CN104111494A - 基于氮化硅波导和微环的模式-波长复用器件的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于氮化硅波导和微环的模式-波长复用器件的制备方法，包括：步骤1：在衬底上依次生长下限制二氧化硅层和氮化硅材料模式-波长复用集成器件层；步骤2：采用刻蚀的方法，将氮化硅材料模式-波长复用集成器件层刻蚀成多个条形波导结构和多个微环谐振腔结构，刻蚀深度到达下限制二氧化硅层的表面；步骤3：在刻蚀形成有多个条形波导结构和多个微环谐振腔结构的下限制二氧化硅层上依次生长上限制二氧化硅层和金属加热调节层；步骤4：采用刻蚀的方法，将金属加热调节层刻蚀形成多个微环结构，完成制备。本发明通过波矢匹配条件下的模式选择耦合，和微环的波长选择特性，实现片上模式-波长复用解复用功能。

Description

基于氮化硅波导和微环的模式-波长复用器件的制备方法

技术领域

本发明专利涉及光互连、硅基光子学和半导体光子集成领域，尤其涉及一种基于氮化硅波导和微环的模式-波长复用器件的制备方法，更具体地本发明利用氮化硅波导直接耦合器的高效光耦合转换和微环谐振腔的波长选择功能实现片上复用解复用滤波功能。

背景技术

现代随着微电子器件集成度的不断提高，芯片性能的挑战已经从计算功能转移到数据传输。到2022年，下一代***架构每个芯片上互连的数据传输速率预计需要达到780Tb/s，而常规单个芯片上的电互连受芯片面积能耗限制可以提供的容量约为100Tb/s。光互连技术是一个用来取代铜导线，作为芯片内低能耗和大数据容量通信的可行方案。光互连除了数据传输速率比电互连更高外，利用光波导代替传输导线还可以避免电互连的电磁干扰以及电阻-电容(RC)效应带来的信号延迟和发热，而且可以利用波长复用(Wavelength-Division Multiplexing，WDM)技术满足将来互连带宽进一步增长的要求。

为了满足未来芯片上Peta级(10¹⁵)的数据传输容量，需要在单个芯片上容纳上万的光数据传输通道，然而在芯片上架构上万的波导是一个非常大的挑战。利用密集波分复用(DWDM)技术是一种可行的办法，可以大大减少芯片上所需的波导数目。因为光源是片上光互连***中能耗的主要来源之一，需要寻找方法增加每个光源能提供的数据通道，以有限的光源数目同时实现高数据传输密度和低单位bit数据能耗。近年来，基于多模光纤的模式复用(Mode-Devision Multiplexing，MDM)技术已被广泛研究，把模式复用技术扩展到硅基片上光互连，可以将多路信号传输在相同波长不同的硅波导模式中，从而能成倍扩展波导中单个波长的信号通道同时降低单位数据能耗，以满足未来光互连低能耗海量数据传输的要求。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于氮化硅波导和微环的模式-波长复用器件的制备方法，其是针对未来光互连***中信道数增加、工作波长改变以及多层光电集成的需求，本发明通过波矢匹配条件下的模式选择耦合，和微环的波长选择特性，实现片上模式-波长复用解复用功能。

为达到上述目的，本发明提供了一种基于氮化硅波导和微环的模式-波长复用器件的制备方法，包括：

步骤1：在衬底上依次生长下限制二氧化硅层和氮化硅材料模式-波长复用集成器件层；

步骤2：采用刻蚀的方法，将氮化硅材料模式-波长复用集成器件层刻蚀成多个条形波导结构和多个微环谐振腔结构，刻蚀深度到达下限制二氧化硅层的表面；

步骤3：在刻蚀形成有多个条形波导结构和多个微环谐振腔结构的下限制二氧化硅层上依次生长上限制二氧化硅层和金属加热调节层；

步骤4：采用刻蚀的方法，将金属加热调节层刻蚀形成多个微环结构，完成制备。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明属于片上硅光子集成器件，结合模式复用和波长复用大大提高了波导中的信道数目。

2、本发明利用氮化硅作为器件层，其低损耗工作波长可以从可见光到近红外，可以满足未来光互连***中对工作光波长的需求。

3、本发明利用氮化硅作为沉积的器件层，适合于多层集成硅光子器件***与其它电子或光子器件三维集成。

4、本发明利用直接耦合器作为集成器件的复用部分，直接耦合器具有结构简单的优点，其波长不敏感的特点增加了工艺容差和降低了热调波长的能耗。

5、本发明可利用微环谐振腔作为集成器件的解复用部分，利用其波长选择下载的特点实现模式复用-波长复用的集成滤波功能。

附图说明

为了更好的说明本发明的目的以及结构和所能达到的功效，以下结合实施例及附图，对本发明主要以模式数和波长数均为2的2×2工作模式为横电模工作波长在1550nm的模式-波长复用器件来做进一步的说明，其中：

图1是本发明的制备流程图；

图2是本发明的氮化硅波导和微环的横截面示意图；

图3是基于氮化硅波导和微环结构的模式-波长复用器件的结构示意图；

图4是波长1550纳米处厚度440纳米的氮化硅波导中不同阶横电模式的模式折射率随宽度的变化。

图5是宽度1微米厚度440纳米的氮化硅波导中基模的场分布图。

图6是耦合间隙500纳米宽度1微米单模波导与宽度2.25微米总线多模波导中基模和一阶模的耦合系数随耦合长度的变化。

图7是耦合长度120微米的直接耦合器宽度1微米单模波导与宽度2.25微米总线多模波导中基模和一阶模以及与宽度1微米总线波导基模的耦合系数随耦合间隙的变化。

图8是耦合长度40微米宽度1微米单模波导与宽度2.25微米总线多模波导中基模和一阶模以及与宽度1微米总线波导基模的耦合系数随耦合间隙的变化。

具体实施方式

请参阅图1-图3所示，本发明提供一种基于氮化硅波导和微环的模式波长复用器件的制备方法，包括：

步骤1：在一衬底10上依次生长下限制二氧化硅层20和氮化硅材料模式-波长复用集成器件层30；该衬底10的材料为单晶、多晶或无定形硅晶片，或电子或光子器件的硅晶片；该下限制二氧化硅层20的厚度满足光传输到衬底10的泄露损耗小于1dB/cm，该泄露损耗可以满足片上集成低能耗的要求；该氮化硅材料模式-波长复用集成器件层30的厚度根据工作模式为横电模或横磁模来确定，并同时保持垂直方向单模和光场的有效限制。

步骤2：采用刻蚀的方法，将氮化硅材料模式-波长复用集成器件层30刻蚀形成多个条形波导结构301和多个微环谐振腔结构302，刻蚀深度到达下限制二氧化硅层20的表面；该氮化硅材料模式复用-波长复用集成器件层30中的多个条形波导结构301，包括一总线波导3011、多个单模输入波导3012和多个单模输出波导3013；该总线波导3011由不同宽度的渐变波导连接；该多个单模输入波导3012的波导数目等于复用***信道数目，同一模式不同波长的输入信号利用Y型波导合波，利用波矢匹配的直接耦合器实现单模输入波导和总线波导中特定模式的耦合，其耦合强度通过间隙以及耦合长度控制；该多个微环谐振腔结构302，谐振腔数目等于复用***信道数目，微环是同一尺寸的单横模跑道型谐振腔或是不同尺寸的多横模跑道型谐振腔，多个微环谐振腔结构302和多个输出波导3013以及总线波导3011间的耦合强度通过波矢匹配、耦合间隙和长度控制，以满足带宽大于40GHz片上数据传输的要求；该多个单模输出波导3013的波导数量等于复用***信道数目，通过与多个微环谐振腔结构302的耦合实现模式和波长选择性下载滤波。

步骤3：在刻蚀形成有多个条形波导结构301和多个微环谐振腔结构302的下限制二氧化硅层20上依次生长上限制二氧化硅层40和金属加热调节层50；该上限制二氧化硅层40的厚度满足模式场分布在上界面拖尾小于极大值的1％，以减小金属吸收对光场传输的影响；该金属加热层50的厚度根据金属的电阻率和器件的热阻综合考虑，保证器件的温度调节范围大于100度。

步骤4：采用刻蚀的方法，将金属加热调节层50刻蚀形成多个微环结构501；该多个微环结构501位于多个微环谐振腔结构302的上方，尺寸相同，完成制备。

为使本发明的基本原理、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合模式数和波长数均为2的2×2工作模式为横电模工作波长在1550nm的模式复用-波长复用器件的具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

图3是模式数和波长数均为2的2×2模式-波长复用器件的结构示意图。所有输入输出波导和微环均为单模波导只考虑基横模，总线波导通过锥形缓变宽度波导单模波导转变为多模波导。其中输入波导1和3的波长为λ₁，输入波导2和4波长为λ₂，输入波导1和2的光通过直接耦合器耦合到总线波导的基模，而输入波导3和4的光通过直接耦合器耦合到宽的多模总线波导的一阶模，总线波导宽度设计使得其中一阶模和输入单模波导中基模波矢匹配，即四个波导输入光耦合到总线波导的两个模式和两个波长共4个信道。在下载端输出波导1和3耦合的微环谐振波长为为λ₁，输出波导2和4耦合微环的谐振波长为λ₂，波导3和4耦合微环与宽的多模总线波导的一阶模耦合，总线波导宽度设计其中一阶模和微环中基模波矢匹配，波导1和2耦合微环与单模总线波导的基模耦合。整个***实现了输入波导1，2，3，4分别到对应输出波导1，2，3，4的信号传输，即模式数和波长数均为2的模式和波长复用解复用功能。

图4是波长1550纳米处厚度440纳米的氮化硅波导中不同阶横电模式的模式折射率随宽度的变化。其中虚线表示宽度1微米基模对应的模式折射率，单模波导宽度1微米中基模对应的多模波导宽度2.25微米中一阶模的模式折射率，即实现耦合波矢匹配增加有效的耦合长度所需的多模波导宽度。

图5是宽度1微米厚度440纳米的氮化硅波导中基模的场分布图，下限制层厚度1.2微米，上限制层厚度1.6微米，对应波导上沿到上限制层表面距离1.16微米。该模式的泄露导致的传输损耗约0.8dB/cm，在上表面的拖尾场分布和波导中心最强场分布之比为0.005，该限制层厚度可以满足实际器件的需求。

图6是耦合间隙500纳米，宽度1微米单模波导中基模与宽度2.25微米总线多模波导中基模和一阶模的耦合系数随耦合长度的变化。2.25微米宽的总线波导中存在多个模式，其中一阶模和1微米单模波导中基模波矢匹配，耦合长度125微米时可以实现能量大于99％耦合到总线波导。但是宽波导中基模也会和单模波导基模耦合，造成串扰，其振荡周期约为20微米，对于微环谐振腔需要设计耦合长度以降低串扰，因此可以设计低串扰耦合长度为40微米。

图7是耦合长度120微米的直接耦合器中，宽度1微米单模波导中基模，与宽度2.25微米总线多模波导中基模和一阶模，以及与宽度1微米总线波导中基模的耦合系数随耦合间隙的变化。根据前图将直接耦合器长度选择为120微米，对于宽度2.25微米总线波导中一阶模实现最大能量转换对应的耦合间隙在0.55微米附近，对于宽度1微米总线波导中基模最大能量转换对应的耦合间隙在0.5微米，90％能量转化对耦合间隙的容差大约为50nm。和2.25微米总线波导中基模耦合造成的串扰当耦合间隙为0.5微米时＜-30dB。

图8是耦合长度40微米的直接耦合器中，宽度1微米单模波导中基模与宽度2.25微米总线多模波导中基模和一阶模以及与宽度1微米总线波导基模的耦合系数随耦合间隙的变化。该长度设计为跑到型微环和波导的耦合长度，根据前图将其选择为低串扰点的40微米，对于宽度2.25微米总线波导中一阶模在耦合间隙0.55微米时耦合系数约为0.52，对于宽度1微米总线波导中基模在耦合间隙在0.5微米是约为0.48。虚线表示耦合系数为0.5，当微环半径为30微米时其耦合Q值4000，对应带宽50GHz，考虑耦合间隙误差50nm时带宽大于40GHz。和2.25微米总线波导中基模耦合造成的串扰当耦合间隙为0.5微米时＜-25dB。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于氮化硅波导和微环的模式-波长复用器件的制备方法，包括：

步骤1：在衬底上依次生长下限制二氧化硅层和氮化硅材料模式-波长复用集成器件层；

步骤2：采用刻蚀的方法，将氮化硅材料模式-波长复用集成器件层刻蚀成多个条形波导结构和多个微环谐振腔结构，刻蚀深度到达下限制二氧化硅层的表面；

步骤3：在刻蚀形成有多个条形波导结构和多个微环谐振腔结构的下限制二氧化硅层上依次生长上限制二氧化硅层和金属加热调节层；

步骤4：采用刻蚀的方法，将金属加热调节层刻蚀形成多个微环结构，完成制备。

2.根据权利要求1所述的基于氮化硅波导和微环的模式-波长复用器件的制备方法，其中衬底的材料为单晶、多晶或无定形硅晶片，或电子或光子器件的硅晶片。

3.根据权利要求1所述的基于氮化硅波导和微环的模式-波长复用器件的制备方法，其中下限制二氧化硅层的厚度满足光传输到衬底的泄露损耗小于1dB/cm。

4.根据权利要求1所述的基于氮化硅波导和微环的模式-波长复用器件的制备方法，其中氮化硅材料模式复用-波长复用集成器件层中的多个条形波导结构，包括一总线波导、多个单模输入波导和多个单模输出波导。

5.根据权利要求4所述的基于氮化硅波导和微环的模式-波长复用器件的制备方法，其中总线波导由不同宽度的渐变波导连接。

6.根据权利要求4所述的基于氮化硅波导和微环的模式-波长复用器件的制备方法，其中多个单模输入波导的波导数目等于复用***信道数目，同一模式不同波长的输入信号利用Y型波导合波，利用波矢匹配的直接耦合器实现单模输入波导和总线波导中特定模式的耦合，其耦合强度通过间隙以及耦合长度控制。

7.根据权利要求4所述的基于氮化硅波导和微环的模式-波长复用器件的制备方法，其中多个微环谐振腔结构，谐振腔数目等于复用***信道数目，微环是同一尺寸的单横模跑道型谐振腔或是不同尺寸的多横模跑道型谐振腔，多个微环谐振腔结构和多个输出波导以及一总线波导间的耦合强度通过波矢匹配、耦合间隙和长度控制，以满足带宽大于40GHz片上数据传输的要求。

8.根据权利要求4所述的基于氮化硅波导和微环的模式-波长复用器件的制备方法，其中多个单模输出波导的波导数量等于复用***信道数目，通过与多个微环谐振腔结构的耦合实现模式和波长选择性下载滤波。

9.根据权利要求1所述的基于氮化硅波导和微环的模式-波长复用器件的制备方法，其中上限制二氧化硅层的厚度满足模式场分布在上界面拖尾小于极大值的1％。

10.根据权利要求1所述的基于氮化硅波导和微环的模式-波长复用器件的制备方法，其中多个微环结构位于多个微环谐振腔结构的上方，尺寸相同。