一种SWG波导及耦合结构的制作方法

本发明属于光波导技术领域，涉及一种swg波导及耦合结构。

背景技术：

亚波长光栅（swg）结构是一种超材料，是指由周期性或非周期性的块体组成的结构，其特征尺寸等于或小于光的波长。swg结构在衍射光学元件中的应用已有50多年的历史，与光子晶体类似，swg结构的每个基本构建块都等效于光子晶体的晶格，当块的大小远小于光的波长时，衍射被抑制，结构表现为具有均匀有效折射率的材料，这种结构可用于设计不同折射率、模式尺寸和色散的集成光子器件；

近年来，swg结构在硅基光子集成（pics）领域得到了广泛的应用，与传统的pic器件相比，swg结构有效折射率的降低大大增加了模式尺寸，增强了光与物质的相互作用，这有利于生化传感应用；swg结构可以精确控制模式尺寸，并在光纤和波导之间起到高效边缘耦合器的作用；它们还可以被设计成具有高热稳定性或特殊色散的性质，可用于热稳定应用或实现新型光学元件。swg结构极大地提高了硅基pics的设计灵活性；

swg结构通常是嵌入传统pic网络中用作于特殊功能的隔离设备,由于swg结构的有效折射率较低，需要在swg结构和固体波导之间建立耦合结构。swg结构和固体波导之间的耦合通常是通过逐渐将固体波导的填充因子从1缓慢改变为swg结构的填充因子来实现的(其中填充因子的定义是芯材体积除以结构总体积)。电子束曝光技术（ebl）为这种过渡结构的制备提供了一种容易实现的方法，因为它可实现10nm的最小线宽，只需要通过改变结构的二维设计，就能使填充因子实现平稳过渡。

事实上，据发明人所知，迄今为止现有技术中所有swg结构都是用ebl制造的，其限制了swg结构在大规模生产中的应用。因此为了实现swg结构的广泛应用，需要与cmos工艺兼容的swg结构设计。这项工作面临的主要挑战是一般cmos工艺的最小线宽较大，如果在设计中只考虑二维变化，则会导致耦合结构的填充因子不连续。

技术实现要素：

为解决上述背景技术中提出的问题，本发明提供了一种利用cmos工艺中成熟的多层刻蚀技术，在引入第三维度结构变化，得到了与0.18μmcmos工艺兼容的swg波导及耦合结构。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种swg波导及耦合结构，所述swg波导包括硅波导核心层、sio2衬底及sio2上覆层，所述耦合结构包括第一结构和第二结构，所述第一结构为绝热锥形结构。

所述硅波导核心层的厚度为220nm，sio2衬底的厚度为3μm，sio2上覆层的厚度为2μm。

所述swg波导的适用的波长为1.55μm。

所述swg波导的宽度小于350nm。

所述swg的宽度为300nm。

所述swg波导的填充因子为50%，周期为400nm。

所述绝热锥形结构的长度为5μm，填充因子为100%，宽度为450-300nm。

所述第二结构的填充因子为100%-50%，宽度为300nm，周期为400nm。

本发明的有益效果为：

本发明利用cmos工艺中成熟的多层刻蚀技术，在引入第三维度（即厚度）结构变化，得到了与0.18μmcmos工艺兼容的swg波导及耦合结构，swg波导的厚度为220nm，宽度为300nm，周期为400nm，占空比为50%，且仿真结果表明，1.55μm的光可以在这种swg波导中以低损耗传输，耦合结构在过渡阶数分别为10和20阶时，损耗分别为1.1db和0.5db，这一结果为利用cmos工艺兼容制造swg结构提供了很好的理论基础和技术支持。

附图说明

图1为本发明为光在各种光栅波导中传播的电场分布图。

图2为本发明为swg波导中的模拟光场图。

图3为本发明为10和20阶过渡的耦合结构图。

图4为本发明为耦合结构的仿真模拟结果图。

具体实施方式

实施例1

一种swg波导及耦合结构，发明人利用cmos工艺中成熟的多层刻蚀技术，在第三维度(即厚度)引入结构变化，得到了与0.18μmcmos工艺兼容的swg波导及耦合结构；

本发明基于swg波导理论进行，所述swg波导理论为：当光在具有折射率n1和折射率背景材料n2的swg结构中传输时，电场可分为垂直方向和平行于周期界面方向，等效折射率由下式给出：

其中a是swg结构的宽度，λ是光栅周期，λ是自由空间光波长；

考虑一个w宽度的波导，每种模式的有效折射率为：

其中m为模数，据此可以得到理想有效折射率的swg波导。

对于沿传播轴具有周期性的光栅，当周期等于被引导的半波长时，产生布拉格共振，当λ＞λ/2neff，充当衍射光栅；当λ＝λ/2neff，发生布拉格反射；当λ＜λ/2neff，光沿z轴几乎无损耗地传播，swg结构可视为均匀折射率波导，类似于固体波导；附图1为光在各种光栅波导中传播的电场分布，附图1中a)为衍射，b)为布拉格反射，c)为光在swg波导中传播，d)为光在固体波导中传播；

基于此理论，发明人首先设计了亚波长结构波导，所述亚波长结构波导为1.55μm波长的硅swg波导，所述swg波导包括220nm厚的硅波导核心层、3μm厚的sio2衬底和2μm厚的sio2上覆层，由于最小加工线宽的限制，λ为最小值360nm，为了获得更高的制造公差，发明人选择λ＝400nm，填充因子为50％；

根据swg波导理论，swg波导的有效折射率neff需要小于1.9，经过多次仿真，发明人得出在w＜350可以满足这一要求，为了获得更高的制造公差，选择w＝300，在上述条件下的swg波导中的模拟光场如图2所示，利用该结构可以获得te0模，波导传输损耗为1.1×10-3db/cm；

然后，发明人设计了耦合结构，固体波导的宽度为450nm，是硅基pic设计中最常用的波导宽度之一，需要实现从450nm宽、100％填充因子的波导到300nm宽、50％填充因子的波导的渐变。过渡结构由两部分组成：第一部分为填充因子为100％，w为450～300nm，长度为5μm的绝热锥形结构；第二部分为填充因子为100％～50％，w为300nm，周期为400nm的结构；

其中第二部分的结构设计通过穷举法计算，列出0.18μmcmos工艺可以制备的周期结构，为了保证cmos工艺的兼容性，将最小线宽设置为180nm，分辨率设置为10nm，刻蚀深度限制为70nm、150nm和220nm，以上数值基于加工所用的mpw服务，然后从穷举中选择填充因子最接近需要的结构，例如，在10阶过渡阶段的结构设计中，我们选择填充系数为50％、55％、…、100％的结构，附图3中显示了以gdsii形式绘制的10和20阶过渡的耦合结构的详细内容。

实施例2

本实施例中对所设计的swg波导的光传输和10阶、20阶过渡的耦合结构的损耗进行了模拟，并对自制的swg波导和耦合结构进行了光学测试；

1）仿真模拟：

发明人模拟了所设计的swg波导中的光传输，并验证了1.55μm的光可以在这种结构中以低损耗传输，同时模拟了10阶和20阶过渡的耦合结构的损耗；具体模拟过程为：光依次通过固体波导、过渡结构、swg波导、第二过渡结构和第二固体波导传播，在每个固体波导的中心放置两个光场监视器，以获取模式和损耗信息，模式保持为te0，耦合结构为10阶和20阶过渡，过渡结构的损耗分别为1.1db和0.5db，具体仿真结果如附图4所示，附图4中a）为10阶过渡阶的模拟结构；b）为监视器1的光场；c）为监视器2的光场；d）为20阶过渡阶的模拟结构；e）为监视器3的光场；f）为监视器4的光场；

2）光学测试

发明人利用中科院微电子研究所先导中心所提供的mpw服务，制作了如图4所示的两端带有光栅耦合器的swg波导和耦合结构，具体测量是在一个自制的pic芯片测试平台上进行的。所有的测量都是在单模光纤相对于光栅耦合器表面法向倾斜10度的情况下进行的，共测量了10个芯片，每个芯片有三个这样的结构。

具体测试结果为：10阶过渡阶的损耗为5.0db，20阶过渡阶的损耗为2.8db，结果清楚地表明，更多的过渡阶数可以减少损失，因为其可实现更平稳的过渡；而测量的损耗大于模拟结果，这可能是由于套刻精度和加工分辨率有限造成的，较窄的cmos技术可以通过使设计更平滑以及设计与制造结构之间更好的相关性大大提高耦合效率，尽管如此，20阶过渡结构仍然为许多低功耗应用（如生物传感）提供了良好的耦合效率。

本发明设计了与0.18μmcmos工艺兼容的swg波导及其耦合结构，其中swg波导的厚度为220nm，宽度为300nm，周期为400nm，占空比为50%，仿真结果表明，1.55μm的光可以在这种swg波导中以低损耗传输；对10阶和20阶过渡的耦合结构进行了仿真模拟和实验测试，为了克服最小线宽的限制，实现平滑的填充因子转换，发明人采用cmos工艺提供的多层刻蚀工艺，改变了波导的三维结构，其中仿真结果表明，该耦合结构在过渡阶数分别为10阶和20阶时，损耗分别为1.1db和0.5db；而实验结果表明，10阶过渡阶的损耗为5.0db，20阶过渡阶的损耗为2.8db，由于制备工艺的不完善，自制的结构产生了较高的损耗，然而这一测试结果仍为利用cmos兼容技术制造swg结构提供了很好的理论基础和技术支持。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围，凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。