十字縫隙波導的交叉波導結構的制作方法

本實用新型涉及應用于光通信、光互聯、光計算、光傳感等領域的光波導，特別涉及一種基于SOI材料的十字縫隙波導的交叉波導結構。

背景技術：

隨著多核微處理器的出現，以及微處理器中的晶體管集成度越來越高，微處理器直接及其內部的互連帶寬需求也在不斷增長，電互連存在功耗大、時延長、串擾高等寄生效應問題越來越嚴重，成為互連帶寬進一步增長的瓶頸。絕緣體上硅(Silicon-on-Insulator,SOI)是一種用于大規模集成電路的硅材料，其優越的光學特性引起了人們的重視，基于SOI的光互連技術成為了研究的熱點。基于SOI的光互連技術具有功耗小、帶寬高、時延短、串擾低等優勢，與其他半導體材料相比，還具有以下優勢：與微電子的CMOS工藝兼容，易于實現大規模光電子單片集成，降低器件成本；折射率差大，波導尺寸小，器件集成度高。將SOI基光互連技術與大規模集成電路技術相結合，可以在單片上實現光電子集成回路，這被認為是解決目前存在的電互連瓶頸的一種有效方案，其應用前景十分廣闊。

由于SOI材料的高折射率差會造成光波導器件對光信號的偏振態敏感，引起光波導器件的響應特性與偏振相關，通常這是在實際應用中需要避免的。為了使光波導器件達到偏振無關的響應特性，提出了偏振旋轉、偏振分束等技術方案，十字縫隙波導就是其中的一種方案。十字縫隙波導在光互連、光通信、光傳感等方面有廣泛的應用。

為了減小芯片面積，提高集成度，波導的交叉是光波導器件中不可避免的。由于折射率的不連續，波導的交叉區域會發生比較強的散射與反射，造成較大的損耗與串擾，影響芯片的性能。一般的單層SOI基光波導器件通過擴展交叉區域、優化交叉角度、設計多模干涉耦合器等方法來減弱交叉造成的影響。但是SOI基的十字縫隙波導是雙層結構，與一般的SOI基光波導的結構不同，其交叉波導結構也需要特別的設計。目前還沒有報道適用于基于SOI材料的十字縫隙波導的交叉波導結構。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于針對現有技術中的上述缺陷，提供一種交叉損耗與串擾小，工作帶寬大，制備工藝的容差大，適于低成本、高集成度、大規模制造的十字縫隙波導的交叉波導結構。

為實現上述實用新型目的，本實用新型采用了如下技術方案：一種十字縫隙波導的交叉波導結構，其由輸入/輸出區，過渡區，以及交叉區組成，過渡區連接在輸入/輸出區和交叉區之間；所述輸入/輸出區為十字縫隙直波導，該十字縫隙直波導由四條硅直波導，水平縫隙，以及垂直縫隙組成，其中，四條硅直波導均為條形波導，水平縫隙和垂直縫隙均填充二氧化硅；所述過渡區為十字縫隙彎曲波導，該十字縫隙彎曲波導由四條硅彎曲波導，水平縫隙，以及垂直縫隙組成，其中，四條硅彎曲波導均為條形波導，垂直縫隙內填充高折射率二氧化硅，水平縫隙填充二氧化硅；所述交叉區為平行波導，該平行波導由兩條高折射率二氧化硅波導，以及水平縫隙組成，其中，水平縫隙內填充二氧化硅。

此外，本實用新型還提供如下附屬技術方案：

所述四條硅直波導均為硅納米線波導。

所述四條硅直波導均為單模波導。

所述四條硅彎曲波導均為硅納米線波導。

所述四條硅彎曲波導均為單模波導。

相比于現有技術，本實用新型的十字縫隙波導的交叉波導結構優勢大致如下：

1、將十字縫隙波導的交叉波導結構分成了輸入/輸出區、過渡區和交叉區，通過這三個區域光學模場的匹配與逐漸過渡，使得交叉損耗與串擾變得很小。

2、利用高折射率二氧化硅波導限制交叉區內的光信號，這對TE模的光信號是兩條平行的波導，對TM模的光信號是一段水平縫隙波導，這使得交叉區的模場與過渡區的模場匹配得很好，交叉損耗與串擾都很小，幾乎可以忽略不計。

3、交叉波導結構中采用寬度漸變的高折射率二氧化硅波導結構，不涉及諧振結構，工作帶寬大、制備工藝的容差也大。

附圖說明

圖1是本實用新型的交叉波導結構的俯視圖。

圖2是沿圖1中a-a線的截面圖。

圖3是沿圖1中b-b線的截面圖。

圖4是沿圖1中c-c線的截面圖。

圖5是交叉波導的制備方法的步驟1的流程圖。

圖6是交叉波導的制備方法的步驟2的流程圖。

圖7是交叉波導的制備方法的步驟3的流程圖。

圖8是交叉波導的制備方法的步驟4的流程圖。

圖9是交叉波導的制備方法的步驟5的流程圖。

圖10是交叉波導的制備方法的步驟6的流程圖。

圖11是交叉波導的制備方法的步驟7的流程圖。

具體實施方式

以下結合較佳實施例及其附圖對本實用新型技術方案作進一步非限制性的詳細說明。

現有技術中未優化的縫隙交叉波導結構具有很大的損耗和串擾，其原因主要在于波導交叉處的折射率發生突變和不連續造成光信號的散射與反射。本實用新型的目的就是要使得縫隙交叉波導結構在波導交叉處的折射率變化盡可能平緩，減小光信號的散射與反射，從而降低交叉波導結構的損耗與串擾。

參見圖1，本實用新型的十字縫隙波導的交叉波導結構包括：輸入/輸出區，過渡區，以及交叉區，輸入/輸出區與過渡區相連，過渡區一端與輸入/輸出區相連，另一端與交叉區相連。

見圖2，輸入/輸出區用于信號的輸入與輸出，其為十字縫隙直波導，該十字縫隙直波導由四條直波導11、12、13、14，水平縫隙，垂直縫隙，以及二氧化硅4構成，其中，四條直波導11、12、13、14均為硅納米線波導、條形波導及單模波導，水平縫隙、垂直縫隙內均填充二氧化硅4。水平縫隙與垂直縫隙的尺寸都很小，光信號被限制在水平縫隙或垂直縫隙內進行傳輸，其中，TE模被限制在垂直縫隙內傳輸，TM模被限制在水平縫隙內傳輸。

見圖3，過渡區用于連接正交的直波導，其為十字縫隙彎曲波導，該十字縫隙彎曲波導由四條彎曲波導21、22、23、24，水平縫隙，垂直縫隙，高折射率二氧化硅3以及二氧化硅4構成，其中，四條彎曲波導21、22、23、24均為硅納米線波導、條形波導及單模波導，水平縫隙填充二氧化硅4，垂直縫隙填充高折射率二氧化硅3。水平縫隙和垂直縫隙的尺寸都很小，光信號被限制在水平縫隙或垂直縫隙內進行傳輸，其中，TE模被限制在垂直縫隙內傳輸，TM模被限制在水平縫隙內傳輸。

見圖4，交叉區用于實現兩條十字縫隙交叉波導結構的交叉，其為平行波導，該平行波導由兩條高折射率二氧化硅波導31、32，以及水平縫隙組成，其中，水平縫隙內填充二氧化硅。光信號被限制在水平縫隙或兩條高折射率二氧化硅波導內進行傳輸，其中，TE模被限制在兩條高折射率二氧化硅波導內傳輸，TM模被限制在水平縫隙內傳輸。

本實用新型將十字縫隙交叉波導結構分成了輸入/輸出區、過渡區與交叉區。過渡區內填充的高折射率二氧化硅與交叉區內的高折射率二氧化硅波導相連，構成了一個漸變的耦合結構。該漸變的耦合結構將十字縫隙直波導內的TE模光信號逐漸耦合至兩條平行的高折射率二氧化硅波導內，由兩條平行的高折射率二氧化硅波導完成交叉區內TE模光信號的傳輸，該結構減小了折射率的不連續，減小了TE模光信號的損耗和串擾。同時，該漸變的耦合結構將十字縫隙直波導內的TM模光信號逐漸耦合至由兩條平行的高折射率二氧化硅波導構成的狹隙波導內，由該狹隙波導完成交叉區內TM模光信號的傳輸，該結構減小了折射率的不連續，減小了TM模光信號的損耗和串擾。

同時，交叉區利用該高折射率二氧化硅在交叉區內限制光信號，這對TE模的光信號是兩條平行的波導，對TM模的光信號是一段水平縫隙波導，使得交叉區的模場與過渡區的模場匹配得很好，交叉損耗與串擾都很小；此外，該交叉波導結構中采用的是寬度漸變的高折射率二氧化硅波導結構，不涉及諧振結構，工作帶寬大、制備工藝的容差也大。

本實用新型的制作十字縫隙波導的交叉波導結構的工藝流程圖，具體包括以下步驟：

步驟1，如圖5所示，以光刻膠為掩膜，利用干法刻蝕技術刻蝕SOI頂層硅，制作十字縫隙波導的第一層波導，該十字縫隙波導的第一層波導包括：構成輸入/輸出區十字縫隙直波導的第一層直波導11、12；構成過渡區十字縫隙彎曲波導的第一層彎曲波導21、22。

步驟2：如圖6所示，采用等離子體增強化學氣相沉積法(PECVD)，在制作的第一層硅波導上淀積二氧化硅4；通過套刻技術，以光刻膠為掩膜，利用干法刻蝕技術刻蝕二氧化硅4。

步驟3：如圖7所示，采用PECVD，淀積摻雜氧化鍺的高折射率二氧化硅3；采用化學機械拋光方法，去除多余的高折射率二氧化硅3；通過套刻技術，以光刻膠為掩膜，利用干法刻蝕技術淺刻蝕高折射率二氧化硅3，完成用高折射率二氧化硅3填充過渡區彎曲波導21、22之間的垂直縫隙，完成交叉區高折射率二氧化硅波導31的制作。

步驟4：如圖8所示，利用PECVD淀積二氧化硅4，并利用化學機械拋光方法控制二氧化硅的厚度，使其等于十字縫隙波導水平縫隙的厚度，同時將淀積的二氧化硅的表面粗糙度降低到5nm以下；利用分子束外延以及退火技術，在二氧化硅表面生長單晶硅，并利用化學機械拋光方法控制單晶硅厚度，使其等于十字縫隙波導第二層波導的厚度，同時將生長的單晶硅表面粗糙度降低到5nm以下。

步驟5：如圖9所示，通過套刻技術，以光刻膠為掩膜，利用干法刻蝕技術刻蝕第二層硅波導，制作十字縫隙波導的第二層波導，該十字縫隙波導的第二層波導包括：構成輸入/輸出區十字縫隙直波導的第二層波導13、14；構成過渡區十字縫隙彎曲波導的第二層波導23、24。

步驟6：如圖10所示，采用等離子體增強化學氣相沉積法(PECVD)，在制作的第二層硅波導上淀積二氧化硅；通過套刻技術，以光刻膠為掩膜，利用干法刻蝕技術刻蝕二氧化硅。

步驟7：如圖11所示，采用PECVD，淀積摻雜氧化鍺的高折射率二氧化硅；采用化學機械拋光方法，去除多余的高折射率二氧化硅；通過套刻技術，以光刻膠為掩膜，利用干法刻蝕技術淺刻蝕高折射率二氧化硅，完成用高折射率二氧化硅填充過渡區彎曲波導23、24之間的垂直縫隙，完成交叉區高折射率二氧化硅波導32的制作；采用PECVD，淀積二氧化硅作為外包層。

本實用新型提供的這種適用于基于SOI材料的十字縫隙波導的交叉波導結構及其制作方法，主要是設計十字縫隙波導的交叉波導結構，通過過渡區與交叉區，使交叉波導結構的折射率變化盡可能平緩，減小交叉波導結構引起的反射與散射。這種適用于基于SOI材料的十字縫隙波導的交叉波導結構的損耗與串擾很小，幾乎可以忽略不計。在過渡區和交叉區設計了漸變的高折射率二氧化硅波導，其工作帶寬大，制作容差也大。

需要指出的是，上述較佳實施例僅為說明本實用新型的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人士能夠了解本實用新型的內容并據以實施，并不能以此限制本實用新型的保護范圍。凡根據本實用新型精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本實用新型的保護范圍之內。