基于垂直狭缝结构的环境温度无关氮化硅微环滤波芯片的制作方法

本发明涉及一种氮化硅微环滤波器。

背景技术：

近年来，社会高速发展步入信息化的时代，因此对数据的传输量，以及传输速度提出了更高的要求。随着技术的发展，超高清视频格式的扩展、移动数据流量的增加以及云端密集型数据服务的出现【在先技术1：Kwack M J,Tanemura T,Higo A,et al.Opt.Express.20(27),28734-41(2012)】，极大地推动了社会的发展。但是，当前电子芯片处理能力已经发展到了技术瓶颈，众所周知，指导微电子发展的“摩尔定律”基本失效，集成电路芯片的发展趋于饱和。在另一方面，由于大数据、云计算、物联网的发展，信息高速公路体系中各层分支线路上的数据流量也大大增加。光进铜退已经延伸到了芯片内部。虽然可以通过增加电子芯片中的并行线数量，来增加数据传送量，达到高速传输的目的，但是这一举措无疑会增加电子产品的功耗和尺寸，同时需要额外的散热装置使其稳定工作，不符合当前时代微型化，集成化器件的发展。基于现有传统光信号处理器件，具有宽带宽、高速传输速度、制作相同，将光学信号处理模块和电子信号处理模块相结合的新型光电子产业正在蓬勃发展，光电子集成芯片及其材料关键工艺技术是未来高速大容量光纤通信、全光网络、下一代互联网、宽带光纤接入网所广泛依赖的技术，5G大潮推动运营商和数据中心光器件升级，光器件产业链中，光芯片技术含量最高。

光芯片技术以硅基光电子芯片为代表，所谓硅基光电子技术，就是结合光的极高带宽、超快速率和高抗干扰特性以及微电子技术在大规模集成、低能耗、低成本等方面的优势，应用与电路技术兼容的硅工艺平台，在同一硅衬底上同时制作若干微纳量级，以光子和电子为载体的信息功能器件，形成一个完整的具有综合功能的新型大规模光电集成芯片。光芯片之间的信息交换主要通过光波导，光波导可以同时传输不同波长光信号而不会产生相互干扰，此举能充分利用光纤的大带宽，使得光信息传输网络具有大容量大带宽等特点，这使得大规模波分复用技术有实现的基础。在各种波分复用技术中，密集波分复用技术因其大容量和宽带宽的优势已被广泛应用。在过去的几年里，由于硅光电子学快速发展，利用硅基材料作为全光网络的关键器件能够实现大规模波长分离，在信号处理领域的应用前景广泛【在先技术2：Gan X,Zhao C,Wang Y,et al.Optica,2015,2(5):468.】。硅基集成光电子器件由于其与半导体互补金属氧化物半导体工艺兼容的成熟加工方法、低廉的材料成本、优良的光电混合集成特性，在能耗、性能、尺寸和成本等方面优势明显，在制作滤波器领域有着重要应用。目前在系统中常用的滤波器有阵列波导光栅、法布里波罗滤波器、多层介质膜滤波器、布拉格光栅滤波器和微环滤波器等。其中，前几种滤波器存在结构复杂或者不紧凑等缺点。而微环滤波器，由于其紧凑的结构，不需要平面平板或者光栅作为光反馈，以及极窄的线宽和高灵敏度在近年来受到了广泛的关注。微环滤波器在光滤波方向有一个突出的优点，它本身不仅具有波长选择性，采用多个微环就可以实现复用和解复用功能，而且芯片尺寸小，有利于大规模集成。对于波分复用功能，近些年，已被证明能够实现密集波分复用器的方法有:微环[2]、阵列波导光栅、级联马赫–森德干涉仪和光子晶体[3－4]。由于微环拓扑多样[5－6]，便于在光网络中集成，滤波性能优越，广泛应用在波分复用(WDM)，密集波分复用(DWDM)以及超密集波分复用(UDWDM)系统中。

微环制作材料中，氮化硅是近些年研究的热点，这一硅基材料具有从可见光到中红外光的宽透射谱，其与包覆层的折射率相差约0.6，比单纯的硅折射率差值(～2)更小，使得波导尺寸在微米量级，相对降低了加工难度；同时又比高折射率玻璃平面光波导折射率差值(～0.1)更大，使得器件尺寸相对较小。适中的折射率与器件尺寸也使得氮化硅波导成为十分具有前景的材料。因为其具有可忽略的非线性吸收，光耦合、传输损耗低等优点，可低成本大规模制备，基于氮化硅材料的光学无源器件已经被广泛研究，如偏振分束器、光栅耦合器、高品质因子微环、微盘器件等。

高度集成化的密集波分复用系统的大规模应用，也对温度无光光学滤波器提出了更高的要求。微环结构本身对环境温度十分敏感，环境温度的改变会引起谐振波长的改变，不仅仅会增加信道之间的串扰和损耗，过大的温度漂移还可能会导致无法准确分离复用特定波长。目前常用的克服温度波长漂移的方法大多是外加机械装置移动波导或者是附加金属温度补偿，这些方法整体性差，结构复杂，难以大规模集成。

技术实现要素：

本发明的目的是：减少温度变化对微环滤波器波分复用功能的影响。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种基于垂直狭缝结构的环境温度无关氮化硅微环滤波芯片，包括镀在硅衬底上的缓冲层及芯层，其特征在于，芯层为由两个氮化硅微环中间夹着一个二氧化硅微环组成的垂直狭缝型的微环谐振腔，氮化硅微环波导及二氧化硅微环波导均由环形波导和直波导组成；芯层由涂敷在缓冲层上的负热光系数外包层包裹。

优选地，所述缓冲层为3微米厚的二氧化硅。

优选地，所述氮化硅微环的厚度为250纳米；所述二氧化硅微环的厚度为20纳米。

优选地，所述环形波导半径为20微米，宽度为1微米；所述直波导与所述环形波导耦合间距为300纳米。

优选地，所述负热光系数外包层为750纳米的负热光系数的聚二甲基硅氧烷薄膜。

优选地，所述芯层利用增强化学沉积方法制备得到。

本发明的特别之处在于它的垂直狭缝结构，与此同时结合负热光系数外包层，可实现滤波的温度无关特性。具体而言，本发明由两个氮化硅微环中间夹着一个二氧化硅微环组成垂直狭缝型的微环谐振腔。垂直狭缝型波导的优势在于，制作波导时可利用增强化学沉积的方法，制作中间三层狭缝波导，精确控制各层波导厚度，相较于一般的光刻技术，本发明的狭缝结构制作工艺可以将精度控制在纳米量级，精度远高于光刻工艺，有利于器件性能的提升，制作工艺也较为简单。同时，本发明在采用氮化硅材料的同时，在外包层匀胶涂敷负热光系数的聚二甲基硅氧烷聚合物材料，抵消温度对波分复用功能的影响，制作工艺简单，便于集成应用。

附图说明

图1是基于垂直狭缝结构氮化硅波导的微环滤波器示意图；

图2是本发明中直波导耦合区域的截面图；

图3是温度变化时，波长漂移与狭缝宽度之间的关系；

图4是温度相关的透射谱以及谐振峰漂移情况；

图5是基于狭缝型氮化硅波导的温度无关滤波器制作流程的截面图。

具体实施方式

下面结合附图，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

对于温度无关的的设计是利用聚合物材料聚二甲基硅氧烷作为外包层，利用它的负热光系数【在先技术3：He L,Xiao Y F,Zhu J,et al.Optics express,2009,17(12):9571-9581.】，抵消环境温度对微环的影响。目前常用的克服温度波长漂移的方法有：1.使用封装技术机械移动波导，补偿波导的温度漂移。2.使用金属补偿板,补偿波导的温度漂移敏感性。3.使用反射镜，补偿波导的温度漂移。使用封装技术机械移动波导，增加了机械的控制使得其集成化变的比较困难，而且与现有的半导体加工工艺兼容性较差；使用金属补偿板,补偿波导的温度漂移，热应力又成为一个新的影响中心波长漂移的因素；使用反射镜补偿波导的温度，漂移矫正波长的范围有限，而且反射镜的控制精度要求很高，容易产生相位误差，恶化通频带性能。相较于以上几种方案，采用负热光系数聚合物作为外包层抵消温度影响的设计，制作工艺成熟，加工兼容性好，不用在器件外增加一个热反馈回路控制系统，器件整体性好，材料本身性能稳定没有衍生的影响因素，因此该设计整体上优势明显。

本发明提供的一种基于垂直狭缝结构的环境温度无关氮化硅微环滤波芯片，具体具有如下结构：

如图2所示，在硅衬底上镀3微米厚的二氧化硅(折射率约为1.444)作为缓冲层。两层厚度为250纳米的氮化硅1中间夹杂一层20纳米的二氧化硅2作为芯层。结合图1，芯层波导由环形波导和直波导组成。环形波导半径为20微米，宽度为1微米，直波导与环形波导耦合间距G为300纳米。芯层的狭缝型氮化硅波导(折射率约为2.01)厚度H为250纳米、宽度W为1000纳米；中间一层二氧化硅波导(折射率约为1.444)直波导与环形波导之间的间隙G为300纳米。在二氧化硅的缓冲层上匀胶涂敷750纳米的负热光系数的聚二甲基硅氧烷薄膜作为包层，整体的微环结构波导被750纳米的聚二甲基硅氧烷上包层覆盖

图3显示了基于狭缝型氮化硅波导的温度无关滤波器制作流程的截面图。首先在350摄氏度的实验条件下，通过等离子体增强化学气相沉积在硅基上形成3微米的二氧化硅缓冲层。在二氧化硅缓冲层上利用等离子增强溅射沉积法精确控制各层波导厚度，镀氮化硅和二氧化硅薄膜；随后在顶层匀涂光刻胶，使用电子束光刻显影。在显影后的表面沉积金属铬，未曝光的光刻胶表面以及显影后暴露的氮化硅层表面都会具有相同厚度的铬层；之后采用金属剥离的方法洗去光刻胶的同时，胶的表面铬层也会随之洗掉，最后会在曝光位置留有沉积的铬层作为掩膜。这种方法制作的波导边缘陡直，图形形状更加精确。然后，进行反应离子刻蚀，刻出光路后将掩膜上的铬层去除；配置质量分数百分比为17％浓度的溶液，设置匀胶转盘速度为135rpm，匀胶时间4s，在固化20分钟后可得到厚度为750纳米的聚二甲基硅氧烷膜层作为上包层。最后在整个器件上进行抛光并切割以进行性能表征。

本发明的具体实施包括如下两个部分

(一)器件设计

对于温度无关滤波器的设计，除了需要着重考虑滤波器性能，还要考虑到由于器件制作材料本身具有很大的热光系数，传统的氮化硅波导在不同的温度下的透射谱图出现偏移情况，这些偏移对一些稳定性要求高的器件会有严重影响。因此，本发明采用了狭缝型微环结构和负热光系数的材料相组合的设计。微环整体结构具体图示如图1所示，此外通过狭缝型芯层的特殊结构以及聚合物材料聚二甲基硅氧烷的具有负热光系数的特点来实现器件在不同温度下得到相同透射波谱。设计时，在1550nm波长下计算不同宽度的直波导计算有效折射率，宽度的选择需要考虑基模条件和相对应的有效折射率的变化；还有不同狭缝厚度情况下的有效折射率变化，综合得出最佳的器件尺寸条件。

对温度无关微环滤波器的设计，通过改变波导的宽度分别计算TE、TM模式的基模条件以及相对应的有效折射率。再通过温度无关条件，得到有效折射率变化最小的响应宽度，配合多项式函数对于不同结构的微环芯片可计算得到在不同聚二甲基硅氧烷厚度的情况下，相对应的温度变化情况下，微环滤波器透射波谱的变化，透射谱如图4所示。计算得到聚二甲基硅氧烷上包层厚度为750纳米，二氧化硅衬底厚度为3微米，芯层结构为狭缝型，两层氮化硅厚度250纳米中间夹杂一层20纳米厚的二氧化硅，具体微环截面图如图2所示。

最终优化的温度无关微环滤波器结构在TE偏振波下，可实现真正的透射谱不随温度变化的滤波器的设计。

(二)器件制作

在350摄氏度的实验条件下，通过等离子体增强化学气相沉积在硅基上形成3微米的二氧化硅缓冲层。在二氧化硅缓冲层上利用等离子增强溅射沉积法精确控制各层波导厚度，镀氮化硅和二氧化硅层；随后在上面匀光刻胶，使用电子束光刻显影。在显影后的表面沉积金属铬，未曝光的光刻胶表面以及显影后暴露的氮化硅层表面都会具有相同厚度的铬层；之后采用金属剥离的方法洗去光刻胶的同时，胶的表面铬层也会随之洗掉，最后会在曝光位置留有沉积的铬层作为掩膜。这种方法制作的波导边缘陡直，图形形状更加精确。然后，进行反应离子刻蚀，刻出光路后将掩膜上的铬层去除；配置质量分数百分比为17％浓度的溶液，设置匀胶转盘速度为135rpm，匀胶时间4s，在固化20分钟后可得到厚度为750纳米的聚二甲基硅氧烷膜层作为上包层。最后在整个器件上进行抛光并切割以进行性能表征。具体制作工艺如图5所示。