所述下层光波导的上表面；分别在所述下层光波导、所述隔离层上生长中间层；所述中间层覆盖所述光波导材料基片；所述中间层的折射率为n3 ;在所述中间层上生长上层光波导；所述上层光波导的折射率为n4 ;其中，n2小于Ii1 ；n3小于Ii1 ；n2小于n3等于n4。
[0009]进一步地，还包括:在生成有所述下层光波导、所述隔离层、所述中间层及所述上层光波导的光波导材料基片上生长包层；所述包层覆盖所述下层光波导、所述隔离层、所述中间层及所述上层光波导。
[0010]进一步地，还包括:在所述光波导材料基片上除生长隔离层区域外的其他区域进行二次刻蚀之前，对所述隔离层进行平坦化；平坦化之后的所述隔离层的上表面与所述下层光波导的上表面的垂直距离大于零。
[0011]进一步地，还包括:在所述中间层上生长上层光波导之前，对所述中间层进行平坦化；平坦化之后的所述中间层的上表面与所述下层光波导的上表面的垂直距离大于零。
[0012]本发明提供了的一种波导交叉单元，通过将下层光波导与上层光波导采用桥式结构相互交叉设置在衬底上(下层光波导在下，上层光波导在上)；将隔离层设置在衬底的中间部位处，且覆盖在下层光波导的上表面；中间层分别设置在下层光波导、隔离层的上表面，且覆盖衬底；上层光波导设置在中间层的上表面，实现了相互交叉的两支光波导中的一支首先通过下层光波导进行传输，然后耦合至上层光波导中，另一支在下层光波导中保持原有的方向进行传输，从而使原本应该产生交叉的两支光波导在空间上分为上、下两层光波导，同时在交叉部分的下层光波导、上层光波导之间填充低折射率的隔离层使串扰几乎为零，填充较大折射率的中间层实现了短距离、高效率的光束耦合；具有低损耗、低串扰的结构特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0014]图1为本发明实施例提供的一种波导交叉单元结构主视图；以及
[0015]图2为本发明实施例提供的一种波导交叉单元中，未设置隔离层时衬底及下层光波导的结构俯视图；以及
[0016]图3为本发明实施例提供的一种波导交叉单元中，设置隔离层后衬底、下层光波导及隔离层的结构俯视图；以及
[0017]图4为本发明实施例提供的一种波导交叉单元中，设置上层光波导后衬底、下层光波导、隔离层、中间层及上层光波导的结构俯视图；以及
[0018]图5为本发明实施例提供的一种波导交叉单元制作方法的工艺流程图；
[0019]其中，衬底-101，下层光波导-102，上层光波导-103，中间层-104，包层-105，隔离层-106。
【具体实施方式】
[0020]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0021]请参阅图1，本发明实施例提供的一种波导交叉单元，包括:衬底101、下层光波导102、上层光波导103、中间层104及隔离层106 ;其中，下层光波导102与上层光波导103呈桥式结构相互交叉设置在衬底101上(下层光波导102在下，上层光波导103在上);隔离层104设置在衬底101的中间部位处，且覆盖在下层光波导102的上表面；中间层104分别设置在下层光波导102、隔离层106的上表面，且覆盖衬底101 ;上层光波导103设置在中间层104的上表面。
[0022]具体而言，请参阅图2-4，可选用基于SIO的光波导材料基片作为波导交叉单元的衬底101，该衬底101可呈方形结构；在衬底101的上表面可设置呈十字型交叉结构的若干条下层光波导102，以设置方形条状的竖直下层光波导、水平下层光波导为例，其中，竖直下层光波导与水平下层光波导相互垂直，且竖直下层光波导整体覆盖在衬底101的上表面，水平下层光波导与竖直下层光波导重叠部分留有空白区域，该空白区域可用于设置隔离层106，该隔离层106覆盖在竖直下层光波导的上表面；中间层104分别设置在下层光波导102、隔离层106的上表面，且覆盖衬底101 ;上层光波导103设置在中间层104的上表面。最终实现在衬底101的上表面除设置有隔离层106以外的区域，由衬底101、下层光波导102、上层光波导103及中间层104构成波导交叉单元的垂直耦合部分，该垂直耦合部分由下至上依次为:衬底101、下层光波导102、中间层104、上层光波导103 ;在衬底101的上表面设置有隔离层106的区域，由衬底101、下层光波导102、上层光波导103、中间层104及隔离层106构成波导交叉单元的交叉部分，该交叉部分由下至上依次为:衬底101、下层光波导102、隔离层106、中间层104、上层光波导103。
[0023]需要指出的是，下层光波导102与上层光波导103的折射率相同或相近冲间层104的折射率(略)小于下层光波导102的折射率；隔离层106的折射率小于下层光波导102的折射率；衬底101的折射率小于下层光波导102的折射率；隔离层106的折射率小于中间层104的折射率；实际作业过程中，本实施例通过采用桥式结构将相互交叉的两支光波导中的一支首先通过水平的下层光波导102进行传输，然后通过垂直耦合器耦合至上层光波导103中进行传输,另一支在竖直的下层光波导102中保持原有的方向进行传输,从而使原本应该产生交叉的两支光波导在空间上分为上、下两层光波导，同时在交叉部分的下层光波导102、上层光波导103之间填充低折射率的隔离层106使串扰几乎为零，填充较大折射率的中间层实现了短距离、高效率的光束耦合。
[0024]本实施例中，为对衬底101上所设置的下层光波导102、上层光波导103、中间层104及隔离层106进行防护，优选的，各层上表面还设置有包层，进而避免下层光波导102、上层光波导103、中间层104及隔离层106直接裸露在空气中，起到防护作用。下层光波导102、上层光波导103均可以是直波导、或者宽度逐渐变小的锥形波导中的一种。[0025]请参阅图5，本发明实施例提供的一种波导交叉单元制作方法，主要包括以下步骤:
[0026]步骤201，对光波导材料基片进行初次刻蚀，生成相互交叉的下层光波导；所述下层光波导的折射率为Ii1 ;步骤202，在生成有下层光波导的光波导材料基片中间部位处生长隔离层；所述隔离层覆盖所述下层光波导；所述隔离层的折射率为n2 ;步骤203，对所述光波导材料基片上除生长隔离层区域(图3所示的阴影区域)外的其他区域进行二次刻蚀至所述下层光波导的上表面；步骤204，分别在所述下层光波导、所述隔离层上生长中间层；所述中间层覆盖所述光波导材料基片；所述中间层的折射率为H3 ;步骤205，在所述中间层上生长上层光波导(或者在光波导材料基片生长上层光波导，对光波导材料基片上除生长中间层区域外的其他区域进行三次刻蚀至下层光波导的上表面，未被刻蚀的区域即图4所示的阴影区域，即为上层光波导);所述上层光波导的折射率为H4 ；n2和/或n3小于Ii1 ；n2小于n3 !Ii1 等于 η4。
[0027]其中，对于步骤202中生长的隔离层106、步骤204中生长的中间层104，由于各自表面会存在凸起，因此，在光波导材料基片上除生长隔离层区域外的其他区域进行二次刻蚀之前，对隔离层106进行平坦化(抛光);平坦化之后的隔离层106的上表面与下层光波导102的上表面的垂直距离大于零；同样的，在中间层104上生长上层光波导103之前，对中间层104进行平坦化(抛光)；平坦化之后的中间层104的上表面与下层光波导102的上表面的垂直距离大于零。同时，在生成有下层光波导102、隔离层106、中间层104及上层光波导103的光波导材料基片上(衬底101)生长包层105 ;且包层105覆盖下层光波导102、隔离层106、中间层104及上层光波导103，进而避免下层光波导102、上层光波导103、中间层104及隔离层106直接裸露在空气中，起到防护作用。
[0028]需要说明的是，由于一种基于SOI的波导交叉单元制作方法的实施例与用于一种基于SOI的波导交叉单元的实施例是对应的，因此，方法实施例中未详述部分可以参见波导交叉单元实施例中的介绍`，这里不再赘述。
[0029]本发明实施例提供的一种波导交叉单元及其制作方法(适合于高折射率差材料)，通过采用桥式结构制作含有隔离层、中间层的波导交叉单元，在实际作业过程中，将相互交叉的两支光波导中的一支首先通过水平的下层光波导102进行传输，然后在波导交叉单元的垂直耦合部分通过垂直耦合器耦合至上层光波导103中进行传输，另一支在竖直的下层光波导102中保持原有的方向进行传输,从而使原本应该产生交叉的两支光波导在空间上分为上、下两层光波导，同时在交叉部分的下层光波导102、上层光波导103之间填充低折射率的隔离层106使串扰几乎为零，填充较大折射率的中间层实现了短距离、高效率的光束耦合。本发明实施例通过对波导交叉单元的结构进行重新设计，使得其在低损耗、低串扰的同时长度大为缩短，适用于使用高折射率差的光波导材料进行的光集成，具有结构简单、适用性广的特点。
[0030]最后所应说明的是，以上【具体实施方式】仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【权利要求】
1.一种波导交叉单元，其特征在于，包括: 衬底、下层光波导、上层光波导、中间层及隔离层； 所述下层光波导与所述上层光波导呈桥式结构相互交叉设置在所述衬底上；所述隔离层设置在所述衬底的中间部位处，且覆盖所述下层光波导的位于所述衬底中间部位的部分的上表面；所述中间层分别设置在所述下层光波导和所述隔离层的上表面，且覆盖所述衬底；所述上层光波导设置在所述中间层的上表面； 所述下层光波导与所述上层光波导的折射率相同；所述中间层的折射率小于所述下层光波导的折射率；所述隔离层的折射率小于所述下层光波导的折射率；所述衬底的折射率小于所述下层光波导的折射率；所述隔离层的折射率小于所述中间层的折射率； 所述衬底、所述下层光波导、所述上层光波导及所述中间层构成波导交叉单元的垂直耦合部分，所述垂直耦合部分由下至上依次为:所述衬底、所述下层光波导、所述中间层、所述上层光波导； 所述衬底、所述下层光波导、所述上层光波导、所述中间层及所述隔离层构成波导交叉单元的交叉部分，所述交叉部分由下至上依次为:所述衬底、所述下层光波导、所述隔离层、所述中间层和所述上层光波导。
2.根据权利要求1所述的基于SOI的波导交叉单元，其特征在于: 所述下层光波导是直波导和锥形波导中的一种； 和/或， 所述上层光波导是直波导和锥形波导中的一种。
3.根据权利要求1所述的基于SOI的波导交叉单元，其特征在于，还包括: 包层； 所述包层设置在所述上层光波导的上表面，且覆盖所述上层光波导；所述包层的折射率小于所述下层光波导的折射率。
4.根据权利要求1-3任一项所述的波导交叉单元，其特征在于: 所述上层光波导的宽度大于或等于所述下层光波导的宽度。
5.一种波导交叉单元制作方法，其特征在于，包括: 对光波导材料基片进行初次刻蚀，生成相互交叉的下层光波导；所述下层光波导的折射率为Ii1 ； 在生成有下层光波导的光波导材料基片中间部位处生长隔离层；所述隔离层覆盖所述下层光波导；所述隔离层的折射率为H2 ； 对所述光波导材料基片上除生长隔离层区域外的其他区域进行二次刻蚀至所述下层光波导的上表面； 分别在所述下层光波导和所述隔离层上生长中间层；所述中间层覆盖所述光波导材料基片；所述中间层的折射率为H3 ; 在所述中间层上生长上层光波导；所述上层光波导的折射率为H4 ； 其中，n2小于II1 ；n3小于II1 ；n2小于n3 等于n4。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括: 在生成有所述下层光波导、所述隔离层、所述中间层及所述上层光波导的光波导材料基片上生长包层；所述包层覆盖所述下层光波导、所述隔离层、所述中间层及所述上层光波导。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括: 在所述光波导材料基片上除生长隔离层区域外的其他区域进行二次刻蚀之前，对所述隔离层进行平坦化；平坦化之后的所述隔离层的上表面与所述下层光波导的上表面的垂直距离大于零。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括: 在所述中间层上生长上层光波导之前，对所述中间层进行平坦化；平坦化之后的所述中间层的上表面与所述下层`光波导的上表面的垂直距离大于零。
【文档编号】G02B6/125GK103777273SQ201410048787
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年2月12日 优先权日:2014年2月12日
【发明者】刘陈, 魏玉明, 刘德明 申请人:华中科技大学