一种微环反射光波导辅助的折叠反射式阵列波导光栅波分复用器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种微环反射光波导辅助的折叠反射式阵列波导光栅波分复用器，属于半导体波导通信器件技术领域。该折叠反射式阵列波导光栅波分复用器，包括输入光波导、输出光波导、罗兰圆、阵列光波导和微环光波导，阵列光波导包括锤形波导和条形波导，微环光波导包括1×2光波导分束器/合束器和弯曲光波导，输入光波导、输出光波导位于罗兰圆同侧且与罗兰圆输入端连接，罗兰圆的输出端分别连接等间距的阵列光波中的锤形波导，每个锤形波导输出端连接条形波导，每个条形波导连接一个微环光波导中的1×2光波导分束器/合束器，1×2光波导分束器/合束器两输出端分别与弯曲光波导的两端相连，形成封闭环形结构。本发明复用器尺寸减半，具有优良性能指标。
【专利说明】
一种微环反射光波导辅助的折叠反射式阵列波导光栅波分复用器
技术领域
[0001]本发明涉及一种微环反射光波导辅助的折叠反射式阵列波导光栅波分复用器，属于半导体波导通信器件技术领域。
【背景技术】
[0002]光网络已经得到了广泛的应用，但目前的光网络中各个组成部分都是不同的材料体系，使得目前的网络系统中各个器件难以集成，其成本居高不下，体积庞大，难以维护。鉴于目前的光网络状况，为了减小器件的成本和器件的尺寸，硅基光子器件得到了大幅度的发展。由于材料折射率较大，基于硅材料的硅光子通信器件具有较致密的结构;而且硅光子通信器件的工艺与现有CMOS工艺完全兼容，能够在硅基上实现硅光子通信器件与集成电路的片上集成，不但有效降低器件的成本，而且能够减小器件的尺寸并提高器件的可靠性。不同功能的硅光子器件对硅层厚度要求有所不同，基于Pn结结构的硅光子调制器要求较薄的硅层厚度，有利于载流子的快速传输并能提高器件的调制速度。而对于硅光子阵列波导光栅，其对工艺的要求更加严格，在现有的工艺条件下则要求较厚的硅层，有利于得到更好的器件性能。当硅层较厚时，相同完全半径的弯曲波导对应的光损害将增大。为了减小弯曲波导的损耗，增大波导的弯曲半径将是不可避免的。硅光子阵列波动光栅是由众多弯曲波导组成，其器件尺寸将随着弯曲波导结构的增大而增大。相比其它硅光子器件，硅光子阵列波导光栅尺寸较大，在版图制作时占据比较大的版图尺寸，不利于集成器件的设计。
[0003]目前报道的折叠反射式阵列波导光栅有两种形式，一种是波导端面直接反射，另种阵列波导的端面采用刻蚀Bragg波导光栅反射。但这两种结构都有明显的不足，影响器件最后的性能。
[0004]基于波导端面直接反射式阵列波导光栅是直接在阵列波导中深刻蚀阵列波导，在端面覆盖金属层来加强光的反射。这种基于波导端面直接反射式的折叠反射式阵列波导光栅有以下不足，严重造成器件的光损耗。一是，在实际的工艺加工中通过刻蚀无法得到完全垂直于波导的截面，也就是反射面与波导不完全垂直，导致光在反射时不能完全返回阵列波导之中，产生光损耗;二是，通过刻蚀的截面在微观上是不平整的，光反射时会产生漫反射，进一步产生光的损耗;三是，金属材料折射率的虚部不为零，也就是说金属材料会对光进行部分吸收，产生额外的光损耗。
[0005]基于Bragg波导光栅反射式的反射式阵列波导光栅是通过刻蚀在每一根阵列波导的尾端形成Bragg波导光栅而进行光的反射。这种结构有以下不足，在实际器件中严重影响器件的响应带宽、光串扰和光损耗的均匀性。一是，Bragg波导光栅的光谱带宽很窄，一般只有几个纳米，从原理上就限制了阵列波导光栅的带宽，而普通阵列波导光栅光谱带宽一般都在十几至几十纳米;二是，Bragg波导光栅在通信波长处的光栅周期小(如娃基Bragg波导光栅的最小尺寸在300nm以下)，对工艺要求极高，在工艺上难以保证每一根阵列波导光栅尾端的Bragg波导光栅的光谱波长完全相同，从而进一步压缩器件的光谱带宽，而且极易增大器件的串扰性能和光损耗的不均匀性。
[0006]本发明提出的基于微环光波导的反射式阵列波导光栅能够有效克服以上两种结构所产生的缺陷，能够得到性能优良的折叠反射式阵列波导光栅。在此结构中可采用半径合适的弯曲光波导结构，其光损耗极其微小。以娃基光波导为例，截面为200nm(高)X 500nm(宽)的弯曲光波导，当其半径大于2微米时光循环一周的光损耗小于0.0ldB，该损耗可以完全忽略。同时，弯曲光波导对波长不敏感，通信波长中的任何波长在其中的光损耗可以完全忽略。本发明中的I X2光波导分束器/合束器，无论是MMI结构还是Y结构，其Ι-dB光带宽都大于lOOnm，其带宽完全满足阵列波导光栅的设计要求，同时这两种结构的光损耗都极小。同时，微环光波导的设计尺寸较大，对工艺要求较低，能够容易实现结构中各个微环光波导的一致性。因此，本发明中提出的微环反射光波导具有低光损耗和宽带宽的特点。基于微环光波导的反射式阵列波导光栅波分复用器，能够使普通阵列波导光栅的尺寸减半，而且具有优良的性能指标。
【发明内容】
[0007]针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种微环反射光波导辅助的折叠反射式阵列波导光栅波分复用器。该微环反射光波导辅助的折叠反射式阵列波导光栅波分复用器具有低光损耗、低损耗均匀性、低串扰和宽带宽的优点，本发明通过以下技术方案实现。
[0008]一种微环反射光波导辅助的折叠反射式阵列波导光栅波分复用器，包括输入光波导1、输出光波导、罗兰圆6、阵列光波导和微环光波导，阵列光波导包括锤形波导7和条形波导8，微环光波导包括I X2光波导分束器/合束器9和弯曲光波导10，输入光波导1、输出光波导位于罗兰圆6同侧且与罗兰圆6输入端连接，罗兰圆6的输出端分别连接等间距的阵列光波中的锤形波导7，每个锤形波导7输出端连接条形波导8，每个条形波导8连接一个微环光波导中的I X 2光波导分束器/合束器9，I X 2光波导分束器/合束器9两输出端分别与弯曲光波导10的两端相连，形成一个封闭的环形结构。
[0009]若干大小、形状相同的所述微环光波导组成阵列微环光波导。
[0010]所述IX 2光波导分束器/合束器9的两输出端光波导的截面与对应连接的弯曲光波导10截面相同，截面为矩形、梯形、圆形、脊形形状。
[0011 ] 所述I X 2光波导分束器/合束器9结构为MM1-型结构或Y-型结构或DC方向親合器结构。
[0012]所述输出光波导数目为I个以上，等间距分布在罗兰圆6输入端。
[0013]所述阵列条形波导8由直波导和弯曲波导组成，相邻阵列条形波导8长度差AL相同。相邻阵列条形波导8长度差△ L为普通阵列波导光栅波分复用器的相邻阵列波导长度差的一半。
[0014]采用SOI晶片，基于本发明的器件结构与CMOS制作工艺，可以制备本发明提出的微环反射光波导辅助的折叠反射式阵列波导光栅波分复用器。主要集成工艺流程如下:
步骤一:首先通过光刻工艺，在SOI晶片上形成本发明器件的图案。
[0015]步骤二:通过刻蚀工艺，对SOI晶片的顶层硅进行选择性刻蚀，形成波导结构。
[0016]步骤三:去残留光刻胶并进行清洗，得到干净的波导结构。
[0017]步骤四:沉积S12上包层，完成器件的制作。
[0018]本发明的有益效果是:能够有效弥补现存基于波导端面直接反射式折叠阵列波导光栅波分复用器和基于Blagg光栅反射式折叠阵列波导光栅波分复用器的高光损耗、高串扰、窄带宽(对应于高的通道光损耗均匀性)的缺陷。本发明的设计结构可以降低工艺要求，容易获得一致性的器件结构，同时微环反射光波导具有极低的光损坏和对光波长不敏感性，使得基于微环光波导反射折叠阵列波导光栅波分复用器具有低光损坏、低串扰、宽带宽优点(对应于低的通道光损耗均匀性)。
【附图说明】
[0019]图1是本发明结构示意图；
图2是本发明光波导分束器/合束器和微环反射光波导扫描电镜图；
图3是本发明测试光谱图。
[0020]图中:1-输入光波导，2-输出光波导I，3_输出光波导Π，4_输出光波导ΙΠ，5_输出光波导IV，6-罗兰圆，7-锤形波导，8-条形波导，9-1 X 2光波导分束器/合束器，10-弯曲光波
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【具体实施方式】
[0021]下面结合附图和【具体实施方式】，对本发明作进一步说明。
[0022]实施例1
如图1至3所示，该微环反射光波导辅助的折叠反射式阵列波导光栅波分复用器，包括输入光波导1、输出光波导、罗兰圆6、阵列光波导和微环光波导，阵列光波导包括锤形波导7和条形波导8，微环光波导包括1X2光波导分束器/合束器9和弯曲光波导10，输入光波导1、输出光波导位于罗兰圆6同侧且与罗兰圆6输入端连接，罗兰圆6的输出端分别连接等间距的阵列光波中的锤形波导7，每个锤形波导7输出端连接条形波导8，每个条形波导8连接一个微环光波导中的I X 2光波导分束器/合束器9，I X 2光波导分束器/合束器9两输出端分别与弯曲光波导10的两端相连，形成一个封闭的环形结构。
[0023]本发明制备得到硅基微环反射光波导辅助的折叠反射式阵列波导光栅波分复用器。该复用器采用220nm的顶层硅SOI晶片，埋氧层厚度为2μπι。阵列波导8为截面尺寸为220nm X 400nm，罗兰圆6半径为92.88μηι，阵列波导6长度差Δ L为24.39nm，微环弯曲波导10最小半径为3μηι，阵列波导8最小间距为2.5μηι，阵列波导8数目为32，输出波导数目为4。测试得到的光谱图如图3所示，从结果可以看出:本发明提出的折叠反射式阵列波导光栅波分复用器具有良好的分波性能，插入损耗为3.5dB，通道损耗不均匀性为1.35dB，通道间隔为约为6.4nm，相邻通道光串扰为20dB。
[0024]实施例2
如图1至3所示，该微环反射光波导辅助的折叠反射式阵列波导光栅波分复用器，包括输入光波导1、输出光波导、罗兰圆6、阵列光波导和微环光波导，阵列光波导包括锤形波导7和条形波导8，微环光波导包括1X2光波导分束器/合束器9和弯曲光波导10，输入光波导1、输出光波导位于罗兰圆6同侧且与罗兰圆6输入端连接，罗兰圆6的输出端分别连接等间距的阵列光波中的锤形波导7，每个锤形波导7输出端连接条形波导8，每个条形波导8连接一个微环光波导中的I X 2光波导分束器/合束器9，I X 2光波导分束器/合束器9两输出端分别与弯曲光波导10的两端相连，形成一个封闭的环形结构。
[0025]其中若干大小、形状相同的所述微环光波导组成阵列微环光波导；所述IX 2光波导分束器/合束器9的两输出端光波导的截面与对应连接的弯曲光波导10截面相同，截面为脊形形状；I X 2光波导分束器/合束器9结构为MM1-型结构;输出光波导数目为I以上，等间距分布在罗兰圆6输入端;阵列条形波导8由直波导和弯曲波导组成，相邻阵列条形波导8长度差A L相同。复用器采用300nm的顶层硅SOI晶片，埋氧层厚度为3μπι。脊形阵列波导宽度为300]1111，外脊高为12011111，罗兰圆6半径为125.54μηι，阵列波导8长度差Δ L为32.56nm，微环弯曲波导10最小半径为5μηι，阵列波导8最小间距为3μηι，阵列波导8数目为45，输出波导数目为8，输出波导间距为3_，MMI长度为3.2_，MMI宽度为2.0_，MMI输出波导间隔为1.0_，设计通道间隔为3.2nm。
[0026]实施例3
该微环反射光波导辅助的折叠反射式阵列波导光栅波分复用器，包括输入光波导1、输出光波导、罗兰圆6、阵列光波导和微环光波导，阵列光波导包括锤形波导7和条形波导8，微环光波导包括I X2光波导分束器/合束器9和弯曲光波导10，输入光波导1、输出光波导位于罗兰圆6同侧且与罗兰圆6输入端连接，罗兰圆6的输出端分别连接等间距的阵列光波中的锤形波导7，每个锤形波导7输出端连接条形波导8，每个条形波导8连接一个微环光波导中的I X 2光波导分束器/合束器9，I X 2光波导分束器/合束器9两输出端分别与弯曲光波导10的两端相连，形成一个封闭的环形结构。
[0027]其中若干大小、形状相同的所述微环光波导组成阵列微环光波导；所述IX 2光波导分束器/合束器9的两输出端光波导的截面与对应连接的弯曲光波导10截面相同，截面为梯形形状；I X 2光波导分束器/合束器9结构为Y-型结构(或DC方向耦合器结构)；复用器采用350nm的顶层娃SOI晶片，埋氧层厚度为3μηι。梯形阵列波导上、下宽度分别为400nm、450nm，波导高度为350nm，罗兰圆6半径为163.31μηι，微环弯曲波导10最小半径为6μηι，阵列波导8最小间距为3.5μηι，输出波导间距为3.5μηι，Y-型结构分束器/合束器9的最小半径为6μm/Y-型结构分束器/合束器9的长度为15μπι(或DC方向耦合器9长度为10.4μπι，DC方向耦合器9两波导最小间距为300nm)，输出波导数目为6，等间距分布在罗兰圆6输入端；阵列条形波导8由直波导和弯曲波导组成，阵列波导8数目为62，相邻阵列条形波导8长度差AL相同，△L值为67.98nm，设计通道间隔为1.6nm。
[0028]以上结合附图对本发明的【具体实施方式】作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
【主权项】
1.一种微环反射光波导辅助的折叠反射式阵列波导光栅波分复用器，其特征在于:包括输入光波导(I)、输出光波导、罗兰圆(6)、阵列光波导和微环光波导，阵列光波导包括锤形波导(7)和条形波导(8)，微环光波导包括I X 2光波导分束器/合束器(9)和弯曲光波导(10)，输入光波导(1)、输出光波导位于罗兰圆(6)同侧且与罗兰圆(6)输入端连接，罗兰圆(6)的输出端分别连接等间距的阵列光波中的锤形波导(7)，每个锤形波导(7)输出端连接条形波导(8)，每个条形波导(8)连接一个微环光波导中的1X2光波导分束器/合束器(9)，1X 2光波导分束器/合束器(9)两输出端分别与弯曲光波导(10)的两端相连，形成一个封闭的环形结构。2.根据权利要求1所述的微环反射光波导辅助的折叠反射式阵列波导光栅波分复用器，其特征在于:若干大小、形状相同的所述微环光波导组成阵列微环光波导。3.根据权利要求2所述的微环反射光波导辅助的折叠反射式阵列波导光栅波分复用器，其特征在于:所述I X2光波导分束器/合束器(9)的两输出端光波导的截面与对应连接的弯曲光波导(10)截面相同。4.根据权利要求2所述的微环反射光波导辅助的折叠反射式阵列波导光栅波分复用器，其特征在于:所述I X2光波导分束器/合束器(9)结构为丽1-型结构或Y-型结构或DC方向親合器结构。5.根据权利要求1所述的微环反射光波导辅助的折叠反射式阵列波导光栅波分复用器，其特征在于:所述输出光波导数目为I以上，等间距分布在罗兰圆(6)输入端。6.根据权利要求1所述的微环反射光波导辅助的折叠反射式阵列波导光栅波分复用器，其特征在于:所述阵列条形波导(8)由直波导和弯曲波导组成，相邻阵列条形波导(8)长度差A L相同。
【文档编号】G02B6/12GK105824075SQ201610277747
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】方青, 桂进斌, 陈剑鸣, 陈华
【申请人】昆明理工大学