[發明專利]光子晶體分束器

無效

• 申請號: 201110128181.2
• 申請日: 2011-05-18
• 公開（公告）號: CN102789023A
• 公開（公告）日: 2012-11-21
• 發明（設計）人: 王曦;楊志峰;武愛民;甘甫烷;林旭林;李浩
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: G02B6/122
• 分類號: G02B6/122;G02B6/136
• 代理公司: 上海光華專利事務所 31219
• 代理人: 李儀萍

技術領域

本發明涉及一種應用于光通訊、光計算、光傳感和光學測量等領域的光子晶體分束器，特別涉及一種以SOI材料的光子晶體分束器結構，屬于半導體光學技術領域。

背景技術

在過去半個世紀中，以硅為主導的微電子技術取得了舉世矚目的成就，大力推動了信息技術黃金時代的到來。硅在市場方面的壟斷地位和在工藝方面的巨大優勢，吸引著人們不斷研發小型化、集成化的硅基光子器件，以實現大規模集成的光子芯片。

絕緣體上的硅(Silicon-on-Insulator，SOI)是一種獨特的硅基材料體系，采用這種材料制作光電子器件有利于兼容成熟的CMOS工藝，實現大規模的光子集成與光電集成。但是，普通的SOI光波導尺寸較大，相應的器件很難實現高密度的集成芯片，于是，光子晶體的概念應運而生。

所謂光子晶體，指的是折射率發生波長尺度的周期性改變，具有一定光子帶隙(PBG)的材料結構。光子晶體的出現，為將來的光電和光子集成芯片開辟了一條新的道路。比如，光子晶體波導通過帶隙的限制效應而導光，由于波導寬度在波長量級，就能使波導器件的尺寸大為降低。

產生完全光子帶隙的3-D光子晶體在制作上還有一定困難，因此，二維光子晶體平板是目前構造光子晶體器件的最優選擇。在平板平面內，通過光子禁帶產生光限制，而在垂直于平板波導的方向上，通過折射率導引產生光限制。如果是周期性的空氣孔分布于介質材料中，將對TE模產生較大的光子帶隙，如果是周期性的介質柱分布于空氣中，將對TM模產生較大的光子帶隙。

Y型光功率分束器是光學和光電領域中的基本器件。但是，目前的波導型Y分束器大多長達幾千微米，光纖型的Y分束器更是長達幾個毫米，這種大尺寸的器件將無法應用于將來大規模的集成光子芯片中。

光子晶體的出現為器件小型化提供了一條新途徑。然而，普通結構的光子晶體Y分束器一般在輸入、輸出波導的交接區引入缺陷小孔(或缺陷柱)來提高分束效率、減小插入損耗。圖1為傳統光子晶體Y分束器的結構示意圖。如圖1所示，該結構需要在輸入波導和輸出波導的交接處引入直徑較小的硅柱(即缺陷柱)，以降低器件損耗、提高輸出效率，這就需要比較精確的曝光工藝。這種結構的最大不足是制作容差小，缺陷孔或缺陷柱的直徑往往只有幾十納米，其位置也需要精確確定，因而給實際制作帶來很大困難。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種光子晶體分束器，用于克服現有的光子晶體Y分束器需要比較精確的曝光工藝，制作容差小等問題。

為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：一種光子晶體分束器(200)，其特征在于：該光子晶體分束器包括SOI襯底(100)、在SOI襯底的頂層硅(103)上刻蝕形成的呈正方晶格排列的空氣孔區域(220)以及將該空氣孔區域(220)與外部器件連接的SOI條形波導(210)；所述SOI襯底(100)包括襯底硅層(101)、位于襯底硅層(101)上的二氧化硅埋層(102)以及位于該二氧化硅埋層(102)上的頂層硅(103)；所述空氣孔區域的空氣孔(221)的深度(h)等于SOI頂層硅(103)的厚度(d)。

進一步的，所述SOI條形輸入波導的高度H與空氣孔的深度h相等。

進一步的，所述頂層硅(103)的厚度d與所述空氣孔的晶格常數a的關系為

0.5a≤h≤0.6a，所述二氧化硅埋層(102)的厚度至少為2.64a。

進一步的，所述空氣孔的半徑r與晶格常數a的關系為r≥0.2a。

進一步的，所述空氣孔的半徑r與晶格常數a的關系為0.3a≤r≤0.4a。

進一步的，所述頂層硅(103)得厚度為230nm，所述二氧化硅埋層厚度為1μm，所述空氣孔正方晶格排列的晶格常數為380nm，所述空氣孔半徑為140nm。

進一步的，所述SOI條形輸入波導的寬度K至少為所述空氣孔的晶格常數a的倍。

進一步的，所述空氣孔采用電子束曝光、電感耦合等離子體工藝刻蝕或FIB刻蝕形成。

本發明還包括一種光子晶體分束器的制備方法，其包括以下步驟：

1)制備SOI襯底；

2)在上述SOI襯底的頂層硅(103)上刻蝕形成的呈正方晶格排列的空氣孔區域(220)以及將該空氣孔區域(220)與外部器件連接的SOI條形波導(210)；所述空氣孔區域的空氣孔(221)的深度h為等于SOI頂層硅(103)的厚度d，所述SOI條形波導邊緣至所述空氣孔區域(220)邊界的距離分別為L1、L2，其中L1、L2大于0。