本實(shí)用新型涉及應(yīng)用于光通信、光互聯(lián)、光計(jì)算、光傳感等領(lǐng)域的光波導(dǎo)，特別涉及一種基于SOI材料的十字縫隙波導(dǎo)的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

隨著多核微處理器的出現(xiàn)，以及微處理器中的晶體管集成度越來(lái)越高，微處理器直接及其內(nèi)部的互連帶寬需求也在不斷增長(zhǎng)，電互連存在功耗大、時(shí)延長(zhǎng)、串?dāng)_高等寄生效應(yīng)問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，成為互連帶寬進(jìn)一步增長(zhǎng)的瓶頸。絕緣體上硅(Silicon-on-Insulator,SOI)是一種用于大規(guī)模集成電路的硅材料，其優(yōu)越的光學(xué)特性引起了人們的重視，基于SOI的光互連技術(shù)成為了研究的熱點(diǎn)?；赟OI的光互連技術(shù)具有功耗小、帶寬高、時(shí)延短、串?dāng)_低等優(yōu)勢(shì)，與其他半導(dǎo)體材料相比，還具有以下優(yōu)勢(shì)：與微電子的CMOS工藝兼容，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模光電子單片集成，降低器件成本；折射率差大，波導(dǎo)尺寸小，器件集成度高。將SOI基光互連技術(shù)與大規(guī)模集成電路技術(shù)相結(jié)合，可以在單片上實(shí)現(xiàn)光電子集成回路，這被認(rèn)為是解決目前存在的電互連瓶頸的一種有效方案，其應(yīng)用前景十分廣闊。

由于SOI材料的高折射率差會(huì)造成光波導(dǎo)器件對(duì)光信號(hào)的偏振態(tài)敏感，引起光波導(dǎo)器件的響應(yīng)特性與偏振相關(guān)，通常這是在實(shí)際應(yīng)用中需要避免的。為了使光波導(dǎo)器件達(dá)到偏振無(wú)關(guān)的響應(yīng)特性，提出了偏振旋轉(zhuǎn)、偏振分束等技術(shù)方案，十字縫隙波導(dǎo)就是其中的一種方案。十字縫隙波導(dǎo)在光互連、光通信、光傳感等方面有廣泛的應(yīng)用。

為了減小芯片面積，提高集成度，波導(dǎo)的交叉是光波導(dǎo)器件中不可避免的。由于折射率的不連續(xù)，波導(dǎo)的交叉區(qū)域會(huì)發(fā)生比較強(qiáng)的散射與反射，造成較大的損耗與串?dāng)_，影響芯片的性能。一般的單層SOI基光波導(dǎo)器件通過(guò)擴(kuò)展交叉區(qū)域、優(yōu)化交叉角度、設(shè)計(jì)多模干涉耦合器等方法來(lái)減弱交叉造成的影響。但是SOI基的十字縫隙波導(dǎo)是雙層結(jié)構(gòu)，與一般的SOI基光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)不同，其交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)也需要特別的設(shè)計(jì)。目前還沒(méi)有報(bào)道適用于基于SOI材料的十字縫隙波導(dǎo)的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，提供一種交叉損耗與串?dāng)_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(guī)模制造的十字縫隙波導(dǎo)的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

為實(shí)現(xiàn)上述實(shí)用新型目的，本實(shí)用新型采用了如下技術(shù)方案：一種十字縫隙波導(dǎo)的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其由輸入/輸出區(qū)，過(guò)渡區(qū)，以及交叉區(qū)組成，過(guò)渡區(qū)連接在輸入/輸出區(qū)和交叉區(qū)之間；所述輸入/輸出區(qū)為十字縫隙直波導(dǎo)，該十字縫隙直波導(dǎo)由四條硅直波導(dǎo)，水平縫隙，以及垂直縫隙組成，其中，四條硅直波導(dǎo)均為條形波導(dǎo)，水平縫隙和垂直縫隙均填充二氧化硅；所述過(guò)渡區(qū)為十字縫隙彎曲波導(dǎo)，該十字縫隙彎曲波導(dǎo)由四條硅彎曲波導(dǎo)，水平縫隙，以及垂直縫隙組成，其中，四條硅彎曲波導(dǎo)均為條形波導(dǎo)，垂直縫隙內(nèi)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(qū)為平行波導(dǎo)，該平行波導(dǎo)由兩條高折射率二氧化硅波導(dǎo)，以及水平縫隙組成，其中，水平縫隙內(nèi)填充二氧化硅。

此外，本實(shí)用新型還提供如下附屬技術(shù)方案：

所述四條硅直波導(dǎo)均為硅納米線波導(dǎo)。

所述四條硅直波導(dǎo)均為單模波導(dǎo)。

所述四條硅彎曲波導(dǎo)均為硅納米線波導(dǎo)。

所述四條硅彎曲波導(dǎo)均為單模波導(dǎo)。

相比于現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型的十字縫隙波導(dǎo)的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)大致如下：

1、將十字縫隙波導(dǎo)的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)分成了輸入/輸出區(qū)、過(guò)渡區(qū)和交叉區(qū)，通過(guò)這三個(gè)區(qū)域光學(xué)模場(chǎng)的匹配與逐漸過(guò)渡，使得交叉損耗與串?dāng)_變得很小。

2、利用高折射率二氧化硅波導(dǎo)限制交叉區(qū)內(nèi)的光信號(hào)，這對(duì)TE模的光信號(hào)是兩條平行的波導(dǎo)，對(duì)TM模的光信號(hào)是一段水平縫隙波導(dǎo)，這使得交叉區(qū)的模場(chǎng)與過(guò)渡區(qū)的模場(chǎng)匹配得很好，交叉損耗與串?dāng)_都很小，幾乎可以忽略不計(jì)。

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

附圖說(shuō)明

圖1是本實(shí)用新型的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)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(dǎo)的制備方法的步驟1的流程圖。

圖6是交叉波導(dǎo)的制備方法的步驟2的流程圖。

圖7是交叉波導(dǎo)的制備方法的步驟3的流程圖。

圖8是交叉波導(dǎo)的制備方法的步驟4的流程圖。

圖9是交叉波導(dǎo)的制備方法的步驟5的流程圖。

圖10是交叉波導(dǎo)的制備方法的步驟6的流程圖。

圖11是交叉波導(dǎo)的制備方法的步驟7的流程圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合較佳實(shí)施例及其附圖對(duì)本實(shí)用新型技術(shù)方案作進(jìn)一步非限制性的詳細(xì)說(shuō)明。

現(xiàn)有技術(shù)中未優(yōu)化的縫隙交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有很大的損耗和串?dāng)_，其原因主要在于波導(dǎo)交叉處的折射率發(fā)生突變和不連續(xù)造成光信號(hào)的散射與反射。本實(shí)用新型的目的就是要使得縫隙交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在波導(dǎo)交叉處的折射率變化盡可能平緩，減小光信號(hào)的散射與反射，從而降低交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的損耗與串?dāng)_。

參見(jiàn)圖1，本實(shí)用新型的十字縫隙波導(dǎo)的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括：輸入/輸出區(qū)，過(guò)渡區(qū)，以及交叉區(qū)，輸入/輸出區(qū)與過(guò)渡區(qū)相連，過(guò)渡區(qū)一端與輸入/輸出區(qū)相連，另一端與交叉區(qū)相連。

見(jiàn)圖2，輸入/輸出區(qū)用于信號(hào)的輸入與輸出，其為十字縫隙直波導(dǎo)，該十字縫隙直波導(dǎo)由四條直波導(dǎo)11、12、13、14，水平縫隙，垂直縫隙，以及二氧化硅4構(gòu)成，其中，四條直波導(dǎo)11、12、13、14均為硅納米線波導(dǎo)、條形波導(dǎo)及單模波導(dǎo)，水平縫隙、垂直縫隙內(nèi)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(hào)被限制在水平縫隙或垂直縫隙內(nèi)進(jìn)行傳輸，其中，TE模被限制在垂直縫隙內(nèi)傳輸，TM模被限制在水平縫隙內(nèi)傳輸。

見(jiàn)圖3，過(guò)渡區(qū)用于連接正交的直波導(dǎo)，其為十字縫隙彎曲波導(dǎo)，該十字縫隙彎曲波導(dǎo)由四條彎曲波導(dǎo)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(gòu)成，其中，四條彎曲波導(dǎo)21、22、23、24均為硅納米線波導(dǎo)、條形波導(dǎo)及單模波導(dǎo)，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(hào)被限制在水平縫隙或垂直縫隙內(nèi)進(jìn)行傳輸，其中，TE模被限制在垂直縫隙內(nèi)傳輸，TM模被限制在水平縫隙內(nèi)傳輸。

見(jiàn)圖4，交叉區(qū)用于實(shí)現(xiàn)兩條十字縫隙交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的交叉，其為平行波導(dǎo)，該平行波導(dǎo)由兩條高折射率二氧化硅波導(dǎo)31、32，以及水平縫隙組成，其中，水平縫隙內(nèi)填充二氧化硅。光信號(hào)被限制在水平縫隙或兩條高折射率二氧化硅波導(dǎo)內(nèi)進(jìn)行傳輸，其中，TE模被限制在兩條高折射率二氧化硅波導(dǎo)內(nèi)傳輸，TM模被限制在水平縫隙內(nèi)傳輸。

本實(shí)用新型將十字縫隙交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)分成了輸入/輸出區(qū)、過(guò)渡區(qū)與交叉區(qū)。過(guò)渡區(qū)內(nèi)填充的高折射率二氧化硅與交叉區(qū)內(nèi)的高折射率二氧化硅波導(dǎo)相連，構(gòu)成了一個(gè)漸變的耦合結(jié)構(gòu)。該漸變的耦合結(jié)構(gòu)將十字縫隙直波導(dǎo)內(nèi)的TE模光信號(hào)逐漸耦合至兩條平行的高折射率二氧化硅波導(dǎo)內(nèi)，由兩條平行的高折射率二氧化硅波導(dǎo)完成交叉區(qū)內(nèi)TE模光信號(hào)的傳輸，該結(jié)構(gòu)減小了折射率的不連續(xù)，減小了TE模光信號(hào)的損耗和串?dāng)_。同時(shí)，該漸變的耦合結(jié)構(gòu)將十字縫隙直波導(dǎo)內(nèi)的TM模光信號(hào)逐漸耦合至由兩條平行的高折射率二氧化硅波導(dǎo)構(gòu)成的狹隙波導(dǎo)內(nèi)，由該狹隙波導(dǎo)完成交叉區(qū)內(nèi)TM模光信號(hào)的傳輸，該結(jié)構(gòu)減小了折射率的不連續(xù)，減小了TM模光信號(hào)的損耗和串?dāng)_。

同時(shí)，交叉區(qū)利用該高折射率二氧化硅在交叉區(qū)內(nèi)限制光信號(hào)，這對(duì)TE模的光信號(hào)是兩條平行的波導(dǎo)，對(duì)TM模的光信號(hào)是一段水平縫隙波導(dǎo)，使得交叉區(qū)的模場(chǎng)與過(guò)渡區(qū)的模場(chǎng)匹配得很好，交叉損耗與串?dāng)_都很??；此外，該交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中采用的是寬度漸變的高折射率二氧化硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，不涉及諧振結(jié)構(gòu)，工作帶寬大、制備工藝的容差也大。

本實(shí)用新型的制作十字縫隙波導(dǎo)的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)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(shù)刻蝕SOI頂層硅，制作十字縫隙波導(dǎo)的第一層波導(dǎo)，該十字縫隙波導(dǎo)的第一層波導(dǎo)包括：構(gòu)成輸入/輸出區(qū)十字縫隙直波導(dǎo)的第一層直波導(dǎo)11、12；構(gòu)成過(guò)渡區(qū)十字縫隙彎曲波導(dǎo)的第一層彎曲波導(dǎo)21、22。

步驟2：如圖6所示，采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)，在制作的第一層硅波導(dǎo)上淀積二氧化硅4；通過(guò)套刻技術(shù)，以光刻膠為掩膜，利用干法刻蝕技術(shù)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(xué)機(jī)械拋光方法，去除多余的高折射率二氧化硅3；通過(guò)套刻技術(shù)，以光刻膠為掩膜，利用干法刻蝕技術(shù)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(guò)渡區(qū)彎曲波導(dǎo)21、22之間的垂直縫隙，完成交叉區(qū)高折射率二氧化硅波導(dǎo)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(xué)機(jī)械拋光方法控制二氧化硅的厚度，使其等于十字縫隙波導(dǎo)水平縫隙的厚度，同時(shí)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(shù)，在二氧化硅表面生長(zhǎng)單晶硅，并利用化學(xué)機(jī)械拋光方法控制單晶硅厚度，使其等于十字縫隙波導(dǎo)第二層波導(dǎo)的厚度，同時(shí)將生長(zhǎng)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(guò)套刻技術(shù)，以光刻膠為掩膜，利用干法刻蝕技術(shù)刻蝕第二層硅波導(dǎo)，制作十字縫隙波導(dǎo)的第二層波導(dǎo)，該十字縫隙波導(dǎo)的第二層波導(dǎo)包括：構(gòu)成輸入/輸出區(qū)十字縫隙直波導(dǎo)的第二層波導(dǎo)13、14；構(gòu)成過(guò)渡區(qū)十字縫隙彎曲波導(dǎo)的第二層波導(dǎo)23、24。

步驟6：如圖10所示，采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)，在制作的第二層硅波導(dǎo)上淀積二氧化硅；通過(guò)套刻技術(shù)，以光刻膠為掩膜，利用干法刻蝕技術(shù)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(xué)機(jī)械拋光方法，去除多余的高折射率二氧化硅；通過(guò)套刻技術(shù)，以光刻膠為掩膜，利用干法刻蝕技術(shù)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(guò)渡區(qū)彎曲波導(dǎo)23、24之間的垂直縫隙，完成交叉區(qū)高折射率二氧化硅波導(dǎo)32的制作；采用PECVD，淀積二氧化硅作為外包層。

本實(shí)用新型提供的這種適用于基于SOI材料的十字縫隙波導(dǎo)的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及其制作方法，主要是設(shè)計(jì)十字縫隙波導(dǎo)的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，通過(guò)過(guò)渡區(qū)與交叉區(qū)，使交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的折射率變化盡可能平緩，減小交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)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(dǎo)的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的損耗與串?dāng)_很小，幾乎可以忽略不計(jì)。在過(guò)渡區(qū)和交叉區(qū)設(shè)計(jì)了漸變的高折射率二氧化硅波導(dǎo)，其工作帶寬大，制作容差也大。

需要指出的是，上述較佳實(shí)施例僅為說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本實(shí)用新型的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本實(shí)用新型精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。