[发明专利]一种用于在固体波导和SWG波导之间建立耦合的耦合结构

说明书

本发明属于光波导技术领域，涉及一种SWG波导及耦合结构，所述SWG波导包括220nm厚硅波导核心层、3μm厚SiO₂衬底及2μm厚SiO₂上覆层，所述耦合结构包括第一结构和第二结构，所述第一结构为绝热锥形结构。本发明利用CMOS工艺中成熟的多层刻蚀技术，在引入第三个维度结构变化，得到了与0.18μm CMOS工艺兼容的SWG波导及耦合结构，且仿真结果表明，1.55μm的光可以在这种SWG波导中以低损耗传输，耦合结构在过渡阶数分别为10和20阶时，损耗分别为1.1db和0.5db，这一结果为利用CMOS工艺兼容制造SWG结构提供了很好的理论基础和技术支持。

技术领域

本发明属于光波导技术领域，涉及一种用于在固体波导和SWG波导之间建立耦合的耦合结构。

背景技术

亚波长光栅(SWG)结构是一种超材料，是指由周期性或非周期性的块体组成的结构，其特征尺寸等于或小于光的波长。SWG结构在衍射光学元件中的应用已有50多年的历史，与光子晶体类似，SWG结构的每个基本构建块都等效于光子晶体的晶格，当块的大小远小于光的波长时，衍射被抑制，结构表现为具有均匀有效折射率的材料，这种结构可用于设计不同折射率、模式尺寸和色散的集成光子器件；

近年来，SWG结构在硅基光子集成(PICs)领域得到了广泛的应用，与传统的PIC器件相比，SWG结构有效折射率的降低大大增加了模式尺寸，增强了光与物质的相互作用，这有利于生化传感应用；SWG结构可以精确控制模式尺寸，并在光纤和波导之间起到高效边缘耦合器的作用；它们还可以被设计成具有高热稳定性或特殊色散的性质，可用于热稳定应用或实现新型光学元件。SWG结构极大地提高了硅基PICs的设计灵活性；

SWG结构通常是嵌入传统PIC网络中用作于特殊功能的隔离设备,由于SWG结构的有效折射率较低，需要在SWG结构和固体波导之间建立耦合结构。SWG结构和固体波导之间的耦合通常是通过逐渐将固体波导的填充因子从1缓慢改变为SWG结构的填充因子来实现的(其中填充因子的定义是芯材体积除以结构总体积)。电子束曝光技术(EBL)为这种过渡结构的制备提供了一种容易实现的方法，因为它可实现10nm的最小线宽，只需要通过改变结构的二维设计，就能使填充因子实现平稳过渡。

事实上，据发明人所知，迄今为止现有技术中所有SWG结构都是用EBL制造的，其限制了SWG结构在大规模生产中的应用。因此为了实现SWG结构的广泛应用，需要与CMOS工艺兼容的SWG结构设计。这项工作面临的主要挑战是一般CMOS工艺的最小线宽较大，如果在设计中只考虑二维变化，则会导致耦合结构的填充因子不连续。

发明内容

为解决上述背景技术中提出的问题，本发明提供了一种利用CMOS工艺中成熟的多层刻蚀技术，在引入第三维度结构变化，得到了与0.18μmCMOS工艺兼容的SWG波导及耦合结构。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种用于在固体波导和SWG波导之间建立耦合的耦合结构，所述SWG波导包括硅波导核心层、SiO₂衬底及SiO₂上覆层，所述耦合结构包括第一结构和第二结构，所述第一结构为绝热锥形结构；

所述第一结构与固体波导耦合，所述第二结构利用CMOS工艺多层刻蚀技术，引入厚度维度结构变化，实现第二结构到SWG波导耦合时平滑的填充因子转换。

所述硅波导核心层的厚度为220nm，SiO₂衬底的厚度为3μm，SiO₂上覆层的厚度为2μm。

所述SWG波导的适用的波长为1.55μm。

所述SWG波导的宽度小于350nm。

所述SWG的宽度为300nm。

所述SWG波导的填充因子为50％，周期为400nm。