一种基于硅基光波导的三维模式分离/复用器及其制备方法
本发明属于集成光电子学技术领域，具体涉及一种基于硅基光波导的三维模式分离/复用器，该器件在光学信息处理、光学通信等领域具有重要的应用价值和发展前景。
背景技术：
随着信息时代的飞速发展，人工智能、软件应用计算的云端业务等大量移动终端的大数据需求爆发式增长，传统的电互联技术已受到无法避免的传输延时和器件功耗上的限制，进而导致传统集成电路的信息获取与处理能力已经无法满足社会日渐增长的需求。近几年来，硅基光电子技术作为解决传统集成电路的互联延迟效应及能耗过高等问题的方法被提出，并受到了科研界和产业界的广泛关注和发展。硅基光电子技术有许多优点，例如能与十分成熟的cmos工艺相兼容，可以进行大规模加工生产，具有低成本、高可靠性和高集成度等优点。目前来看，硅基光电子技术在通信领域和片上光互连中应用在不断增加，在硅基光电子技术中，对于通信容量和带宽的需求也是越来越大，但是由于非线性香农容量的限制，单模波导的信息传输容量不能满足需求，对信息传输容量的高需求会导致单模波导器件的尺寸过大，串扰过大，工艺过于复杂。模分复用器为解决信息容量达到上限起到了至关重要的作用，利用模分复用技术能够让传输系统的容量和带宽按照模分复用器件中模式的多少成倍的增加，有效地提高了信息的传输容量。但是，目前基于硅基波导的模分复用器都是在二维平面实现的，这严重限制了容量和带宽的拓展，并且不利于器件的小型化和集成化。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种易于集成、小尺寸的基于硅基光波导的三维模式分离/复用器，其是一种以二氧化硅为波导下包层和上包层，硅作为波导芯层，利用非对称定向耦合技术使少模波导中的高阶模式与单模波导中的基模之间完成有效折射率匹配，从而实现模式分离与复用。
相比于传统的二维模式分离/复用器，本发明所述的基于硅基光波导的三维模式分离/复用器具有更高的集成度，并能够与其他三维器件进行集成，更主要的是可以传输二维硅基模分复用器难以传输的e21模式，扩展了信道容量。实现模式分离/复用器的技术方法包括多模光栅辅助耦合器、光子灯笼和非对称定向耦合器，其中非对称定向耦合器的结构和工艺都比较简单，耦合效率高并且器件结构尺寸小，十分符合本发明的要求。
本发明解决其技术问题采用的技术方案如下：
本发明所述的基于硅基光波导的三维模式分离/复用器，其特征在于：以硅片为衬底，由三个波导core1、core2和core3构成的二个非对称定向耦合器组成，三个波导core1、core2和core3从下至上均为二氧化硅下包层、硅芯层和二氧化硅上包层结构；二氧化硅包层的折射率为1.445，硅芯层的折射率为3.455；core1为少模波导，位于三维模式分离/复用器的中间位置，支持e11、e12、e21三种模式；core2和core3为单模波导，支持e11模式；单模波导core2作为将core1中的e12模式转换为e11模式的通道，单模波导core3作为将core1中的e21模式转换为e11模式的通道；单模波导core2放置在少模波导core1横截面的x轴正方向，与波导core1具有一定距离d1设置，构成水平方向的非对称定向耦合器；单模波导core3放置在少模波导core1横截面的y轴正方向，与core3具有一定距离d2设置，构成垂直方向的非对称定向耦合器。
进一步地，core1、core2和core3均为直波导结构，core1的输出端略为收窄，core2和core3的输出端具有s型弯曲，这样设置的目的是将core1、core2和core3波导在输出端分离开，略为收窄和s型弯曲结构对于耦合效率和串扰的影响可以忽略。
从少模波导core1输入端口input输入e11、e21、e12三种模式，在少模波导中传输。少模波导core1中的e12模式通过水平方向的非对称定向耦合器从core1耦合到单模波导core2中并由e12模式转化为e11模式，从output2端输出e11模式；少模波导core1中的e21模式通过垂直方向的非对称定向耦合器从core1耦合到单模波导core3中并由e21模式转化为了e11模式，从output3端输出e11模式；e11模式仍保留在少模波导core1中进行传输，并由output1端输出，从而实现了e11、e12、e21三种模式分离的功能。反之，当从output2端向core2输入e11模式，e11模式通过水平方向的非对称定向耦合器从core2耦合到了core1并由e11模式转化为e12模式，并可以在input端口接收；当从output3端向core3中输入e11模式，e11模式通过垂直方向的非对称定向耦合从core3耦合到了core1并由e11模式转化为了e21模式，并可以在input端口接收；当从output1端向core1中输入e11模式，e11模式仍保留在少模波导core1中进行传输，并可以在input端口接收，从而实现了e11、e21、e12三种模式复用的功能。
要实现模分复用就要实现不同模式间的有效折射率的匹配。模式的有效折射率与波导的结构尺寸密切相关，要实现有效折射率的匹配就要确定少模波导和单模波导的结构参数。利用lumericalfdtd软件对于少模波导core1的高度与模式有效折射率的关系进行模拟计算，得出存在e21模式的最小尺寸高度为0.65μm，为了实现器件小型化，故将少模波导core1的高度设定为0.65μm；少模波导的模式有效折射率随着波导宽度的增大而增大。单模波导core2与少模波导core1处于同一水平面上，其高度与少模波导core1相同，为0.65μm。通过计算单模波导core2宽度与e11模式的有效折射率的关系，使得少模波导core1中的e12模式的有效折射率与单模波导core2的e11模式的有效折射率相匹配，实现波导间的模式转换。单模波导core3与少模波导core1处于同一个垂直平面内，在满足e21模式不存在的情况下，同时满足器件的最小尺寸，选择单模波导core3的高度为0.54μm，通过计算单模波导core3的宽度和e11模式的有效折射率关系，使得少模波导core1的e21的有效折射率与单模波导core3的e11模式有效折射率相匹配。经过计算使得少模波导core1的宽度为0.8μm，高度为0.65μm；单模波导core2的宽度为0.387μm，高度为0.65μm；单模波导core3的宽度为0.392μm，高度为0.54μm。
耦合效率是模式分离/复用器的重要参数之一，波导间的耦合效率受耦合长度和波导间距的影响。通过lumericalfdtd软件模拟计算耦合效率和不同波导之间间距的关系，可以得出core1和core2的间距d1为0.15μm时能够得到最高的耦合效率，耦合效率可以达到97.6％；core1和core3的间距d2为0.24μm时，可以得到最高的耦合效率，耦合效率可以达到95.1％。
串扰也是模式分离/复用器的重要参数之一。本发明的器件串扰主要来源于两个方面，第一个是少模波导中传输的e11模式和e21模式对单模波导core2的影响，第二个是少模波导中传输的e11模式和e12模式对单模波导core3的影响。通过上述优化器件结构尺寸，计算不同模式对不同波导的串扰的影响，我们可以得出在1500～1600nm波长下，少模波导core1中传输的e11模式和e21模式对单模波导core2的干扰ct2(e11)、ct2(e21)都小于-30db，少模波导core1中传输的e11和e12模式对单模波导core3的干扰ct3(e11)、ct2(e12)都小于-32db。
本发明所述的基于硅基光波导的三维模式分离/复用器制作在soi片(silicon-on-insulator，绝缘衬底上的硅，为硅层-二氧化硅层-硅衬底结构，硅层的厚度0.65μm)上，并且为多层结构，core1和core2波导为第一层结构，core3波导为第二层结构，两层结构都采用soi片并使用晶圆键合工艺完成三维波导结构的制备，具体工艺如图6所示。
具体制备步骤如下：
第一步：制备core1波导和core2波导(如图6(a)所示)
1)清洗soi片：将硅层厚度为0.65μm的两个soi片放在丙醇溶液中超声清洗15分钟，再用甲醇、异丙醇(ipa)和去离子水超声清洗10分钟，然后将洗净的soi片用氮气吹干，并在150℃热板上烘5分钟以除去soi片表面的水汽；
2)匀胶：将步骤1)清洗后的其中一个soi片放入匀胶机中，旋涂pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)光刻胶，匀胶转数为3000rpm，时间为60秒，然后将匀胶之后的soi片放在热板上180℃前烘10分钟；
3)电子束光刻(ebl)：将步骤2)旋涂好光刻胶的soi片放入ebl设备舱中，按设计好的core1波导和core2波导图形文件对pmma光刻胶进行电子束光刻；
4)显影：将步骤3)得到的soi片在室温下放入摩尔比1：3的甲基异丁酮(mibk)和异丙醇(ipa)的混合溶液中显影35秒，再在异丙醇(ipa)溶液中定影50秒，在soi片上得到与core1波导和core2波导结构相同的光刻胶图形；然后在热板上60℃烘烤5分钟，在90℃烘烤10分钟；
5)刻蚀：利用感应耦合等离子体(inductivelycoupledplasma，icp)刻蚀机对步骤4)得到的soi片进行刻蚀，在光刻胶图形的掩膜下，core1波导和core2波导区域之外的硅层被刻蚀，刻蚀深度为0.65μm，刻蚀时间为4分钟，刻蚀气体为sf6和c4f8；
6)洗去残胶：分别用丙酮、甲醇、异丙醇和去离子水超声清洗core1波导和core2波导表面的光刻胶掩膜，并用氮气枪烘干；
7)生长二氧化硅：使用等离子体增强化学气相沉积(pecvd)设备在步骤6)得到的soi片上生长二氧化硅层，使soi片上生长的二氧化硅层的厚度为0.77μm，core1和core2波导上生长的二氧化硅层的厚度为0.12μm；
第二步：将两片soi片进行键合(如图6(b)所示)
因为该器件为三维结构，工艺上需要使用两个soi片才能够实现，因此需要利用键合工艺来实现两个soi片的键合，其步骤如下：
a)生长二氧化硅层：使用等离子体增强化学气相沉积(pecvd)设备在另一个soi片的硅层上生长二氧化硅层，厚度为0.12μm；
b)键和：将制备好core1和core2波导的soi片和另一个生长二氧化硅层的soi片在摩尔比为0.2：1：5的nh4oh、h2o2、h2o的混合溶液中浸泡10分钟，取出后用去离子水漂洗5分钟，再在摩尔比为0.2：1：5的hcl、h2o2、h2o的混合溶液中浸泡10分钟，取出后用去离子水漂洗5分钟，进而完成两个soi片的表面活化；然后将第一个soi片core1和core2波导上的二氧化硅层与第二个soi片的二氧化硅层相接触进行贴合，经过表面吸附的分子膜的氢键链接，完成预键合；将经过预键合的两个soi片放入键合机中，施加350kg的压力保持30分钟，再在氧气氛中进行500℃的高温退火，从而完成牢固的键合；这样便与第一个soi片core1波导和core2波导上生长的二氧化硅层共同构成0.24μm的隔离层；
c)腐蚀减薄：在键合完成后，要对硅层进行减薄达到器件的设计要求，采用先粗磨后化学机械抛光的方法，先粗磨迅速将第二个soi片的二氧化硅层和硅衬底去掉，再化学机械抛光进一步精确减薄硅层厚度至0.54μm，即core3波导的厚度为0.54μm；
第三步：制备core3波导(如图6(c)所示)
(1)清洗键合片：将键合好的两层soi片放在丙醇溶液中超声清洗15分钟，再用甲醇、异丙醇(ipa)和去离子水超声清洗10分钟，然后将洗净的soi片用氮气枪吹干，并放在150℃热板上烘5分钟以除去soi片表面水汽；
(2)匀胶：将步骤(1)烘干的soi片放入匀胶机中，旋涂pmma光刻胶，匀胶转数为3000rpm，时间为60秒，然后将匀胶之后的soi片放在热板上180℃前烘10分钟；
(3)电子束光刻(ebl)：将旋涂好光刻胶的soi片放入ebl设备舱中，并移动到指定的扫描位置，按设计好的core3波导图形文件对pmma光刻胶进行电子束光刻；
(4)显影：将soi片在室温下放入摩尔比为1：3的甲基异丁酮(mibk)和ipa的混合溶液中显影35秒，然后在ipa溶液中定影50秒；在soi片上得到与core3波导结构相同的光刻胶图形；然后在热板上60℃烘烤5分钟，再90℃烘烤10分钟；
(5)刻蚀：利用icp刻蚀机对显影完成的soi片进行刻蚀，在光刻胶图形的掩膜下，core3波导区域之外的硅层被刻蚀，刻蚀深度为0.54μm，刻蚀时间为3分钟，刻蚀气体为sf6和c4f8；
(6)洗去残胶：分别用丙酮、甲醇、异丙醇和去离子水进行超声波清洗core3波导表面残留的光刻胶，并用氮气枪烘干soi片；
(7)生长二氧化硅：使用pecvd技术在制备好的core3波导表面和soi片上生长二氧化硅层，使soi片上生长的二氧化硅层的厚度为0.78μm，core3波导上生长的二氧化硅层的厚度为0.24μm；从而得到本发明所述的基于硅基光波导的三维模式分离/复用器。
与现有器件相比，本发明的有益效果是：本发明设计了一种硅基光波导的三维模式分离/复用器，相比于传统二维硅基模式分离/复用器，本发明加入了e21模式，扩展了传输信息容量，在相同的平面面积和结构尺寸下，可以比二维的硅基模分复用器提高一倍的传输信道和容量。有着更加宽广的应用范围，并且器件尺寸更小，更利于集成化。
在1550nm波长下，e12模式转化为e11模式的耦合效率为97.6％；e21模式转化为e11模式的耦合效率为95.1％耦合效率。
在1500～1600nm波长下，ct2(e11)、ct2(e21)都小于-30db；ct3(e11)、ct2(e12)都小于-32db。
附图说明
图1：本发明所述的基于硅基光波导的三维模式分离/复用器结构示意图；
图2：core1、core2和core3在图1虚线处的横截面结构示意图；core1和core2构成水平方向的非对称定向耦合器，core1和core3构成垂直方向的非对称定向耦合器；
图3(a)：core1中的e21和e12模式有效折射率(纵坐标)和波导宽度(横坐标)的关系曲线；图3(b)：core2和core3中的e11的模式有效折射率(纵坐标)和波导宽度(横坐标)的关系曲线；
图4(a)：core1和core2波导间距d1与耦合效率的关系曲线，插图为d1与最佳耦合长度的关系曲线；图4(b)：core1和core2波导间距d2与耦合效率的关系曲线，插图为d2与最佳耦合长度的关系曲线；
图5(a)：e11和e21模式对core2的串扰曲线；图5(b)：e11和e12模式对core3的串扰曲线。
图6(a)：制作core1波导和core2波导的制备工艺流程图；图6(b)：两个soi片的键合工艺流程图；图6(c)：core3的制备工艺流程图。
具体实施方式
实施例1：
如附图1所示，本发明为实现模式分离\复用的模式转换和能量耦合的功能，采用了非对称定向耦合的方法，其原理是两根尺寸参数不同波导间的模式有效折射率相匹配，从而使得模式的转换和能量的耦合可以在非对称定向耦合器中完成。少模波导core1与单模波导core2处于同一水平面上，波导芯层高度相同，通过特定的波导宽度来实现少模波导的e12模式与单模波导core1的e11模式之间的模式转换和能量耦合；少模波导core1和单模波导core3处于同一垂直平面内，通过特定的波导宽度来实现少模波导的e21模式与单模波导core3的e11模式之间的模式转换和能量耦合。
首先要确定少模波导的结构参数，再让少模波导core1的e12模式和e21模式的有效折射率分别与单模波导core2的e11模式有效折射率和单模波导core3的e11模式的有效折射率相匹配。为了满足即存在e21模式又让器件小型化，设定少模波导的高度为0.65μm。在附图3中展现了计算的少模波导core1和单模波导core2、core3的波导宽度和模式的有效折射率的关系，使得少模波导的core1的e12模式的模式有效折射率与单模波导core2的e11模式的模式有效折射率相匹配，e21模式的模式有效折射率与单模波导core3的e11模式的有效折射率相匹配。从附图3(a)中可以看出，当少模波导core1的宽度为0.8μm时，少模波导中存在e12模式和e21模式，在满足小尺寸的特性的情况下并且两种模式有效折射率差值足够大来使得波导间的模间串扰足够低。根据所选择的少模波导参数尺寸，来决定单模波导core2和core3的参数，即在图3(a)中确定少模波导core1的宽度为0.8μm时，对应的e12模式的有效折射率为2.75171，对应的e21模式的有效折射率为2.72003。其中单模波导core2和少模波导高度相同，宽度为0.387μm；利用lumericalfdtd软件仿真优化得到单模波导core3的尺寸参数要满足单模条件为0.54μm，最终选择少模波导core1的宽度为0.8μm，单模波导core2的宽度为0.387μm(对应的有效折射率为2.75171)；单模波导core3的宽度为0.392μm(对应的有效折射率为2.72003)。波导的横截面的示意图如附图2所示。
如附图4(a)和4(b)所示，计算少模波导core1与单模波导core2、core3的间距分别为d1，d2时，不同波导间距与耦合效率的关系，其中在不同的波导间距时的耦合长度都为最佳耦合长度。首先计算少模波导core1和单模波导core2之间的最优波导间距和耦合长度来得到最大的耦合效率。随着d1的增大，耦合长度也随之增大。为了减小传输损耗，耦合长度不宜过长等综合因素考虑，选择d1为0.15μm，耦合区长度为24μm(指的是波导core1和core2的直波导部分，不包括弯曲部分)，耦合效率为97.6％；再计算core1与core3的之间的最优波导间距和耦合长度(指的是波导core1和core3的直波导部分，不包括弯曲部分)，来获得最大的耦合效率。最终选择d2为0.24μm，耦合区长度为33μm，耦合效率为95.1％。
附图5(a)和5(b)是计算了各个波导之间的串扰影响，分别计算了在少模波导core1中传输e11、e21模式分别对单模波导core2的影响；在少模波导core1中传输e11、e12模式对单模波导core3的影响。计算方法为分别在少模波导的input端口传输e11、e12和e21模式，在单模波导core2上的output2端口监测当input端口输入且只输入e11和e21模式时分别得到的输出能量
总之，本发明提出的基于硅基波导的能够实现传输三种模式的三维模式分离/复用器件，实现了在硅基光波导中模式e21的在垂直方向上的复用和分离，并在此基础上实现了器件的高耦合效率、低串扰和小尺寸的特性。
应当指出的是，具体的实施方式只是本发明有代表性的例子，显然本发明的技术方案不限于上述实施例，还可以有很多变形。本领域的技术人员，以本发明所明确公开的或根据文件的书面描述毫无异议得到的，都应该是本专利所要保护的范围。
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