一种基于SOI材料的交叉波导及其制备方法与流程

本发明涉及一种应用于光通信、光互联、光计算、光传感等领域的光波导，特别涉及一种基于SOI材料的交叉波导及其制备方法。

背景技术：

随着多核微处理器的出现，以及微处理器中的晶体管集成度越来越高，微处理器直接及其内部的互连带宽需求也在不断增长，电互连存在功耗大、时延长、串扰高等寄生效应问题越来越严重，成为互连带宽进一步增长的瓶颈。绝缘体上硅(Silicon-on-Insulator,SOI)是一种用于大规模集成电路的硅材料，其优越的光学特性引起了人们的重视，基于SOI的光互连技术成为了研究的热点。基于SOI的光互连技术具有功耗小、带宽高、时延短、串扰低等优势，与其他半导体材料相比，还具有以下优势：与微电子的CMOS工艺兼容，易于实现大规模光电子单片集成，降低器件成本；折射率差大，波导尺寸小，器件集成度高。将SOI基光互连技术与大规模集成电路技术相结合，可以在单片上实现光电子集成回路，这被认为是解决目前存在的电互连瓶颈的一种有效方案，其应用前景十分广阔。基于SOI的缝隙波导具有结构紧凑、集成度高、性能优越等特点，在光互连和光传感领域有很好的应用前景。

为了减小芯片面积，提高集成度，波导的交叉是光波导器件中不可避免的。由于折射率的不连续，波导的交叉区域会发生比较强的散射与反射，造成较大的损耗与串扰，影响芯片的性能。一般的单层SOI基光波导器件通过扩展交叉区域、优化交叉角度、设计多模干涉耦合器等方法来减弱交叉造成的影响。但是SOI基的缝隙波导与一般的SOI基光波导的结构不同，其交叉波导结构也需要特别的设计。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术中的上述缺陷，提供一种交叉损耗与串扰小，工作带宽大，制备工艺的容差大，适于低成本、高集成度、大规模制造的基于SOI材料的交叉波导及其制备方法。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：一种基于SOI材料的交叉波导，其由输入/输出区，交叉区，以及连接在输入/输出区和交叉区之间的过渡区组成；输入/输出区为缝隙直波导，该缝隙直波导由两条硅直波导，以及垂直缝隙组成，其中，两条硅直波导均为条形波导，垂直缝隙内填充二氧化硅；过渡区为缝隙弯曲波导，该缝隙弯曲波导由两条硅弯曲波导，以及垂直缝隙组成，其中，两条硅弯曲波导均为条形波导，垂直缝隙内填充高折射率二氧化硅；交叉区为一条直波导，该直波导由一条高折射率二氧化硅波导，以及二氧化硅组成。

此外，本发明还提供如下附属技术方案：

所述两条硅直波导均为单模波导。

所述两条硅弯曲波导均为单模波导。

所述输入/输出区的两条相互垂直的硅直波导通过所述过渡区的硅弯曲波导连接，避免折射率的突变和不连续。

所述过渡区内填充的高折射率二氧化硅与交叉区内的高折射率二氧化硅波导相连，构成了一个渐变的耦合结构。

相比于现有技术，本发明的基于SOI材料的交叉波导的优势如下：

1、将缝隙波导的交叉波导结构分成了输入/输出区、过渡区和交叉区，通过这三个区域光学模场的匹配与逐渐过渡，使得交叉损耗与串扰变得很小；

2、利用高折射率二氧化硅波导限制交叉区内的光信号，这使得交叉区的模场与过渡区的模场匹配得很好，交叉损耗与串扰都很小，几乎可以忽略不计；

3、交叉结构中采用宽度渐变的高折射率二氧化硅波导结构，不涉及谐振结构，工作带宽大、制备工艺的容差也大。

本发明还提供一种制备上述交叉波导的方法，其包括如下步骤：步骤1，以光刻胶为掩膜，用干法刻蚀技术刻蚀SOI顶层硅，制备硅缝隙波导结构，该缝隙波导包括：构成输入/输出区的缝隙直波导，以及构成过渡区的缝隙弯曲波导；步骤2，采用等离子体增强化学气相沉积法，在上述硅缝隙波导上淀积二氧化硅；再通过套刻工艺，以光刻胶为掩膜，用干法刻蚀技术刻蚀二氧化硅，形成空隙；步骤3，采用等离子体增强化学气相沉积法，淀积高折射率二氧化硅，填充步骤2所形成的空隙，沉积完成后用化学机械抛光方法，去除多余的高折射率二氧化硅；步骤4，通过套刻技术，以光刻胶为掩膜，用干法刻蚀技术浅刻蚀高折射率二氧化硅，完成用高折射率二氧化硅填充过渡区弯曲波导之间的垂直缝隙，完成交叉区高折射率二氧化硅波导的制作；最后采用等离子体增强化学气相沉积法，淀积二氧化硅作为外包层。

所述步骤4的高折射率二氧化硅掺杂有氧化锗。

相比与现有技术，本发明的交叉波导的制备方法优势为：与成熟的CMOS工艺相兼容，适于低成本、高集成度、大规模制造。

附图说明

图1是本发明的交叉波导结构的俯视图。

图2是沿图1中a-a线的截面图。

图3是沿图1中b-b线的截面图。

图4是沿图1中c-c线的截面图。

图5是交叉波导的制备方法中步骤1的流程图。

图6是交叉波导的制备方法中步骤2的流程图。

图7是交叉波导的制备方法中步骤3的流程图。

图8是交叉波导的制备方法中步骤4的流程图。

具体实施方式

以下结合较佳实施例及其附图对本发明技术方案作进一步非限制性的详细说明。

现有技术中未优化的缝隙交叉波导结构具有很大的损耗和串扰，其原因主要在于波导交叉处的折射率发生突变和不连续造成光信号的散射与反射。本发明的目的就是要使得缝隙交叉波导结构在波导交叉处的折射率变化尽可能平缓，减小光信号的散射与反射，从而降低交叉波导结构的损耗与串扰。

参见图1，本发明的基于SOI材料的缝隙波导的交叉波导结构包括：输入/输出区，过渡区，以及交叉区，输入/输出区与过渡区相连，过渡区一端与输入/输出区相连，另一端与交叉区相连。

见图2，输入/输出区用于信号的输入与输出，其为缝隙直波导，该缝隙直波导由两条硅直波导11、12、垂直缝隙以及二氧化硅4构成，其中，两条硅直波导11、12均为单模波导，形状为条形，垂直缝隙内填充二氧化硅4，垂直缝隙的尺寸很小，光信号被限制在垂直缝隙内进行传输。

见图3，过渡区用于连接正交的直波导，其为缝隙弯曲波导，该缝隙弯曲波导由两条硅弯曲波导21、22，垂直缝隙，高折射率二氧化硅3，以及二氧化硅4构成，其中，两条硅弯曲波导21、22均为单模波导，形状为条形，垂直缝隙内填充高折射率二氧化硅3，垂直缝隙的尺寸很小，光信号被限制在垂直缝隙内进行传输。

见图4，交叉区用于实现两条正交的缝隙直波导的交叉，其为一条直波导，该直波导由一条高折射率二氧化硅波导3，以及二氧化硅4构成，光信号被限制在高折射率二氧化硅波导内进行传输。

本发明的交叉波导结构的输入/输出区的两组正交的硅直波导通过硅弯曲波导来连接，避免折射率的突变和不连续。过渡区内填充的高折射率二氧化硅与交叉区内的高折射率二氧化硅波导相连，构成了一个渐变的耦合结构。该渐变的耦合结构将缝隙直波导内的光信号逐渐耦合至高折射率二氧化硅波导内，由高折射率二氧化硅波导完成交叉区内光信号的传输，该结构减小了折射率的不连续，减小了光信号的损耗和串扰。交叉区内没有硅波导，避免了强的反射，减小了损耗和串扰。交叉区内通过高折射率二氧化硅波导限制光信号。该交叉结构中采用的是宽度渐变的高折射率二氧化硅波导结构，不涉及谐振结构，工作带宽大、制备工艺的容差也大。

本发明的制作适用于基于SOI材料的缝隙波导的交叉波导结构的工艺流程图，具体包括以下步骤：

步骤1，如图5所示，以光刻胶为掩膜，利用干法刻蚀技术刻蚀SOI顶层硅，制作缝隙波导，该缝隙波导包括：构成输入/输出区的缝隙直波导11、12，以及构成过渡区的缝隙弯曲波导21、22。

步骤2，如图6所示，采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)，在制作的硅缝隙波导上淀积二氧化硅4；通过套刻技术，以光刻胶为掩膜，利用干法刻蚀技术刻蚀二氧化硅4。

步骤3，如图7所示，采用PECVD，淀积掺杂氧化锗的高折射率二氧化硅3；采用化学机械抛光方法，去除多余的高折射率二氧化硅3。高折射率二氧化硅3掺杂了氧化锗。

步骤4，如图8所示，通过套刻技术，以光刻胶为掩膜，利用干法刻蚀技术浅刻蚀高折射率二氧化硅3，完成用高折射率二氧化硅3填充过渡区弯曲波导21、22之间的垂直缝隙，完成交叉区高折射率二氧化硅波导3的制作；最后采用PECVD，淀积二氧化硅4作为外包层。

本发明提供的这种适用于基于SOI材料的缝隙波导的交叉波导结构及其制作方法，主要是设计缝隙波导的交叉波导结构，通过过渡区与交叉区，使交叉波导结构的折射率变化尽可能平缓，减小交叉波导结构引起的反射与散射。这种适用于基于SOI材料的缝隙波导的交叉波导结构的损耗与串扰很小，几乎可以忽略不计。在过渡区和交叉区设计了渐变的高折射率二氧化硅波导，其工作带宽大，制作容差也大。

需要指出的是，上述较佳实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。