[發明專利]一種基于硅基光波導的三維光交叉器及其制備方法

在審

• 申請號: 202210013198.1
• 申請日: 2022-01-07
• 公開（公告）號: CN114296182A
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發明（設計）人: 孫小強;劉庭瑜;劉崧岳;許言;高陽;張大明
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G02B6/12
• 分類號: G02B6/12;G02B6/122;G02B6/136;G02B6/132
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 劉世純;王恩遠

一種基于硅基光波導的三維光交叉器及其制備方法，屬于集成光電子學技術領域。由硅襯底、二氧化硅下包層、二氧化硅中間層、二氧化硅上包層和光波導芯層組成；光波導芯層由第一層硅波導和第二層硅波導組成，第一層硅波導制備在二氧化硅下包層之上、被包覆在二氧化硅中間層之中；第二層硅波導制備在二氧化硅中間層之上、被包覆在二氧化硅上包層之中；第一層硅波導和第二層硅波導結構尺寸完全相同，呈十字交叉設置。本發明使用的函數型波導結構尺寸小，制備方法與CMOS工藝兼容，利于集成。在1550nm波長下，傳輸效率為0.985，層間串擾為?59.8dB。在保持低層間串擾特性的同時，可實現低損耗傳輸，具有廣泛的應用前景。

技術領域

本發明屬于集成光電子學技術領域，具體涉及一種基于硅基光波導的三維光交叉器及其制備方法，該器件在片上光通信、高性能計算機、光學傳感等領域具有重要的應用價值和發展前景。

背景技術

隨著信息技術的飛速發展，大數據、人工智能等新興產業更加離不開信息化的參與，高速率、大帶寬、高效率的通信技術逐漸成為了未來的主流需求。從二十世紀六十年代提出摩爾定律至今，受限于寄生電容、電阻的傳統集成電路已發展到瓶頸期，開始無法滿足當今日漸增長的需求。因此，硅基光電子技術作為解決傳統集成光路體積和功耗大等問題的方案之一，受到了科研和產業界的廣泛關注。硅基光電子技術能與十分成熟的CMOS工藝相兼容，可以進行大規模加工生產，具有低成本、高可靠性和高集成度等優點。但目前片上集成光路的器件密度仍然較低，隨著器件集成度的提高，二維平面構型已無法滿足日益增長的帶寬需求。三維光子集成可以提供更高的器件集成度及路由選擇，是解決二維平面集成光路帶寬瓶頸的有效方法。但三維光子集成芯片中，層與層之間存在光能量泄露導致的損耗和串擾增加，是三維集成中待解決的重要問題之一。

發明內容

本發明目的在于提供一種便于集成、串擾低、傳輸效率高的基于硅基光波導的三維光交叉器及其制備方法。

本發明所述的基于硅基光波導的三維波導交叉器，其特征在于：該三維光交叉器由下至上，順次由硅襯底、二氧化硅下包層、二氧化硅中間層、二氧化硅上包層和光波導芯層組成；光波導芯層由第一層硅波導和第二層硅波導組成，第一層硅波導制備在二氧化硅下包層之上、被包覆在二氧化硅中間層之中；第二層硅波導制備在二氧化硅中間層之上、被包覆在二氧化硅上包層之中；第一層硅波導和第二層硅波導結構尺寸完全相同，呈十字交叉設置，兩者間被二氧化硅中間層分隔開；第一層硅波導由第一輸入波導Core1、第一耦合波導Core2和第一輸出波導Core3構成，第二層硅波導由第二輸入波導Core4、第二耦合波導Core5和第二輸出波導Core6構成；其中，二氧化硅下包層、二氧化硅中間層、二氧化硅上包層的折射率為1.445，硅襯底的折射率為3.455。

第一輸入波導Core1、第二輸入波導Core4、第一輸出波導Core3和第二輸出波導Core6結構相同，為矩形結構直波導，厚度H＝0.22μm、寬度W1＝0.4μm，滿足單模傳輸條件，支持TE₁₁模式；第一耦合波導Core2和第二耦合波導Core5結構相同，為一個寬度函數型變化的中心對稱波導，其寬度由第一輸入波導Core1和第二輸入波導Core4的寬度逐漸增加，到達最大值后，再逐漸變小為第一輸出波導Core3和第二輸出波導Core6的寬度；第一耦合波導Core2和第二耦合波導Core5的寬度首先由0.4μm增寬為1μm，在將長度x歸一化為[-1，0)時，該寬度變化記為y1，再由寬度1μm逐步變窄為0.4μm，在將長度x歸一化為[0，1)時，該寬度變化記為y2；其中，y1滿足函數關系y1＝1-0.6·(-x)^1.5(-1≤x0)，y2滿足函數關系y2＝1-0.6·(x)^1.5(0≤x≤1)。第一層硅波導和第二層硅波導之間的二氧化硅中間層的厚度Gap＝300nm。利用時域有限差分法分析第一耦合波導Core2與第二耦合波導Core5結構參數，選擇第一耦合波導Core2與第二耦合波導Core5寬度變化函數冪指數為1.5，確定第一耦合波導Core2與第二耦合波導Core5的長度L1＝16.8μm，寬度W2＝1μm。