一种多层堆栈可重构光子集成信号交互耦合器
技术领域
本发明属于光子集成
技术领域
，具体涉及一种多层堆栈可重构光子集成信号交互耦合器。背景技术
随着云计算、大数据和物联网信息处理速度的逐年提升，电子集成芯片已经无法完全支持如此高的信息密度和网络带宽，采用CMOS工艺制备的光子集成芯片由于具有更强的信息处理能力和更快的数据传输速率已受到广泛关注。随着全球光纤信息网络化的迅猛发展，基于光波导集成技术的光子芯片已被广泛用于高速光通信系统的构建中。目前商用的光子芯片主要以单层平面光波导集成回路构成，这限制了芯片单位尺寸内光信息量的扩容、信道数的拓展和光信号交互的灵活性。而实现多层堆栈可重构光子集成信号交互耦合器的设计与开发是解决其问题的关键。相关技术可实现光子模块中高速高密度片上光互连的三维集成构想，在超级计算机、光子雷达、光量子通信等领域具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于克服现有单层平面光波导技术的不足，提出了一种多层堆栈可重构光子集成信号交互耦合器，通过对层间光波导有效折射率的电光及热光调制效应，利用光波导耦合技术，实现多层间光信号的灵活交互，解决高速高密度片上光互连中可重构三维集成的技术难点。
本发明以三层堆栈可重构光子集成信号交互耦合器为例，为解决上述难点问题，采用以下技术方案：
如附图1所示，电光调制下，一种三层堆栈可重构光子集成信号交互耦合器由衬底层1、包覆层2、第三层波导芯层3、第二层波导芯层4、第一层波导芯层5、金属电极及其连接线6(每个金属电极及其连接线6均分为两部分，一部分接外部电源负电极、另一部分接外部电源正电极)、填充金属的介质孔7(介质孔7用于电极6与N型掺杂区8、P型掺杂区9间的电连接)、N型掺杂区8和P型掺杂区9组成。
在电光调制下，本发明所述耦合器由底层向上排列顺序依次为衬底层1、包覆层2、第三层波导芯层3、包覆层2、第二层波导芯层4、包覆层2、第一层波导芯层5、金属电极及其连接线6，并且第一层波导芯层5、第二层波导芯层4、第三层波导芯层3刻蚀后的空间均由包覆层2填充；第一层波导芯层5、第二层波导芯层4、第三层波导芯层3均为脊型结构，所述的脊型结构的截面如附图1(b)、1(c)中3、4、5所示，由上、下两个尺寸不同的长方形波导组合而成，底部长方形波导的宽度为脊型结构的宽度，底部长方形波导的高度为脊型波导的高度，顶部长方形波导的宽度为芯层波导的宽度，底部长方形波导的高度和顶部长方形波导的高度之和为芯层波导的高度。
如附图1(d)所示，通过采用弯曲波导连接方式使得第一层波导芯层5、第二层波导芯层4和第三层波导芯层3在同一俯视图下设置有信号交互单元，在信号交互单元存在层间定向耦合效果。在第二层波导芯层4与第三层波导芯层3之间设置有2处信号交互单元，位于附图1(d)中左下和右下位置；在第一层波导芯层5与第二层波导芯层4之间设置有1处信号交互单元，位于附图1(d)中间上部位置。金属电极及其连接线6位于信号交互单元正上方包覆层2的上表面。在信号交互单元内，第二层波导芯层4的左侧脊表面为N型掺杂区8，右侧脊表面为P型掺杂区9；第一层波导芯层5的左侧脊表面为N型掺杂区8，右侧脊表面为P型掺杂区9；对N型掺杂区8和P型掺杂区9所在位置正上方的包覆层2进行打孔，填充导电金属得到介质孔7(因第二层波导芯层4与第一层波导芯层5相对于芯片表面金属电极及其连接线6的垂直高度不同，故位于第二层波导芯层4上方的介质孔与位于第一层波导芯层5上方的介质孔深度不同)。第一层波导芯层5和第二层波导芯层4的P型掺杂区9通过介质孔7连接到金属电极及其连接线6，作为正电极用于连接外部电压；第一层波导芯层5和第二层波导芯层4的N型掺杂区8通过介质孔7连接到金属电极及其连接线6，作为负电极用于连接外部电压。为更好描述本发明的三维结构，图1(a)中使用黑色箭头划定层间信号交互单元，图1(a)中a、b、c三处截面如图1(b)、(c)所示。
如附图2所示，热光调制下，一种三层堆栈可重构光子集成信号交互耦合器由衬底层1、包覆层2、第三层波导芯层3、第二层波导芯层4、第一层波导芯层5、金属电极及其连接线6-1和6-2组成。
在热光调制下，本发明所述耦合器由底层向上排列顺序依次为衬底层1、包覆层2、第三层波导芯层3、包覆层2、第二层波导芯层4、包覆层2、金属电极及其连接线6-2、第一层波导芯层5和金属电极及其连接线6-1，且第一层波导芯层5、第二层波导芯层4、第三层波导芯层3所在层刻蚀后的空间由包覆层2填充；如附图2(d)所示，通过采用弯曲波导连接的方式使得第一层波导芯层5、第二层波导芯层4和第三层波导芯层3在同一俯视图下设置有信号交互单元，在信号交互单元存在层间定向耦合效果，在第二层波导芯层4与第三层波导芯层3之间设置有2处信号交互单元，位于附图2(d)中左下和右下位置，在第一层波导芯层5与第二层波导芯层4之间设置有1处信号交互单元，位于附图2(d)中间上部位置。金属电极及其连接线6-2位于第二层波导芯层4与第三层波导芯层3之间2处信号交互单元正上方包覆层2内，用于给信号交互单元内的第二层波导芯层4进行加热；金属电极及其连接线6-1位于第一层波导芯层5与第二层波导芯层4之间1处信号交互单元正上方包覆层2的上表面，用于给信号交互单元内的第一层波导芯层5进行加热(热光调制是利用电流通过热电极时产生的热量从而实现调制效果，同一处电极仅需确保接触电极两端连接至外部电源正负两极即可)。为更好描述本发明的三维结构，图2(a)中使用黑色箭头划定信号交互单元，图2(a)中a、b、c三处截面如图2(b)、(c)所示。
所述衬底层1材料为二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)、硅(Si)中的任意一种。
所述的包覆层2材料为二氧化硅(SiO2)、EpoCore、EpoClad、P(MMA-GMA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯(PE)、聚酯(PET)、聚苯乙烯(PS)中的一种。
所述的第三层波导芯层3、第二层波导芯层4和第一层波导芯层5材料为Si、FSU-8、SU-8 2002、SU-8 2005、聚碳酸酯(PC)、聚酰亚胺(PI)中的一种。
所述的金属电极及其连接线6材料为银、金、铝、铂中的一种或者多种组成的合金。
所述的介质孔7填充材料为钨。
所述的N型掺杂8为低浓度、中浓度、高浓度或其他自定义浓度中N型掺杂的一种。所述的P型掺杂9为低浓度、中浓度、高浓度或其他自定义浓度中P型掺杂的一种。
如附图3所示，所述的一种三层堆栈可重构光子集成信号交互耦合器，应用于3层硅光集成芯片的可重构信号交互，具体由三个可控信号交互单元组成，分别为用于调控二、三层输出状态的信号交互单元Ⅰ和信号交互单元Ⅲ，用于调控一、二层输出状态的信号交互单元Ⅱ(信号交互单元Ⅰ和信号交互单元Ⅲ位于同一平面内，信号交互单元Ⅱ处于一个单独平面，为了更直观地表达本专利的工作原理，将这三个信号交互单元放入同一平面进行说明)。三层波导的入射端接收由激光器发出不同波长的入射光λT＝{λ1、λ2、λ3}，经信号交互单元Ⅰ、信号交互单元Ⅱ和信号交互单元Ⅲ进行电光或热光调制，根据不同的调制效应，使不同波长的光选择不同的波导芯层信道输出，得到输出光λT＝{λi、λj、λk}[i.j.k∈(1,2,3)，i≠j≠k]，工作流程如附图4所示。
所述的3个信号交互单元结构相同，采用电光调制时，结构如附图5所示，均由包覆层2、光波导10(对应信号交互单元Ⅰ或信号交互单元Ⅲ中第三层波导芯层3，对应信号交互单元Ⅱ中第二层波导芯层4，位于信号交互单元的底层)、调制臂11(对应信号交互单元Ⅰ或信号交互单元Ⅲ中第二层波导芯层4，对应信号交互单元Ⅱ中第一层波导芯层5，位于信号交互单元的上层)、金属电极及其连接线6、N型掺杂区8和P型掺杂9区组成。采用热光调制时，结构如附图6所示，由包覆层2、波导芯层12(对应信号交互单元Ⅰ或信号交互单元Ⅲ中第三层波导芯层3，对应信号交互单元Ⅱ中第二层波导芯层4，位于信号交互单元的底层)、调制臂13(对应信号交互单元Ⅰ或信号交互单元Ⅲ中第二层波导芯层4，对应信号交互单元Ⅱ中第一层波导芯层5，位于信号交互单元的上层)和金属电极及其连接线6(包括6-1和6-2)组成。为更好描述本发明的三维结构，图5和图6中使用黑色箭头划定层间信号交互区域。
所述的信号交互单元在没有电光调制或热光调制时，层间耦合系数最高，使得入射光改变传播路径，沿邻层的波导进行传输。
所述的信号交互单元在一定的电光调制或热光调制时，层间耦合系数最低，使得入射光保持传播路径不变，沿入射端所在层的波导进行传输，从而实现三层堆栈光子集成芯片的可重构信号交互功能。基于三层堆栈光子集成信号交互耦合器的功能原理，通过拓展结构可实现多层堆栈可重构光子集成信号交互功能。
与现有器件结构和制备技术相比，本发明的有益效果是：
一、相比于层间无源信号交互耦合器，本发明采用电光调制或热光调制，可实现多层堆栈光子集成芯片的可重构信号交互功能；
二、相比于光开关级联层间耦合器的结构，本发明的结构尺寸将减少5倍以上，实现更为紧凑的多层堆栈光子集成芯片结构。
附表说明
表1为本发明所述的应用实施例1中不同耦合长度区间下传输效率、状态切换条件汇总表。
表1：不同耦合长度区间下传输效率、状态切换条件汇总表
附图说明
图1为本发明所述的电光调制下三层堆栈可重构光子集成信号交互耦合器结构示意图；其中图(a)为交互耦合器三维结构示意图；图(b)为图(a)中a、c位置的截面图；图(c)为图(a)中b位置的截面图；图(d)为交互耦合器俯视图。
图2为本发明所述的热光调制下三层堆栈可重构光子集成信号交互耦合器结构示意图；其中图(a)为交互耦合器三维结构示意图；图(b)为图(a)中a、c位置的截面图；图(c)为图(a)中b位置的截面图；图(d)为交互耦合器俯视图。
图3为本发明所述的三层堆栈可重构光子集成信号交互耦合器功能示意图。
图4为本发明所述的三层堆栈可重构光子集成信号交互耦合器工作流程图。
图5为本发明所述的电光调制下信号交互单元结构示意图。
图6为本发明所述的热光调制下信号交互单元结构示意图。
图7为本发明所述的应用实施例1中脊型结构截面示意图。
图8为本发明所述的应用实施例1中信号交互单元结构俯视图。
图9为本发明所述的应用实施例1中有效折射率(a)、折射率(b)随电压变化的关系曲线。
图10为本发明所述的应用实施例1中耦合长度与传输效率的关系曲线。
图11为本发明所述的应用实施例1中调制臂11折射率变化与传输效率的关系曲线。
图12为本发明所述的应用实施例1中1500nm～1600nm波段内传输曲线；其中图(a)为不加调制时的传输曲线，图(b)为加调制后的传输曲线。
图13为本发明所述的应用实施例1的制作工艺流程示意图。
图14为本发明所述的应用实施例2中信号交互单元结构俯视图。
图15为本发明所述的应用实施例2中耦合长度与传输效率的关系曲线。
图16为本发明所述的应用实施例2中温度与传输效率的关系曲线。
图17为本发明所述的应用实施例2中1500nm～1600nm波段内传输曲线；其中图(a)为不加调制时的传输曲线，图(b)为加调制后的传输曲线。
图18为本发明所述的应用实施例2的制作工艺流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点表达的更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
本实施例中衬底层1材料为硅(Si)，厚度为725±15μm；
本实施例中包覆层2材料为二氧化硅(SiO2)，衬底层1与第三层波导芯层3之间的包覆层厚度为3μm，第三层波导芯层3与第二层波导芯层4之间及第二层波导芯层4与第一层波导芯层5之间的包覆层厚度均为200nm，第一层波导芯层5与金属电极及其连接线6之间的包覆层厚度为1μm；
本实施例中第三层波导芯层3、第二层波导芯层4和第一层波导芯层5的材料均为硅(Si)，如附图7所示，均采用脊形结构，芯层高度为220nm，芯层宽度为500nm，脊高度为70nm，脊宽度为10μm；如附图8所示，本实施例中信号交互单元I、II、III中光波导10和调制臂11层间信号交互区域前后端欧拉连接线长度均为20μm，宽度均为2μm；本实施例中信号交互单元Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的上层和下层的耦合长度均为86.5μm，耦合间距(对应光波导10和调制臂11之间的包覆层厚度)均为200nm；
本实施例中金属电极及其连接线6材料均为AlCu合金，金属电极接触面进行钝化处理，其俯视呈正方形形状，金属区域长度、宽度均为80μm，钝化区域长度、宽度均为70μm，厚度为1μm；金属电极连接线一端连接金属电极，另一端连接介质孔，俯视呈长方形形状，宽度为10μm，长度根据芯片尺寸而定，确保金属电极处芯片边缘位置，便于封装；
本实施例中介质孔7填充材料为金属钨W，其俯视呈正方形形状，长度、宽度均为0.5μm，至第一层波导芯层5和第二层波导芯层4深度分别为1μm、1.42μm，介质孔彼此间距为0.5μm，介质孔顶部被金属电极连接线覆盖，与金属电极连接线边缘距离0.25μm，介质孔底部位于掺杂区域内，与掺杂区域边缘距离0.5μm；
所述的掺杂区8为1.7×1020cm-3浓度的N掺杂，所述的掺杂区9为1.7×1020cm-3浓度的P掺杂，掺杂区域边缘距离芯层边缘位置的距离均为0.8μm，掺杂区域宽度为5μm。本实施例选取中心波长为1550nm。
如附图9(a)所示，本实施例使用Lumerical软件模拟了上述掺杂浓度下折射率随电压的变化曲线，为避免热光效应影响，控制电压变化范围在0～3V之间，电压在0～3V范围内调制臂11的有效折射率变化范围为2.49118～2.53281；本实施例使用COMSOL软件将芯层有效折射率换算为芯层折射率，得到芯层折射率随电压变化曲线，如附图9(b)所示，芯层折射率变化范围为3.433442～3.474515。
本实施例使用Lumerical软件模拟了不同耦合长度区间下传输效率和损耗情况，以及芯层折射率改变引起传输效率和损耗的改变，如附表1所示。由表可以看出耦合长度最小为86.5μm时，层间耦合由交叉态切换为直通态所需电压为2.86V，在0～3V电压控制范围内，选取层间耦合长度为86.5μm。如附图10所示，耦合长度与传输效率和损耗的关系，可看出86.5μm耦合长度下由调制臂11向光波导10传输效率最高；如附图11所示，耦合长度在86.5μm下传输效率和损耗随调制臂11的折射率变化情况，可看出折射率在3.4338时达到状态切换状态；并对状态切换前后的86.5μm耦合长度的信号交互单元在1500nm～1600nm波段内进行扫描，如附图12(a)所示，可看出不加调制时在1549nm～1554nm波段内传输效率达到95％以上，如附图12(b)所示，可看出加调制后在1549nm～1554nm波段内传输效率达到95％以上，该实施例在1549nm～1554nm波段内工作可实现三层堆栈可重构光子集成信号交互功能。
本实施例制作工艺如附图13所示，为了更好地表达工艺步骤，附图13中并不是以某一截面进行说明，而是以侧视图形式进行说明，附图中整合了信号交互单元部分的光波导10和调制臂11所在区域和其他区域，在信号交互单元部分的光波导10和调制臂11所在区域内，直波导10位于调制臂11的正下方，调制臂11的脊表面覆有N掺杂8或P掺杂9，并通过位于掺杂区域正上方的介质孔7与顶层的金属电极及其连接线6连接，其他区域以脊型直波导方式表现，脊型弯曲波导连接处工艺参照脊型直波导处理：
(1)对第一片SOI基片，该SOI基片包括750μm厚度的衬底层1a、3μm厚度的(SiO2)包覆层2a和0.22μm厚度的Si芯层3a，进行清洁处理，去除表面杂质；
(2)应用ICP工艺进行刻蚀，得到500nm芯宽、220nm芯高、70nm脊高、10μm脊宽的第三层波导芯层3(左侧第三层波导芯层3代表其他区域，波导上方无其他波导芯层，右侧第三层波导芯层3代表信号交互单元I或III的光波导10，波导上方将对准第二层波导芯层4中信号交互单元I或III的调制臂11)，具体做法为：在第一片SOI基片的Si芯层3a上涂光刻胶，旋涂厚度为1.5～2.0μm(本实施例为1.7μm)，利用光刻的技术在AZ6130光刻胶上形成图形，然后将涂有AZ6130光刻胶的第一片SOI基片放在烘板上，温度设置为110℃，烘烤5min，其作用是促使溶剂挥发，增加AZ6130光刻胶与SOI基片之间的附着。然后将烘烤后的SOI基片放入MA6/BA6双面光刻机中曝光12s，最后用镊子把曝光后的SOI基片放入显影液(四甲基二戊酮(MIBK)：异丙醇(IPA)体积比1:3的溶液)中显影20s，显影后先用去离子水轻轻漂洗，然后用N2气小流量地吹干。显影后的SOI基片迅速放入110℃的烘箱中烘20min，目的是通过加温烘烤通过加温烘烤使得AZ6130光刻胶更加牢固的粘附在SOI基片表面上，并且增加AZ6130光刻胶的抗刻蚀能力。利用感应耦合等离子体刻蚀工艺，在Si芯层3a上刻蚀出第三层波导芯层3脊型光波导结构，最后去掉第三层波导芯层3脊型光波导结构上的光刻胶，并在SOI基片衬底层制作对板标记点14；
(3)应用PECVD工艺在刻蚀后的第一片SOI基片上沉积二氧化硅(SiO2)包覆层2d，具体做法为：用配比为NH4F：HF体积比6:1的腐蚀液对光刻后的第一片SOI基片腐蚀30s，去除第三层波导芯层3的Si表面的自然氧化层，之后用去离子水清洗，将清洗后的第一片SOI基片放入120℃的烘箱中，在N2氛围下，烘干10min，在温度280℃，功率70W，气体流量为SiH4:400sccm，N2O：800sccm，N2：750sccm，压力：900mTorr的PECVD工艺条件下，沉积200nm～300nm(本实施例中沉积厚度为300nm，沉积时间由各设备工作性能所决定)厚度的二氧化硅(SiO2)包覆层2d；
(4)应用CMP工艺对沉积的二氧化硅(SiO2)层进行机械抛光，使二氧化硅(SiO2)包覆层2d表面平整，并保留第三层波导芯层3中心位置之上有200nm厚度的二氧化硅(SiO2)包覆层2d，作为第三层波导芯层3和第二层波导芯层4之间的包覆层，使得层间耦合间距为200nm；
(5)对第二片SOI基片进行清洗，第二片SOI基片与第一片SOI基片相同，包含衬底层1b、包覆层2b和Si芯层3b，采用热键合的Bonding方法使得第二片SOI基片翻转180°后的Si芯层3b与抛光后的第一片SOI片的二氧化硅(SiO2)包覆层2d键合在一起，具体做法为：对第一片SOI基片和第二片SOI基片放入OH基的水溶液中进行亲水处理，再将两片表面尽可能接近，在低温下保持一段时间，使界面处的OH基发生初步的脱水反应，再升高温度保持一段时间，使之完成全部的脱水反应，最后将重合好的芯片放到通氯气或氮气的高温炉(1000℃)中加热30min，让生成的水汽扩散到硅的外表面并与之生成氧化层，同时，界面处原子的相互扩散和横向迁移，使原子间达到紧密接触而实现键合；
(6)应用CMP+干法刻蚀的工艺去除Bonding后的第二片SOI基片的衬底层1b，具体做法为：首先将键合后的芯片翻转180°，在芯片Si衬底层1a上旋涂1μm～2μm厚度的AZ6130光刻胶(本实施例中采用1μm)，然后将旋涂后的芯片翻转180°，使得Si衬底层1b位于上方，然后通过CMP工艺清除芯片的Si衬底层1b，粗略清除后预计将会保留200nm～300nm厚度的Si衬底层1b，在100W～300W的源射频功率范围(本实施例中使用200W)，50W～150W的偏置射频功率范围(本实施例中使用100W)的条件下，使用刻蚀气体(HBr的流量速率范围为80sccm～150sccm(本实施例中使用100sccm)；HeO2的流量速率范围为5sccm～15sccm(本实施例中使用10sccm)；刻蚀气压范围为45mTorr～80mTorr(本实施例中使用60mTorr)，刻蚀至Si衬底层1b消失(可根据表层折射率由硅向二氧化硅转变过程判断干法刻蚀时间)，最后再去除Si衬底层1a上的光刻胶；
(7)应用CMP+干法刻蚀的工艺去除二氧化硅(SiO2)包覆层2b，具体做法为：首先利用CMP工艺清除二氧化硅(SiO2)包覆层2b，粗略清除后预计将会保留200nm～300nm厚度的二氧化硅(SiO2)包覆层2b，在400W～600W的源射频功率范围(本实施例中使用500W)，50W～300W的偏置射频功率范围(本实施例中使用200W)的条件下，使用刻蚀气体(CF4的流量速率范围为15sccm～25sccm，本实施例中使用20sccm；CHF3的流量速率范围为35sccm～45sccm，本实施例中使用40sccm；O2的流量速率范围为45sccm～55sccm，本实施例中使用50sccm；刻蚀气压范围为5mTorr～15mTorr，本实施例中使用10mTorr)刻蚀至二氧化硅(SiO2)包覆层2b消失(可根据表层折射率由二氧化硅向硅转变过程判断干法刻蚀时间)；
(8)根据步骤(2)中的对板标记点14保持第一次刻蚀的对板标记位置不变，参照步骤(2)应用ICP工艺对Si芯层3b进行刻蚀，得到500nm芯宽、220nm芯高、70nm脊高、10μm脊宽的的第二层波导芯层4(左侧第二层波导芯层4代表信号交互单元I或III的调制臂11，波导下方对准第三层波导芯层3中信号交互单元I或III的光波导10，中间第二层波导芯层4代表其他区域，此处波导上方和下方都没有其他波导芯层，右侧第二层波导芯层4代表信号交互单元II的光波导10，波导上方对准第一层波导芯层5中信号交互单元II的调制臂11)；
(9)参照步骤(3)应用PECVD工艺在刻蚀后的第二层波导芯层4上沉积200nm～300nm(本实施例中沉积厚度为300nm，沉积时间由各设备工作性能所决定)厚度的二氧化硅(SiO2)包覆层2e；
(10)参照步骤(4)应用CMP工艺对沉积后的二氧化硅(SiO2)包覆层2e进行机械剖光，使二氧化硅(SiO2)包覆层表面平整，并保留200nm厚度的二氧化硅(SiO2)包覆层，作为第二层波导芯层4和第一层波导芯层5之间的包覆层，使得层间耦合间距为200nm；
(11)参照步骤(5)采用热键合的Bonding方法使得第三片SOI基片的Si芯层3c与步骤(10)机械剖光后的二氧化硅(SiO2)包覆层2e键合在一起；
12)参照步骤(6)应用CMP+干法刻蚀的工艺去除Bonding后的芯片的Si衬底层1c；
(13)参照步骤(7)应用CMP+干法刻蚀的工艺去除芯片的二氧化硅(SiO2)包覆层2c；
(14)根据步骤(2)中的对板标记点14保持第一次刻蚀的对板标记位置不变，参照步骤(2)应用ICP工艺对Si芯层3c进行刻蚀，得到500nm芯宽、220nm芯高、70nm脊高、10μm脊宽的第一层波导芯层5(左侧第一层波导芯层5为信号交互单元II的调制臂11，波导下方对准第二层波导芯层4中信号交互单元II的光波导10，右侧第一层波导芯层5代表其他区域，波导下方无其他波导芯层)；
(15)参照步骤(3)应用PECVD工艺在刻蚀后的第一层波导芯层5上沉积1μm～1.1μm厚度(本实施例中厚度为1.1μm)的二氧化硅(SiO2)包覆层2f；
(16)参照步骤(4)应用CMP工艺对步骤(15)沉积后的二氧化硅(SiO2)包覆层2f进行机械剖光，使二氧化硅(SiO2)包覆层表面平整，并保留1μm厚度的二氧化硅(SiO2)作为第一层波导芯层5上的包覆层；
(17)根据步骤(2)中的对板标记点14保持第一次刻蚀的对板标记位置不变，根据版图标记的不同层介质孔位置依次对第二层波导芯层4中信号交互单元I或III的调制臂11以及第一层波导芯层5中信号交互单元II的调制臂11的脊部位置进行介质开孔和离子掺杂，具体做法为：通过旋涂光刻胶和显影，刻蚀形成硬掩模，再沉积绝缘层，进而刻蚀形成间隔壁掩模，再刻蚀形成介质孔，通过控制刻蚀时间控制介质孔深度(刻蚀时间由各设备性能决定)，向第二层波导芯层4中信号交互单元I或III的调制臂11介质开孔深度为1.42μm，向第一层波导芯层5中信号交互单元II调制臂11介质开孔深度为1μm，介质孔彼此间距为0.5μm，介质孔底部位于掺杂区域内，与掺杂区域边缘距离0.5μm，通过离子注入技术对标定的掺杂8区域(掺杂区域位于第二层波导芯层4中信号交互单元I或III的调制臂11以及第一层波导芯层5中信号交互单元II的调制臂11的左侧脊面，宽度5μm，长度与调制臂长度相同，均为86.5μm，边缘距离第二层波导芯层4中信号交互单元I或III的调制臂11以及第一层波导芯层5中信号交互单元II的调制臂11的中心芯层0.8μm)进行1.7×1020cm-3浓度的N掺杂，对标定的掺杂9区域(掺杂区域位于第二层波导芯层4中信号交互单元I或III的调制臂11以及第一层波导芯层5中信号交互单元II的调制臂11右侧脊面，宽度5μm，长度与调制臂长度相同，均为86.5μm，边缘距离第二层波导芯层4中信号交互单元I或III的调制臂11以及第一层波导芯层5中信号交互单元II的调制臂11的中心芯层0.8μm)进行1.7×1020cm-3浓度的P掺杂，在介质孔内沉积金属钨W，形成介质孔填充7，再通过CMP工艺进行机械平坦化；
(18)采用溅射或蒸镀的方法制备厚度为8000埃的AlCu合金的金属层(本实施例中采用蒸镀方法，蒸镀时间由各设备性能决定)，通过光刻-刻蚀的工艺制作金属电极及其连接线6，并对金属电极进行钝化处理。
实施例2
本实施例中衬底层1材料为硅(Si)，厚度为725±15μm。
本实施例中包覆层2材料为P(MMA-GMA)，衬底层1与第三层波导芯层3之间的包覆层厚度为3μm，第三层波导芯层3与第二层波导芯层4之间及第二层波导芯层4与第一层波导芯层5之间的包覆层厚度均为1μm，第一层波导芯层5与金属电极及其连接线6间的包覆层厚度为6μm。
本实施例中第三层波导芯层3、第二层波导芯层4和第一层波导芯层5材料为氟化双酚A酚醛树脂(FSU-8)，均采用条形结构，芯层宽度为4μm，厚度均为3μm；如附图14所示，本实施例中信号交互单元I、II、III的上层和下层的耦合前后端欧拉连接线长度均为500μm，宽度均为20μm，耦合距离均为350μm，耦合间距均为1μm。
本实施例中金属电极4材料均为Al，第一层电极位于包覆层2之上，信号交互单元Ⅱ中调制臂13的正上方，电极中心位置与信号交互单元2中调制臂13的中心位置一致，长度为347μm，两层宽度均为6μm，厚度为100nm，可直接在芯片外部进行连接；第二层电极位于包覆层2之内，信号交互单元I、III中调制臂13的正上方，其底边缘与第一层波导芯层5的底边缘持平，中心位置与信号交互单元I、III中调制臂13的中心位置一致，长度为347μm，宽度为6μm，厚度为100nm，引出至边缘，切片后通过端面接触面进行连接。
本实施例选取中心波长为1550nm。
本实施例使用Rsoft软件模拟了不同耦合长度下传输效率和损耗情况，以及通过电极控制温度改变引起传输效率和损耗的改变情况。由附图15可看出，耦合长度为347μm，层间耦合出现交叉态；由附图16可看出，温度由室温295K升高至312K时，层间耦合从交叉态切换至直通态。
对状态切换前后的信号交互单元在1500nm～1600nm波段内进行扫描，如附图17(a)所示，可看出不加调制在1512nm～1600nm传输效率达到95％以上，如附图17(b)所示，可看出加调制后在1500nm～1600nm传输效率达到95％以上，该实施例在1512nm～1600nm波段内工作可实现三层堆栈可重构光子集成信号交互功能。
本实施例制作工艺如附图18所示，为了更好地表达工艺步骤，附图18中并不是以某一截面进行说明，而是以侧视图形式进行说明，附图中整合了信号交互单元部分的光波导12和调制臂13所在区域和其他区域，在信号交互单元部分的光波导12和调制臂13所在区域内，直波导12位于调制臂13的正下方，调制臂13的正上方为金属电极及其连接线6-1或6-2，其他区域以条形直波导方式表现，弯曲波导连接处工艺参照直波导处理：
(1)清洗硅(Si)衬底1，旋涂4μm厚度的P(MMA-GMA)包覆层2a(在前转600r/min速率下5s，在后转3500r/min速率下20s)，在加热板上以恒定温度120℃下固化120分钟；
(2)应用旋涂工艺制备3μm厚度的氟化双酚A酚醛树脂(FSU-8)芯层3a(在前转600r/min速率下10s，在后转3000r/min速率下20s)；
(3)旋涂后放置在加热板上在65℃温度下15分钟、90℃条件下20分钟，进行前烘；
(4)在衬底层1上制作对板标记16，然后在芯层3a之上根据对板标记16的位置放置绘制好光刻图案的光刻板15a，使用光刻机曝光芯层薄膜0～5s(本实施例中曝光4.5s)，通过光刻在膜表面上获得设计的器件图案；
(5)然后将器件进行后烘，在加热板上以恒温120℃下加热1小时；
(6)用显影液PGMEA去除未交联部分的芯膜(显影时间不超过15s，可根据显影情况具体调节)，得到宽度为4μm的第三层波导芯层3(左侧第三层波导芯层3代表其他区域，波导上方无其他波导芯层，右侧第三层波导芯层3为信号交互单元I或III的光波导12，波导上方将对准第二层波导芯层4中信号交互单元I或III的调制臂13)；
(7)并将显影后的器件在加热板上以150℃的温度固化60分钟，达到坚膜效果；
(8)参照步骤(1)旋涂4μm厚度P(MMA-GMA)包覆层2b，使得第三层波导芯层3与第二层波导芯层4之间耦合间距为1μm；
(9)参照步骤(2)再应用旋涂工艺制备3μm厚度的氟化双酚A酚醛树脂(FSU-8)芯层4a；
(10)参照步骤(3)进行前烘；
(11)在芯层4a之上根据对板标记16的位置放置绘制好光刻图案的光刻板15b，参照步骤(4)使用光刻机对芯层薄膜进行光刻；
(12)参照步骤(5)进行后烘；
(13)参照步骤(6)进行显影，得到第二层波导芯层4(左侧第二层波导芯层4为信号交互单元I或III的调制臂13，波导下方对准第三层波导芯层3的信号交互单元I或III的光波导12，中间第二层波导芯层4代表其他区域，此处波导上方和下方都没有其他波导芯层，右侧第二层波导芯层4为信号交互单元II的光波导12，波导上方对准第一层波导芯层5中信号交互单元II的调制臂13)；
(14)参照步骤(7)进行固化，达到坚膜效果；
(15)参照步骤(1)继续旋涂4μm厚度的P(MMA-GMA)包覆层2c，使得第二层波导芯层4与第一层波导芯层5之间耦合间距为1μm；
(16)使用真空镀膜机将铝膜沉积在样品上，沉积厚度为100nm，并将BP-212掩模在铝层之上以2500r/min的转速旋涂30s，使用光刻机曝光金属层薄膜2～2.5s(本实施例中曝光2s)，使得金属铝层上显示第二层电极图案，本实施例中将第二层电极通过引线连接至芯片边缘形成接触电极，以便切片后连接使用，使用显影液(氢氧化钠溶液，NaOH：H2O＝1:200)去除电极表面上的BP-212，得到347μm长度、6μm宽度、100nm厚度的第二层电极6-2；
(17)参照步骤(2)制备3μm厚度的芯层5a；
(18)参照步骤(3)进行前烘；
(19)在芯层4a之上根据对板标记16的位置放置绘制好光刻图案的光刻板15c，参照步骤(4)使用光刻机对芯层薄膜进行光刻；
(20)参照步骤(5)进行后烘；
(21)参照步骤(6)进行显影，得到第一层波导芯层5(左侧第一层波导芯层5为信号交互单元II的调制臂13，波导下方对准第二层波导芯层4中信号交互单元II的光波导12，右侧第一层波导芯层5代表其他区域，波导下方无其他波导芯层)；
(22)参照步骤(7)进行固化，达到坚膜效果；
(23)旋涂9μm厚度的P(MMA-GMA)包覆层2d(在前转600r/min速率下5s，在后转1200r/min速率下20s)，使得第一层电极6-与第一层波导芯层5之间间距为6μm；
(24)使用真空镀膜机将铝膜沉积在样品上，并将BP-212掩模在铝层之上以2500r/min的转速旋涂30s，使用光刻机曝光金属层薄膜2～2.5s(本实施例中曝光2s)，使得金属铝层上显示第一层电极图案，使用显影液(氢氧化钠溶液，NaOH：H2O＝1:200)去除电极表面上的BP-212，得到347μm长度、6μm宽度、100nm厚度的第一层电极6-1。
- 上一篇：石墨接头机器人自动装卡簧、装栓机
- 下一篇：傅里叶型波导分光芯片
