CN116299865A - 基于Si3N4光栅的OADM器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于Si3N4光栅的OADM器件，属半导体光信号传输领域。本发明从下自上依次为衬底层、底层波导芯层、中层波导芯层、顶层电极层；底层波导芯层包括2×2多模干涉耦合器、锥形输出/输入波导；中层波导芯层包括Si3N4光栅、锥形输入/输出波导、输入端/输出端直波导；本发明由Si3N4光栅通过布拉格条件进行波长的分离，通过层间耦合实现信号交互；通过热光调制使Si3N4光栅折射率发生变化，实现多种波长分离；通过结合多模干涉耦合器与布拉格光栅并构建双层结构，实现波长选择的功能并利用多模干涉耦合器进行不同通道的分光输出，且使用Si3N4材料制作光栅相比Si材料所使用的光栅周期更长，在实际制造工艺上更简易。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于Si3N4光栅的OADM器件，属于半导体光信号传输技术领域。
背景技术
光网络实现了位于地球上大多数地方的信息的高容量互连。新服务和用户对带宽增长的需求刺激了光波行业的创新，包括将所有网络用户直接连接到千兆光链路的诱人前景。带宽需求的巨大增长正在将光纤基础设施的利用率推向极限。为了满足这一要求，将通信信道分配给光频谱中的分区已将波分复用技术(WDM)传输确立为增加容量的常规方法，它可将多种波长不同的载波信号在发送端经复用器汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输，在接收端经解复用器将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。在波分复用技术下在接入网中引入了光分插复用器(OADM)，实现光通道的选择性添加和过滤，并使实现网络功能的光学方法成为可能。由于光分插复用技器件利用低损耗，低成本无源器件即可实现这一功能成为应用热点。其中布拉格光栅因其可选择波长性在设计光分插复用器中而备受关注。布拉格光栅中心波长、周期可由用户选择，从而根据应用需求选择波长。
发明内容
基于以上需要，本发明提供基于Si3N4光栅的OADM器件，利用多模干涉耦合器的分光特性与光栅的分波特性达到波长选择利用的目的；通过使用Si3N4光栅，加长光栅周期降低了制作光栅时在制作工艺上的难度；通过层间耦合的信号交互形式在一定程度上减少了目前光栅型OADM器件的大尺寸问题；实现光网络光纤的容量增长。
本发明技术方案是：基于Si3N4光栅的OADM器件，结构从下自上依次为衬底层、底层波导芯层4、中层波导芯层5、顶层电极层6，各个层间均有包覆层隔开；所述底层波导芯层4包括2×2多模干涉耦合器I1、2×2多模干涉耦合器Ⅱ3、锥形输出波导X1、锥形输出波导X2、锥形输入波导X3、锥形输入波导X4；2×2多模干涉耦合器I1分别与锥形输出波导X1、锥形输出波导X2连接，锥形输入波导X3、锥形输入波导X4分别与2×2多模干涉耦合器Ⅱ3连接；
所述中层波导芯层5包括Si3N4光栅Ⅰ2、锥形输入波导Y1、锥形输入波导Y2、锥形输出波导Y3、锥形输出波导Y4、输入端直波导Z1、输入端直波导Z2、输出端直波导Z3、输出端直波导Z4、Si3N4光栅Ⅱ7；
所述顶层电极层6中电极分布于2×2多模干涉耦合器I1、2×2多模干涉耦合器Ⅱ3的多模波导区I15、多模波导区Ⅱ35上方以及Si3N4光栅I2上方；
所述2×2多模干涉耦合器I1、2×2多模干涉耦合器Ⅱ3分别位于中层波导芯层5首尾下方关于中层波导芯层5的中心呈对称分布；
锥形输入波导Y1、输入端直波导Z1、Si3N4光栅I2、输出端直波导Z3、锥形输出波导Y3依次连接；
锥形输入波导Y2、输入端直波导Z2、Si3N4光栅Ⅱ7、输出端直波导Z4、锥形输出波导Y4依次连接；
锥形输入波导Y1、锥形输入波导Y2分别位于锥形输出波导X1、锥形输出波导X2正上方，锥形输出波导Y3、锥形输出波导Y4分别锥形输入波导X3、锥形输入波导X4正上方。
作为本发明的进一步方案，所述2×2多模干涉耦合器I1包括单模输入波导I11、单模输入波导Ⅱ12、多模波导区I15、单模输出波导I13、单模输出波导Ⅱ14；单模输入波导I11、单模输入波导Ⅱ12均与多模波导区I15相连，多模波导区I15分别与单模输出波导Ⅰ13、单模输出波导Ⅱ14相连，单模输出波导I13、单模输出波导Ⅱ14分别连接锥形输出波导X1、锥形输出波导X2；
所述2×2多模干涉耦合器Ⅱ3包括单模输入波导Ⅲ31、单模输入波导IV32、多模波导区Ⅱ35、单模输出波导Ⅲ33、单模输出波导IV34；锥形输入波导X3、锥形输入波导X4分别与单模输入波导Ⅲ31、单模输入波导IV32相连，单模输入波导Ⅲ31、单模输入波导IV32均与多模波导区Ⅱ35连接，多模波导区Ⅱ35再分别与单模输出波导Ⅲ33、单模输出波导IV34连接；
所述锥形输出波导X1、锥形输出波导X2尖端朝右，锥形输入波导X3、锥形输入波导X4尖端朝左；锥形输入波导Y1、锥形输入波导Y2尖端朝左，锥形输出波导Y3、锥形输出波导Y4尖端朝右。
作为本发明的进一步方案，所述底层波导芯层4在中层波导芯层5下方，底层波导芯层4与中层波导芯层5进行层间耦合具体为：光信号由2×2多模干涉耦合器I1完成分光后进入锥形输出波导X1、锥形输出波导X2后耦合进锥形输入波导Y1、锥形输入波导Y2，通过Si3N4光栅I2、Si3N4光栅Ⅱ7后根据布拉格条件将符合布拉格波长的光信号反射至2×2多模干涉耦合器I1，其余波长光信号经过输出端直波导Z3、输出端直波导Z4和锥形输出波导Y3、锥形输出波导Y4耦合进锥形输入波导X3、锥形输入波导X4再进入2×2多模干涉耦合器Ⅱ3。
作为本发明的进一步方案，所述顶层电极层6中设置有加热电极，通过顶层电极层6中的加热电极进行热光调制使得Si3N4光栅I2、Si3N4光栅Ⅱ7的折射率随温度改变从而实现光栅布拉格波长的调制；通过对2×2多模干涉耦合器I1、2×2多模干涉耦合器Ⅱ3进行热光调制用于选择光信号的输出通道实现开关的作用。
作为本发明的进一步方案，所述衬底层材料为Si，底层波导芯层4中使用Si制作2×2多模干涉耦合器，中层波导芯层5中使用Si3N4制作布拉格光栅，顶层电极层6使用TiN制作电极，锥形输出波导X1、锥形输出波导X2、锥形输入波导X3、锥形输入波导X4材料为Si，锥形输入波导Y1、锥形输入波导Y2、锥形输出波导Y3、锥形输出波导Y4材料为Si3N4，输入端直波导Z1、输入端直波导Z2、输出端直波导Z3、输出端直波导Z4材料为Si3N4；包覆层为SiO2。
顶层电极层6包含用于对2×2多模干涉耦合器I1、2×2多模干涉耦合器Ⅱ3进行相位调制以及对Si3N4光栅I2、Si3N4光栅Ⅱ7进行热光调制的电极，本发明主要由中层波导芯层5中Si3N4光栅I2、Si3N4光栅Ⅱ7进行波长的分离，通过层间耦合实现信号交互。
所述2×2多模干涉耦合器I1包括单模输入波导I11、单模输入波导Ⅱ12、多模波导区I15、单模输出波导I13、单模输出波导Ⅱ14；所述2×2多模干涉耦合器Ⅱ3包括单模输入波导Ⅲ31、单模输入波导IV32、多模波导区Ⅱ35、单模输出波导Ⅲ33、单模输出波导IV34；2×2多模干涉耦合器I1、2×2多模干涉耦合器Ⅱ3为光开关部分。多模干涉耦合器基于自映像效应，从单模波导输入的光场输入到多模波导区。激励多模波导区不同的模式间相长干涉，形成输入模场的单个或多个像的现象，可用于多种模式光波的传导。并且基于多模干涉耦合器的结构特征可通过加电调制可转变光信号的相位，实现光开关的功能并将光信号分配到2个输出波导，最后耦合到光网络***中。
Si3N4光栅I2、Si3N4光栅Ⅱ7通过对Si3N4刻蚀形成光栅，其中光栅区域的高度为305±5nm，曝光的光栅个数为n(可根据应用需要设计)。由耦合模理论可知当一束多波长光信号入射到光栅时，将产生模式耦合，满足布拉格条件的波长将发生反射。
反射光的中心波长满足：
λBragg＝2neffΛ。其中，neff为Si3N4材料折射率，Λ为光栅周期。
在这种实行的方式中，当光信号由2×2多模干涉耦合器I1的单模输入波导I11或单模输入波导Ⅱ12耦合进***时，光信号进入到Si3N4光栅Ⅰ2、Si3N4光栅Ⅱ7后，满足布拉格条件的波长将发生反射，在Si3N4光栅I2、Si3N4光栅Ⅱ7中反射的光返回2×2多模干涉耦合器I1通过单模输入波导I11或单模输入波导Ⅱ12连接其它器件加以利用或是抛弃。其他波长的光信号不受影响沿光栅方向自由传输通过Si3N4光栅I2、Si3N4光栅Ⅱ7，此时由Si3N4光栅Ⅰ2、Si3N4光栅Ⅱ7传输出的多波长光信号再输入至2×2多模干涉耦合器Ⅱ3后进行分光后由单模输出波导Ⅲ33或单模输出波导IV34传输至***其它部分，通过这一过程将某段波长的光分离出来实现***中的光波分插复用功能。
由于Si3N4材料的折射率在受温度影响下会发生变化，所以通过增添加热电极通过热光调制可实现Si3N4光栅折射率的变化从而改变光栅的布拉格波长，使本器件可分离的波长范围变大。
Si3N4折射率较Si更小，制作光栅时两者在同一波长下Si3N4所需的光栅周期更长，在工艺上更容易制作。
顶层电极层6中电极位于2×2多模干涉耦合器Ⅰ1、2×2多模干涉耦合器Ⅱ3的多模波导区I15、多模波导区Ⅱ35上方。电极用于进行热光调制改变传输光的相位差，从而通过转变相位差来决定光信号的输出端。
顶层电极层6中电极位于Si3N4光栅I2、Si3N4光栅Ⅱ7上方，用于在温度变化下调制Si3N4光栅折射率从而改变光栅的中心波长，分离不同波长。
通过增加锥形波导完成底层、中层波导芯层之间耦合，具体为：
光信号由2×2多模干涉耦合器I1完成分光后进入锥形输出波导X1、锥形输出波导X2后耦合进锥形输入波导Y1、锥形输入波导Y2，通过Si3N4光栅I2、Si3N4光栅Ⅱ7后根据布拉格条件将不同波长光信号经过输出端直波导Z3、输出端直波导Z4和锥形输出波导Y3、锥形输出波导Y4耦合进锥形输入波导X3、锥形输入波导X4再进入2×2多模干涉耦合器Ⅱ3。
所述衬底层材料为Si，底层波导芯层4中使用Si制作2×2多模干涉耦合器，中层波导芯层5中使用Si3N4制作布拉格光栅，顶层电极层6使用TiN制作电极，包覆层材料为SiO2。埋氧层厚度为2.5±0.5μm，底层波导芯层4与中层波导芯层5间隔为0.25±0.05μm，中层波导芯层5与顶层电极层6之间间隔为0.5±0.5μm。底层波导芯层4中2×2多模干涉耦合器I1、2×2多模干涉耦合器Ⅱ3整体厚度220nm，多模波导区I15、多模波导区Ⅱ35长度均为18±1μm，宽度均为4±0.5μm。中层波导芯层5中Si3N4光栅I2、Si3N4光栅Ⅱ7整体厚度300nm，刻蚀深度305±5nm，长度12±1μm，宽度4±0.5μm，锥形输出波导X1、锥形输出波导X2、锥形输入波导X3、锥形输入波导X4材料为Si，锥形输入波导Y1、锥形输入波导Y2、锥形输出波导Y3、锥形输出波导Y4材料为Si3N4。锥形波导宽端宽度为0.5±0.5μm，窄端宽度为0.6±0.2μm，此处可根据具体需求自行设定。
本发明可实现多个互连，通过调制光栅折射率即可实现多种波长的分离利用，本发明为一种有源OADM器件。
本发明的有益效果是：
1、本发明将2×2多模干涉耦合器I、2×2多模干涉耦合器Ⅱ与Si3N4光栅I、Si3N4光栅Ⅱ结合起来并通过层间耦合的方式实现信号传播，实现OADM***的波长分离功能并实现光信号的通道可选择性。
2、本发明通过引入2×2多模干涉耦合器I、2×2多模干涉耦合器Ⅱ可将光信号分配到多个输出波导中，实现通道的可控制开关并将信号更好的耦合进光网络***，降低损耗。
3、本发明通过引入Si3N4光栅I、Si3N4光栅Ⅱ，将满足布拉格条件的波长反射接收，其他波长通过的方式实现波长的分离利用，实现光网络光纤的容量增加提高利用效率；
利用多模干涉耦合器的分光特性与布拉格光栅的分波特性达到波长选择利用的目的，即：满足布拉格条件的波长受到影响发生强烈反射至下载端口进行下一步的利用，其它波长的光信号几乎不受布拉格光栅影响，将透过光栅继续传输。
4、本发明通过使用Si3N4材料制作光栅，因Si3N4折射率比Si小，制作光栅时两者在同一波长下Si3N4所需的光栅周期更长，在工艺上更容易制作。
5、本发明通过层间耦合的方式减小了器件尺寸。
6、本发明与CMOS工艺兼容，结构简单，低损耗、低串扰，获得性能与之前相较大大提升的波分复用***。
附图说明
图1为本发明一种基于Si3N4光栅的OADM器件局部的结构示意图；
图2为本发明一种基于Si3N4光栅的OADM器件的横截面层间结构图；
图3为本发明2×2多模干涉耦合器结构示意图；
图4为本发明2×2多模干涉耦合器设计结构尺寸及锥形波导示意图；
图5为本发明Si3N4光栅的结构、设计尺寸及锥形波导示意图。
图1-5中各标号：1-2×2多模干涉耦合器I；2-Si3N4光栅I；3-2×2多模干涉耦合器Ⅱ；4-底层波导芯层；5-中层波导芯层；6-顶层电极层；7-Si3N4光栅Ⅱ；
11-单模输入波导I、12-单模输入波导Ⅱ、13-单模输出波导I，14-单模输出波导Ⅱ，15-多模波导区I；
31-单模输入波导Ⅲ，32-单模输入波导IV，33-单模输出波导Ⅲ，34-单模输出波导IV，35-多模波导区Ⅱ。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
实施例1：如图1所示，一种基于Si3N4光栅的OADM器件，结构从下自上依次为衬底层、底层波导芯层4、中层波导芯层5、顶层电极层6，各个层间均有包覆层隔开；本实施例中，采用SOI晶圆，衬底层材料为Si，厚度为725μm；
本实施例中埋氧层厚度为2.5μm，中层波导芯层5中锥形输出波导X1、锥形输出波导X2与锥形输入波导Y1、锥形输入波导Y2之间间隔为0.3μm，中层波导芯层5与顶层电极层6之间间隔为1μm。此处可根据具体需求自行设定。
所述底层波导芯层4包括2×2多模干涉耦合器I1、2×2多模干涉耦合器Ⅱ3、锥形输出波导X1、锥形输出波导X2、锥形输入波导X3、锥形输入波导X4；2×2多模干涉耦合器Ⅰ1分别与锥形输出波导X1、锥形输出波导X2连接，锥形输入波导X3、锥形输入波导X4分别与2×2多模干涉耦合器Ⅱ3连接；
如图3所示，所述2×2多模干涉耦合器I1包括单模输入波导I11、单模输入波导Ⅱ12、多模波导区Ⅰ15、单模输出波导I13、单模输出波导Ⅱ14；单模输入波导I11、单模输入波导Ⅱ12均与多模波导区I15相连，多模波导区I15分别与单模输出波导I13、单模输出波导Ⅱ14相连，单模输出波导I13、单模输出波导Ⅱ14分别连接锥形输出波导X1、锥形输出波导X2；
所述2×2多模干涉耦合器Ⅱ3包括单模输入波导Ⅲ31、单模输入波导IV32、多模波导区Ⅱ35、单模输出波导Ⅲ33、单模输出波导IV34；锥形输入波导X3、锥形输入波导X4分别与单模输入波导Ⅲ31、单模输入波导IV32相连，单模输入波导Ⅲ31、单模输入波导IV32均与多模波导区Ⅱ35连接，多模波导区Ⅱ35再分别与单模输出波导Ⅲ33、单模输出波导IV34连接；
所述锥形输出波导X1、锥形输出波导X2尖端朝右，锥形输入波导X3、锥形输入波导X4尖端朝左；锥形输入波导Y1、锥形输入波导Y2尖端朝左，锥形输出波导Y3、锥形输出波导Y4尖端朝右。
所述中层波导芯层5包括Si3N4光栅I2、锥形输入波导Y1、锥形输入波导Y2、锥形输出波导Y3、锥形输出波导Y4、输入端直波导Z1、输入端直波导Z2、输出端直波导Z3、输出端直波导Z4、Si3N4光栅Ⅱ7；
所述顶层电极层6中电极分布于2×2多模干涉耦合器I1、2×2多模干涉耦合器Ⅱ3的多模波导区I15、多模波导区Ⅱ35上方以及Si3N4光栅Ⅰ2上方；
所述2×2多模干涉耦合器Ⅰ1、2×2多模干涉耦合器Ⅱ3分别位于中层波导芯层5首尾下方关于中层波导芯层5的中心呈对称分布；锥形输入波导Y1、输入端直波导Z1、Si3N4光栅I2、输出端直波导Z3、锥形输出波导Y3依次连接；锥形输入波导Y2、输入端直波导Z2、Si3N4光栅Ⅱ7、输出端直波导Z4、锥形输出波导Y4依次连接；锥形输入波导Y1、锥形输入波导Y2分别位于锥形输出波导X1、锥形输出波导X2正上方，锥形输出波导Y3、锥形输出波导Y4分别锥形输入波导X3、锥形输入波导X4正上方。
所述底层波导芯层4在中层波导芯层5下方，底层波导芯层4与中层波导芯层5进行层间耦合具体为：光信号由2×2多模干涉耦合器I1完成分光后进入锥形输出波导X1、锥形输出波导X2后耦合进锥形输入波导Y1、锥形输入波导Y2，通过Si3N4光栅I2、Si3N4光栅Ⅱ7后根据布拉格条件将符合布拉格波长的光信号反射至2×2多模干涉耦合器I1，其余波长光信号经过输出端直波导Z3、输出端直波导Z4和锥形输出波导Y3、锥形输出波导Y4耦合进锥形输入波导X3、锥形输入波导X4再进入2×2多模干涉耦合器Ⅱ3。
所述顶层电极层6中设置有加热电极，通过顶层电极层6中的加热电极进行热光调制使得Si3N4光栅I2、Si3N4光栅Ⅱ7的折射率随温度改变从而实现光栅布拉格波长的调制；通过对2×2多模干涉耦合器I1、2×2多模干涉耦合器Ⅱ3进行热光调制用于选择光信号的输出通道实现开关的作用。
所述衬底层材料为Si，厚度为725μm。底层波导芯层4中使用Si制作2×2多模干涉耦合器，2×2多模干涉耦合器I1、2×2多模干涉耦合器Ⅱ3整体厚度220nm，多模耦合区长度为18μm，宽度4μm。中层波导芯层5中使用Si3N4制作布拉格光栅，中层波导芯层5中Si3N4光栅I2、Si3N4光栅Ⅱ7整体厚度300nm，刻蚀深度300nm，长度12μm，宽度4μm；顶层电极层6使用TiN制作电极，厚度为100nm，锥形输出波导X1、锥形输出波导X2、锥形输入波导X3、锥形输入波导X4材料为Si，锥形输入波导Y1、锥形输入波导Y2、锥形输出波导Y3、锥形输出波导Y4材料为Si3N4，输入端直波导Z1、输入端直波导Z2、输出端直波导Z3、输出端直波导Z4材料为Si3N4；包覆层为SiO2。锥形波导(X1、X2、X3、X4、Y1、Y2、Y3、Y4)宽端宽度为0.6μm，窄端宽度为0.8μm。
本发明的工作原理是：
如图1所示：当光信号由2×2多模干涉耦合器Ⅰ1的单模输入波导Ⅰ11或单模输入波导Ⅱ12耦合进***时，光信号进入到Si3N4光栅I2、Si3N4光栅Ⅱ7后，满足布拉格条件的波长将发生反射，在Si3N4光栅I2、Si3N4光栅Ⅱ7中反射的光返回2×2多模干涉耦合器I1通过单模输入波导I11或单模输入波导Ⅱ12连接其它器件加以利用或是抛弃。其他波长的光信号不受影响沿光栅方向自由传输通过Si3N4光栅I2、Si3N4光栅Ⅱ7，此时由Si3N4光栅I2、Si3N4光栅Ⅱ7传输出的多波长光信号再输入至2×2多模干涉耦合器Ⅱ3后进行分光后由单模输出波导Ⅲ33或单模输出波导IV34传输至***其它部分，通过这一过程将某段波长的光分离出来实现***中的光波分插复用功能。
如图3所示，所述2×2多模干涉耦合器I1包括单模输入波导I11、单模输入波导Ⅱ12、多模波导区Ⅰ15、单模输出波导I13、单模输出波导Ⅱ14；所述2×2多模干涉耦合器Ⅱ3包括单模输入波导Ⅲ31、单模输入波导IV32、多模波导区Ⅱ35、单模输出波导Ⅲ33、单模输出波导IV34；多模干涉耦合器基于自映像效应，从单模波导输入的光场输入到多模波导区。激励多模波导区不同的模式间相长干涉，形成输入模场的单个或多个像的现象，可用于多种模式光波的传导。并且基于多模干涉耦合器的结构特征可通过加电调制可转变光信号的相位，实现光开关的功能并将光信号分配到2个输出波导，最后耦合到光网络***中。
如图2所示：在2×2多模干涉耦合器I1、2×2多模干涉耦合器Ⅱ3中的多模波导区I15、多模波导区Ⅱ35上方增添电极用于进行热光调制改变传输光的相位差，从而通过转变相位差来决定光信号的输出端。
2×2多模干涉耦合器I1、2×2多模干涉耦合器Ⅱ3为光开关，由单模输入波导I11输入的光信号与进入多模波导区I15后的输出光相位差为π时，则由单模输出波导I13进入Si3N4光栅I2，光开关为直通状态，若相位差为0则由单模输出波导Ⅱ14进入Si3N4光栅Ⅱ7光开关为交叉状态。相位差为π/2则为单模输出波导I13、单模输出波导Ⅱ14两通道50：50出光。若由单模输入波导Ⅱ12输入的光信号与进入多模波导区I15后的输出相位差为π，则由单模输出波导Ⅱ14进入Si3N4光栅Ⅱ7光开关为直通状态，若相位差为0则由单模输出波导I13进入Si3N4光栅I2，光开关为交叉状态，若相位差为π/2则为单模输出波导Ⅰ13、单模输出波导Ⅱ14两通道50：50出光。单模输入波导Ⅲ31输入的光信号与经过多模波导区Ⅱ35输出的光相位差为π由单模输出波导Ⅲ33出光，光开关为直通状态。相位差为0由单模输出波导IV34出光，光开关为交叉状态。相位差为π/2则为单模输出波导Ⅲ33、单模输出波导IV34两通道50：50出光。单模输入波导IV32输入光与输出光相位差为π由单模输出波导IV34出光，光开关为直通状态；相位差为0由单模输出波导Ⅲ33出光，光开关为交叉状态；相位差为π/2则为单模输出波导Ⅲ33、单模输出波导IV34两通道50：50出光。
通过掩模版刻蚀Si3N4层形成Si3N4光栅。由耦合模理论可知当一束多波长光信号入射到光栅时，将产生模式耦合，满足布拉格条件的波长将发生反射。
如图2所示：顶层电极层6中电极置于Si3N4光栅I2、Si3N4光栅Ⅱ7上方，通电后在温度变化下改变光栅的折射率从而实现光栅中心波长变化的作用。
使用Si3N4材料制作光栅，因Si3N4折射率比Si小，相较于Si光栅，Si3N4光栅在同一波长下所需周期更长，在工艺上更容易制作。
本发明提供了一种制作流程如下：
步骤1：取SOI晶圆，清洗后在晶圆上进行光刻，其中光刻包括甩胶、曝光、显影、烘干、刻蚀对准标记后去胶清洗。
步骤2：清洗，在步骤1制作的晶圆上进行光刻，再对Si进行刻蚀，刻蚀深度为220nm，去胶，清洗，得到硅基纳米波导及其器件，包括底层波导芯层4中的2×2多模干涉耦合器I1、2×2多模干涉耦合器Ⅱ3、锥形输出波导X1、锥形输出波导X2、锥形输入波导X3、锥形输入波导X4。
步骤3：在步骤2制作的底层波导芯层4上采用PECVD方法沉积SiO2层作为包覆层，厚度为0.4μm。进行反向刻蚀，包括光刻、刻蚀、去胶、清洗。对完成沉积的SiO2层进行CMP得到平滑表面。
步骤4：利用LPCVD技术在包覆层上沉积一层Si3N4层，厚度为301nm，清洗后进行CMP得到平滑Si3N4表面。放置掩模版，通过曝光机进行甩胶，曝光，显影，烘干后刻蚀形成中层波导芯层5的Si3N4光栅Ⅰ2、Si3N4光栅Ⅱ7以及锥形输入波导Y1、锥形输入波导Y2、锥形输出波导Y3、锥形输出波导Y4、输入端直波导Z1、输入端直波导Z2、输出端直波导Z3、输出端直波导Z4。其中光栅区域的高度为300nm，曝光的光栅个数为n，刻蚀高度为300nm，最后去胶清洗。
步骤5：采用PECVD方法沉积SiO2层作为包覆层，厚度为1μm，采用PVD方法沉积得到TiN电极层，厚度为100nm。通过光刻、刻蚀得到加热的电极TiN，最后去胶清洗。
步骤6：沉积1μm厚度的SiO2后，通过刻蚀得到引线孔，采用PVD方法沉积得到Al，再通过干法刻蚀工艺刻蚀Al线，长度为600nm。得到金属Al引线，金属Al与加热电极TiN连通。
步骤7：清洗后，再进行光刻和深刻蚀得到隔热槽。最后通过在Si衬底层深刻蚀得到用于光纤耦合测试的深刻蚀槽，即完成芯片的工艺加工。
本发明可实现多个互连，通过调制光栅折射率即可实现多种波长的分离利用，
该过程实现了光网络光纤的容量增加并提高了光纤利用效率。
上面结合附图对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (5)
1.基于Si3N4光栅的OADM器件，其特征在于：结构从下自上依次为衬底层、底层波导芯层(4)、中层波导芯层(5)、顶层电极层(6)，各个层间均有包覆层隔开；
所述底层波导芯层(4)包括2×2多模干涉耦合器Ⅰ(1)、2×2多模干涉耦合器Ⅱ(3)、锥形输出波导X1、锥形输出波导X2、锥形输入波导X3、锥形输入波导X4；2×2多模干涉耦合器Ⅰ(1)分别与锥形输出波导X1、锥形输出波导X2连接，锥形输入波导X3、锥形输入波导X4分别与2×2多模干涉耦合器Ⅱ(3)连接；
所述中层波导芯层(5)包括Si3N4光栅Ⅰ(2)、锥形输入波导Y1、锥形输入波导Y2、锥形输出波导Y3、锥形输出波导Y4、输入端直波导Z1、输入端直波导Z2、输出端直波导Z3、输出端直波导Z4、Si3N4光栅Ⅱ(7)；
锥形输入波导Y1、输入端直波导Z1、Si3N4光栅Ⅰ(2)、输出端直波导Z3、锥形输出波导Y3依次连接；
锥形输入波导Y2、输入端直波导Z2、Si3N4光栅Ⅱ(7)、输出端直波导Z4、锥形输出波导Y4依次连接；
锥形输入波导Y1、锥形输入波导Y2分别位于锥形输出波导X1、锥形输出波导X2正上方，锥形输出波导Y3、锥形输出波导Y4分别锥形输入波导X3、锥形输入波导X4正上方；
所述顶层电极层(6)中电极分布于2×2多模干涉耦合器Ⅰ(1)、2×2多模干涉耦合器Ⅱ(3)的多模波导区Ⅰ(15)、多模波导区Ⅱ(35)上方以及Si3N4光栅Ⅰ(2)上方；
所述2×2多模干涉耦合器Ⅰ(1)、2×2多模干涉耦合器Ⅱ(3)分别位于中层波导芯层(5)首尾下方关于中层波导芯层(5)的中心呈对称分布。
2.根据权利要求1所述的基于Si3N4光栅的OADM器件，其特征在于：所述2×2多模干涉耦合器Ⅰ(1)包括单模输入波导Ⅰ(11)、单模输入波导Ⅱ(12)、多模波导区Ⅰ(15)、单模输出波导Ⅰ(13)、单模输出波导Ⅱ(14)；单模输入波导Ⅰ(11)、单模输入波导Ⅱ(12)均与多模波导区Ⅰ(15)相连，多模波导区Ⅰ(15)分别与单模输出波导Ⅰ(13)、单模输出波导Ⅱ(14)相连，单模输出波导Ⅰ(13)、单模输出波导Ⅱ(14)分别连接锥形输出波导X1、锥形输出波导X2；
所述2×2多模干涉耦合器Ⅱ(3)包括单模输入波导Ⅲ(31)、单模输入波导Ⅳ(32)、多模波导区Ⅱ(35)、单模输出波导Ⅲ(33)、单模输出波导Ⅳ(34)；锥形输入波导X3、锥形输入波导X4分别与单模输入波导Ⅲ(31)、单模输入波导Ⅳ(32)相连，单模输入波导Ⅲ(31)、单模输入波导Ⅳ(32)均与多模波导区Ⅱ(35)连接，多模波导区Ⅱ(35)再分别与单模输出波导Ⅲ(33)、单模输出波导Ⅳ(34)连接；
所述锥形输出波导X1、锥形输出波导X2尖端朝右，锥形输入波导X3、锥形输入波导X4尖端朝左；锥形输入波导Y1、锥形输入波导Y2尖端朝左，锥形输出波导Y3、锥形输出波导Y4尖端朝右。
3.根据权利要求1所述的基于Si3N4光栅的OADM器件，其特征在于：所述底层波导芯层(4)在中层波导芯层(5)下方，底层波导芯层(4)与中层波导芯层(5)进行层间耦合具体为：光信号由2×2多模干涉耦合器Ⅰ(1)完成分光后进入锥形输出波导X1、锥形输出波导X2后耦合进锥形输入波导Y1、锥形输入波导Y2，通过Si3N4光栅Ⅰ(2)、Si3N4光栅Ⅱ(7)后根据布拉格条件将符合布拉格波长的光信号反射至2×2多模干涉耦合器Ⅰ(1)，其余波长光信号经过输出端直波导Z3、输出端直波导Z4和锥形输出波导Y3、锥形输出波导Y4耦合进锥形输入波导X3、锥形输入波导X4再进入2×2多模干涉耦合器Ⅱ(3)。
4.根据权利要求1所述的基于Si3N4光栅的OADM器件，其特征在于：所述顶层电极层(6)中设置有加热电极，通过顶层电极层(6)中的加热电极进行热光调制使得Si3N4光栅Ⅰ(2)、Si3N4光栅Ⅱ(7)的折射率随温度改变从而实现光栅布拉格波长的调制；通过对2×2多模干涉耦合器Ⅰ(1)、2×2多模干涉耦合器Ⅱ(3)进行热光调制用于选择光信号的输出通道实现开关的作用。
5.根据权利要求1所述的基于Si3N4光栅的OADM器件，其特征在于：所述衬底层材料为Si，底层波导芯层(4)中使用Si制作2×2多模干涉耦合器，中层波导芯层(5)中使用Si3N4制作布拉格光栅，顶层电极层(6)使用TiN制作电极，锥形输出波导X1、锥形输出波导X2、锥形输入波导X3、锥形输入波导X4材料为Si，锥形输入波导Y1、锥形输入波导Y2、锥形输出波导Y3、锥形输出波导Y4材料为Si3N4，输入端直波导Z1、输入端直波导Z2、输出端直波导Z3、输出端直波导Z4材料为Si3N4；包覆层为SiO2。
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