利用硅基波导改进的二氧化硅基阵列波导光栅装置及制备
【技术领域】
[0001] 本发明属于光纤通信中的波分复用领域，涉及二氧化硅基和硅基波导，具体涉及 一种利用硅基波导进行改进的二氧化硅基阵列波导光栅的装置及制作方法。
【背景技术】
[0002] 在现代光通信系统中，人们对于信息传输速率和器件集成度的要求与日俱增。阵 列波导光栅是典型的集成型密集波分复用器件，由输入和输出波导、平板波导和阵列波导 组合而成。它可以使多个波长光混合到一起传输，到达终点后可以按波长分开，极大提高了 光纤的传输容量而且易于集成[1，2]。二氧化硅基阵列波导光栅在经历较长时间发展后， 对各方面性能的优化都已经发展得很成熟[3-6]，而且其加工工艺与传统CMOS工艺兼容， 经验丰富。但是由于二氧化硅基输入或输出波导间距需要较大以避免波导间耦合引起的串 扰。而阵列波导光栅的信道间隔与输入或输出波导间距成正比，因此二氧化硅基阵列波导 光栅的信道间隔一般较大，一般工艺和技术条件下常见的有200GHz、100GHz等[7, 8]，即波 长分辨率较差。如果要达到更小的分辨率，一般需要将阵列波导光栅的尺寸明显增大，其成 本也相应提高，这在很多应用中是不可接受的。为提高波长分辨率性能同时不增加其尺寸， 本发明利用硅基波导对二氧化硅基阵列波导光栅进行改进。将输入或输出波导替换为硅基 波导可极大减小波导间距，从而减小信道间隔，提高波长分辨率。替换为硅基波导的输入或 输出波导逐渐分开足够距离后再替换回二氧化硅基波导以保证改进后的阵列波导光栅仍 能用于原应用场合。本发明可保证在充分利用现有成熟的二氧化硅基阵列波导光栅的性能 优化技术和生产工艺方法的同时，以较简单、方便、低成本的方法提高其波长分辨率性能。
[0003] 现有技术文献参见如下：
[0004] [1]Smit,M.K.Newfocusinganddispersiveplanarcomponentbasedonan opticalphasedarray.Electron.Lett. 1988.24:385-386.
[0005] [2]Takahashi,H.S.Suzuki,K.KatoandI.Nishi.Arrayed-waveguidegrating forwavelengthdivisionmulti/demultiplexerwithnanometerresolution. Electron.Lett. 1990. 26:87-88.
[0006] [3]Uetsuka,H. ,K.Akiba,H.OkanoandY.Kurosawa.Nove1XNguide-wave multi/demultiplexerforWDM.Proc.OFC' 95Tu07,p.276.
[0007] [4]OsamuIshida，HiroshiTakahashi. 1995.Loss-ImbalanceEqualization inArrayed-Waveguide-Grating(AWG)MultiplexerCascades.JournalofLightwave Technology.June1995.Vol. 13,No. 6,pp. 1155-1163.
[0008] [5]OkamotoK.andA.Sugita.Flatspectralresponsearrayed-waveguide gratingmultiplexerwithparabolicwaveguidehorns.Electron. Lett. 1996. 32:1661 - 1662.
[0009] [6]Y.Inoue,A.Kaneko,F.Hanawa,H.Takahashi,K.HattoriandS.Sumida. Athermalsilica-basedarrayed-waveguidegratingmultiplexer.Electron.Lett. 6th November1997.Vol. 33,No. 23,pp. 1945-1947.
[0010] [7]LIJian，ANJun-ming，WANGHong-jie，HUXiong-wei.Silicabased 16X0. 8nmarrayedwaveguidegratingmultiplexerdesign,fabricationand testing.OpticalTechnique.May2005.Vol. 31，No. 3,pp. 349-353.
[0011] [8]0UHai-yan,LEIHong-bing,YANGQin-qing,YUJin-zhongandWANG Qi-ming.SimpleMethodforDesigning1X8Arrayed-WaveguideGrating Multi/Demultiplexers.ChineseJournalofSemiconductors.Aug2000. Vol. 21，No. 8,pp. 798-802.
【发明内容】
[0012] 本发明的目的是，为了解决二氧化硅基阵列波导光栅波长分辨率较差的问题，提 出的一种利用硅基波导改进的二氧化硅基阵列波导光栅的装置及制作方法。
[0013] 本发明的技术方案如下述：
[0014] (1)-种改进的二氧化硅基阵列波导光栅，其特征是包括输入和输出波导、平板波 导和存在相邻长度差的阵列波导，输入和输出波导均包括利用第二耦合器连接的二氧化 硅基波导部分和硅基波导部分，其中利用第一耦合器与二氧化硅基平板波导罗兰圆连接的 为输入或输出波导的硅基波导部分；用于硅基波导和二氧化硅基波导连接的第二耦合器， 位于硅基波导的输入或输出波导逐渐分开后足够距离处。
[0015] 为将由输入或输出波导间耦合带来的串扰尽量抑制，输入或输出波导间距需要保 持足够大。硅基波导的解耦合距离可低至几微米，而二氧化硅基波导的解耦合距离通常为 十几微米甚至几十微米。由上述可知将二氧化硅基阵列波导光栅的输入或输出波导替换为 硅基波导后，波长分辨率性能将得到极大提高。
[0016] 当输入或输出波导的硅基波导部分间的距离分开至二氧化硅波导解耦合距离后， 可利用上述第二耦合器连接后续的二氧化硅基波导部分，以保持二氧化硅基阵列波导光栅 原适用场合。
[0017] 本发明中的硅基波导泛指材料组分含硅的波导，而非限于芯层为纯硅的波导。是 高折射率波导或"含硅波导"。
[0018] (2) (1)中所述的一种改进的二氧化硅基阵列波导光栅，其中用于耦合输入或输 出波导各自的硅基和二氧化硅基波导部分的第二耦合器采用如下结构：硅基波导的横截面 逐渐减小，硅基波导横截面逐渐减小的部分被掺杂锗、氮、硼或磷等元素中至少一种的较高 折射率二氧化硅覆盖，包层外以较低折射率二氧化硅覆盖，后续连接的二氧化硅基波导的 芯层尺寸与上述硅基波导外覆盖的较高折射率二氧化硅横截面尺寸一致，折射率一致或相 近。
[0019] (3)硅基波导横截面逐渐减小到一定程度后（如宽度小于100纳米），光场将大量 分布在外层掺杂的二氧化硅中，模场尺寸增大，有效折射率减小，从而与后续连接的二氧化 硅基波导的芯层匹配，实现耦合。
[0020] (4) (1)中所述的改进的二氧化硅基阵列波导光栅，包含传输式阵列波导光栅和反 射式阵列波导光栅。
[0021] (5) (1)中所述的改进的二氧化硅基阵列波导光栅，包含单个输入波导的阵列波导 光栅和多个输入波导的阵列波导光栅。
[0022] (6)⑴中所述的改进的二氧化硅基阵列波导光栅，其中硅基波导芯层包含硅、氮 化硅、氮氧化硅等材料中的至少一种。
[0023] (7)-种制作改进的二氧化硅基阵列波导光栅的方法，其特征是：制作二氧化硅 基平板波导、二氧化硅基阵列波导、输入和输出波导的二氧化硅基波导部分和硅基波导部 分，制作用于耦合输入或输出波导各自的硅基和二氧化硅基波导部分的第二耦合器和用于 耦合二氧化硅基平板波导和输入或输出波导的硅基波导部分的第一耦合器；其中第二耦合 器中硅基波导横截面逐渐减小部分被掺杂锗、氮、硼或磷等元素中至少一种的较高折射率 二氧化硅覆盖，包层外以较低折射率二氧化硅覆盖，后续连接的二氧化硅基波导的芯层尺 寸与上述硅基波导外覆盖的较高折射率二氧化硅横截面尺寸一致，折射率一致或相近。
[0024] (8) (7)中所述的制作改进的二氧化硅基阵列波导光栅的方法，其中二氧化硅基平 板波导、二氧化硅基阵列波导、输入和输出波导的二氧化硅基波导部分先加工完成；然后加 工完成输入和输出波导的娃基波导部分、用于親合输入或输出波导各自的娃基和二氧化娃 基波导部分的第二耦合器和用于耦合二氧化硅基平板波导和输入或输出波导的硅基波导 部分的第一親合器。
[0025] (9) (7)中所述的制作改进的二氧化硅基阵列波导光栅的方法，输入和输出波导的 硅基波导部分、用于耦合输入或输出波导各自的硅基和二氧化硅基波导部分的第二耦合器 和用于親合二氧化娃基平板波导和输入或输出波导的娃基波导部分的第一親合器同时加 工完成。例如一种完成方法为：首先沉积硅薄膜在已完成二氧化硅基波导部分的器件表面； 然后用同一步光刻或同一步电子束曝光来确定输入和输出波导的硅基波导部分、用于耦合 输入或输出波导各自的硅基和二氧化硅基波导部分的第二耦合器和用于耦合二氧化硅基 平板波导和输入或输出波导的硅基波导部分的第一耦合器的基本平面图样；进而同时完成 刻蚀输入和输出波导的娃基波导部分、用于親合输入或输出波导各自的娃基和二氧化娃基 波导部分的第二耦合器和用