[发明专利]一种硅基光波导传感器及其制备方法

说明书

本发明涉及一种硅基光波导传感器，由下至上包括硅衬底、埋氧层、顶层硅和上包层；其中，所述顶层硅上设置有通过电子束光刻及刻蚀形成的亚波长光栅槽微环结构。本发明将亚波长光栅做成槽结构，可增大光与分析物的相互作用强度；为进一步减小弯曲损耗，微环内侧光栅使用梯形结构，增大微环内侧的有效折射率，降低辐射损耗，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于传感器领域，特别涉及一种硅基光波导传感器及其制备方法。

背景技术

随着人们对信息传输、处理速度要求的不断提高和多核计算时代的来临，传统的电互连技术由于具有串扰、时钟信号歪斜、电磁干扰、集成密度、功耗难以降低等问题，已经成为限制系统性能的重要瓶颈。而采用光互连来取代电互连，可以有效解决这一难题。光互连的具体实施方案中，硅基光互连以其无可比拟的成本和技术优势成为首选。硅基光互连既能发挥光互连速度快、带宽大、抗干扰、功耗低等优点，又能充分利用微电子工艺成熟、高密度集成、高成品率、成本低廉等优势，其发展必将推动新一代高性能计算机、数据通信系统的发展，有着广阔的市场应用前景。

硅基光互连的核心技术是在硅基上实现各种光功能器件，如硅基激光器、电光调制器、光电探测器、滤波器、波分复用器、耦合器、分光器等。而实现这些功能器件的基本结构或基本器件是硅基光波导。传统的平面波导利用芯层材料的折射率比周围包层材料的折射率大，将光限制在波导芯中，但较大的芯/包层折射率对比度使得在芯/包层界面处散射较大。Bock等人首次使用亚波长光栅(subwavelength waveguide grating,SWG)结构来制作光波导，通过控制其周期可使光沿波导轴向传输，控制其周期可改变光波导的等效折射率，进而影响模斑尺寸以及色散情况。

用于制备光传感器的平面波导结构有很多种，包括MZI型、光栅型、狭缝型、微盘型以及微环型。其中微环谐振器尺寸小、谐振器储存光的能力较强，利于集成以及实现单片多通道测量，多在光传感器领域被研究。为了减小传感器能探测的最小待分析物浓度，需要尽可能的增大传感器灵敏度和质量因子Q值。因此提高微环传感器灵敏度质量因子Q值已经成为本领域技术研发的一个重要方向。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种硅基光波导传感器及其制备方法，该传感器将亚波长光栅做成槽结构，可增大光与分析物的相互作用强度；为进一步减小弯曲损耗，微环内侧光栅使用梯形结构，增大微环内侧的有效折射率，降低辐射损耗，具有良好的应用前景。

本发明提供了一种硅基光波导传感器，由下至上包括硅衬底、埋氧层、顶层硅和上包层；其中，所述顶层硅上设置有通过电子束光刻及电感耦合等离子体刻蚀形成的亚波长光栅槽微环结构。

所述硅衬底为SOI晶圆衬底或通过薄膜层沉积制备得到的SOI衬底。

所述上包层部分开窗，并置于亚波长光栅和顶层硅之上。

所述上包层材料为二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或有机聚合物材料。

所述亚波长光栅的内侧为梯形结构。

本发明还提供了一种硅基光波导传感器的制备方法，包括：

制备SOI衬底，随后通过电子束光刻及电感耦合等离子体刻蚀形成亚波长光栅槽微环结构，最后使用光刻和刻蚀得到部分开窗的上包层。

有益效果

本发明将亚波长光栅做成槽结构，可增大光与分析物的相互作用强度；为进一步减小弯曲损耗，微环内侧光栅使用梯形结构，增大微环内侧的有效折射率，降低辐射损耗；调制光栅的周期和占空比和硅块的宽度，以及直波导与环形波导间的间隙，可以实现微环的单模传输以及在特定波长处发生强谐振，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的横截面示意图。

图2为本发明的俯视图。