专利名称：光子晶体分束器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于光通讯、光计算、光传感和光学测量等领域的光子晶体分束器，特别涉及一种以SOI材料的光子晶体分束器结构，属于半导体光学技术领域。
背景技术：
在过去半个世纪中，以硅为主导的微电子技术取得了举世瞩目的成就，大力推动了信息技术黄金时代的到来。硅在市场方面的垄断地位和在工艺方面的巨大优势，吸引着人们不断研发小型化、集成化的硅基光子器件，以实现大规模集 成的光子芯片。绝缘体上的娃(Silicon-on-Insulator, SOI)是一种独特的娃基材料体系，采用这种材料制作光电子器件有利于兼容成熟的CMOS工艺，实现大规模的光子集成与光电集成。但是，普通的SOI光波导尺寸较大，相应的器件很难实现高密度的集成芯片，于是，光子晶体的概念应运而生。所谓光子晶体，指的是折射率发生波长尺度的周期性改变，具有一定光子带隙(PBG)的材料结构。光子晶体的出现，为将来的光电和光子集成芯片开辟了一条新的道路。t匕如，光子晶体波导通过带隙的限制效应而导光，由于波导宽度在波长量级，就能使波导器件的尺寸大为降低。产生完全光子带隙的3-D光子晶体在制作上还有一定困难，因此，二维光子晶体平板是目前构造光子晶体器件的最优选择。在平板平面内，通过光子禁带产生光限制，而在垂直于平板波导的方向上，通过折射率导引产生光限制。如果是周期性的空气孔分布于介质材料中，将对TE模产生较大的光子带隙，如果是周期性的介质柱分布于空气中，将对TM模产生较大的光子带隙。Y型光功率分束器是光学和光电领域中的基本器件。但是，目前的波导型Y分束器大多长达几千微米，光纤型的Y分束器更是长达几个毫米，这种大尺寸的器件将无法应用于将来大规模的集成光子芯片中。光子晶体的出现为器件小型化提供了一条新途径。然而，普通结构的光子晶体Y分束器一般在输入、输出波导的交接区引入缺陷小孔(或缺陷柱)来提高分束效率、减小插入损耗。图I为传统光子晶体Y分束器的结构示意图。如图I所示，该结构需要在输入波导和输出波导的交接处引入直径较小的硅柱(即缺陷柱)，以降低器件损耗、提高输出效率，这就需要比较精确的曝光工艺。这种结构的最大不足是制作容差小，缺陷孔或缺陷柱的直径往往只有几十纳米，其位置也需要精确确定，因而给实际制作带来很大困难。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种光子晶体分束器，用于克服现有的光子晶体Y分束器需要比较精确的曝光工艺，制作容差小等问题。为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案一种光子晶体分束器(200)，其特征在于该光子晶体分束器包括SOI衬底(100)、在SOI衬底的顶层硅(103)上刻蚀形成的呈正方晶格排列的空气孔区域(220)以及将该空气孔区域(220)与外部器件连接的SOI条形波导(210);所述SOI衬底(100)包括衬底硅层(101)、位于衬底硅层(101)上的二氧化硅埋层(102)以及位于该二氧化硅埋层(102)上的顶层硅(103);所述空气孔区域的空气孔(221)的深度(h)等于SOI顶层硅(103)的厚度(d)。进一步的，所述SOI条形输入波导的高度H与空气孔的深度h相等。进一步的，所述顶层硅(103)的厚度d与所述空气孔的晶格常数a的关系为0. 5a ^ h ^ 0. 6a，所述二氧化硅埋层(102)的厚度至少为2. 64a。进一步的，所述空气孔的半径r与晶格常数a的关系为r > 0. 2a。进一步的，所述空气孔的半径I■与晶格常数a的关系为0. 3a < r < 0. 4a。
进一步的，所述顶层硅(103)得厚度为230nm，所述二氧化硅埋层厚度为述空气孔正方晶格排列的晶格常数为380nm，所述空气孔半径为140nm。进一步的，所述SOI条形输入波导的宽度K至少为所述空气孔的晶格常数a的Vi倍。进一步的，所述空气孔采用电子束曝光、电感耦合等离子体工艺刻蚀或FIB刻蚀形成。本发明还包括一种光子晶体分束器的制备方法，其包括以下步骤I)制备SOI衬底；2)在上述SOI衬底的顶层硅(103)上刻蚀形成的呈正方晶格排列的空气孔区域(220)以及将该空气孔区域(220)与外部器件连接的SOI条形波导(210);所述空气孔区域的空气孔(221)的深度h为等于SOI顶层硅(103)的厚度d，所述SOI条形波导边缘至所述空气孔区域(220)边界的距离分别为LI、L2，其中LI、L2大于O。进一步的，所述SOI条形输入波导的高度(H)与空气孔的深度(h)相等。本发明的技术效果是，该光子晶体光分束器与传统的Y分束器相比，由于完全采用光子晶体结构实现光束的分束，分束区的长度可以控制在IOym以内，这使总体器件的长度极大缩短，结构更为紧凑；同时，与普通的光子晶体Y分束器相比，其不需要引入缺陷柱或缺陷孔，制备容差更大、设计更为灵活，能够更为广泛的用在未来的光子芯片中。此外，本发明提供的光子晶体分束器结构基于SOI衬底，与目前成熟的CMOS工艺兼容，制备工艺简单成熟、成本低廉。
图I为普通SOI光子晶体Y分束器的结构示意图；图2为二维正方晶格空气孔平板光子晶体TE模式第一能带等频图；图3为本发明提供的SOI光子晶体分束器的结构示意图；图4为本发明所用的SOI材料侧视图；图5为本发明提供的SOI光子晶体分束器侧视图；图6为本发明提供的SOI光子晶体分束器FDTD仿真结果示意图；元件符号标注
权利要求
1.一种光子晶体分束器(200)，其特征在于该光子晶体分束器包括SOI衬底(100)、在SOI衬底的顶层硅(103)上刻蚀形成的呈正方晶格排列的空气孔区域(220)以及将该空气孔区域(220)与外部器件连接的SOI条形波导(210);所述SOI衬底(100)包括衬底硅层(101)、位于衬底硅层(101)上的二氧化硅埋层(102)以及位于该二氧化硅埋层(102)上的顶层硅(103);所述空气孔区域的空气孔(221)的深度(h)等于SOI顶层硅(103)的厚度(d)。
2.根据权利要求I所述的光子晶体分束器，其特征在于，所述SOI条形输入波导的高度H与空气孔的深度h相等。
3.根据权利要求I所述的光子晶体分束器，其特征在于，所述顶层硅(103)的厚度d与所述空气孔的晶格常数a的关系为0. 5a<h<0.6a，所述二氧化硅埋层(102)的厚度至少为 2. 64a。
4.根据权利要求I所述的光子晶体分束器，其特征在于，所述空气孔的半径!■与晶格常数a的关系为r彡0. 2a。
5.根据权利要求4所述的光子晶体分束器，其特征在于，所述空气孔的半径r与晶格常数a的关系为0. 3a < r < 0. 4a。
6.根据权利要求3或4或5所述的光子晶体分束器，其特征在于，所述顶层硅(103)得厚度为230nm，所述二氧化硅埋层厚度为Iy m，所述空气孔正方晶格排列的晶格常数为380nm，所述空气孔半径为140nm。
7.根据权利要求I所述的光子晶体分束器，其特征在于，所述SOI条形输入波导的宽度K至少为所述空气孔的晶格常数a的Vi倍。
8.根据权利要求I所述的光子晶体分束器，其特征在于，所述空气孔采用电子束曝光、电感耦合等离子体工艺刻蚀或FIB刻蚀形成。
9.一种光子晶体分束器(200)的制备方法，其特征在于，包括以下步骤 1)制备SOI衬底； 2)在上述SOI衬底的顶层硅(103)上刻蚀形成的呈正方晶格排列的空气孔区域(220)以及将该空气孔区域(220)与外部器件连接的SOI条形波导(210);所述空气孔区域的空气孔(221)的深度h为等于SOI顶层硅(103)的厚度d，所述SOI条形波导边缘至所述空气孔区域(220)边界的距离分别为L1、L2，其中L1、L2大于O。
10.根据权利要求9所述的光子晶体分束器(200)的制备方法，其特征在于，所述SOI条形波导的高度(H)与空气孔的深度(h)相等。
全文摘要
一种光子晶体分束器，利用SOI基二维平板空气孔光子晶体的自准直效应实现输入光信号的分束传播，属于半导体光学技术领域，包括SOI衬底、在SOI衬底顶层硅刻蚀形成的空气孔区域以及将空气孔区域与外部光纤或其他器件相连的SOI条形波导。其中空气孔区域中，刻蚀形成的空气孔呈正方晶格排列在SOI顶层硅上，其深度即为SOI顶层硅的厚度，SOI条形波导即为分束器的输入波导，其距离空气孔区域与之平行的两边界均有一距离。该分束器分束区的长度可以控制在10μm以内，这使总体器件的长度极大缩短，结构更为紧凑；同时，其具有较大的制备容差和更灵活的设计，能够更为广泛的用在未来的光子芯片中。
文档编号G02B6/136GK102789023SQ20111012818
公开日2012年11月21日 申请日期2011年5月18日 优先权日2011年5月18日
发明者李 浩, 杨志峰, 林旭林, 武爱民, 王曦, 甘甫烷 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所