[发明专利]一种光子晶体定向耦合器的制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种耦合器的制作方法，尤其涉及一种光子晶体定向耦合器的制作方法。

背景技术

光子晶体又被称为光半导体，是由具有不同介电常数的物质，在空间周期性排列而形成的人工微结构。光子晶体具备光子禁带，具有控制光在其内传播的特性，是实现未来大规模光电集成以及全光网络的潜在应用材料。在完整的光子晶体材料中引入缺陷时，则会在光子禁带中引入缺陷态。例如，引入点缺陷则可以将光局域在缺陷内，从而形成光子晶体谐振腔；而如果引入线缺陷，则可以将光限制于线缺陷内传播，形成光子晶体波导。近年来，基于光子晶体材料的光电功能器件得到了广泛的关注，利用光子晶体的光子禁带和光子局域特性，光子晶体波分复用器、耦合器、滤波器等光子晶体光电器件已经成为该领域的研究热点方向。

在光波导光路中，两个相邻的光子晶体波导间可能产生耦合，从而将光耦合到相邻波导中。我们将光从一个波导完全耦合到另一个波导过程中经过的耦合长度称为耦合周期，不同频率电磁波的耦合周期不同，这就为利用光子晶体波导间耦合实现不同频率电磁波分光提供了应用基础。

波导定向耦合器为基于上述原理的波导分光器件，被广泛应用于光开关、波分复用和光分束器等光学器件系统中，在光信号处理、光通信、集成光路以及光子计算等领域有着重要的应用。而传统的光子晶体定向耦合器由于耦合周期比较长，故体积大、集成度低。例如，基于传统光波导的定向耦合器通常需要数百个晶格周期甚至更多的长度才能实现对不同频率电磁波的高效分光。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种光子晶体定向耦合器的制作方法，其制作出的光子晶体定向耦合器能在更小尺度上实现两束不同频率电磁波高效率分光。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种光子晶体定向耦合器的制作方法，该光子晶体定向耦合器包括基板以及垂直设置在该基板上的若干介质柱，该若干介质柱围出两个相互独立的主波导线缺陷（9）与耦合波导线缺陷（10），主波导线缺陷（9）与耦合波导线缺陷（10）之间间隔有至少一排介质柱，位于该排介质柱一侧的介质柱区域为主波导部分（8），位于该排介质柱相对一侧的介质柱区域为直角转弯耦合波导部分（5），主波导部分（8）、直角转弯耦合波导部分（5）以及它们之间的这排跑道型介质柱（7）构成光子晶体定向耦合器的主体结构，该排介质柱均为跑道型介质柱（7），其余介质柱均为圆柱型介质柱（2），该光子晶体定向耦合器的制作方法包括下列步骤：

第一步，制备划片所需的划片槽；

第二步，在该划片槽上制备ICP刻蚀所需的光刻胶掩膜，得到硅柱阵列结构；

第三步，利用第二步制备的光刻胶掩膜结构进行ICP刻蚀，制作光子晶体定向耦合器的主体结构；

第四步，对主体结构中的跑道型介质柱进行修整；

第五步，去除主体结构的边缘区域形成该光子晶体定向耦合器。

作为上述方案的进一步改进，所述制备划片所需的划片槽包括下列步骤：

（A）制作SOI基底，二氧化硅埋层（102）位于衬底硅（101）即底层硅上，顶硅（103）位于二氧化硅埋层（102）上，对SOI基底进行清洁处理；

（B）在SOI基底上制作一层厚度为2-3μm的光刻胶膜（104）；

（C）将涂覆光刻胶膜的SOI基底（104）进行前烘；

（D）对制备好的光刻胶薄膜（104）进行电子束曝光，得到划片槽图形；

（E）经过显影、坚膜等工艺流程制作光刻胶掩模结构；

（F）对应用步骤（E）制作好的光刻胶掩模结构进行感应耦合等离子体刻蚀（Inductively Coupled Plasma etching，ICP），制作光子晶体定向耦合器主体结构，刻蚀深度为4μm，去除光刻胶薄膜（104），得到划片槽结构。

优选地，顶硅103厚220nm、二氧化硅埋层102厚3μm、衬底硅厚101600μm。

作为上述方案的进一步改进，所述制备ICP刻蚀所需的光刻胶掩膜包括下列步骤：

（G）在步骤（F）制备好的带有划片槽结构的SOI基底上制备一层光刻胶薄膜（201）；

（H）将步骤（G）制备完成的结构进行前烘；

（I）对制备好的光刻胶薄膜（201）进行电子束曝光； 

（J）经过显影、坚膜得到硅柱阵列结构。

优选地，光刻胶薄膜（201）的厚度为100nm。

作为上述方案的进一步改进，制备所述光子晶体定向耦合器主体结构包括下列步骤：