本實用新型涉及一種應(yīng)用于光通信、光互聯(lián)、光計算、光傳感等領(lǐng)域的光波導(dǎo)，特別涉及一種基于SOI材料的交叉波導(dǎo)。

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，電互連存在功耗大、時延長、串?dāng)_高等寄生效應(yīng)問題越來越嚴(yán)重，成為互連帶寬進(jìn)一步增長的瓶頸。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?；赟OI的光互連技術(shù)具有功耗小、帶寬高、時延短、串?dāng)_低等優(yōu)勢，與其他半導(dǎo)體材料相比，還具有以下優(yōu)勢：與微電子的CMOS工藝兼容，易于實現(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?；赟OI的縫隙波導(dǎo)具有結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高、性能優(yōu)越等特點，在光互連和光傳感領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。

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)器件通過擴(kuò)展交叉區(qū)域、優(yōu)化交叉角度、設(shè)計多模干涉耦合器等方法來減弱交叉造成的影響。但是SOI基的縫隙波導(dǎo)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。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于針對現(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)模制造的基于SOI材料的交叉波導(dǎo)。

為實現(xiàn)上述實用新型目的，本實用新型采用了如下技術(shù)方案：一種基于SOI材料的交叉波導(dǎo)，其由輸入/輸出區(qū)，交叉區(qū)，以及連接在輸入/輸出區(qū)和交叉區(qū)之間的過渡區(qū)組成；輸入/輸出區(qū)為縫隙直波導(dǎo)，該縫隙直波導(dǎo)由兩條硅直波導(dǎo)，以及垂直縫隙組成，其中，兩條硅直波導(dǎo)均為條形波導(dǎo)，垂直縫隙內(nèi)填充二氧化硅；過渡區(qū)為縫隙彎曲波導(dǎo)，該縫隙彎曲波導(dǎo)由兩條硅彎曲波導(dǎo)，以及垂直縫隙組成，其中，兩條硅彎曲波導(dǎo)均為條形波導(dǎo)，垂直縫隙內(nèi)填充高折射率二氧化硅；交叉區(qū)為一條直波導(dǎo)，該直波導(dǎo)由一條高折射率二氧化硅波導(dǎo)，以及二氧化硅組成。

此外，本實用新型還提供如下附屬技術(shù)方案：

所述兩條硅直波導(dǎo)均為單模波導(dǎo)。

所述兩條硅彎曲波導(dǎo)均為單模波導(dǎo)。

所述輸入/輸出區(qū)的兩條相互垂直的硅直波導(dǎo)通過所述過渡區(qū)的硅彎曲波導(dǎo)連接，避免折射率的突變和不連續(xù)。

所述過渡區(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)成了一個漸變的耦合結(jié)構(gòu)。

相比于現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型的基于SOI材料的交叉波導(dǎo)的優(yōu)勢如下：

1、將縫隙波導(dǎo)的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)分成了輸入/輸出區(qū)、過渡區(qū)和交叉區(qū)，通過這三個區(qū)域光學(xué)模場的匹配與逐漸過渡，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，這使得交叉區(qū)的模場與過渡區(qū)的模場匹配得很好，交叉損耗與串?dāng)_都很小，幾乎可以忽略不計；

3、交叉結(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。

附圖說明

圖1是本實用新型的交叉波導(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)的制備方法中步驟1的流程圖。

圖6是交叉波導(dǎo)的制備方法中步驟2的流程圖。

圖7是交叉波導(dǎo)的制備方法中步驟3的流程圖。

圖8是交叉波導(dǎo)的制備方法中步驟4的流程圖。

具體實施方式

以下結(jié)合較佳實施例及其附圖對本實用新型技術(shù)方案作進(jìn)一步非限制性的詳細(xì)說明。

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(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)_。

參見圖1，本實用新型的基于SOI材料的縫隙波導(dǎo)的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)包括：輸入/輸出區(qū)，過渡區(qū)，以及交叉區(qū)，輸入/輸出區(qū)與過渡區(qū)相連，過渡區(qū)一端與輸入/輸出區(qū)相連，另一端與交叉區(qū)相連。

見圖2，輸入/輸出區(qū)用于信號的輸入與輸出，其為縫隙直波導(dǎo)，該縫隙直波導(dǎo)由兩條硅直波導(dǎo)11、12、垂直縫隙以及二氧化硅4構(gòu)成，其中，兩條硅直波導(dǎo)11、12均為單模波導(dǎo)，形狀為條形，垂直縫隙內(nèi)填充二氧化硅4，垂直縫隙的尺寸很小，光信號被限制在垂直縫隙內(nèi)進(jìn)行傳輸。

見圖3，過渡區(qū)用于連接正交的直波導(dǎo)，其為縫隙彎曲波導(dǎo)，該縫隙彎曲波導(dǎo)由兩條硅彎曲波導(dǎo)21、22，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，兩條硅彎曲波導(dǎo)21、22均為單模波導(dǎo)，形狀為條形，垂直縫隙內(nèi)填充高折射率二氧化硅3，垂直縫隙的尺寸很小，光信號被限制在垂直縫隙內(nèi)進(jìn)行傳輸。

見圖4，交叉區(qū)用于實現(xiàn)兩條正交的縫隙直波導(dǎo)的交叉，其為一條直波導(dǎo)，該直波導(dǎo)由一條高折射率二氧化硅波導(dǎo)3，以及二氧化硅4構(gòu)成，光信號被限制在高折射率二氧化硅波導(dǎo)內(nèi)進(jìn)行傳輸。

本實用新型的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的輸入/輸出區(qū)的兩組正交的硅直波導(dǎo)通過硅彎曲波導(dǎo)來連接，避免折射率的突變和不連續(xù)。過渡區(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)成了一個漸變的耦合結(jié)構(gòu)。該漸變的耦合結(jié)構(gòu)將縫隙直波導(dǎo)內(nèi)的光信號逐漸耦合至高折射率二氧化硅波導(dǎo)內(nèi)，由高折射率二氧化硅波導(dǎo)完成交叉區(qū)內(nèi)光信號的傳輸，該結(jié)構(gòu)減小了折射率的不連續(xù)，減小了光信號的損耗和串?dāng)_。交叉區(qū)內(nèi)沒有硅波導(dǎo)，避免了強(qiáng)的反射，減小了損耗和串?dāng)_。交叉區(qū)內(nèi)通過高折射率二氧化硅波導(dǎo)限制光信號。該交叉結(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。

本實用新型的制作適用于基于SOI材料的縫隙波導(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，制作縫隙波導(dǎo)，該縫隙波導(dǎo)包括：構(gòu)成輸入/輸出區(qū)的縫隙直波導(dǎo)11、12，以及構(gòu)成過渡區(qū)的縫隙彎曲波導(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)，在制作的硅縫隙波導(dǎo)上淀積二氧化硅4；通過套刻技術(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。高折射率二氧化硅3摻雜了氧化鍺。

步驟4，如圖8所示，通過套刻技術(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)3的制作；最后采用PECVD，淀積二氧化硅4作為外包層。

本實用新型提供的這種適用于基于SOI材料的縫隙波導(dǎo)的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及其制作方法，主要是設(shè)計縫隙波導(dǎo)的交叉波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，通過過渡區(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。在過渡區(qū)和交叉區(qū)設(shè)計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，上述較佳實施例僅為說明本實用新型的技術(shù)構(gòu)思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術(shù)的人士能夠了解本實用新型的內(nèi)容并據(jù)以實施，并不能以此限制本實用新型的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本實用新型精神實質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。