薄膜光波导及其制备方法与流程

本发明涉及一种薄膜光波导及其制备方法。

背景技术：

在光通信领域中，光波导是一种必需的传输高速光信号的固体介质。光波导分为平面型、脊型、线型等多种结构，可用作本地或长距离光通信的传输介质，也是马赫曾德尔干涉仪、波分复用器、微环共振器等光学器件的基础组成部分。单模光波导是绝大多数光电器件的基本工作模式，特别是在1310nm和1550nm光通信波长范围，单模工作模式通常由光波导的结构和尺寸决定。单模光波导的有效折射率在集成光路的设计中是表征其性能的重要参数之一，对整体光器件性能的影响巨大，因此是决定光波导材料以及结构的重要指标。薄膜光波导由于其与现代半导体工艺的高度兼容被广泛应用于集成光路的设计中，通常使用硅、掺杂二氧化硅、铌酸锂等材料。亚波长光栅一般指光栅间距远小于传播光波长的光栅结构，在这种情况下，光的衍射被抑制，使该结构可以被等价于均匀介质波导。同时，由于额外增加的两个自由度(间距，占空比)，亚波长光栅的结构具有更高的设计灵活性，为可变有效折射率光波导提供了设计基础。使用单一材料或复合结构的均匀介质光波导的有效折射率局限于某一范围，也不能实现在一定范围内有效折射率的连续变化，不一定能满足复杂的设计和使用情况。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种二维晶格亚波长结构的有效晶格常数和占空比在同一传播方向上具有至少一个数值，以得到有效折射率在同一传播方向上具有至少一个数值的薄膜光波导。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种薄膜光波导，包括硅基衬底以及设置在所述硅基衬底上的包层，所述薄膜光波导还包括设置在所述硅基衬底上的光波导芯层，所述光波导芯层设于所述包层之中并且所述光波导芯层折射率高于所述包层的折射率，所述光光波导芯层包括双层光波导介质薄膜以及设置于所述双层光波导介质薄膜之间的薄膜材料夹层，所述薄膜材料夹层为二维晶格亚波长结构，所述二维晶格亚波长结构的有效晶格常数和占空比在同一传播方向上具有至少一个数值。

进一步地，所述二维晶格亚波长结构的所述有效晶格常数和所述占空比在同一传播方向上具有至少两个呈连续变化的数值。

进一步地，所述二维晶格亚波长结构包括晶格点，所述有效晶格常数和所述占空比可由所述晶格点的形状以及长宽确定。

进一步地，其特征在于，所述晶格点为圆形、椭圆形、十字交叉形、六角形、八角形中的一种。

进一步地，所述二维晶格亚波长结构为布拉维晶格结构或准晶格结构。

进一步地，布拉维晶格结构包括正方形、六角形。

进一步地，准晶格结构包括八边形、十边形以及十二边形。

进一步地，所述薄膜材料夹层为硅、掺杂二氧化硅、铌酸锂、二氧化钛、氧化锌以及镁掺杂氧化锌中的一种。

进一步地，所述光波导介质薄膜为掺杂二氧化硅。

进一步地，所述掺杂二氧化硅为2％锗掺杂二氧化硅。

本发明还提供了一种用以制备所述薄膜光波导的制备方法，所述制备方法如下：

s1、提供硅基衬底，在所述硅基衬底上形成下层光波导介质薄膜；

s2、制备所述薄膜材料夹层；

s3、将所述薄膜材料夹层制备成所述二维晶格亚波长结构，其中，所述二维晶格亚波长结构的有效晶格常数和占空比在同一传播方向上具有至少一个数值；

s4、制备上层光波导介质薄膜，所述下层光波导介质薄膜和所述下层光波导介质薄膜形成所述双层光波导介质薄膜；

s5、制备所述包层。

本发明的有益效果在于：由于本发明所提供的薄膜光波导的二维晶格亚波长结构的有效晶格常数和占空比在同一传播方向上具有至少一个数值，以使薄膜光波导的有效折射率在同一传播方向上具有至少一个数值。该薄膜光波导克服工艺和材料的限制，实现在同一传播方向上具有可变的有效折射率，满足复杂的设计和应用情景，降低了可变有效折射率薄膜光波导的制作难度。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明一实施例中二维晶格亚波长薄膜光波导的结构示意图；

图2为图1中二维晶格亚波长薄膜光波导的另一方向的结构示意图；

图3为本发明一实施例中另一个二维晶格亚波长薄膜光波导的结构示意图；

图4为图1中薄膜光波导的有效折射率与晶格常数的关系图；

图5为图1中薄膜光波导的有效折射率与占空比的关系图；

图6为图1中薄膜光波导的有效折射率与晶格常数和占空比的关系图；

图7为拥有连续变化有效折射率的薄膜光波导的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的机构或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

请参见图1至图3，本发明一实施例所示的薄膜光波导，包括硅基衬底1、设置在所述硅基衬底1上的光波导芯层2、以及设置在所述硅基衬底1上的包层(未图示)，所述光波导芯层2设于所述包层之中并且所述光波导芯层2折射率高于所述包层的折射率。具体的，所述光波导芯层2包括厚度相同的双层光波导介质薄膜21以及设置于所述双层光波导介质薄膜21之间的薄膜材料夹层22。所述光波导介质薄膜21一般使用掺杂二氧化硅。所述薄膜材料夹层22一般为硅、掺杂二氧化硅以及铌酸锂常见材料或者二氧化钛、氧化锌以及镁掺杂氧化锌负热光系数材料中的一种。

所述薄膜材料夹层22为二维晶格亚波长结构，所述二维晶格亚波长结构的有效晶格常数和占空比在同一传播方向上具有至少一个数值，二维晶格亚波长结构的有效折射率由有效晶格常数和占空比确定，也就是二维晶格亚波长结构的有效折射率在同一传播方向上具有至少一个数值。具体的，二维晶格亚波长结构在同一传播方向上的所有位置的有效晶格常数和占空比的数值相同，但是，该有效晶格常数和占空比的数值是可变的，请参见图2和图3，两个薄膜光波导同一传播方向上的有效晶格常数和占空比的数值是不同的；此外，二维晶格亚波长结构在同一传播方向上的不同位置的有效晶格常数和占空比的数值可以不相同，同一个二维晶格亚波长结构在同一传播方向上的有效晶格常数和占空比可有两个不同的数值，或者两个以上不同的数值。所述二维晶格亚波长结构的有效晶格常数和占空比在同一传播方向上具有至少两个呈连续变化的数值，即二维晶格亚波长结构的有效折射在率同一传播方向上具有至少两个呈连续变化的数值，具体的，同一个二维晶格亚波长结构在同一传播方向上的有效晶格常数和占空比的数值可随着位置的移动而变化。

所述二维晶格亚波长结构包括晶格点221，所述有效晶格常数和所述占空比可由所述晶格点221的形状以及长宽确定。所述二维晶格亚波长结构为布拉维晶格结构或准晶格结构，所述布拉维晶格为包括正方形或六角形，所述准晶格结构为八边形或十边形或十二边形。请参见图2和图3，二维晶格阵列为抽象图，晶格点221为晶胞质心所在的位置，晶格常数λ为晶胞的边长，在图2和图3中，可视为两个相邻晶格点221之间的距离。所述晶格点211为圆形、椭圆形、十字交叉形、六角形以及八角形中的一种。

本实施例中，薄膜光波导包括二氧化硅衬底1、2％锗掺杂二氧化硅的双层光波导介质薄膜21、二氧化钛薄膜材料夹层22、以及包覆双层光波导介质薄膜21和薄膜材料夹层22的二氧化硅包层，其中二氧化钛薄膜材料夹层22使用正方形布拉维晶格的二维晶格亚波长结构，晶格点221为圆形。

现以本实施例所示薄膜光波导为例，入射光波长选择为1550nm，进行详细说明如何得到二维晶格亚波长结构的有效晶格常数和占空比在在同一传播方向上具有至少一个数值以及具有至少两个呈连续变化的数值，以使二维晶格亚波长结构的有效折射率在在同一传播方向上具有至少一个数值以及具有至少两个呈连续变化的数值。薄膜光波导中的所述光波导介质薄膜21是主要的光波导结构，保证薄膜光波导的单模工作模式。薄膜材料夹层22中形成的二维晶格亚波长结构，可以被视为均匀介质的单模光波导结构。故，二维晶格亚波长结构的有效折射率的改变，得到薄膜光波导的有效折射率的改变。

在对薄膜光波导结构的设计中，本实施例以标量海姆霍兹公式作为指导，即：

其中ψ可为任何场分量，k0为真空波数，n为折射率，z方向为传播方向，x、y为横截面的竖直、平行方向。为得到此方程的解，可通过有效折射率法简化为:

其中f、g为模分布，neff为有效折射率，β为传播常数。通过此方法，可以计算得出光波导的传播常数和有效折射率。

因有效晶格常数和占空比由晶格点221的形状以及长宽确定，故通过调整晶格点221的形状以及长宽，可改变晶格点221的有效晶格常数和占空比。为保证单模光波导的工作模式，晶格常数和占空比的选择应确保处于亚波长域。

请参见图4至图6，薄膜光波导的有效折射率相对晶格常数的增加呈类似正比例增加，有效折射率相对占空比的增加呈类似指数增加，可知，占空比对有效折射率的影响较大，晶格常数对有效折射率的影响较小。因此，在制备薄膜光波导过程中，由于工艺精度等限制，可先设计该薄膜的占空比以确定有效折射率的大致区间，再调整晶格常数达到某一确切的数值，确定相应晶格点221的长宽，以此得到在同一传播方向上具有至少一个数值有效折射率的薄膜光波导。根据需求，使用此方法可得到同一传播方向上具有可变的有效折射率的薄膜光波导或者具有不同有效折射率的薄膜光波导。

请参见图7，通过仿真设计二氧化钛薄膜材料夹层22连续变化的晶格常数或占空比，通过制作不同的晶格点221，得到有效晶格常数和所述占空比在同一传播方向上的至少两个数值呈连续变化。即可实现同一传播方向上具有连续变化的有效折射率的薄膜光波导。

本发明通过在同一个薄膜上优化二维晶格中晶格点的长宽，得到有效晶格常数和所述占空比在同一传播方向上具有至少一个数值或者至少两个呈连续变化的数值，此时光在同一传播方向上的有效折射率具有至少一个数值或者至少两个呈连续变化的数值，得到可变或者渐变的有效折射率的薄膜光波导。此方法可以应用到任一一个二维晶格结构(六边形，八边形，十边形，十二边形等)和相关的晶格点(六角形，八角形，十角形、十二角形等)形状形成的薄膜光波导。

本发明还提供了一种用以制备上述薄膜光波导的制备方法，所述制备方法如下：

s1、提供硅基衬底1，具体为二氧化硅衬底1，在二氧化硅衬底1上使用等离子体增强化学气相沉积法(pecvd)将掺杂二氧化硅材料进行镀膜形成下层光波导介质薄膜，其中掺杂二氧化硅材料为2％锗掺杂二氧化硅；

s2、使用原子层沉积法(ald)将二氧化钛材料制备薄膜材料夹层22；

s3、将二氧化钛薄膜材料夹层通过纳米压印(nil)或电子束光刻技术(electronbeamlithography)或光学光刻技术(opticallithography)制备成所述二维晶格亚波长结构，其中，二维晶格亚波长结构的有效晶格常数和占空比依据所需的有效折射率而确定；

s4、使用等离子体增强化学气相沉积法(pecvd)将2％锗掺杂二氧化硅材料进行镀膜制备上层光波导介质薄膜，所述下层光波导介质薄膜和所述下层光波导介质薄膜形成所述双层光波导介质薄膜21；

s5、在双层光波导介质薄膜21和薄膜材料夹层22外圆周制备二氧化硅包层。

综上，由于本发明所提供的薄膜光波导的二维晶格亚波长结构的有效晶格常数和占空比在同一传播方向上具有至少一个数值，以使薄膜光波导的有效折射率在同一传播方向上具有至少一个数值。该薄膜光波导克服工艺和材料的限制，实现在同一传播方向上具有可变的有效折射率，满足复杂的设计和应用情景，降低了可变有效折射率薄膜光波导的制作难度。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。