十字缝隙波导的交叉波导结构的制作方法

本实用新型涉及应用于光通信、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材料的十字缝隙波导的交叉波导结构。

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。

由于SOI材料的高折射率差会造成光波导器件对光信号的偏振态敏感，引起光波导器件的响应特性与偏振相关，通常这是在实际应用中需要避免的。为了使光波导器件达到偏振无关的响应特性，提出了偏振旋转、偏振分束等技术方案，十字缝隙波导就是其中的一种方案。十字缝隙波导在光互连、光通信、光传感等方面有广泛的应用。

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基的十字缝隙波导是双层结构，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。目前还没有报道适用于基于SOI材料的十字缝隙波导的交叉波导结构。

技术实现要素：

本实用新型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、大规模制造的十字缝隙波导的交叉波导结构。

为实现上述实用新型目的，本实用新型采用了如下技术方案：一种十字缝隙波导的交叉波导结构，其由输入/输出区，过渡区，以及交叉区组成，过渡区连接在输入/输出区和交叉区之间；所述输入/输出区为十字缝隙直波导，该十字缝隙直波导由四条硅直波导，水平缝隙，以及垂直缝隙组成，其中，四条硅直波导均为条形波导，水平缝隙和垂直缝隙均填充二氧化硅；所述过渡区为十字缝隙弯曲波导，该十字缝隙弯曲波导由四条硅弯曲波导，水平缝隙，以及垂直缝隙组成，其中，四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，水平缝隙填充二氧化硅；所述交叉区为平行波导，该平行波导由两条高折射率二氧化硅波导，以及水平缝隙组成，其中，水平缝隙内填充二氧化硅。

此外，本实用新型还提供如下附属技术方案：

所述四条硅直波导均为硅纳米线波导。

所述四条硅直波导均为单模波导。

所述四条硅弯曲波导均为硅纳米线波导。

所述四条硅弯曲波导均为单模波导。

相比于现有技术，本实用新型的十字缝隙波导的交叉波导结构优势大致如下：

1、将十字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，这对TE模的光信号是两条平行的波导，对TM模的光信号是一段水平缝隙波导，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、交叉波导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。

附图说明

图1是本实用新型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的步骤1的流程图。

图6是交叉波导的制备方法的步骤2的流程图。

图7是交叉波导的制备方法的步骤3的流程图。

图8是交叉波导的制备方法的步骤4的流程图。

图9是交叉波导的制备方法的步骤5的流程图。

图10是交叉波导的制备方法的步骤6的流程图。

图11是交叉波导的制备方法的步骤7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实用新型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。本实用新型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，本实用新型的十字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，其为十字缝隙直波导，该十字缝隙直波导由四条直波导11、12、13、14，水平缝隙，垂直缝隙，以及二氧化硅4构成，其中，四条直波导11、12、13、14均为硅纳米线波导、条形波导及单模波导，水平缝隙、垂直缝隙内均填充二氧化硅4。水平缝隙与垂直缝隙的尺寸都很小，光信号被限制在水平缝隙或垂直缝隙内进行传输，其中，TE模被限制在垂直缝隙内传输，TM模被限制在水平缝隙内传输。

见图3，过渡区用于连接正交的直波导，其为十字缝隙弯曲波导，该十字缝隙弯曲波导由四条弯曲波导21、22、23、24，水平缝隙，垂直缝隙，高折射率二氧化硅3以及二氧化硅4构成，其中，四条弯曲波导21、22、23、24均为硅纳米线波导、条形波导及单模波导，水平缝隙填充二氧化硅4，垂直缝隙填充高折射率二氧化硅3。水平缝隙和垂直缝隙的尺寸都很小，光信号被限制在水平缝隙或垂直缝隙内进行传输，其中，TE模被限制在垂直缝隙内传输，TM模被限制在水平缝隙内传输。

见图4，交叉区用于实现两条十字缝隙交叉波导结构的交叉，其为平行波导，该平行波导由两条高折射率二氧化硅波导31、32，以及水平缝隙组成，其中，水平缝隙内填充二氧化硅。光信号被限制在水平缝隙或两条高折射率二氧化硅波导内进行传输，其中，TE模被限制在两条高折射率二氧化硅波导内传输，TM模被限制在水平缝隙内传输。

本实用新型将十字缝隙交叉波导结构分成了输入/输出区、过渡区与交叉区。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十字缝隙直波导内的TE模光信号逐渐耦合至两条平行的高折射率二氧化硅波导内，由两条平行的高折射率二氧化硅波导完成交叉区内TE模光信号的传输，该结构减小了折射率的不连续，减小了TE模光信号的损耗和串扰。同时，该渐变的耦合结构将十字缝隙直波导内的TM模光信号逐渐耦合至由两条平行的高折射率二氧化硅波导构成的狭隙波导内，由该狭隙波导完成交叉区内TM模光信号的传输，该结构减小了折射率的不连续，减小了TM模光信号的损耗和串扰。

同时，交叉区利用该高折射率二氧化硅在交叉区内限制光信号，这对TE模的光信号是两条平行的波导，对TM模的光信号是一段水平缝隙波导，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；此外，该交叉波导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。

本实用新型的制作十字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，制作十字缝隙波导的第一层波导，该十字缝隙波导的第一层波导包括：构成输入/输出区十字缝隙直波导的第一层直波导11、12；构成过渡区十字缝隙弯曲波导的第一层弯曲波导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)，在制作的第一层硅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；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31的制作。

步骤4：如图8所示，利用PECVD淀积二氧化硅4，并利用化学机械抛光方法控制二氧化硅的厚度，使其等于十字缝隙波导水平缝隙的厚度，同时将淀积的二氧化硅的表面粗糙度降低到5nm以下；利用分子束外延以及退火技术，在二氧化硅表面生长单晶硅，并利用化学机械抛光方法控制单晶硅厚度，使其等于十字缝隙波导第二层波导的厚度，同时将生长的单晶硅表面粗糙度降低到5nm以下。

步骤5：如图9所示，通过套刻技术，以光刻胶为掩膜，利用干法刻蚀技术刻蚀第二层硅波导，制作十字缝隙波导的第二层波导，该十字缝隙波导的第二层波导包括：构成输入/输出区十字缝隙直波导的第二层波导13、14；构成过渡区十字缝隙弯曲波导的第二层波导23、24。

步骤6：如图10所示，采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)，在制作的第二层硅波导上淀积二氧化硅；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。

步骤7：如图11所示，采用PECVD，淀积掺杂氧化锗的高折射率二氧化硅；采用化学机械抛光方法，去除多余的高折射率二氧化硅；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，完成用高折射率二氧化硅填充过渡区弯曲波导23、24之间的垂直缝隙，完成交叉区高折射率二氧化硅波导32的制作；采用PECVD，淀积二氧化硅作为外包层。

本实用新型提供的这种适用于基于SOI材料的十字缝隙波导的交叉波导结构及其制作方法，主要是设计十字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材料的十字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实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。