一种硅基光波导间高效耦合结构及制作方法与流程

本发明涉及的是一种硅基光波导间高效耦合结构及制作方法，该耦合结构应用于硅基光波导器件，属于集成微波光子器件领域。

背景技术：

光子技术具带宽大、传输损耗低、抗电磁干扰、可调谐等突出优势，近二十年来得到了国内外研究人员的广泛研究，并取得了长足的发展，主要包括相关材料和器件、光子微波信号产生技术、光子信号处理技术、光子混频技术、模拟射频信号光纤链路、光子波束成形、光载无线系统(RoF)、模数转换和任意波形发生等。作为光子技术与射频微波技术的交叉技术领域，微波光子技术以其独有的低损耗、大带宽、抗干扰能力强等特征，在近年得到快速发展。通过将射频微波信号调制在激光上，便可在光频上实现信号产生、调制、处理、长距离低损耗传输等功能，是引领未来通信行业及雷达、电子战等军用领域的关键技术。微波光子信号处理作为研究热点之一，目前已实现了众多光子信号处理功能，有光滤波、光开关、光延时、微分、积分和希尔伯特变换等。

目前的微波光子系统主要由分立的光电子器件构成，存在体积大、功耗高、受外界环境影响较为严重、可靠性低等不足。因此，要想把微波光子技术推向实用，迫切需要实现微波光子系统的芯片集成，以降低系统尺寸、功耗和成本，增强可编程、快速可重构能力，提升系统机械及电磁抗干扰性能。硅基微波光子集成是在SOI（Silicon on Insulator）上，采用成熟的微电子CMOS工艺直接制备，或在SOI生长、键合InP等异质材料，来制作微波光电子集成器件的技术。它是在芯片尺度上，将微波技术对信号的精细处理能力和光子技术对信号的高速宽带处理能力进行有机融合，能有效解决传统微波射频技术难题，为提升现代电子信息装备性能提供小型化、低功耗、高可靠和低成本的颠覆性解决方案。

硅基微波光子集成需要将各种硅基的光器件集成在一起，如方向耦合器、光功率分束器、偏振分束器、偏振旋转器、滤波器和延迟线等，那么各器件间的相互耦合就至关重要。目前主要采用直接耦合方式和倏逝波耦合方式，直接耦合方式主要用于分束器和定向耦合器等中，倏逝波耦合方式主要用于不相连部件间的耦合或者器件内部的部分耦合。

技术实现要素：

本发明提出的是一种硅基光波导间高效耦合结构及制作方法，其目的旨在解决传统硅基波导间倏逝波耦合在耦合间距、工艺容差等方面的缺点，采用梯形细波导作为耦合区的波导，提高同等耦合间距下波导间的耦合效率，因此在同耦合效率下波导间距可以适当加大，降低电子束刻写耦合区时邻近效应产生的工艺误差，即提高工艺容差。

本发明的技术解决方案：一种硅基光波导间高效耦合结构与制作方法，其耦合结构包括以下三部分：

1）标准硅基光波导，宽度450-500纳米，作为光器件的波导；

2）锥形过渡波导，长度10-20微米，作为不同宽度光波导之间的过渡波导；

3）耦合区细波导，宽度380-420纳米，长度10-15微米，作为倏逝波耦合波导。

所述锥形过渡波导在耦合区细波导的左、右，锥形过渡波导接标准硅基光波导。

其制作方法包括以下步骤：

1）先在绝缘体上硅材料用光刻胶做掩模；

2）采用感应耦合等离子体刻蚀制作梯形硅基光波导；

3）去除光刻胶掩模完成硅基光波导间高效耦合结构制作。

本发明的优点：

1）采用梯形细波导作为倏逝波耦合区的耦合波导，提高同等耦合间距下波导间的耦合效率，

2）在同耦合效率下波导间距可以适当加大，降低电子束刻写耦合区时邻近效应产生的工艺误差，即提高了工艺容差；

3）用锥形波导与标准硅基光波导相连，实现不同波导的过渡，附加损耗小。

附图说明

图1是硅基光波导高效耦合结构正面俯视图。

图2是电子束刻写制作的掩模剖面图。

图3是感应耦合等离子体刻蚀制作的梯形波导剖面图。

图4是去除光刻胶后完成的硅基梯形光波导剖面图。

图5是完成制作的硅基光波导间耦合结构正面俯视图。

具体实施方式

对照附图，硅基光波导间高效耦合结构，包括以下三部分：

1）标准硅基光波导；

2）锥形过渡波导；

3）耦合区细波导；

其中耦合区细波导的左、右是锥形过渡波导，锥形过渡波导接标准硅基光波导。

所述的标准硅基光波导，宽度450-500纳米，作为光器件的波导；

锥形过渡波导，长度10-20微米，作为不同宽度光波导之间的过渡波导；

耦合区细波导，宽度380-420纳米，长度10-15微米，作为倏逝波耦合波导。

耦合区细波导之间的距离，即耦合距离为100-400纳米。

实施例1

制作硅基光波导间高效耦合结构的方法，包括如下步骤：

1）在绝缘体上硅材料上涂覆电子束胶，电子束胶采用ZEP520A，胶厚350纳米，并采用电子束光刻直写耦合波导图形，通过显影制作出电子束胶掩模。制作的光刻胶波导刻蚀掩模剖面图如图2所示；

2）以光刻胶为刻蚀掩模，利用感应耦合等离子体刻蚀出梯形硅基光波导，如图3所示。硅的刻蚀采用的气体为六氟化硫和氧气的混合气体，具体刻蚀条件为：六氟化硫流量为5sccm，氧气流量为3sccm，气压为0.5pa，刻蚀线圈功率为90W，射频偏置功率为5W，刻蚀时间为80s。通过控制射频偏置功率、气压以及气体流量能够控制刻蚀的横向刻蚀和纵向刻蚀速率，实现不同的各向异性效果，制作出70°的梯形光波导；

3）刻蚀后依次用N-甲基吡咯烷酮、丙酮、乙醇进行浸泡并超声，去除剩余的光刻胶，并在去离子水中清洗，完成硅基光波导间高效耦合结构的制作。最终制作的梯形硅基光波导剖面图如图4所示，硅基光波导间高效耦合结构正面俯视图如图5所示。

实施例2

制作硅基光波导间高效耦合结构的方法，包括如下步骤：

1）在绝缘体上硅材料上涂覆电子束胶，电子束胶采用ZEP520A，胶厚500纳米，并采用电子束光刻直写耦合波导图形，通过显影制作出电子束胶掩模。制作的光刻胶波导刻蚀掩模剖面图如图2所示；

2）以光刻胶为刻蚀掩模，利用感应耦合等离子体刻蚀出梯形硅基光波导，如图3所示。硅的刻蚀采用的气体为六氟化硫和氧气的混合气体，具体刻蚀条件为：六氟化硫流量为10sccm，氧气流量为5sccm，气压为1.0pa，刻蚀线圈功率为120W，射频偏置功率为10W，刻蚀时间为40s。通过控制射频偏置功率、气压以及气体流量能够控制刻蚀的横向刻蚀和纵向刻蚀速率，实现不同的各向异性效果，制作出80°的梯形光波导；

3）刻蚀后依次用N-甲基吡咯烷酮、丙酮、乙醇进行浸泡并超声，去除剩余的光刻胶，并在去离子水中清洗，完成硅基光波导间高效耦合结构的制作。最终制作的梯形硅基光波导剖面图如图4所示，硅基光波导间高效耦合结构正面俯视图如图5所示。

实施例3

制作硅基光波导间高效耦合结构的方法，包括如下步骤：

1）在绝缘体上硅材料上涂覆电子束胶，电子束胶采用ZEP520A，胶厚400纳米，并采用电子束光刻直写耦合波导图形，通过显影制作出电子束胶掩模。制作的光刻胶波导刻蚀掩模剖面图如图2所示；

2）以光刻胶为刻蚀掩模，利用感应耦合等离子体刻蚀出梯形硅基光波导，如图3所示。硅的刻蚀采用的气体为六氟化硫和氧气的混合气体，具体刻蚀条件为：六氟化硫流量为8sccm，氧气流量为4sccm，气压为0.75pa，刻蚀线圈功率为90W，射频偏置功率为8W，刻蚀时间为60s。通过控制射频偏置功率、气压以及气体流量能够控制刻蚀的横向刻蚀和纵向刻蚀速率，实现不同的各向异性效果，制作出75°的梯形光波导；

3）刻蚀后依次用N-甲基吡咯烷酮、丙酮、乙醇进行浸泡并超声，去除剩余的光刻胶，并在去离子水中清洗，完成硅基光波导间高效耦合结构的制作。最终制作的梯形硅基光波导剖面图如图4所示，硅基光波导间高效耦合结构正面俯视图如图5所示。

实施例4

制作硅基光波导间高效耦合结构的方法，包括如下步骤：

1）在绝缘体上硅材料上涂覆电子束胶，电子束胶采用ZEP520A，胶厚300纳米，并采用电子束光刻直写耦合波导图形，通过显影制作出电子束胶掩模。制作的光刻胶波导刻蚀掩模剖面图如图2所示；

2）以光刻胶为刻蚀掩模，利用感应耦合等离子体刻蚀出梯形硅基光波导，如图3所示。硅的刻蚀采用的气体为六氟化硫和氧气的混合气体，具体刻蚀条件为：六氟化硫流量为4sccm，氧气流量为3sccm，气压为1.1pa，刻蚀线圈功率为80W，射频偏置功率为12W，刻蚀时间为90s。通过控制射频偏置功率、气压以及气体流量能够控制刻蚀的横向刻蚀和纵向刻蚀速率，实现不同的各向异性效果，制作出65°的梯形光波导；

3）刻蚀后依次用N-甲基吡咯烷酮、丙酮、乙醇进行浸泡并超声，去除剩余的光刻胶，并在去离子水中清洗，完成硅基光波导间高效耦合结构的制作。最终制作的梯形硅基光波导剖面图如图4所示，硅基光波导间高效耦合结构正面俯视图如图5所示。