一種微環(huán)反射光波導(dǎo)輔助的折疊反射式陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種微環(huán)反射光波導(dǎo)輔助的折疊反射式陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器，屬于半導(dǎo)體波導(dǎo)通信器件技術(shù)領(lǐng)域。該折疊反射式陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器，包括輸入光波導(dǎo)、輸出光波導(dǎo)、羅蘭圓、陣列光波導(dǎo)和微環(huán)光波導(dǎo)，陣列光波導(dǎo)包括錘形波導(dǎo)和條形波導(dǎo)，微環(huán)光波導(dǎo)包括1×2光波導(dǎo)分束器/合束器和彎曲光波導(dǎo)，輸入光波導(dǎo)、輸出光波導(dǎo)位于羅蘭圓同側(cè)且與羅蘭圓輸入端連接，羅蘭圓的輸出端分別連接等間距的陣列光波中的錘形波導(dǎo)，每個錘形波導(dǎo)輸出端連接條形波導(dǎo)，每個條形波導(dǎo)連接一個微環(huán)光波導(dǎo)中的1×2光波導(dǎo)分束器/合束器，1×2光波導(dǎo)分束器/合束器兩輸出端分別與彎曲光波導(dǎo)的兩端相連，形成封閉環(huán)形結(jié)構(gòu)。本發(fā)明復(fù)用器尺寸減半，具有優(yōu)良性能指標。
【專利說明】
一種微環(huán)反射光波導(dǎo)輔助的折疊反射式陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種微環(huán)反射光波導(dǎo)輔助的折疊反射式陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器，屬于半導(dǎo)體波導(dǎo)通信器件技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]光網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但目前的光網(wǎng)絡(luò)中各個組成部分都是不同的材料體系，使得目前的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各個器件難以集成，其成本居高不下，體積龐大，難以維護。鑒于目前的光網(wǎng)絡(luò)狀況，為了減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發(fā)展。由于材料折射率較大，基于硅材料的硅光子通信器件具有較致密的結(jié)構(gòu);而且硅光子通信器件的工藝與現(xiàn)有CMOS工藝完全兼容，能夠在硅基上實現(xiàn)硅光子通信器件與集成電路的片上集成，不但有效降低器件的成本，而且能夠減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對硅層厚度要求有所不同，基于Pn結(jié)結(jié)構(gòu)的硅光子調(diào)制器要求較薄的硅層厚度，有利于載流子的快速傳輸并能提高器件的調(diào)制速度。而對于硅光子陣列波導(dǎo)光柵，其對工藝的要求更加嚴格，在現(xiàn)有的工藝條件下則要求較厚的硅層，有利于得到更好的器件性能。當硅層較厚時，相同完全半徑的彎曲波導(dǎo)對應(yīng)的光損害將增大。為了減小彎曲波導(dǎo)的損耗，增大波導(dǎo)的彎曲半徑將是不可避免的。硅光子陣列波動光柵是由眾多彎曲波導(dǎo)組成，其器件尺寸將隨著彎曲波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的增大而增大。相比其它硅光子器件，硅光子陣列波導(dǎo)光柵尺寸較大，在版圖制作時占據(jù)比較大的版圖尺寸，不利于集成器件的設(shè)計。
[0003]目前報道的折疊反射式陣列波導(dǎo)光柵有兩種形式，一種是波導(dǎo)端面直接反射，另種陣列波導(dǎo)的端面采用刻蝕Bragg波導(dǎo)光柵反射。但這兩種結(jié)構(gòu)都有明顯的不足，影響器件最后的性能。
[0004]基于波導(dǎo)端面直接反射式陣列波導(dǎo)光柵是直接在陣列波導(dǎo)中深刻蝕陣列波導(dǎo)，在端面覆蓋金屬層來加強光的反射。這種基于波導(dǎo)端面直接反射式的折疊反射式陣列波導(dǎo)光柵有以下不足，嚴重造成器件的光損耗。一是，在實際的工藝加工中通過刻蝕無法得到完全垂直于波導(dǎo)的截面，也就是反射面與波導(dǎo)不完全垂直，導(dǎo)致光在反射時不能完全返回陣列波導(dǎo)之中，產(chǎn)生光損耗;二是，通過刻蝕的截面在微觀上是不平整的，光反射時會產(chǎn)生漫反射，進一步產(chǎn)生光的損耗;三是，金屬材料折射率的虛部不為零，也就是說金屬材料會對光進行部分吸收，產(chǎn)生額外的光損耗。
[0005]基于Bragg波導(dǎo)光柵反射式的反射式陣列波導(dǎo)光柵是通過刻蝕在每一根陣列波導(dǎo)的尾端形成Bragg波導(dǎo)光柵而進行光的反射。這種結(jié)構(gòu)有以下不足，在實際器件中嚴重影響器件的響應(yīng)帶寬、光串擾和光損耗的均勻性。一是，Bragg波導(dǎo)光柵的光譜帶寬很窄，一般只有幾個納米，從原理上就限制了陣列波導(dǎo)光柵的帶寬，而普通陣列波導(dǎo)光柵光譜帶寬一般都在十幾至幾十納米;二是，Bragg波導(dǎo)光柵在通信波長處的光柵周期小(如娃基Bragg波導(dǎo)光柵的最小尺寸在300nm以下)，對工藝要求極高，在工藝上難以保證每一根陣列波導(dǎo)光柵尾端的Bragg波導(dǎo)光柵的光譜波長完全相同，從而進一步壓縮器件的光譜帶寬，而且極易增大器件的串擾性能和光損耗的不均勻性。
[0006]本發(fā)明提出的基于微環(huán)光波導(dǎo)的反射式陣列波導(dǎo)光柵能夠有效克服以上兩種結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的缺陷，能夠得到性能優(yōu)良的折疊反射式陣列波導(dǎo)光柵。在此結(jié)構(gòu)中可采用半徑合適的彎曲光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其光損耗極其微小。以娃基光波導(dǎo)為例，截面為200nm(高)X 500nm(寬)的彎曲光波導(dǎo)，當其半徑大于2微米時光循環(huán)一周的光損耗小于0.0ldB，該損耗可以完全忽略。同時，彎曲光波導(dǎo)對波長不敏感，通信波長中的任何波長在其中的光損耗可以完全忽略。本發(fā)明中的I X2光波導(dǎo)分束器/合束器，無論是MMI結(jié)構(gòu)還是Y結(jié)構(gòu)，其Ι-dB光帶寬都大于lOOnm，其帶寬完全滿足陣列波導(dǎo)光柵的設(shè)計要求，同時這兩種結(jié)構(gòu)的光損耗都極小。同時，微環(huán)光波導(dǎo)的設(shè)計尺寸較大，對工藝要求較低，能夠容易實現(xiàn)結(jié)構(gòu)中各個微環(huán)光波導(dǎo)的一致性。因此，本發(fā)明中提出的微環(huán)反射光波導(dǎo)具有低光損耗和寬帶寬的特點?；谖h(huán)光波導(dǎo)的反射式陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器，能夠使普通陣列波導(dǎo)光柵的尺寸減半，而且具有優(yōu)良的性能指標。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題及不足，本發(fā)明提供一種微環(huán)反射光波導(dǎo)輔助的折疊反射式陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器。該微環(huán)反射光波導(dǎo)輔助的折疊反射式陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器具有低光損耗、低損耗均勻性、低串擾和寬帶寬的優(yōu)點，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)。
[0008]一種微環(huán)反射光波導(dǎo)輔助的折疊反射式陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器，包括輸入光波導(dǎo)1、輸出光波導(dǎo)、羅蘭圓6、陣列光波導(dǎo)和微環(huán)光波導(dǎo)，陣列光波導(dǎo)包括錘形波導(dǎo)7和條形波導(dǎo)8，微環(huán)光波導(dǎo)包括I X2光波導(dǎo)分束器/合束器9和彎曲光波導(dǎo)10，輸入光波導(dǎo)1、輸出光波導(dǎo)位于羅蘭圓6同側(cè)且與羅蘭圓6輸入端連接，羅蘭圓6的輸出端分別連接等間距的陣列光波中的錘形波導(dǎo)7，每個錘形波導(dǎo)7輸出端連接條形波導(dǎo)8，每個條形波導(dǎo)8連接一個微環(huán)光波導(dǎo)中的I X 2光波導(dǎo)分束器/合束器9，I X 2光波導(dǎo)分束器/合束器9兩輸出端分別與彎曲光波導(dǎo)10的兩端相連，形成一個封閉的環(huán)形結(jié)構(gòu)。
[0009]若干大小、形狀相同的所述微環(huán)光波導(dǎo)組成陣列微環(huán)光波導(dǎo)。
[0010]所述IX 2光波導(dǎo)分束器/合束器9的兩輸出端光波導(dǎo)的截面與對應(yīng)連接的彎曲光波導(dǎo)10截面相同，截面為矩形、梯形、圓形、脊形形狀。
[0011 ] 所述I X 2光波導(dǎo)分束器/合束器9結(jié)構(gòu)為MM1-型結(jié)構(gòu)或Y-型結(jié)構(gòu)或DC方向親合器結(jié)構(gòu)。
[0012]所述輸出光波導(dǎo)數(shù)目為I個以上，等間距分布在羅蘭圓6輸入端。
[0013]所述陣列條形波導(dǎo)8由直波導(dǎo)和彎曲波導(dǎo)組成，相鄰陣列條形波導(dǎo)8長度差A(yù)L相同。相鄰陣列條形波導(dǎo)8長度差△ L為普通陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器的相鄰陣列波導(dǎo)長度差的一半。
[0014]采用SOI晶片，基于本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)與CMOS制作工藝，可以制備本發(fā)明提出的微環(huán)反射光波導(dǎo)輔助的折疊反射式陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器。主要集成工藝流程如下:
步驟一:首先通過光刻工藝，在SOI晶片上形成本發(fā)明器件的圖案。
[0015]步驟二:通過刻蝕工藝，對SOI晶片的頂層硅進行選擇性刻蝕，形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
[0016]步驟三:去殘留光刻膠并進行清洗，得到干凈的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
[0017]步驟四:沉積S12上包層，完成器件的制作。
[0018]本發(fā)明的有益效果是:能夠有效彌補現(xiàn)存基于波導(dǎo)端面直接反射式折疊陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器和基于Blagg光柵反射式折疊陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器的高光損耗、高串擾、窄帶寬(對應(yīng)于高的通道光損耗均勻性)的缺陷。本發(fā)明的設(shè)計結(jié)構(gòu)可以降低工藝要求，容易獲得一致性的器件結(jié)構(gòu)，同時微環(huán)反射光波導(dǎo)具有極低的光損壞和對光波長不敏感性，使得基于微環(huán)光波導(dǎo)反射折疊陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器具有低光損壞、低串擾、寬帶寬優(yōu)點(對應(yīng)于低的通道光損耗均勻性)。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明光波導(dǎo)分束器/合束器和微環(huán)反射光波導(dǎo)掃描電鏡圖；
圖3是本發(fā)明測試光譜圖。
[0020]圖中:1-輸入光波導(dǎo)，2-輸出光波導(dǎo)I，3_輸出光波導(dǎo)Π，4_輸出光波導(dǎo)ΙΠ，5_輸出光波導(dǎo)IV，6-羅蘭圓，7-錘形波導(dǎo)，8-條形波導(dǎo)，9-1 X 2光波導(dǎo)分束器/合束器，10-彎曲光波
B
寸ο
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】，對本發(fā)明作進一步說明。
[0022]實施例1
如圖1至3所示，該微環(huán)反射光波導(dǎo)輔助的折疊反射式陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器，包括輸入光波導(dǎo)1、輸出光波導(dǎo)、羅蘭圓6、陣列光波導(dǎo)和微環(huán)光波導(dǎo)，陣列光波導(dǎo)包括錘形波導(dǎo)7和條形波導(dǎo)8，微環(huán)光波導(dǎo)包括1X2光波導(dǎo)分束器/合束器9和彎曲光波導(dǎo)10，輸入光波導(dǎo)1、輸出光波導(dǎo)位于羅蘭圓6同側(cè)且與羅蘭圓6輸入端連接，羅蘭圓6的輸出端分別連接等間距的陣列光波中的錘形波導(dǎo)7，每個錘形波導(dǎo)7輸出端連接條形波導(dǎo)8，每個條形波導(dǎo)8連接一個微環(huán)光波導(dǎo)中的I X 2光波導(dǎo)分束器/合束器9，I X 2光波導(dǎo)分束器/合束器9兩輸出端分別與彎曲光波導(dǎo)10的兩端相連，形成一個封閉的環(huán)形結(jié)構(gòu)。
[0023]本發(fā)明制備得到硅基微環(huán)反射光波導(dǎo)輔助的折疊反射式陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器。該復(fù)用器采用220nm的頂層硅SOI晶片，埋氧層厚度為2μπι。陣列波導(dǎo)8為截面尺寸為220nm X 400nm，羅蘭圓6半徑為92.88μηι，陣列波導(dǎo)6長度差Δ L為24.39nm，微環(huán)彎曲波導(dǎo)10最小半徑為3μηι，陣列波導(dǎo)8最小間距為2.5μηι，陣列波導(dǎo)8數(shù)目為32，輸出波導(dǎo)數(shù)目為4。測試得到的光譜圖如圖3所示，從結(jié)果可以看出:本發(fā)明提出的折疊反射式陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器具有良好的分波性能，插入損耗為3.5dB，通道損耗不均勻性為1.35dB，通道間隔為約為6.4nm，相鄰?fù)ǖ拦獯當_為20dB。
[0024]實施例2
如圖1至3所示，該微環(huán)反射光波導(dǎo)輔助的折疊反射式陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器，包括輸入光波導(dǎo)1、輸出光波導(dǎo)、羅蘭圓6、陣列光波導(dǎo)和微環(huán)光波導(dǎo)，陣列光波導(dǎo)包括錘形波導(dǎo)7和條形波導(dǎo)8，微環(huán)光波導(dǎo)包括1X2光波導(dǎo)分束器/合束器9和彎曲光波導(dǎo)10，輸入光波導(dǎo)1、輸出光波導(dǎo)位于羅蘭圓6同側(cè)且與羅蘭圓6輸入端連接，羅蘭圓6的輸出端分別連接等間距的陣列光波中的錘形波導(dǎo)7，每個錘形波導(dǎo)7輸出端連接條形波導(dǎo)8，每個條形波導(dǎo)8連接一個微環(huán)光波導(dǎo)中的I X 2光波導(dǎo)分束器/合束器9，I X 2光波導(dǎo)分束器/合束器9兩輸出端分別與彎曲光波導(dǎo)10的兩端相連，形成一個封閉的環(huán)形結(jié)構(gòu)。
[0025]其中若干大小、形狀相同的所述微環(huán)光波導(dǎo)組成陣列微環(huán)光波導(dǎo)；所述IX 2光波導(dǎo)分束器/合束器9的兩輸出端光波導(dǎo)的截面與對應(yīng)連接的彎曲光波導(dǎo)10截面相同，截面為脊形形狀；I X 2光波導(dǎo)分束器/合束器9結(jié)構(gòu)為MM1-型結(jié)構(gòu);輸出光波導(dǎo)數(shù)目為I以上，等間距分布在羅蘭圓6輸入端;陣列條形波導(dǎo)8由直波導(dǎo)和彎曲波導(dǎo)組成，相鄰陣列條形波導(dǎo)8長度差A(yù) L相同。復(fù)用器采用300nm的頂層硅SOI晶片，埋氧層厚度為3μπι。脊形陣列波導(dǎo)寬度為300]1111，外脊高為12011111，羅蘭圓6半徑為125.54μηι，陣列波導(dǎo)8長度差Δ L為32.56nm，微環(huán)彎曲波導(dǎo)10最小半徑為5μηι，陣列波導(dǎo)8最小間距為3μηι，陣列波導(dǎo)8數(shù)目為45，輸出波導(dǎo)數(shù)目為8，輸出波導(dǎo)間距為3_，MMI長度為3.2_，MMI寬度為2.0_，MMI輸出波導(dǎo)間隔為1.0_，設(shè)計通道間隔為3.2nm。
[0026]實施例3
該微環(huán)反射光波導(dǎo)輔助的折疊反射式陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器，包括輸入光波導(dǎo)1、輸出光波導(dǎo)、羅蘭圓6、陣列光波導(dǎo)和微環(huán)光波導(dǎo)，陣列光波導(dǎo)包括錘形波導(dǎo)7和條形波導(dǎo)8，微環(huán)光波導(dǎo)包括I X2光波導(dǎo)分束器/合束器9和彎曲光波導(dǎo)10，輸入光波導(dǎo)1、輸出光波導(dǎo)位于羅蘭圓6同側(cè)且與羅蘭圓6輸入端連接，羅蘭圓6的輸出端分別連接等間距的陣列光波中的錘形波導(dǎo)7，每個錘形波導(dǎo)7輸出端連接條形波導(dǎo)8，每個條形波導(dǎo)8連接一個微環(huán)光波導(dǎo)中的I X 2光波導(dǎo)分束器/合束器9，I X 2光波導(dǎo)分束器/合束器9兩輸出端分別與彎曲光波導(dǎo)10的兩端相連，形成一個封閉的環(huán)形結(jié)構(gòu)。
[0027]其中若干大小、形狀相同的所述微環(huán)光波導(dǎo)組成陣列微環(huán)光波導(dǎo)；所述IX 2光波導(dǎo)分束器/合束器9的兩輸出端光波導(dǎo)的截面與對應(yīng)連接的彎曲光波導(dǎo)10截面相同，截面為梯形形狀；I X 2光波導(dǎo)分束器/合束器9結(jié)構(gòu)為Y-型結(jié)構(gòu)(或DC方向耦合器結(jié)構(gòu))；復(fù)用器采用350nm的頂層娃SOI晶片，埋氧層厚度為3μηι。梯形陣列波導(dǎo)上、下寬度分別為400nm、450nm，波導(dǎo)高度為350nm，羅蘭圓6半徑為163.31μηι，微環(huán)彎曲波導(dǎo)10最小半徑為6μηι，陣列波導(dǎo)8最小間距為3.5μηι，輸出波導(dǎo)間距為3.5μηι，Y-型結(jié)構(gòu)分束器/合束器9的最小半徑為6μm/Y-型結(jié)構(gòu)分束器/合束器9的長度為15μπι(或DC方向耦合器9長度為10.4μπι，DC方向耦合器9兩波導(dǎo)最小間距為300nm)，輸出波導(dǎo)數(shù)目為6，等間距分布在羅蘭圓6輸入端；陣列條形波導(dǎo)8由直波導(dǎo)和彎曲波導(dǎo)組成，陣列波導(dǎo)8數(shù)目為62，相鄰陣列條形波導(dǎo)8長度差A(yù)L相同，△L值為67.98nm，設(shè)計通道間隔為1.6nm。
[0028]以上結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作了詳細說明，但是本發(fā)明并不限于上述實施方式。在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下作出各種變化。
【主權(quán)項】
1.一種微環(huán)反射光波導(dǎo)輔助的折疊反射式陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器，其特征在于:包括輸入光波導(dǎo)(I)、輸出光波導(dǎo)、羅蘭圓(6)、陣列光波導(dǎo)和微環(huán)光波導(dǎo)，陣列光波導(dǎo)包括錘形波導(dǎo)(7)和條形波導(dǎo)(8)，微環(huán)光波導(dǎo)包括I X 2光波導(dǎo)分束器/合束器(9)和彎曲光波導(dǎo)(10)，輸入光波導(dǎo)(1)、輸出光波導(dǎo)位于羅蘭圓(6)同側(cè)且與羅蘭圓(6)輸入端連接，羅蘭圓(6)的輸出端分別連接等間距的陣列光波中的錘形波導(dǎo)(7)，每個錘形波導(dǎo)(7)輸出端連接條形波導(dǎo)(8)，每個條形波導(dǎo)(8)連接一個微環(huán)光波導(dǎo)中的1X2光波導(dǎo)分束器/合束器(9)，1X 2光波導(dǎo)分束器/合束器(9)兩輸出端分別與彎曲光波導(dǎo)(10)的兩端相連，形成一個封閉的環(huán)形結(jié)構(gòu)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微環(huán)反射光波導(dǎo)輔助的折疊反射式陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器，其特征在于:若干大小、形狀相同的所述微環(huán)光波導(dǎo)組成陣列微環(huán)光波導(dǎo)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微環(huán)反射光波導(dǎo)輔助的折疊反射式陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器，其特征在于:所述I X2光波導(dǎo)分束器/合束器(9)的兩輸出端光波導(dǎo)的截面與對應(yīng)連接的彎曲光波導(dǎo)(10)截面相同。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微環(huán)反射光波導(dǎo)輔助的折疊反射式陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器，其特征在于:所述I X2光波導(dǎo)分束器/合束器(9)結(jié)構(gòu)為麗1-型結(jié)構(gòu)或Y-型結(jié)構(gòu)或DC方向親合器結(jié)構(gòu)。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微環(huán)反射光波導(dǎo)輔助的折疊反射式陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器，其特征在于:所述輸出光波導(dǎo)數(shù)目為I以上，等間距分布在羅蘭圓(6)輸入端。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微環(huán)反射光波導(dǎo)輔助的折疊反射式陣列波導(dǎo)光柵波分復(fù)用器，其特征在于:所述陣列條形波導(dǎo)(8)由直波導(dǎo)和彎曲波導(dǎo)組成，相鄰陣列條形波導(dǎo)(8)長度差A(yù) L相同。
【文檔編號】G02B6/12GK105824075SQ201610277747
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年4月29日
【發(fā)明人】方青, 桂進斌, 陳劍鳴, 陳華
【申請人】昆明理工大學(xué)