CN110837149B - 面向可见光通信的集成式可控开关型平面波导分路器及其制备方法 - Google Patents

面向可见光通信的集成式可控开关型平面波导分路器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向可见光通信的集成式可控开关型平面波导分路器及制备方法，实现载体为硅衬底氮化物晶片，硅衬底氮化物晶片包括硅衬底层和位于硅衬底层上方的氮化物层，氮化物层上设置有作为光源的微LED器件、带有波导的MEMS静电梳齿驱动器、平面波导分路器和用于通电的镍/金电极。本发明体积小，具有高度的集成性，能够实现自由操控平面波导分路器与光源的切断与连通，可应用于光通信网络中，提升可见光通信技术在信息传输速率、信息处理速度和终端器件集成度等多方面的性能指标。

Description

面向可见光通信的集成式可控开关型平面波导分路器及其制 备方法
技术领域
本发明涉及一种平面波导分路器，具体的说是一种面向可见光通信的集成式可控开关型平面波导分路器，属于信息材料与器件技术领域。
背景技术
可见光通信是基于LED器件发展起来的光通信技术，利用其输出光功率和驱动电流的高速响应特性，以可见光作为信息载体，实现通信功能。可见光通信技术绿色低碳、可实现近乎零耗能通信，还可有效避免无线电通信电磁信号泄露等弱点，快速构建抗干扰、抗截获的安全信息空间。
光分路器是光通信技术中的核心器件之一，光信号的耦合、分支、分配都需要光分路器来实现，其中平面波导型光分路器具有优良的光学性能、高稳定性和高可靠性，可以高效集成在处理光信号的光子芯片内，用于对光信号进行功率分配等功能。
传统的梳齿驱动器在MEMS领域应用很广，包括光开关、微继电器、谐振器、微镊、微马达、微镜和快门等。传统的梳齿一般采用MEMS加工方法，尺寸在毫米到微米范围内，可看作是一种平面结构，通常包括一对梳齿结构，一个固定，另一个连接弹簧保证两个梳齿结构不接触并可在一定范围内运动，使用交流电加上直流偏置电流供能，输出频率高但是输出力和功率较低。
本发明提出一种面向可见光通信的集成式可控开关型平面波导分路器，利用微LED器件产生光源信号，利用连接MEMS静电梳齿驱动器的可动波导能够实现分路器与光源的切断与连通，应用于光通信领域。
发明内容
本发明的目的是提供一种面向可见光通信的集成式可控开关型平面波导分路器及其制备方法，能够实现自由操控分路器与光源的切断与连通。
本发明的目的是这样实现的：一种面向可见光通信的集成式可控开关型平面波导分路器，其特征在于，该平面波导分路器以硅衬底氮化物晶片为载体，包括硅衬底层、顶层氮化物层、设置在所述顶层氮化物层中的微LED器件、带有波导的MEMS静电梳齿驱动器和平面波导分路器，所述微LED器件和所述带有波导的MEMS静电梳齿驱动器均有正电极和负电极，所述硅衬底层部分被掏空，形成悬空部位，所述悬空部位为带有波导的MEMS静电梳齿驱动器，所述波导包括一侧的输入波导、中间的可动波导和另一侧的输出波导，所述输入波导一端设置作为光源的微LED器件，所述输出波导另一端设置平面波导分路器。
作为本发明的进一步限定，所述正电极和负电极均为镍/金电极。
作为本发明的进一步限定，所述微LED器件发出的光在所述输入波导、所述可动波导和所述输出波导连通时进行传输经过所述平面波导分路器。
一种平面波导分路器的制备方法，包括如下步骤：
步骤（1）在硅衬底氮化物晶片的顶层氮化物上表面进行电子束光刻，定义带有波导的MEMS静电梳齿驱动器、平面波导分路器、微LED器件的图形结构，并采用三五族材料反应离子刻蚀技术，暴露出用于制备负电极的氮化物层中的N型氮化物材料区域；
步骤（2）在硅衬底氮化物晶片的顶层氮化物上表面进行光学光刻，定义微LED器件和MEMS静电梳齿驱动器的正负电极的图形结构，并采用电子束蒸镀技术沉积镍/金复合金属层；
步骤（3）使用有机试剂丙酮在超声清洗环境中对蒸镀在光刻胶表面的镍/金复合金属层进行剥离，获得微LED器件和MEMS静电梳齿驱动器的正负电极；
步骤（4）在硅衬底氮化物晶片下表面即硅衬底面进行光学光刻，定义硅衬底层的悬空区域的图形结构，采用深硅反应离子刻蚀技术从背面剥离MEMS静电梳齿驱动器及可动波导区域下方的硅衬底，形成悬空的氮化物薄膜，为了进一步释放出带有波导的MEMS静电梳齿驱动器；
步骤（5）在硅衬底氮化物晶片下表面即硅衬底面，进行三五族材料反应离子刻蚀，移除MEMS静电梳齿驱动器及可动波导结构下方部分残留的氮化物薄膜，完全释放带有波导的MEMS静电梳齿驱动器，使其可动可调。
作为本发明的进一步限定，所述硅衬底氮化物晶片包括硅衬底层、顶层氮化物层，所述顶层氮化物层上设置有作为光源的微LED器件、带有波导的MEMS静电梳齿驱动器、平面波导分路器和用于通电的镍/金电极。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
作为光通信技术中的核心器件之一，光信号的耦合、分支、分配都需要光分路器来实现，其中平面波导型光分路器具有优良的光学性能、高稳定性和高可靠性，可以高效集成在处理光信号的光子芯片内；目前主流的平面波导型光分路器为固定器件，不能自由调节其工作状态的开关，本发明结合MEMS技术，利用带有波导的静电梳齿驱动器，能够实现自由操控光分路器的开关状态；分路器和光源由可动波导连接，可动波导的位置受MEMS静电梳齿驱动器的控制；当向驱动器施加电压时，分路器和光源连通，处于开启状态，波导尖端的物理接触使得光能够通过可动波导从微LED器件一端的输入波导传播到平面波导分路器一端的输出波导；当没有向驱动器施加电压时，可动波导位置后缩，可动波导与输入和输出波导产生气隙偏移，分路器和光源切断，处于关闭状态。
目前主流的平面波导型光分路器多基于石英基片面向1.55μm近红外波段的光通信技术，并且是无源的光信号处理器件，光信号需要由外部光源产生，并通过光纤***耦合进分路器中，大大增加了整个光通信***的体积和成本；同时由于硅基材料禁带宽度的限制，其可处理的光信号的波段也被限制在红外波段以上，无法处理波长更小，信号带宽更大的可见光信号；本发明集成了有源的微LED光源，可以自主产生可见光信号，相比于无源光信号的处理器件，能够大大减少整个光通信***的体积和成本，并且能够处理波长更小，信号带宽更大的可见光信号。
本发明利用硅衬底氮化物晶片为载体，以高度集成的方式在顶层氮化物层内同步制备有源微LED器件、带有波导的MEMS静电梳齿驱动器和平面波导分路器；波导和平面波导分路器用于传输和分离有源微LED器件发出的光信号；带有波导的MEMS静电梳齿驱动器用于操控光分路器的开关状态；本发明能够实现自由操控分路器与光源的切断与连通，可应用于光波通信网络中，提升可见光通信技术在信息传输速率、信息处理速度和终端器件集成度等多方面的性能指标。
附图说明
图1为面向可见光通信的集成式可控开关型平面波导分路器的俯视示意图。
图2为面向可见光通信的集成式可控开关型平面波导分路器的制备工艺流程。
其中，1微LED器件，2MEMS静电梳齿驱动器，3平面波导分路器，4输入波导，5可动波导，6输出波导，7正电极，8负电极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示的一种面向可见光通信的集成式可控开关型平面波导分路器，该平面波导分路器3以硅衬底氮化物晶片为载体，包括硅衬底层、顶层氮化物层、设置在顶层氮化物层中的微LED器件1、带有波导的MEMS静电梳齿驱动器2和平面波导分路器3，微LED器件1和带有波导的MEMS静电梳齿驱动器2均有正电极7和负电极8，正电极7和负电极8均为镍/金电极，硅衬底层部分被掏空，形成悬空部位，悬空部位为带有波导的MEMS静电梳齿驱动器2，波导包括一侧的输入波导4、中间的可动波导5和另一侧的输出波导6，输入波导4一端设置作为光源的微LED器件1，输出波导6另一端设置平面波导分路器3，微LED器件1发出的光在输入波导4、可动波导5和输出波导6连通时进行传输经过平面波导分路器3。
MEMS静电梳齿驱动器2可看作是一种平面结构，包括一对梳齿结构，一个梳齿结构固定，另一个梳齿结构连接弹簧保证两个梳齿结构不接触并能够在一定范围内运动，使用交流电加上直流偏置电流供能。
本发明利用电子束光刻胶层作为掩模，通过三五族反应离子刻蚀至N型氮化物层，在刻蚀过程中利用电子束光刻胶层和顶层氮化物的高刻蚀选择比，在100纳米/分钟的刻蚀速度下，进行10分钟刻蚀，在顶层氮化物上获得1微米的刻蚀深度，刻蚀至N型氮化物层。
在具体应用场景中，利用有源微LED器件1产生可见光信号，当向MEMS静电梳齿驱动器2施加电压时，可动波导5位置前伸，关闭气隙，波导尖端的物理接触使得光能够通过可动波导5从微LED器件1一端的输入波导4传播到平面波导分路器3一端的输出波导6，实现光信号的传输，再通过平面波导分路器3，对光信号进行耦合、分支和分配。
作为本发明的一种优化结构：面向可见光通信的集成式可控开关型平面波导分路器3的光信号发射端为有源微LED器件1，光信号在光波导中随着气隙的关闭进行传输，实现分路器3与光源的切断与连接。
本发明设计的面向可见光通信的集成式可控开关型平面波导分路器3应用范围，例如：
利用微LED器件1产生的可见光信号经过由静电梳齿驱动器2控制的可动波导5的调控，由平面波导型分路器3进行对光信号的耦合、分支和分配，可作为高速可见光通信和光子计算中的核心器件，进行光信号的功率分配或功率合路。由于分路器3的开关状态可由静电梳齿驱动器2控制的可动波导5的进行自由高速调控，该发明也有利于提升可见光通信技术在信息传输速率、信息处理速度和终端器件集成度等多方面的性能指标。
如图2所示的一种面向可见光通信的集成式可控开关型平面波导分路器3及制备方法，包括如下具体步骤：
步骤（1）在硅衬底氮化物晶片的顶层氮化物上表面进行电子束光刻，定义带有波导的MEMS静电梳齿驱动器2、平面波导分路器3、微LED器件1的图形结构，并采用三五族材料反应离子刻蚀技术，暴露出用于制备负电极8的氮化物层中的N型氮化物材料区域；
步骤（2）在硅衬底氮化物晶片的顶层氮化物上表面进行光学光刻，定义微LED器件1和MEMS静电梳齿驱动器2的正电极7、负电极8的图形结构，并采用电子束蒸镀技术沉积镍/金复合金属层；
步骤（3）使用有机试剂丙酮在超声清洗环境中对蒸镀在光刻胶表面的镍/金复合金属层进行剥离，获得微LED器件1和MEMS静电梳齿驱动器2的正电极7、负电极8；
步骤（4）在硅衬底氮化物晶片下表面即硅衬底面进行光学光刻，定义硅衬底层的悬空区域的图形结构，采用深硅反应离子刻蚀技术从背面剥离MEMS静电梳齿驱动器2及可动波导5区域下方的硅衬底，形成悬空的氮化物薄膜，为了进一步释放出带有波导的MEMS静电梳齿驱动器2；
步骤（5）在硅衬底氮化物晶片下表面即硅衬底面，进行三五族材料反应离子刻蚀，移除MEMS静电梳齿驱动器2及可动波导5结构下方部分残留的氮化物薄膜，完全释放带有波导的MEMS静电梳齿驱动器2，使其可动可调。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种面向可见光通信的集成式可控开关型平面波导分路器，其特征在于，该平面波导分路器以硅衬底氮化物晶片为载体，包括硅衬底层、顶层氮化物层、设置在所述顶层氮化物层中的微LED器件、带有波导的MEMS静电梳齿驱动器和平面波导分路器，所述微LED器件和所述带有波导的MEMS静电梳齿驱动器均有正电极和负电极，所述硅衬底层部分被掏空，形成悬空部位，所述悬空部位为带有波导的MEMS静电梳齿驱动器，所述波导包括一侧的输入波导、中间的可动波导和另一侧的输出波导，所述输入波导一端设置作为光源的微LED器件，所述输出波导另一端设置平面波导分路器。
2.根据权利要求1所述的面向可见光通信的集成式可控开关型平面波导分路器，其特征在于，所述正电极和负电极均为镍/金电极。
3.根据权利要求1所述的面向可见光通信的集成式可控开关型平面波导分路器，其特征在于，所述微LED器件发出的光在所述输入波导、所述可动波导和所述输出波导连通时进行传输经过所述平面波导分路器。
4.一种如权利要求1-3中任一项所述的平面波导分路器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤（1）在硅衬底氮化物晶片的顶层氮化物上表面进行电子束光刻，定义带有波导的MEMS静电梳齿驱动器、平面波导分路器、微LED器件的图形结构，并采用三五族材料反应离子刻蚀技术，暴露出用于制备负电极的氮化物层中的N型氮化物材料区域；
步骤（2）在硅衬底氮化物晶片的顶层氮化物上表面进行光学光刻，定义微LED器件和MEMS静电梳齿驱动器的正负电极的图形结构，并采用电子束蒸镀技术沉积镍/金复合金属层；
步骤（3）使用有机试剂丙酮在超声清洗环境中对蒸镀在光刻胶表面的镍/金复合金属层进行剥离，获得微LED器件和MEMS静电梳齿驱动器的正负电极；
步骤（4）在硅衬底氮化物晶片下表面即硅衬底面进行光学光刻，定义硅衬底层的悬空区域的图形结构，采用深硅反应离子刻蚀技术从背面剥离MEMS静电梳齿驱动器及可动波导区域下方的硅衬底，形成悬空的氮化物薄膜，为了进一步释放出带有波导的MEMS静电梳齿驱动器；
步骤（5）在硅衬底氮化物晶片下表面即硅衬底面，进行三五族材料反应离子刻蚀，移除MEMS静电梳齿驱动器及可动波导结构下方部分残留的氮化物薄膜，完全释放带有波导的MEMS静电梳齿驱动器，使其可动可调。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述硅衬底氮化物晶片包括硅衬底层、顶层氮化物层，所述顶层氮化物层上设置有作为光源的微LED器件、带有波导的MEMS静电梳齿驱动器、平面波导分路器和用于通电的镍/金电极。
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