[发明专利]光子晶体分束器

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于光通讯、光计算、光传感和光学测量等领域的光子晶体分束器，特别涉及一种以SOI材料的光子晶体分束器结构，属于半导体光学技术领域。

背景技术

在过去半个世纪中，以硅为主导的微电子技术取得了举世瞩目的成就，大力推动了信息技术黄金时代的到来。硅在市场方面的垄断地位和在工艺方面的巨大优势，吸引着人们不断研发小型化、集成化的硅基光子器件，以实现大规模集成的光子芯片。

绝缘体上的硅(Silicon-on-Insulator，SOI)是一种独特的硅基材料体系，采用这种材料制作光电子器件有利于兼容成熟的CMOS工艺，实现大规模的光子集成与光电集成。但是，普通的SOI光波导尺寸较大，相应的器件很难实现高密度的集成芯片，于是，光子晶体的概念应运而生。

所谓光子晶体，指的是折射率发生波长尺度的周期性改变，具有一定光子带隙(PBG)的材料结构。光子晶体的出现，为将来的光电和光子集成芯片开辟了一条新的道路。比如，光子晶体波导通过带隙的限制效应而导光，由于波导宽度在波长量级，就能使波导器件的尺寸大为降低。

产生完全光子带隙的3-D光子晶体在制作上还有一定困难，因此，二维光子晶体平板是目前构造光子晶体器件的最优选择。在平板平面内，通过光子禁带产生光限制，而在垂直于平板波导的方向上，通过折射率导引产生光限制。如果是周期性的空气孔分布于介质材料中，将对TE模产生较大的光子带隙，如果是周期性的介质柱分布于空气中，将对TM模产生较大的光子带隙。

Y型光功率分束器是光学和光电领域中的基本器件。但是，目前的波导型Y分束器大多长达几千微米，光纤型的Y分束器更是长达几个毫米，这种大尺寸的器件将无法应用于将来大规模的集成光子芯片中。

光子晶体的出现为器件小型化提供了一条新途径。然而，普通结构的光子晶体Y分束器一般在输入、输出波导的交接区引入缺陷小孔(或缺陷柱)来提高分束效率、减小插入损耗。图1为传统光子晶体Y分束器的结构示意图。如图1所示，该结构需要在输入波导和输出波导的交接处引入直径较小的硅柱(即缺陷柱)，以降低器件损耗、提高输出效率，这就需要比较精确的曝光工艺。这种结构的最大不足是制作容差小，缺陷孔或缺陷柱的直径往往只有几十纳米，其位置也需要精确确定，因而给实际制作带来很大困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种光子晶体分束器，用于克服现有的光子晶体Y分束器需要比较精确的曝光工艺，制作容差小等问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种光子晶体分束器(200)，其特征在于：该光子晶体分束器包括SOI衬底(100)、在SOI衬底的顶层硅(103)上刻蚀形成的呈正方晶格排列的空气孔区域(220)以及将该空气孔区域(220)与外部器件连接的SOI条形波导(210)；所述SOI衬底(100)包括衬底硅层(101)、位于衬底硅层(101)上的二氧化硅埋层(102)以及位于该二氧化硅埋层(102)上的顶层硅(103)；所述空气孔区域的空气孔(221)的深度(h)等于SOI顶层硅(103)的厚度(d)。

进一步的，所述SOI条形输入波导的高度H与空气孔的深度h相等。

进一步的，所述顶层硅(103)的厚度d与所述空气孔的晶格常数a的关系为

0.5a≤h≤0.6a，所述二氧化硅埋层(102)的厚度至少为2.64a。

进一步的，所述空气孔的半径r与晶格常数a的关系为r≥0.2a。

进一步的，所述空气孔的半径r与晶格常数a的关系为0.3a≤r≤0.4a。

进一步的，所述顶层硅(103)得厚度为230nm，所述二氧化硅埋层厚度为1μm，所述空气孔正方晶格排列的晶格常数为380nm，所述空气孔半径为140nm。

进一步的，所述SOI条形输入波导的宽度K至少为所述空气孔的晶格常数a的倍。

进一步的，所述空气孔采用电子束曝光、电感耦合等离子体工艺刻蚀或FIB刻蚀形成。

本发明还包括一种光子晶体分束器的制备方法，其包括以下步骤：

1)制备SOI衬底；

2)在上述SOI衬底的顶层硅(103)上刻蚀形成的呈正方晶格排列的空气孔区域(220)以及将该空气孔区域(220)与外部器件连接的SOI条形波导(210)；所述空气孔区域的空气孔(221)的深度h为等于SOI顶层硅(103)的厚度d，所述SOI条形波导边缘至所述空气孔区域(220)边界的距离分别为L1、L2，其中L1、L2大于0。