一種微環反射光波導輔助的折疊反射式陣列波導光柵波分復用器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種微環反射光波導輔助的折疊反射式陣列波導光柵波分復用器，屬于半導體波導通信器件技術領域。該折疊反射式陣列波導光柵波分復用器，包括輸入光波導、輸出光波導、羅蘭圓、陣列光波導和微環光波導，陣列光波導包括錘形波導和條形波導，微環光波導包括1×2光波導分束器/合束器和彎曲光波導，輸入光波導、輸出光波導位于羅蘭圓同側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，每個錘形波導輸出端連接條形波導，每個條形波導連接一個微環光波導中的1×2光波導分束器/合束器，1×2光波導分束器/合束器兩輸出端分別與彎曲光波導的兩端相連，形成封閉環形結構。本發明復用器尺寸減半，具有優良性能指標。
【專利說明】
一種微環反射光波導輔助的折疊反射式陣列波導光柵波分復用器
技術領域
[0001]本發明涉及一種微環反射光波導輔助的折疊反射式陣列波導光柵波分復用器，屬于半導體波導通信器件技術領域。
【背景技術】
[0002]光網絡已經得到了廣泛的應用，但目前的光網絡中各個組成部分都是不同的材料體系，使得目前的網絡系統中各個器件難以集成，其成本居高不下，體積龐大，難以維護。鑒于目前的光網絡狀況，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構;而且硅光子通信器件的工藝與現有CMOS工藝完全兼容，能夠在硅基上實現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結結構的硅光子調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制速度。而對于硅光子陣列波導光柵，其對工藝的要求更加嚴格，在現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對應的光損害將增大。為了減小彎曲波導的損耗，增大波導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組成，其器件尺寸將隨著彎曲波導結構的增大而增大。相比其它硅光子器件，硅光子陣列波導光柵尺寸較大，在版圖制作時占據比較大的版圖尺寸，不利于集成器件的設計。
[0003]目前報道的折疊反射式陣列波導光柵有兩種形式，一種是波導端面直接反射，另種陣列波導的端面采用刻蝕Bragg波導光柵反射。但這兩種結構都有明顯的不足，影響器件最后的性能。
[0004]基于波導端面直接反射式陣列波導光柵是直接在陣列波導中深刻蝕陣列波導，在端面覆蓋金屬層來加強光的反射。這種基于波導端面直接反射式的折疊反射式陣列波導光柵有以下不足，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的截面，也就是反射面與波導不完全垂直，導致光在反射時不能完全返回陣列波導之中，產生光損耗;二是，通過刻蝕的截面在微觀上是不平整的，光反射時會產生漫反射，進一步產生光的損耗;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，產生額外的光損耗。
[0005]基于Bragg波導光柵反射式的反射式陣列波導光柵是通過刻蝕在每一根陣列波導的尾端形成Bragg波導光柵而進行光的反射。這種結構有以下不足，在實際器件中嚴重影響器件的響應帶寬、光串擾和光損耗的均勻性。一是，Bragg波導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光柵的帶寬，而普通陣列波導光柵光譜帶寬一般都在十幾至幾十納米;二是，Bragg波導光柵在通信波長處的光柵周期小(如娃基Bragg波導光柵的最小尺寸在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光柵尾端的Bragg波導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]本發明提出的基于微環光波導的反射式陣列波導光柵能夠有效克服以上兩種結構所產生的缺陷，能夠得到性能優良的折疊反射式陣列波導光柵。在此結構中可采用半徑合適的彎曲光波導結構，其光損耗極其微小。以娃基光波導為例，截面為200nm(高)X 500nm(寬)的彎曲光波導，當其半徑大于2微米時光循環一周的光損耗小于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。本發明中的I X2光波導分束器/合束器，無論是MMI結構還是Y結構，其Ι-dB光帶寬都大于lOOnm，其帶寬完全滿足陣列波導光柵的設計要求，同時這兩種結構的光損耗都極小。同時，微環光波導的設計尺寸較大，對工藝要求較低，能夠容易實現結構中各個微環光波導的一致性。因此，本發明中提出的微環反射光波導具有低光損耗和寬帶寬的特點。基于微環光波導的反射式陣列波導光柵波分復用器，能夠使普通陣列波導光柵的尺寸減半，而且具有優良的性能指標。

【發明內容】

[0007]針對上述現有技術存在的問題及不足，本發明提供一種微環反射光波導輔助的折疊反射式陣列波導光柵波分復用器。該微環反射光波導輔助的折疊反射式陣列波導光柵波分復用器具有低光損耗、低損耗均勻性、低串擾和寬帶寬的優點，本發明通過以下技術方案實現。
[0008]一種微環反射光波導輔助的折疊反射式陣列波導光柵波分復用器，包括輸入光波導1、輸出光波導、羅蘭圓6、陣列光波導和微環光波導，陣列光波導包括錘形波導7和條形波導8，微環光波導包括I X2光波導分束器/合束器9和彎曲光波導10，輸入光波導1、輸出光波導位于羅蘭圓6同側且與羅蘭圓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7，每個錘形波導7輸出端連接條形波導8，每個條形波導8連接一個微環光波導中的I X 2光波導分束器/合束器9，I X 2光波導分束器/合束器9兩輸出端分別與彎曲光波導10的兩端相連，形成一個封閉的環形結構。
[0009]若干大小、形狀相同的所述微環光波導組成陣列微環光波導。
[0010]所述IX 2光波導分束器/合束器9的兩輸出端光波導的截面與對應連接的彎曲光波導10截面相同，截面為矩形、梯形、圓形、脊形形狀。
[0011 ] 所述I X 2光波導分束器/合束器9結構為MM1-型結構或Y-型結構或DC方向親合器結構。
[0012]所述輸出光波導數目為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8由直波導和彎曲波導組成，相鄰陣列條形波導8長度差AL相同。相鄰陣列條形波導8長度差△ L為普通陣列波導光柵波分復用器的相鄰陣列波導長度差的一半。
[0014]采用SOI晶片，基于本發明的器件結構與CMOS制作工藝，可以制備本發明提出的微環反射光波導輔助的折疊反射式陣列波導光柵波分復用器。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，形成波導結構。
[0016]步驟三:去殘留光刻膠并進行清洗，得到干凈的波導結構。
[0017]步驟四:沉積S12上包層，完成器件的制作。
[0018]本發明的有益效果是:能夠有效彌補現存基于波導端面直接反射式折疊陣列波導光柵波分復用器和基于Blagg光柵反射式折疊陣列波導光柵波分復用器的高光損耗、高串擾、窄帶寬(對應于高的通道光損耗均勻性)的缺陷。本發明的設計結構可以降低工藝要求，容易獲得一致性的器件結構，同時微環反射光波導具有極低的光損壞和對光波長不敏感性，使得基于微環光波導反射折疊陣列波導光柵波分復用器具有低光損壞、低串擾、寬帶寬優點(對應于低的通道光損耗均勻性)。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發明結構示意圖；
圖2是本發明光波導分束器/合束器和微環反射光波導掃描電鏡圖；
圖3是本發明測試光譜圖。
[0020]圖中:1-輸入光波導，2-輸出光波導I，3_輸出光波導Π，4_輸出光波導ΙΠ，5_輸出光波導IV，6-羅蘭圓，7-錘形波導，8-條形波導，9-1 X 2光波導分束器/合束器，10-彎曲光波
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【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖和【具體實施方式】，對本發明作進一步說明。
[0022]實施例1
如圖1至3所示，該微環反射光波導輔助的折疊反射式陣列波導光柵波分復用器，包括輸入光波導1、輸出光波導、羅蘭圓6、陣列光波導和微環光波導，陣列光波導包括錘形波導7和條形波導8，微環光波導包括1X2光波導分束器/合束器9和彎曲光波導10，輸入光波導1、輸出光波導位于羅蘭圓6同側且與羅蘭圓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7，每個錘形波導7輸出端連接條形波導8，每個條形波導8連接一個微環光波導中的I X 2光波導分束器/合束器9，I X 2光波導分束器/合束器9兩輸出端分別與彎曲光波導10的兩端相連，形成一個封閉的環形結構。
[0023]本發明制備得到硅基微環反射光波導輔助的折疊反射式陣列波導光柵波分復用器。該復用器采用220nm的頂層硅SOI晶片，埋氧層厚度為2μπι。陣列波導8為截面尺寸為220nm X 400nm，羅蘭圓6半徑為92.88μηι，陣列波導6長度差Δ L為24.39nm，微環彎曲波導10最小半徑為3μηι，陣列波導8最小間距為2.5μηι，陣列波導8數目為32，輸出波導數目為4。測試得到的光譜圖如圖3所示，從結果可以看出:本發明提出的折疊反射式陣列波導光柵波分復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，相鄰通道光串擾為20dB。
[0024]實施例2
如圖1至3所示，該微環反射光波導輔助的折疊反射式陣列波導光柵波分復用器，包括輸入光波導1、輸出光波導、羅蘭圓6、陣列光波導和微環光波導，陣列光波導包括錘形波導7和條形波導8，微環光波導包括1X2光波導分束器/合束器9和彎曲光波導10，輸入光波導1、輸出光波導位于羅蘭圓6同側且與羅蘭圓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7，每個錘形波導7輸出端連接條形波導8，每個條形波導8連接一個微環光波導中的I X 2光波導分束器/合束器9，I X 2光波導分束器/合束器9兩輸出端分別與彎曲光波導10的兩端相連，形成一個封閉的環形結構。
[0025]其中若干大小、形狀相同的所述微環光波導組成陣列微環光波導；所述IX 2光波導分束器/合束器9的兩輸出端光波導的截面與對應連接的彎曲光波導10截面相同，截面為脊形形狀；I X 2光波導分束器/合束器9結構為MM1-型結構;輸出光波導數目為I以上，等間距分布在羅蘭圓6輸入端;陣列條形波導8由直波導和彎曲波導組成，相鄰陣列條形波導8長度差A L相同。復用器采用300nm的頂層硅SOI晶片，埋氧層厚度為3μπι。脊形陣列波導寬度為300]1111，外脊高為12011111，羅蘭圓6半徑為125.54μηι，陣列波導8長度差Δ L為32.56nm，微環彎曲波導10最小半徑為5μηι，陣列波導8最小間距為3μηι，陣列波導8數目為45，輸出波導數目為8，輸出波導間距為3_，MMI長度為3.2_，MMI寬度為2.0_，MMI輸出波導間隔為1.0_，設計通道間隔為3.2nm。
[0026]實施例3
該微環反射光波導輔助的折疊反射式陣列波導光柵波分復用器，包括輸入光波導1、輸出光波導、羅蘭圓6、陣列光波導和微環光波導，陣列光波導包括錘形波導7和條形波導8，微環光波導包括I X2光波導分束器/合束器9和彎曲光波導10，輸入光波導1、輸出光波導位于羅蘭圓6同側且與羅蘭圓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7，每個錘形波導7輸出端連接條形波導8，每個條形波導8連接一個微環光波導中的I X 2光波導分束器/合束器9，I X 2光波導分束器/合束器9兩輸出端分別與彎曲光波導10的兩端相連，形成一個封閉的環形結構。
[0027]其中若干大小、形狀相同的所述微環光波導組成陣列微環光波導；所述IX 2光波導分束器/合束器9的兩輸出端光波導的截面與對應連接的彎曲光波導10截面相同，截面為梯形形狀；I X 2光波導分束器/合束器9結構為Y-型結構(或DC方向耦合器結構)；復用器采用350nm的頂層娃SOI晶片，埋氧層厚度為3μηι。梯形陣列波導上、下寬度分別為400nm、450nm，波導高度為350nm，羅蘭圓6半徑為163.31μηι，微環彎曲波導10最小半徑為6μηι，陣列波導8最小間距為3.5μηι，輸出波導間距為3.5μηι，Y-型結構分束器/合束器9的最小半徑為6μm/Y-型結構分束器/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9兩波導最小間距為300nm)，輸出波導數目為6，等間距分布在羅蘭圓6輸入端；陣列條形波導8由直波導和彎曲波導組成，陣列波導8數目為62，相鄰陣列條形波導8長度差AL相同，△L值為67.98nm，設計通道間隔為1.6nm。
[0028]以上結合附圖對本發明的【具體實施方式】作了詳細說明，但是本發明并不限于上述實施方式。在本領域普通技術人員所具備的知識范圍內，還可以在不脫離本發明宗旨的前提下作出各種變化。
【主權項】
1.一種微環反射光波導輔助的折疊反射式陣列波導光柵波分復用器，其特征在于:包括輸入光波導(I)、輸出光波導、羅蘭圓(6)、陣列光波導和微環光波導，陣列光波導包括錘形波導(7)和條形波導(8)，微環光波導包括I X 2光波導分束器/合束器(9)和彎曲光波導(10)，輸入光波導(1)、輸出光波導位于羅蘭圓(6)同側且與羅蘭圓(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(7)，每個錘形波導(7)輸出端連接條形波導(8)，每個條形波導(8)連接一個微環光波導中的1X2光波導分束器/合束器(9)，1X 2光波導分束器/合束器(9)兩輸出端分別與彎曲光波導(10)的兩端相連，形成一個封閉的環形結構。2.根據權利要求1所述的微環反射光波導輔助的折疊反射式陣列波導光柵波分復用器，其特征在于:若干大小、形狀相同的所述微環光波導組成陣列微環光波導。3.根據權利要求2所述的微環反射光波導輔助的折疊反射式陣列波導光柵波分復用器，其特征在于:所述I X2光波導分束器/合束器(9)的兩輸出端光波導的截面與對應連接的彎曲光波導(10)截面相同。4.根據權利要求2所述的微環反射光波導輔助的折疊反射式陣列波導光柵波分復用器，其特征在于:所述I X2光波導分束器/合束器(9)結構為麗1-型結構或Y-型結構或DC方向親合器結構。5.根據權利要求1所述的微環反射光波導輔助的折疊反射式陣列波導光柵波分復用器，其特征在于:所述輸出光波導數目為I以上，等間距分布在羅蘭圓(6)輸入端。6.根據權利要求1所述的微環反射光波導輔助的折疊反射式陣列波導光柵波分復用器，其特征在于:所述陣列條形波導(8)由直波導和彎曲波導組成，相鄰陣列條形波導(8)長度差A 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
【發明人】方青, 桂進斌, 陳劍鳴, 陳華
【申請人】昆明理工大學