一种硅基片上波长与偏振混合复用/解复用器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及集成光学技术领域，具体涉及一种硅基片上波长与偏振混合复用/解 复用器。
【背景技术】
[0002] 近年来，片上光互连的关键技术一光子集成回路（PhotonicIntegrated Circuits,PICs)的研究取得了长足的进步。PICs能够有效突破分立元件的功能局限，将不 同功能的光子器件在同一衬底材料上单片集成，使芯片的处理功能和运行速度大幅提高， 功耗大大降低，尺寸大大缩小，可极大改善芯片的成品率和可靠性。在构建PICs的过程中， 硅半导体材料显示出诸多的优势，其中最突出的优势是可采用成熟的标准CMOS工艺，以实 现硅光子器件的低成本、批量化生产，并可实现硅光子器件与硅微电子器件的单片混合集 成，从而研制出大规模甚至超大规模的PICs。在利用光子器件构建大容量、高带宽、高速率 及低成本片上光互连时，各类复用技术，如波分复用，偏振复用，空分复用等，是其中的关键 所在。为应对即将到来的超大容量、超高带宽、高速片上光互连的需求，考虑同时采用多种 复用技术以实现片上混合复用传输势在必行。
[0003] 最近，两种新颖的波导结构一槽波导和混合等离子体波导分别于2004年和2008 年由康奈尔大学MichalLipson教授课题组和加州大学伯克利分校张翔教授课题组相继提 出，受到了研究人员的广泛关注。其中槽波导是由两个近靠的高折射率分布差的硅基纳米 线构成，中间形成纳米槽，根据电磁场的边值关系，在垂直于高折射率差分布的分界面上， 电场分量将出现不连续性并在低折射率槽中明显增强。混合等离子体波导是在普通介质波 导的外部引入了金属层并通过一层薄的低折射率材料将它们分开，这种波导结构使得它所 能承载的光信号模式介于普通介质波导和金属等离子体波导之间，因而同时具有介质波导 的低损耗特性和等离子体波导的强模场限制能力。目前利用这两种波导设计和制造的诸 多光子器件已被报道，如：全光调制器、光开关、耦合器、分束器、传感器等。此外，这两种波 导具有明显优于普通硅基纳米线的强偏振相关性，使得模式的耦合也具有偏振选择性，同 时结合微环谐振器，可以实现片上波长与偏振的混合复用传输。而其中最为关键的是混合 复用器和解复用器的研究，因此设计出高性能、结构紧凑的硅基片上波长与偏振混合复用/ 解复用器，进而实现片上混合复用传输显得十分重要。目前还没有能够实现片上混合复用 传输的设备。
【发明内容】
[0004] 发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种能够实现片上混合复用 传输的硅基片上波长与偏振混合复用/解复用器。
[0005] 技术方案：一种硅基片上波长与偏振混合复用/解复用器，包括衬底，在所衬底上 设有多个输入波导、多个输出波导、总线波导、多个槽式微环和多个混合等离子体微环；在 输入端，每个输入波导分别通过一个槽式微环或混合等离子体微环将输入信号复用至总线 波导进行混合复用传输；在输出端，总线波导中混合复用后传输的信号分别经一个槽式微 环或混合等离子体微环解复用至每个输出波导；输入端与输出端的槽式微环的数量相同， 输入端与输出端的混合等离子体微环的数量相同。
[0006] 进一步的，所述的槽式微环包括两个近靠的纳米环；所述的混合等离子体微环包 括由下而上依次为介质环、低折射率填充环和金属覆盖环。
[0007] 进一步，所述总线波导为单个总线波导。
[0008] 进一步，所述槽式微环中两个纳米环之间的间距为80nm~120nm。这样的结构的 偏振相关性和波长选择性更强。
[0009] 进一步，所述混合等离子体微环中的介质环为娃材料制成的，介质环的厚度 为220nm;低折射率填充环为二氧化娃或氮化娃材料制成的，低折射率填充环的厚度 为20nm~50nm;金属覆盖环为银、错或者铜材料制成的，金属覆盖环的厚度为100nm~ 200nm。采用这样的结构在总线波导中传输的多波长、多偏振态信号在传输过程中相互之间 的串扰较低，与不同微环的交叉耦合也比较弱。
[0010] 进一步，所述槽式微环的外半径为3. 0iim~3. 5iim，混合等离子体微环的外半径 为 2. 0ym~2. 3ym〇
[0011] 有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
[0012] 1、波长与偏振混合复用的效率高、交叉耦合和串扰低。相对于普通基于硅纳米线 设计的微环谐振器，本发明通过使用具有更强偏振相关性和波长选择性的槽式和混合等离 子体波导设计的微环谐振器，可以实现高效的混合复用和解复用的功能，使得在总线波导 中能同时传输多波长和多偏振态的混合信号，能极大地提高现有片上光互连的传输容量、 带宽及速率。此外，基于强的偏振相关性，不同通道间的交叉耦合和串扰也将有效降低。
[0013] 2、波长的调节、转换和对准方便。基于硅材料较大的热光系数，可通过电极加热的 方式调节或补偿因器件制造过程的尺寸误差所带来的谐振波长漂移，从而将谐振波长与总 线中波分复用的通道波长进行精确对准，提高器件的整体工作性能。
[0014] 3、传输系统的可扩展性高。本发明技术方案中每一个槽式微环或混合等离子体微 环都对应一路波长和偏振信号，通过适当增加微环谐振器的数量即可实现系统的升级和扩 容，因此可扩展性明显优于现有的复用传输方式。
[0015] 4、设计灵活、使用方便。本发明中的混合复用器和解复用器的工作原理相似，复用 器是将多波长和多偏振态的输入信号复用至总线波导进行混合复用传输，解复用器是将总 线波导中的复用信号按不同的波长和偏振态分别输出到不同的输出端口，进行后续光信号 的处理；此外本发明的复用/解复用器的结构对称，输入和输出端口在实际使用中可颠倒 使用，而不影响器件的性能，进一步提升了器件设计和使用的灵活性和便捷性。
[0016] 5、结构紧凑、加工制造成本低廉。本发明采用具有高折射率差的绝缘体上硅材料 制作上述器件，使得器件的整体封装尺寸较小，便于与其它器件进一步集成构建高性能、多 功能的用于片上光互连的大规模光集成回路。同时该器件的制造完全兼容于现有成熟的标 准CMOS工艺，利于实现器件的低成本批量化生产。基于这些有益效果和优势，该器件在集 成光子学特别是硅基光子学领域有着潜在的应用价值。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明的结构示意图；
[0018] 图2为本发明中硅基槽式微环谐振器的横截面图；
[0019] 图3为本发明中硅基混合等离子体微环谐振器的横截面图；
[0020] 图4为本发明中输入、输出波导及总线波导结构横电模的主分量模场分布图；
[0021] 图5为本发明中输入、输出波导及总线波导结构横磁模的主分量模场分布图；
[0022] 图6为本发明中槽式微环结构横电模的主分量模场分布图；
[0023]图7为本发明中槽式微环结构横磁模的主分量模场分布图；
[0024] 图8为本发明中混合等离子体微环结构横电模的主分量模场分布图；
[0025] 图9为本发明中混合等离子体微环结构横电模的主分量模场分布图；
[0026] 图10为本发明中混合等离子体微环谐振器在解复用部分的直通输出端口的传输 率与工作波长的变化关系；
[0027] 图11为本发明中混合等离子体微环谐振器在解复用部分的下路输出端口的传输 率与工作波长的变化关系。
[0028] 图中：输入波导1、2、3、4、输出波导5、6、7、8、总线波导9、槽式微环谐振器10、11、 16、17、混合等离子体微环谐振器12、13、14、15、构成槽式微环谐振器的两个近靠的纳米环 101、102、构成混合等离子体微环谐振器的介质环121、低折射率填充环122、金属覆盖环 123、衬底18、包层19。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
[0030] 如图1、图2和图3所示，一种硅基片上波长与偏振混合复用/解复用器，包括衬底 18和包层19，在衬底18上设有四个输入波导1、2、3、4、四个输出波导5、6、7、8、单个总线波 导9、四个槽式微环10、11、16、17和四个混合等离子体微环12、13、14、15 ;在输入端，四个输 入波导1、2、3、4分别通过两个槽式微环10、11和两个混合等离子体微环12、13将多波长和 多偏振态的输入信号复用至总线波导9进行混合复用传输；在输出端，通过两个混合等离 子体微环14、15和两个槽式微环16、17将总线波导9中的混合复用信号分别解复用至四个 输出波导8、7、6、5进行输出。其中，输入波导、输出波导、槽式微环和混合等离子体微环的 数量可以根据需求进行增加，其中，入端与输出端的槽式微环的数量需相同，输入端与输出 端的混合等离子体微环的数量需相同。通过增加相应的输入波导、输出波导、槽式微环和混 合等离子体微环的数量可以提高单个总线波导的传输容量。其中，输入波导、输出波导和总 线波导均为硅纳米线波导。
[0031] 其中，四个槽式微环10、11、16、17是由两个近靠的纳米环101、102构成；其中，纳 米环