[发明专利]波导结构、波导耦合结构、及制备方法

说明书

本发明提供三种波导结构，包括突出式、掩埋式、和重沉积型的。三种波导结构均应用于SOI基阵列波导光栅中的阵列波导的直波导部分，突出式的所述波导结构包括呈轴对称设置的两个第一端部，所述第一端部在沿靠近对称轴方向上依次分为第一区域、第二区域和第三区域；所述波导结构包括第一硅衬底层、第二硅衬底层、第一二氧化硅层、第二二氧化硅层和第一硅波导层。还提供了波导结构相应的制备方法，及波导耦合结构。本发明提供的所述波导结构，及其耦合结构，具有小尺寸、低偏振相关性、低温度敏感性的优点，且串扰值高于25dB，满足光无源网络系统的要求，为所述阵列波导光栅的商用化提供了可行性。

技术领域

本发明涉及光通信器件领域，尤其涉及波导结构、波导耦合结构、及制备方法。

背景技术

随着网络产品的更新换代，网络中使用模块的尺寸和功耗都在不断变小，以满足成本不断降低、性能不断提高的需求。硅基光子器件因其超小型尺寸、低成本性等特点，近几年受到产业界的广泛关注，成为网络产品更新换代中重点考虑的方向之一。

现有技术中，硅波导的工艺误差对波导折射率有较大的影响。这种影响导致硅波导不同位置的折射率发生随机变化，从而使硅基光子器件的工作波长存在较大的随机变化或者器件通道间串扰性能恶化。另外，较大的折射率差还导致了硅波导的偏振相关性非常高，不利于实现偏振不敏感工作。硅波导还具有非常高的温度敏感度，需要适当温度范围内才能正常工作。

其中，硅基阵列波导光栅是一种非常重要的硅基光子器件，因其能同时完成大量波长的分波、多个波长统一控制、大自由光谱范围以及器件尺寸紧凑等特点，被认为是网络产品中的光分路器升级换代的重要备选方案。

然而，在材料上，硅基阵列波导光栅仍具有局限性，应用硅基阵列波导光栅的光分路器的性能还无法达到要求。具体表现为：第一，硅基阵列波导光栅的工艺误差敏感度高，串扰值小于15dB，无法满足部分网络应用的需求。例如无源光网络(Passive OpticalNetwork，简称PON)中需要串扰值在25dB以上，二两级分光的40G-PON中需要串扰值达到35dB以上。第二，硅基阵列波导光栅的温度敏感性高，且没有成熟的无热方案，故需半导体制冷器(简称TEC)进行温控，这也增加了功耗。第三，由于硅波导折射率差大，偏振相关性非常大。超高的偏振相关性使得硅基阵列波导光栅几乎无法实现光分路所必须的偏振不敏感工作，而需要采用偏振分集的方式，将两个偏振的光用两个器件来分别处理。但是偏振分集的方式无疑增加了器件的体积，不利于器件小型化。综合上述不良因素，迫切需要提高硅基阵列波导光栅的性能。

根据理论研究的结果，阵列波导光栅的串扰主要受制于阵列波导因工艺误差引起的随机相位误差。产生这种随机相位误差的起因主要分为两类，一类由阵列波导材料不均匀引起，另一类由阵列波导折射率的随机变化引起。通常由阵列波导折射率的随机变化引起的随机相位误差占主导。因此研究人员多通过改变阵列波导的结构来优化阵列波导光栅的串扰。目前有两种方法可以提高硅基阵列波导光栅的串扰值，分别是增加阵列波导的宽度以及采用折射率差较小的脊形波导作为阵列波导。然而即使采用这些优化方法，阵列波导光栅的串扰值仍然无法满足系统需求。具体的对比实施例如下。

对比实施例1：Duk-Jun Kim等人在2008年PTL(Photonics Technology Letters)上发表的一篇名为《Crosstalk reduction in a shallow-etched silicon nanowireAWG》的论文中，提出了一种使用脊型硅波导作为阵列波导光栅的阵列波导的方案。在该方案中，采用在248nm深紫外光刻的条件，该阵列波导光栅可实现18dB的串扰。但此方案无法工作在横磁波(简称TM)模式下，因此不适合于光分路器的设计要求。