一种悬浮波导结构及其制备方法与流程

本发明涉及一种悬浮波导结构及其制备方法。

背景技术：

全光信号处理过程利用光子作为信号的载体，可实现远距离通讯、中短途数据交换以及片上信号处理等功能。该技术能够有效克服传统电信号处理过程中由于rc效应产生的信号延迟，进而大幅度的提高信号传输和处理的速度，更好的适应大数据时代海量数据处理的需求。截止目前，光信号的传输问题已经找到了合理的解决方案，但是光信号的处理仍然需要进一步的研究。现阶段主要有两种解决方案，一种方法是利用光电集成的方式，将已经成熟的电信号同光信号相结合，主要思路仍然停留在用电信号调控光信号的层面上，该方法在一定程度上限制信号的处理速度；另一种方法利用材料的三阶非线性光学特性，利用光作为信号的控制手段同时对载波光信号进行调控，该方法的全光信号处理过程有望实现前所未有的高速信号处理。上述过程中，需要对光信号做如下控制：在时域或者频域上对脉冲光信号进行整形、对光信号进行波长转换、利用脉冲光在频域上产生超连续光谱以及产生光频梳。

为了使得全光信号处理方法能够获得广泛的应用，一项最主要的工作就是开发一套能够兼容现有成熟集成电路制造工艺的光学非线性材料并且设计相应的光学元件的结构。目前国际上的主流解决思路是，找到一种能够在硅基衬底上制备的非线性材料，利用波导结构实现一系列光学非线性功能。

然而，硅基波导材料由于自身能带结构和材料性质的原因，很难同时拥有高三阶非线性系数和低非线性吸收两种特点。目前世界范围内主要的技术方法有：

(1)采用单晶或非晶硅作为波导材料：这一方法能够最大限度兼容现有的集成电路制备工艺，通过对波导结构的优化实现光信号的色散补偿以及高效非线性效应的产生。

(2)采用非晶的氮化硅作为波导材料：利用氮化硅与氧化硅折射率差较小的特点，可以制备出传输损耗极低的波导结构，从而提高波导整体的非线性效应。

(3)采用单晶铝镓砷化合物作为波导材料：利用晶片键合的方法，将具有高的三阶非线性系数和低非线性吸收效应的iii-v材料和氧化硅衬底相结合，能够同时结合iii-v族材料较高的非线性效应和iv族材料成熟的工艺。

然而，由于受到材料自身能带结构的限制以及工艺稳定性、兼容性等一系列原因的限制，现阶段的解决方案仍然存在以下几点问题：

(1)单晶或非晶硅材料，由于受到其自身能带结构的影响，使得他们在1550nm的通讯波段不可避免的存在非线性吸收效应，并且自身波导损耗也较高。

(2)氮化硅材料自身的非线性系数比单晶硅低两个数量级，使得产生特定非线性效应的器件尺寸偏大，且转换效率不高。

(3)晶片键合的方法虽然能够兼顾两种材料体系的优点，但是工艺过程复杂，难以适应大面积的制备需求。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中存在的上述问题，提供一种悬浮波导结构，所述结构包括：

波导结构，其由具有三阶非线性系数的材料构成，所述三阶非线性系数大于等于2.7×10^-20m²/w；

悬臂结构，其材料与所述波导结构材料相同，所述悬臂结构支承所述波导结构，并位于所述波导结构的两侧，所述悬臂结构的高度与所述波导结构的高度相同；

支撑结构，其连接所述波导结构两侧的悬臂结构，以及

衬底，其连接所述支撑结构；

其中，所述波导结构和所述悬臂结构被设置为相对于所述衬底悬浮。

优选地，其中，所述波导结构为在电磁波传播的方向延伸且横截面保持一致的条形波导结构或在电磁波传播方向延伸且横截面逐渐变小或变大的锥形波导结构。

优选地，其中，所述波导结构材料是选自铌酸锂、氮化铝、碳化硅、iii-v族化合物半导体薄膜材料和多层量子阱结构材料中的任一种。

优选地，其中所述iii-v族化合物半导体薄膜材料是铝镓砷材料。

优选地，其中，所述衬底材料被选择为能够实现波导材料的外延生长并且与波导材料之间存在物理化学性质上的差异，使得所述衬底材料能够被选择性地去掉。

优选地，其中，所述悬臂结构在波导平面中与电磁波传播方向垂直且沿着电磁波传播方向成周期性排列。

优选地，其中，所述锥形波导结构在波导平面内投影为一端与所述条形波导结构的宽度相同并连接所述条形波导结构，另一端与所述条形波导结构的宽度不同。

优选地，其中，所述另一端是用于将所述条形波导中的电磁波耦合到光纤的光纤耦合器端面。

优选地，其中，所述悬浮波导结构还包括位于所述支撑结构与所述衬底之间的缓冲层，所述缓冲层被选择为与所述波导结构的材料存在物理化学性质上的差异，使其能够被选择性地去掉。

优选地，其中，所述悬浮波导结构还包括位于所述缓冲层与所述衬底之间的外延生长层，所述外延生长层用于实现所述缓冲层的外延生长。

优选地，其中，所述衬底材料被选择为能够外延生长所述外延生长层或所述缓冲层。

优选地，其中所述波导结构的截面为矩形。

本发明还提供一种用于制备上述悬浮波导结构的方法，所述方法包括：

在衬底上利用外延法生长波导材料层；

在所述波导材料层上形成条形波导、锥形波导以及悬臂结构；

去除所述条形波导、锥形波导以及悬臂结构与所述衬底之间的部分材料；

其中，所述条形波导、锥形波导以及悬臂结构被设置为相对于所述衬底悬浮。

优选地，该方法还包括，在所述衬底上外延生长缓冲层，所述缓冲层位于所述衬底与所述波导材料层之间。

优选地，该方法还包括，在所述衬底上外延生长外延生长层，所述外延生长层位于所述衬底与所述缓冲层之间。

本发明提出的这一新型结构能够将具有良好非线性性能的材料体系同成熟的半导体工艺相结合，在实现高效、大面积非线性光学芯片的制备方面具有非常重要的意义。

附图说明

图1是本发明一个实施例的悬浮波导结构的扫描电子显微镜图；

图2是本发明一个实施例的悬浮条形波导结构的俯视示意图；

图3是本发明一个实施例的水平光纤耦合器的俯视示意图；

图4是本发明一个实施例制得的在si衬底表面外延gaas薄膜的表面原子力显微图；

图5是本发明一个实施例制得的条形波导结构的扫描电子显微镜图；

图6是本发明一个实施例制得的硅基铝镓砷悬浮条形波导结构在聚合物保护下的悬浮光纤耦合器的截面扫描电子显微镜图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，下面将结合附图通过具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当注意，本发明给出的实施例仅用于说明，而不限制本发明的范围。

图1是本发明一个实施例的悬浮波导结构的扫描电子显微镜图，参照图1中的直角坐标系，y方向为电磁波传播方向4(即光传播方向4)，z方向为材料外延方向(即垂直波导平面的方向)，以及x方向为在波导平面(即x-y平面)内垂直波导的方向。本发明的悬浮波导结构包括波导结构1、悬臂结构2、支撑结构3、缓冲层6以及衬底7。其中波导结构1用于定向引导电磁波，由具有高的三阶非线性系数(即三阶非线性系数大于等于2.7×10^-20m²/w)的材料构成，使得波导结构1具有光学非线性效应，波导结构1的截面通常为矩形，并且波导结构1的俯视图可以是条形或者锥形(将在图2和图3中详细说明)，也可以是满足应用需求的其他形状；连接波导结构1的悬臂结构2与波导结构1的材料相同，且在垂直波导平面的方向(z方向)的高度相同，并位于波导结构1的两侧，为了降低损耗，悬臂结构2通常在波导平面(即x-y平面)内与电磁波传播方向4垂直；用于支撑波导结构1以及悬臂结构2的支撑结构3与悬臂结构2相连接，并通过缓冲层6连接衬底；缓冲层6与支撑结构3相连接，由与波导结构1的波导材料(以下简称为波导材料)之间存在一定的物理化学性质上的差异，使缓冲层6能够被选择性地去掉的材料构成，其中，波导结构1和悬臂结构2下面的缓冲层材料会被去除，使得波导结构1和悬臂结构2悬浮于衬底7上方；以及衬底7位于缓冲层6的下方，衬底材料应当具有以下特性中的一个：(1)能够实现波导材料的外延生长并且与波导材料之间存在一定的物理化学性质上的差异，使其能够被选择性地去掉；(2)可以通过在衬底和波导材料中间外延一层能够被选择性去掉的材料，从而实现悬浮结构。应当注意，本发明中的外延生长包括分子束外延和化学气相沉积这两种方法。在图1中的结构8是由于工艺原因而未被蚀刻掉的缓冲层6的部分残余材料，实际应用中可以通过工艺优化将该结构8去除掉，由于该结构8不与波导结构1以及悬臂结构2相连接，因此不会影响波导结构1的性能。

作为一个示例，图1中，波导结构1的高度h2为400nm、宽度w为700nm，悬臂结构2在沿着电磁波传播方向4上的间隔lg为5μm、宽度wr为200nm，悬臂结构2在波导平面内垂直电磁波传播方向4的方向(即x方向)上的长度l为3μm，波导结构1下方同衬底材料7的间隔h为1.5μm。

应当注意，在图1中所示的悬浮波导结构中，缓冲层6不是必须存在的。如果衬底7上可以直接外延生长波导材料，并且满足衬底材料与波导材料之间存在一定的物理化学性质上的差异，使得衬底材料可以被选择性的去掉，则可以省略缓冲层6。但是如果衬底7上无法直接外延生长波导材料，则需要通过在衬底和波导结构中间外延一层能够被选择性去掉的材料，从而实现悬浮结构，该层材料即为缓冲层6。实际应用中，根据需要，衬底7和缓冲层6之间也可能存在一层或多层外延生长层，该外延生长层用于外延生长缓冲层6。如果可以在衬底7上直接生长缓冲层6，则不需要外延生长层。

图2是本发明一个实施例的悬浮条形波导结构的俯视示意图，其包括条形波导结构21、悬臂结构22以及支撑结构23，其电磁波传播方向如箭头24所示。条形波导结构21俯视图为长条形(即矩形)，其沿电磁波传播的方向24延伸且横截面保持一致。

图3是本发明一个实施例的水平光纤耦合器(即悬浮锥形波导结构)的俯视示意图，其结构与悬浮条形波导结构类似，包括锥形波导结构31、悬臂结构32、支撑结构33以及光纤耦合器端面35，其电磁波传播方向如箭头34所示。光纤耦合器端面35用于将波导中的电磁波耦合到光纤，该端面平整光滑，有利于减小光纤到波导的耦合插损。锥形波导结构31的俯视图为等腰梯形，其沿电磁波传播方向34延伸且横截面逐渐变小或变大(具体情况取决于目标耦合波导的尺寸，一般集成非线性波导应用中为“逐渐变小”)。

在本发明中，可以将图2中的悬浮条形波导结构与图3中的水平光纤耦合器结合在一起使用，锥形波导31的一端可以与条形波导21连接，锥形波导31的另一端为光纤耦合器端面35。锥形波导31可以用于将条形波导21中的光场模式进行转换从而高效耦合进光纤，其可以利用设计好的锥形结构实现与光纤的模式匹配，从而提高光纤与波导之间的光耦合效率。但本发明不以此为限，实际应用中可以仅使用其中的任一种，或者与其他形状的悬浮波导结构一起结合使用。

图4是本发明一个实施例制得的在si衬底表面外延gaas薄膜的表面原子力显微图，从图4中可以看出，砷化镓表面的粗糙度为1.4nm。

图5是本发明一个实施例制得的条形波导结构的扫描电子显微镜图，从图5中可以看出，波导结构1的宽度w为700nm，悬臂结构2在沿着电磁波传播方向4上的间隔lg为5μm、宽度wr为200nm，悬臂结构2在波导平面内垂直波导的方向(x方向)上的长度l为3μm，电感耦合等离子体刻蚀形成的波导结构1的深度h1为500nm。

图6是本发明一个实施例制得的硅基铝镓砷悬浮条形波导结构在聚合物保护下的悬浮光纤耦合器的截面扫描电子显微镜图。从图6中可以看出硅衬底中使用的凹槽结构11、硅锯齿形缓冲层10、砷化镓缓冲层ingaas/gaas、inalas/gaas多量子阱结构的位错过滤层以及在位错过滤层上方生长的gaas/algaas超晶格结构9，铝镓砷悬浮波导结构的光纤耦合器端面5以及填充的聚合物保护结构12。其中，硅锯齿形缓冲层10、砷化镓缓冲层ingaas/gaas、inalas/gaas多量子阱结构的位错过滤层以及gaas/algaas超晶格结构9可以统一称为外延生长层，用于生长其上方的缓冲层6。

以下将结合附图以硅基铝镓砷悬浮波导为例具体说明本发明的悬浮波导结构及其制备方法，制备过程如下：

(1)在硅基衬底上直接分子束外延生长平坦的砷化镓表面；

在表面具有周期性凹槽结构的(100)硅基衬底表面，利用分子束外延生长技术在上述衬底上生长具有锯齿形结构的硅中间层；在硅中间层上生长砷化镓缓冲层；在砷化镓缓冲层上先后生长ingaas/gaas、inalas/gaas多量子阱结构的位错过滤层；在位错过滤层上方生长gaas/algaas超晶格结构。在本步骤中制得的在硅基衬底表面外延砷化镓薄膜的表面原子力显微图如图4所示，砷化镓表面的粗糙度为1.4nm。

(2)在硅基砷化镓表面上利用分子束外延制备gaas/algaas薄膜结构；

在已经获得的硅基砷化镓表面利用分子束外延的方法沉积1μm的gaas薄膜(缓冲层6)，生长温度为530℃；沉积370nm的铝镓砷薄膜(波导材料层)，生长温度为580℃。

(3)在铝镓砷薄膜层上制备悬浮波导结构(包括铝镓砷条形波导结构以及水平光纤耦合器的锥形波导结构)；

利用电子束曝光技术在硅基铝镓砷薄膜表面形成条形波导、锥形波导以及悬臂结构，通过电感耦合等离子体刻蚀技术完成铝镓砷材料波导结构的制备；利用反应离子刻蚀技术去掉表面电子束胶残留；利用溶液湿法腐蚀的方法去掉铝镓砷波导结构下方的砷化镓材料形成具有悬浮结构的铝镓砷波导。利用临界点干燥法去除悬浮波导结构中的水分同时保持波导结构无形变。其制得的铝镓砷条形波导结构的扫描电子显微镜图如图5所示，以及制得的铝镓砷悬浮条形波导结构的扫描电子显微镜图如图1所示。

(4)对已经制备出的铝镓砷悬浮波导芯片的表面旋涂聚合物，并且加热固化，之后用划片机在指定位置切开芯片露出波导的端面，其结果如图6所示。

根据上述实施例，平坦的砷化镓表面在具有周期性凹槽结构的硅(100)晶面上直接分子束外延生长得到，其中硅基衬底上直接外延生长得到的平坦的砷化镓表面粗糙度为0.5～1.6nm，更优选为0.8～1.4nm。

在步骤(2)中，附着在砷化镓表面上的gaas/algaas结构为自衬底向上首先沉积一层厚度为1～4μm的砷化镓薄膜，其厚度优选为2～3μm，其生长温度为450～650℃，优选为530～560℃；在上述砷化镓薄膜上沉积铝镓砷的厚度可以是200～1000nm，优选为300～700nm，其生长温度为500～650℃，优选为570～590℃。

在该实施例中，悬浮波导结构由铝镓砷材料构成，其中al元素的比例会影响到材料的三阶非线性系数和材料的能带结构，因此在具体实施中，al元素的比例十分重要。首先，材料的三阶非线性系数随着al元素的增加，呈现下降趋势。因此，在化合物材料中应尽量保证al元素的含量不能过高，否则会减弱波导本身产生的非线性效应。其次，铝镓砷材料的禁带宽度随着al元素的提高而逐渐提高，并且随着禁带宽度的增加，材料针对特定波长的光的非线性吸收系数会降低，这里主要指双光子吸收和三光子吸收。

以c波段(波长为1530nm-1565nm的光波段)波长为1550nm的光为例，理论研究表明al元素的含量在17％时，材料的双光子吸收效应可以忽略不计。在此基础上进一步提高al元素的含量，有利于减少或彻底消除材料的双光子吸收效应。然而随着al元素含量的提高，材料禁带宽度的增加会提升三光子吸收效应。这将导致材料再次出现强的非线性吸收，同时削弱了材料的三阶非线性系数。因此，al元素含量的选择要平衡上述两方面的因素，al元素含量选择优选地应当适当高于17％。该实施例中，在上述附着在砷化镓表面的铝镓砷薄膜材料中，al元素的比例为10％～90％，优选为17％～50％。

根据上述实施例提供的硅基铝镓砷悬浮波导结构，其中铝镓砷悬浮条形波导结构以及针对该条形波导结构设计的水平光纤耦合器的锥形波导结构周围以及下方的砷化镓材料被去掉，既除去起到支撑作用的砷化镓材料被保留下来外，其余部分都将被移除。铝镓砷波导下方同砷化镓或其他iii-v族材料的间隔h为1～4μm，优选为2～3μm。

上述实施例采用在硅基材料上直接外延iii-v族材料的方法，将具有高非线性系数和通讯波段无非线性吸收效应的铝镓砷材料直接生长在硅基衬底上。同时利用悬浮波导结构提高光场限制效应并且优化色散性能。

尽管上述实施例以硅基铝镓砷悬浮波导为例详细介绍了悬浮波导的结构以及制备过程，但本领域技术人员应当理解，本发明不限于此，在实际应用中，凡是满足具有高的三阶非线性系数(三阶非线性系数大于等于2.7×10^-20m²/w)的材料都可以用于本发明的波导结构，满足条件的材料除了铝镓砷材料以外，还包括铌酸锂(linbo3)、aln、碳化硅(sic)、以及其他iii-v族化合物半导体薄膜材料或多层量子阱结构材料等。同样，悬浮波导结构中的衬底也不限于硅衬底，凡是满足以下特性中的一个的衬底材料均可以：(1)能够实现波导材料的外延生长并且与波导材料之间存在一定的物理化学性质上的差异，能够被选择性的去掉；(2)可以通过在衬底和波导结构中间外延一层能够被选择性去掉的材料，从而实现悬浮结构。

在本发明中，波导的长度、宽度和高度会影响到波导的非线性效应，需要仔细计算。理想情况下波导产生的非线性效应效果随着波导长度的增加会更加明显。然而由于波导不可避免的存在传输损耗，随着波导长度的增加泵浦光信号的强度在减弱，当强度低于产生非线性效应的阈值时将不会随着波导长度的增加而进一步提升非线性效应。同时，传输损耗的作用会进一步减小产生信号光的强度。因此，在传输损耗小的波导结构中，应尽可能提升波导的长度。另外，波导长度的选择还需要考虑设计的波导结构的色散效应，当长度超过一定范围时，色散效应会影响光信号在时域和频域上的形状。通常情况下，产生同非线性效应相抵消的现象。

对于波导在垂直光传播方向上宽度和高度的选择，首先，波导在垂直光传播方向上的横截面几何形貌决定了波导的色散特性，而非线性效应的产生离不开相适应的色散结构。例如，光孤子的产生需要结构具有反常色散效应。其次，该方向上波导的尺寸决定了光场在波导中的模式分布情况。例如，水平方向(x方向)上波导宽度大的结构，有利于横电场模式的光传播；垂直方向(z方向)上高度大的结构，有利于横磁场模式的光传播。这里需要根据实际需求设计相应的波导结构。第三，波导在垂直光传播方向上的结构决定了某种指定模式、波长的光在波导中的限制情况。通常情况下，宽度和高度越小的波导，越倾向于形成单模波导；而结构尺寸的增大会使得波导从单模波导向多模波导转变。并且，针对特定波长、特定模式的光，增加波导的宽度和高度都会增加光在波导中的限制作用，从而减小光场在波导边缘的强度分布，虚弱侧壁和表面散射对光的影响，减小波导的传输损耗。但是，尺寸的增加会使得波导的非线性系数减弱，在其他条件不变的情况下减小波导所能产生的非线性效应。

针对所要产生的非线性效应的不同，波导的长度、宽度和高度均需要仔细计算。在实际应用中可使用仿真软件：lumericalfdtssolutions、lumericalmode、rsoft、comsol和matlab等进行计算选择。

以悬浮条形波导结构为例，根据上述分析，在本发明提供的悬浮条形波导结构中，其中，条形波导的宽度可以是300～1500nm，优选为400～800nm；条形波导的高度可以是200～1000nm，优选为300～700nm。

悬浮条形波导的悬臂结构通常沿着电磁波传播方向按照一定规律成周期性排列，并且成对出现在波导结构两侧。悬臂结构在沿着电磁波传播方向上的宽度过大以及间隔过小数量过多都会造成波导的损耗，在本发明中，悬臂结构在沿着电磁波传播方向上的间隔可以是3～200μm，优选为50～80μm；在沿着电磁波传播方向上的宽度可以是30～200nm，优选为80～120nm；在波导平面(即x-y平面)中垂直波导传播方向上的长度可以是2～10μm，优选为4～7μm；且悬臂结构的高度与条形波导结构的高度相同。

本发明还提供了针对悬浮条形波导结构设计的水平光纤耦合器。其包括沿着电磁波传播方向的锥形波导结构，以及在波导平面中与电磁波传播方向垂直的悬臂结构。其中，水平光纤耦合器中的锥形波导在波导平面(x-y平面)内投影为一端与条形波导宽度相同，另一端为某特定宽度的等腰梯形。光纤耦合器中的锥形波导在水平面内另一端的宽度可以是80～5000nm，优选为100～150nm以及3000～4000nm；该锥形波导沿电磁波传播方向的长度可以是30～200μm，优选为100～150μm；该锥形波导的高度与上述条形波导的高度相同。水平光纤耦合器的悬臂结构沿着电磁波传播方向按照一定规律成周期性排列，并且成对出现在锥形波导两侧。水平光纤耦合器的悬臂结构沿电磁波传播方向的间隔为上述锥形波导总长度的10％～50％，优选为30％～40％。水平光纤耦合器的悬臂结构在垂直电磁波传播方向上的长度可以是2～10μm，优选为4～7μm；该悬臂结构的高度与上述锥形波导高度相同。

本发明提出的悬浮波导结构能够将具有良好非线性性能的材料体系同成熟的半导体工艺相结合，在实现高效、大面积非线性光学芯片的制备方面具有非常重要的意义。该技术不仅有助于推动高性能脉冲光信号整形、波长转换、超连续光信号的产生以及光频梳等利于片上集成光学元件的发展，还可以解决硅基非线性光学元件原有的非线性系数偏低、通讯波段非线性吸收效应明显等核心技术难题，为硅基非线性光学元件的制备提供一种新的材料制备方法以及新的光学结构。

本发明提供的上述悬浮波导结构或按照本发明方法制得的悬浮波导结构可以应用于时域或者频域上对脉冲光信号进行整形、对光信号进行波长转换、利用脉冲光在频域上产生超连续光谱以及光频梳。

虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所做出的各种改变以及变化。