[发明专利]一种SOI基三维交叉波导及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及应用于光通信、光互连、光计算等领域的交叉波导，特别是涉及一种基于SOI材料的三维交叉波导及其制作方法。

背景技术

随着微处理器中晶体管的集成度不断提高，对互连带宽的需求也相应地增长，电互连存在的高功耗、大时延、高串扰等寄生效应日益显著，成为进一步提升带宽的瓶颈。绝缘体上硅(Silicon on Insulator，SOI)是一种主要用于高端大规模集成电路的硅材料。SOI基光互连除了具有低功耗、高带宽、低串扰等光互连的基本优点外，相比其他材料还有更多的优势：与CMOS工艺兼容；易于单片上光电子集成；折射率差大，器件集成度高。将SOI基光互连网络引入到大规模集成电路中，在单片上实现光电子集成回路，被认为是突破电互连瓶颈的一种有前景的方案。

波导的交叉是光互连网络中不可避免的问题，SOI基光波导结构的折射率差大，交叉区域的强散射导致更显著的损耗与串扰。一般的二维单层交叉波导通过扩展交叉区域、覆盖低折射率包层、改变交叉角度、引入亚波长光栅、激发多模干涉自映像等方法来减弱交叉造成的影响。但这些方法从原理上都存在一定损耗和串扰，当交叉数目大量增加时，就会显著地降低器件的性能。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明旨在克服上述交叉波导方案的不足，提供一种SOI基三维交叉波导及其制作方法。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种SOI基三维交叉波导，该SOI基三维交叉波导包括：

刻蚀SOI的顶层硅制作的第一层波导结构，该第一层波导结构包括：

第一路SOI波导，且该第一路SOI波导被断开为第一层输入1-1-1、第一层输出1-1-2两部分；以及

第二路SOI波导1-2-1或更多路SOI波导1-2-2，该第二路SOI波导1-2-1或更多路SOI波导1-2-2穿过该第一路SOI波导的断开处且在与SOI表面平行的平面上与该第一路SOI波导以任意角度交叉；

在该第一层波导结构的第一路SOI波导之上制作的第二层高折射率波导结构，该第二层高折射率波导结构被断开为第二层输入2-1、第二层输出2-2两部分，且该第二层输入2-1与该第一路SOI波导的第一层输入1-1-1构成光学上行耦合结构，该第二层输出2-2与该第一路SOI波导的第一层输出1-1-2构成光学下行耦合结构；

在该第二层高折射率波导结构之上制作的第三层或者更多层高折射率波导结构；

其中，相邻两层波导结构之间构成光学上行或下行耦合结构，顶层波导3不再断开，且在制作有顶层波导3的SOI之上覆盖低折射率介质4作为包层，并由顶层波导3与第一层波导的第二路SOI波导1-2-1或更多路SOI波导1-2-2构成三维交叉结构。

上述方案中，所述各层波导结构均采用单模波导，波导的形状包括条形、脊形或狭缝形。

上述方案中，所述相邻两层波导结构之间构成的光学上行或下行耦合结构采用波导宽度锥形绝热渐变耦合结构。所述波导宽度锥形绝热渐变的方式包括线性渐变或非线性渐变。

上述方案中，所述第二层、第三层或者更多层波导结构所采用的高折射率材料包括单晶硅、单晶锗或III-V材料，其中III-V材料为InP或GaAs。

上述方案中，所述相邻两层波导结构之间采用低温中间介质键合方法键合在一起。所述采用低温中间介质键合方法时，采用的温度低于400℃，采用的中间介质为低折射率介质4。所述低折射率介质4为SiO₂、Si₃N₄或BCB胶。

为达到上述目的，本发明还提供了一种制作SOI基三维交叉波导的方法，该方法包括：

以光刻胶为掩膜，利用干法刻蚀技术刻蚀SOI的顶层硅1制作第一层波导结构；该第一层波导结构包括：

第一路SOI波导，且该第一路SOI波导被断开为第一层输入1-1-1、第一层输出1-1-2两部分；以及

第二路SOI波导1-2-1或更多路SOI波导1-2-2，该第二路SOI波导1-2-1或更多路SOI波导1-2-2是穿过该第一路SOI波导的断开处且在与SOI表面平行的平面上与该第一路SOI波导以任意角度交叉；

采用等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)或旋涂方法，在制作有第一层波导结构的SOI和另一高折射率材料2上分别覆盖用于键合的低折射率介质4；