[发明专利]一种新型的正交狭缝光波导结构及制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光波导技术领域，特别是涉及一种新型的正交狭缝光波导结构及制造方法。

背景技术

大容量信息数据的高速传输依赖于全球光通信网络的高速发展。近年来在通信应用中集成光学逐渐凸显其重要地位，它对光场的强限制作用和较小的芯片尺寸有利于高效节能的光子器件，从而加速绿色信息技术的发展。集成光子技术能够和CMOS工艺完美兼容，这为建立空间网络、能源网络以及高效互联网提供了可能性。

高速光子通讯包含的传统操作包括光信号的调制、传输和探测。为了克服电子通讯的速度瓶颈，光子通讯还需要一些特殊的高级光信号处理功能，如信号再生、波长转换、可调延迟等。这些功能大多是基于非线性光波传输效应，同时受可调的波长色散和偏振特性共同影响。因此，在集成光子平台的波导中，色散特性、非线性特性以及偏振特性在一定范围内灵活可调尤为重要。

影响非线性系数的一个重要因素就是波导的色散。一般硅波导芯层和包层的高折射率差能产生强光场限制和高非线性特性，但是会造成速变波导色散，其影响超过材料色散而占据主导地位。非线性越强，获得宽频带的平坦色散就越难。在通讯实际应用中，权衡非线性效率和工作带宽显得更为明显。

自狭缝型波导(slot waveguide)提出以来，其在集成光学方面的应用日益增加，它的基本结构是由两层高折射率材料中夹有一层几十纳米的低折射率材料，整个波导可以是水平结构或者竖直结构。根据麦克斯韦方程的边界条件，电位移矢量垂直分量连续，在低折射率处电场强度有显著增强。通过合理优化结构尺寸参数，可以将大部分光场限制在纳米尺寸的狭缝区。选择具有不同非线性系数的材料填充到狭缝区域，可以对波导的非线性特性进行控制。狭缝波导还可以是多层的，其设计更加灵活自由。

以Southern California大学的Willner小组为代表，对包括水平结构和垂直结构的狭缝波导进行了宽频带范围内的色散特性研究。且他们通过在狭缝区域填充两种不同材料(硫化玻璃和纳米晶硅)，对波导的色散特性和非线性特性进行了平衡调整。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种新型的正交狭缝光波导结构及制造方法。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种新型的正交狭缝光波导结构，包括衬底(101)，位于所述衬底(101)上的单晶硅层(102)及位于所述单晶硅层(102)上的正交狭缝结构，所述正交狭缝结构包括：正交结构的狭缝区域(104，105，107)，位于所述狭缝区域(104，105，107)正交交汇的中心区域(108)及包围所述狭缝区域(104，105，107)的周围区域(103，106)，所述中心区域(108)的折射率小于所述狭缝区域(104，105，107)的折射率，所述周围区域(103，106)的折射率大于所述狭缝区域(104，105，107)的折射率。

本发明实现光场在狭缝结构中传输时的二维限制，并且通过调整结构尺寸和区域的材料，可以实现波导的色散与非线性特性的有效调节。

本发明的一种优选实施方式中，所述狭缝区域(104，105，107)的材料为氮化物、纳米晶硅或硫化玻璃之一。

本发明通过调整狭缝区域的材料，可以实现波导的色散与非线性特性的有效调节。

本发明的一种优选实施方式中，所述中心区域(108)为空气。该中心区域为空气，折射率很小，则周围区域及狭缝区域的材料选择更多。

本发明的一种优选实施方式中，所述周围区域(103，106)的材料为多晶硅。

本发明通过调整周围区域的材料，可以实现波导的色散与非线性特性的有效调节。

本发明的一种优选实施方式中，所述单晶硅层(102)的厚度为40-100nm。

本发明的一种优选实施方式中，所述狭缝区域(104，107)的宽度与狭缝区域(105)高度相等，为10-50nm，所述包围所述狭缝区域的周围区域(103，106)的高度为200-350nm，宽度为300-450nm。

本发明通过调整狭缝区域或者周围区域的尺寸可以实现波导的色散与非线性特性的有效调节。

本发明公开了一种新型正交狭缝光波导结构的制造方法，包括以下步骤：

第一步，在衬底(101)上外延生长一层单晶硅(102)；

第二步，在所述单晶硅(102)上外延生长周围区域(103，106)的第一层(103)，光刻、刻蚀所述第一层(103)，产生正交狭缝结构的狭缝区域(104，105，107)的第一区域(104)的容置腔；