一种新型的正交狭缝光波导结构及制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种新型的正交狭缝光波导结构及制造方法,包括衬底(101)，位于衬底(101)上的单晶硅层(102)及位于单晶硅层(102)上的正交狭缝结构，正交狭缝结构包括：正交结构的狭缝区域(104，105，107)，位于狭缝区域(104，105，107)正交交汇的中心区域(108)及包围狭缝区域(104，105，107)的周围区域(103，106)，中心区域(108)的折射率小于狭缝区域(104，105，107)的折射率，周围区域(103，106)的折射率大于狭缝区域(104，105，107)的折射率。本发明实现光场在狭缝结构中传输时的二维限制，并且通过调整结构尺寸和狭缝区域的材料，可以实现波导的色散与非线性特性的有效调节。
【专利说明】一种新型的正交狭缝光波导结构及制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光波导【技术领域】，特别是涉及一种新型的正交狭缝光波导结构及制造方法。
【背景技术】
[0002]大容量信息数据的高速传输依赖于全球光通信网络的高速发展。近年来在通信应用中集成光学逐渐凸显其重要地位，它对光场的强限制作用和较小的芯片尺寸有利于高效节能的光子器件，从而加速绿色信息技术的发展。集成光子技术能够和CMOS工艺完美兼容，这为建立空间网络、能源网络以及高效互联网提供了可能性。
[0003]高速光子通讯包含的传统操作包括光信号的调制、传输和探测。为了克服电子通讯的速度瓶颈，光子通讯还需要一些特殊的高级光信号处理功能，如信号再生、波长转换、可调延迟等。这些功能大多是基于非线性光波传输效应，同时受可调的波长色散和偏振特性共同影响。因此，在集成光子平台的波导中，色散特性、非线性特性以及偏振特性在一定范围内灵活可调尤为重要。
[0004]影响非线性系数的一个重要因素就是波导的色散。一般硅波导芯层和包层的高折射率差能产生强光场限制和高非线性特性，但是会造成速变波导色散，其影响超过材料色散而占据主导地位。非线性越强，获得宽频带的平坦色散就越难。在通讯实际应用中，权衡非线性效率和工作带宽显得更为明显。
[0005]自狭缝型波导(slotwaveguide)提出以来,其在集成光学方面的应用日益增加，它的基本结构是由两层高折射率材料中夹有一层几十纳米的低折射率材料，整个波导可以是水平结构或者竖直结构。根据麦克斯韦方程的边界条件，电位移矢量垂直分量连续，在低折射率处电场强度有显著增强。通过合理优化结构尺寸参数，可以将大部分光场限制在纳米尺寸的狭缝区。选择具有不同非线性系数的材料填充到狭缝区域，可以对波导的非线性特性进行控制。狭缝波导还可以是多层的，其设计更加灵活自由。
[0006]以Southern California大学的Willner小组为代表,对包括水平结构和垂直结构的狭缝波导进行了宽频带范围内的色散特性研究。且他们通过在狭缝区域填充两种不同材料(硫化玻璃和纳米晶硅)，对波导的色散特性和非线性特性进行了平衡调整。
【发明内容】
[0007]本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种新型的正交狭缝光波导结构及制造方法。
[0008]为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种新型的正交狭缝光波导结构，包括衬底(101)，位于所述衬底(101)上的单晶硅层(102)及位于所述单晶硅层(102)上的正交狭缝结构，所述正交狭缝结构包括:正交结构的狭缝区域(104,105,107),位于所述狭缝区域(104，105，107)正交交汇的中心区域(108)及包围所述狭缝区域(104，105，107)的周围区域(103，106)，所述中心区域(108)的折射率小于所述狭缝区域(104，105，107)的折射率，所述周围区域(103，106)的折射率大于所述狭缝区域(104，105，107)的折射率。
[0009]本发明实现光场在狭缝结构中传输时的二维限制，并且通过调整结构尺寸和区域的材料，可以实现波导的色散与非线性特性的有效调节。
[0010]本发明的一种优选实施方式中，所述狭缝区域(104，105，107)的材料为氮化物、纳米晶娃或硫化玻璃之一。
[0011]本发明通过调整狭缝区域的材料，可以实现波导的色散与非线性特性的有效调节。
[0012]本发明的一种优选实施方式中，所述中心区域(108)为空气。该中心区域为空气，折射率很小，则周围区域及狭缝区域的材料选择更多。
[0013]本发明的一种优选实施方式中，所述周围区域(103，106)的材料为多晶硅。
[0014]本发明通过调整周围区域的材料，可以实现波导的色散与非线性特性的有效调节。
[0015]本发明的一种优选实施方式中，所述单晶硅层(102)的厚度为40_100nm。
[0016]本发明的一种优选实施方式中，所述狭缝区域(104，107)的宽度与狭缝区域(105)高度相等，为10-50nm，所述包围所述狭缝区域的周围区域(103，106)的高度为200-350nm,宽度为 300_450nm。
[0017]本发明通过调整狭缝区域或者周围区域的尺寸可以实现波导的色散与非线性特性的有效调节。
[0018]本发明公开了一种新型正交狭缝光波导结构的制造方法，包括以下步骤:
[0019]第一步，在衬底(101)上外延生长一层单晶硅(102)；
[0020]第二步，在所述单晶硅(102)上外延生长周围区域(103，106)的第一层(103)，光刻、刻蚀所述第一层(103)，产生正交狭缝结构的狭缝区域(104，105，107)的第一区域(104)的容置腔；
[0021]第三步，在所述第一区域(104)的容置腔内及所述第一层(103)上外延生长狭缝区域材料，形成狭缝区域(104，105，107)的第一区域(104)，光刻、刻蚀，形成中心区域(108)及中心区域(108)两侧的狭缝区域(104，105，107)的第二区域(105)；
[0022]第四步，光刻，在掩膜的保护下，在所述第二区域(105)上外延生长周围区域
(103.106)的第二层(106)，去掉掩膜，形成正交狭缝结构的狭缝区域(104，105，107)的第三区域(107)的容置腔；
[0023]第五步，在所述第三区域(107)的容置腔内化学气相沉积狭缝区域材料，使所述狭缝区域材料填充入所述第三区域(107)的容置腔且不填充所述中心区域(108)，形成正交狭缝结构的狭缝区域(104，105，107)的第三区域(107)及中心区域(108)。
[0024]本发明通过采用光刻刻蚀、外延生长及化学气相沉积方法简单，操作方便，易于实现。
[0025]本发明的一种优选实施方式中，所述第一区域(104)和第二区域(105)的材料同时沉积形成或者先后两次沉积形成。
[0026]本发明的一种优选实施方式中，所述狭缝区域(104，105，107)的材料为氮化物、纳米晶硅或硫化玻璃之一或者任意多种组合，所述中心区域(108)为空气，所述周围区域
(103.106)的材料为多晶硅。
[0027]综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是:实现光场在狭缝结构中传输时的二维方向控制，且可以实现对于波导的色散特性和非线性特性的有效均衡，以达到实用要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1是本发明新型正交狭缝光波导结构的截面示意图。
[0029]图2是本发明新型正交狭缝光波导结构光场的仿真分布示意图，其中(a)光场分布2D图，(b)为光场分布3D图。
[0030]图3-图7是本发明新型正交狭缝光波导结构的制造步骤示意图。
【具体实施方式】
[0031]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0032]在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0033]在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0034]本发明公开了一种新型的正交狭缝光波导结构，如图1所示，包括衬底101，位于衬底101上的单晶硅层102及位于单晶硅层102上的正交狭缝结构，正交狭缝结构包括:正交结构的狭缝区域104，105，107，由狭缝区域104，105，107正交交汇的中心区域108及包围狭缝区域104，105，107的周围区域103，106，中心区域108的折射率小于狭缝区域104，105，107的折射率，周围区域103，106的折射率大于狭缝区域104，105，107的折射率。在本实施方式中，衬底101可以是现有的任何衬底材料，具体可以是硅、锗、锗化硅或砷化镓，但不限于硅、锗、锗化硅及砷化镓等。
[0035]需要注意的，在本实施方式中，正交结构应当理解为一条有宽度的直线垂直且相交于另一条有宽度的直线，一条有宽度的直线垂直于另多条有宽度的直线或者多条有宽度的直线垂直于另多条有宽度的直线，他们相交的宽度为中心区域。并不限于正交结构，也可以是相交结构，例成30度、45度或60度。包围狭缝区域的周围区域应当理解为一条有宽度的直线的外部与另一条有宽度的直线外部所形成的形状。
[0036]在本发明的一种优选实施方式中，狭缝区域104，105，107的材料为氮化物、纳米晶硅或硫化玻璃之一。
[0037]在本发明的一种优选实施方式中，中心区域108为空气。
[0038]在本发明的一种优选实施方式中，周围区域103，106的材料为多晶硅。
[0039]在本发明的一种优选实施方式中，单晶硅层102的厚度为40_100nm。
[0040]需要注意的，单晶硅层的厚度以Y轴方向为标准。
[0041]在本发明的一种优选实施方式中，狭缝区域(104，107)的宽度与狭缝区域(105)高度相等，为10_50nm，优选采用30nm，包围狭缝区域的周围区域(103，106)的高度为200-350nm，优选为 300nm，宽度为 300_450nm，优选为 350nm 或 400nm。
[0042]需要注意的，狭缝区域104，107的宽度以X轴方向为标准，狭缝区域105的高度及周围区域103，106的高度以Y轴方向为标准。在本实施方式中，狭缝区域形成的中间区域为正方形。
[0043]本发明公开了一种新型正交狭缝光波导结构的制造方法，包括以下步骤:
[0044]第一步，在衬底101上外延生长一层单晶硅102 ；
[0045]第二步，在单晶硅102上外延生长周围区域103，106的第一层103，光刻，刻蚀第一层103，产生正交狭缝结构的狭缝区域104，105，107的第一区域104的容置腔；
[0046]第三步，在第一区域104的容置腔内及第一层103上外延生长狭缝区域材料，形成狭缝区域104，105，107的第一区域104，光刻，刻蚀，形成中心区域108及中心区域108两侧的狭缝区域104，105，107的第二区域105 ；
[0047]第四步，光刻，在掩膜的保护下，在第二区域105上外延生长周围区域103，106的第二层106，去掉掩膜，形成正交狭缝结构的狭缝区域104，105，107的第三区域107的容置腔；
[0048]第五步，在第三区域107的容置腔内化学气相沉积狭缝区域材料，使狭缝区域材料填充入第三区域107的容置腔且不填充中心区域108，形成正交狭缝结构的狭缝区域104，105，107的第三区域107及中心区域108。
[0049]在本发明的一种优选实施方式中，采用上述方法制造新型正交狭缝光波导结构时，首先在锗化硅衬底101上外延生长一层单晶硅102，如图3所示。在单晶硅上外延生长多晶硅103后，光刻，刻蚀该多晶硅103，形成第一区域104的容置腔，在该容置腔104内外延生长硫化玻璃，如图4所示。随后光刻刻蚀该硫化玻璃，形成中心区域108及中心区域两侧的第二区域105，如图5所示。
[0050]在掩膜的保护下，在该硫化玻璃105上外延生长多晶硅106后，去掉掩膜，形成第三区域107的容置腔，如图6所示。用化学气相沉积填充第三区域107的容置腔，但不填充中心区域108，形成第三区域107，如图7所示。
[0051]需要注意的，采用化学气相沉积，将材料填充入狭缝区域107，由于狭缝区域107尺寸仅为十几纳米，可以自然形成中心区域108，但不限于采用化学气相沉积，也可以采用物理气相沉积。在本实施方式中，狭缝区域104、狭缝区域105、狭缝区域107的材料可以相同，也可以不同，例，氮化物、纳米晶硅或硫化玻璃之一或者任意多种组合等。
[0052]需要说明的，以上仅仅是给出了形成图1所示结构的一种方法，以上的工艺步骤经过适当的调整，也可以得到图1所示的结构。比如可以在第三步中不光刻刻蚀形成第二区域105，在第四步去掉掩膜后，光刻刻蚀形成第二区域105。
[0053]在本发明的一种优选实施方式中，狭缝区域104，105，107的材料为氮化物、纳米晶硅或硫化玻璃之一或者任意多种组合，中心区域108为空气，周围区域103，106的材料为多晶娃。
[0054]特别的，可以在第三步形成形成中心区域108后，在中心区域108的容置腔中外延生长其他材料。
[0055]在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0056]尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解:在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
【权利要求】
1.一种新型的正交狭缝光波导结构，其特征在于，包括衬底(101)，位于所述衬底(101)上的单晶硅层(102)及位于所述单晶硅层(102)上的正交狭缝结构，所述正交狭缝结构包括:正交结构的狭缝区域(104，105，107)，位于所述狭缝区域(104，105，107)正交交汇处的中心区域(108)及包围所述狭缝区域(104，105，107)的周围区域(103，106)，所述中心区域(108)的折射率小于所述狭缝区域(104，105，107)的折射率，所述周围区域(103，106)的折射率大于所述狭缝区域(104，105，107)的折射率。
2.根据权利要求1所述的新型正交狭缝光波导结构，其特征在于，所述狭缝区域(104，105，107)的材料为氮化物、纳米晶硅或硫化玻璃之一。
3.根据权利要求1所述的新型正交狭缝光波导结构，其特征在于，所述中心区域(108)为空气。
4.根据权利要求1所述的新型正交狭缝光波导结构，其特征在于，所述周围区域(103，106)的材料为多晶硅。
5.根据权利要求1所述的新型正交狭缝光波导结构，其特征在于，所述单晶硅层(102)的厚度为40-100nm。
6.根据权利要求1所述的新型正交狭缝光波导结构，其特征在于，所述狭缝区域(104，107)的宽度与狭缝区域(105)高度相等，为10-50nm，所述包围所述狭缝区域的周围区域(103，106)的高度为 200-350nm，宽度为 300_450nm。
7.根据权利要求1所述的新型正交狭缝光波导结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤: 第一步，在衬底(101)上外延生长一层单晶硅(102)； 第二步，在所述单晶硅(102)上外延生长周围区域(103，106)的第一层(103)，光刻、刻蚀所述第一层(103)，产生正交狭缝结构的狭缝区域(104，105，107)的第一区域(104)的容置腔； 第三步，在所述第一区域(104)的容置腔内及所述第一层(103)上外延生长狭缝区域材料，形成狭缝区域(104，105，107)的第一区域(104)，光刻、刻蚀，形成中心区域(108)及中心区域(108)两侧的狭缝区域(104，105，107)的第二区域(105)； 第四步，光刻，在掩膜的保护下，在所述第二区域(105)上外延生长周围区域(103，106)的第二层(106)，去掉掩膜，形成正交狭缝结构的狭缝区域(104，105，107)的第三区域(107)的容置腔； 第五步，在所述第三区域(107)的容置腔内化学气相沉积狭缝区域材料，使所述狭缝区域材料填充入所述第三区域(107)的容置腔且不填充所述中心区域(108)，形成正交狭缝结构的狭缝区域(104，105，107)的第三区域(107)及中心区域(108)。
8.根据权利要求7所述的新型正交狭缝光波导结构的制造方法，其特征在于，所述第一区域(104)和第二区域(105)的材料同时沉积形成或者先后两次沉积形成。
9.根据权利要求7所述的新型正交狭缝光波导结构的制造方法，其特征在于，所述狭缝区域(104,105,107)的材料为氮化物、纳米晶娃或硫化玻璃之一或者任意多种组合,所述中心区域(108)为空气，所述周围区域(103，106)的材料为多晶硅。
【文档编号】G02B6/136GK104267463SQ201410579910
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年10月23日 优先权日:2014年10月23日
【发明者】刘艳, 韩根全, 颜静 申请人:重庆大学