基于反向二元閃耀光柵的濾波器及制造方法

1.本發明涉及濾波器結構和制造方法領域，具體地，涉及基于反向二元閃耀光柵的濾波器及制造方法。


背景技術：

2.硅基濾波器作為關鍵器件被廣泛應用于波分復用/解復用系統、光信號處理、光譜傳感等。為了實現對輸入光的選擇性濾波，目前常采用的結構主要有微環諧振器、馬赫曾德爾干涉儀、波導光柵等。但上述現有的技術方案實現的濾波器系統，除了必須的i/o端口外，往往還需要設計特殊、復雜的光波導結構。
3.專利文獻cn110908146a通過將馬赫曾德爾干涉儀和微環諧振器等結構集成在波導中，實現了一種硅基集成可調諧帶通濾波器。專利文獻cn113075766b通過在硅波導和氮化硅波導中加入切趾光柵結構，分別實現對te信號和tm信號濾波，從而實現偏振不敏感硅基濾波器。cn1451991a公開了一種可調諧光濾波器，涉及可調諧光濾波器，具體涉及可變閃耀光柵、控制元件和波導耦合機構的組合，可以制作成現在廣泛適用的可調諧光濾波器。
4.目前現有的技術尚未能實現除了必須的i/o端口外，無需設計特殊、復雜的光波導結構的濾波器。


技術實現要素：

5.針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種基于反向二元閃耀光柵的濾波器及制造方法。
6.根據本發明提供的一種基于反向二元閃耀光柵的濾波器，包括：硅襯底、埋氧層以及頂層硅；
7.所述埋氧層一側連接為頂層硅，另一側連接硅襯底；
8.所述頂層硅包括：正向二元閃耀光柵、錐形體、波導以及反向二元閃耀光柵；
9.所述波導兩端分別通過錐形體連接正向二元閃耀光柵和反向二元閃耀光柵；
10.二元閃耀光柵具備“閃耀效應”，即可將入射光閃耀至所需的衍射級次。而入射光經過反向二元閃耀光柵的閃耀后會向波導所在方向的反向傳播，即衍射后的光無法進入波導中穩定傳播，因此該結構可實現濾波。
11.優選地，所述正向二元閃耀光柵和所述反向二元閃耀光柵兩者其中一段設置為輸入端，另一端設置為輸出端。
12.優選地，所述正向二元閃耀光柵設置為入射光經過二元閃耀光柵的衍射后會向波導所在方向傳播；
13.所述反向二元閃耀光柵設置為入射光經過二元閃耀光柵的衍射后會向波導所在方向的反向傳播。
14.優選地，所述埋氧層采用二氧化硅，所述埋氧層厚度為2μm。
15.優選地，所述硅襯底和頂層硅采用單晶硅；
16.所述硅襯底厚度為700μm，所述頂層硅厚度為220nm。
17.優選地，所述正向二元閃耀光柵和反向二元閃耀光柵設置有一個或多個子光柵。
18.優選地，一種所述基于反向二元閃耀光柵的濾波器的制造方法，包括以下步驟：
19.步驟s1，在所述頂層硅上旋涂電子束光刻膠，并通過電子束直寫進行正向二元閃耀光柵和反向二元閃耀光柵的圖形化；
20.步驟s2，在電子束光刻膠的保護下對所述頂層硅進行刻蝕，從而將正向二元閃耀光柵和反向二元閃耀光柵的圖形轉移至頂層硅上，并將剩余的電子束光刻膠清洗干凈；
21.步驟s3，在所述頂層硅上旋涂新的電子束光刻膠，并通過電子束直寫進行錐形體和波導的圖形化；
22.步驟s4，在電子束光刻膠的保護下對頂層硅進行刻蝕，從而將所述錐形體和波導的圖形轉移至頂層硅上，并將剩余的電子束光刻膠清洗干凈。
23.優選地，在步驟s1中，電子束光刻膠采用ar-p672.045，電子束光刻膠厚度為70nm；
24.頂層硅的基片旋涂電子束光刻膠后進行曝光，曝光時加速電壓為100kv，電子束電流為0.5na；
25.曝光后的頂層硅的基片放入顯影液中進行顯影，顯影時間為90s，顯影后放入異丙醇溶液中定影，定影時間為60s。
26.優選地，在步驟s2中，刻蝕時間為47s，刻蝕深度為77nm。
27.優選地，在步驟s3中，電子束光刻膠采用ar-p6200.09光刻膠，電子束光刻膠厚度為200nm；
28.頂層硅的基片重新旋涂電子束光刻膠后再次進行曝光，曝光時加速電壓為100kv，電子束電流為1na；
29.曝光后的基片放入顯影液中進行顯影，顯影時間為75s，顯影后放入異丙醇溶液中定影，定影時間為60s。
30.優選地，在步驟s4中，刻蝕時間為135s，刻蝕深度為220nm。
31.與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：
32.1、本發明提出了一種只利用片上i/o端口即可實現在通信o波段(1550nm附近)進行選擇濾波功能的硅基光學濾波器件，在不降低濾波性能的前提下，可以大大簡化設計過程以及加工難度；
33.2、本發明提出了一種兼容cmos工藝的制造方法，可以降低制造成本，有利于大規模生產；
34.3、本發明可通過改變反向二元閃耀光柵的周期，實現濾波中心頻率可調。
附圖說明
35.通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯：
36.圖1為濾波器俯視結構示意圖；
37.圖2為濾波器剖面結構示意圖；
38.圖3為二元閃耀光柵衍射方向原理圖；
39.圖4為濾波器的濾波仿真結果；
40.圖5為濾波器的測試結果圖；
41.圖6為正向二元閃耀光柵和反向二元閃耀光柵原理圖。
42.圖中所示：
43.具體實施方式
44.下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變化和改進。這些都屬于本發明的保護范圍。
45.實施例1
46.如圖1和圖2所示，本實施例包括：硅襯底5、埋氧層6以及頂層硅7；埋氧層6一側連接為頂層硅7，另一側連接硅襯底5；頂層硅7包括：正向二元閃耀光柵1、錐形體2、波導3以及反向二元閃耀光柵4；波導3兩端分別通過錐形體2連接正向二元閃耀光柵1和反向二元閃耀光柵4。埋氧層6采用二氧化硅，埋氧層6厚度為2μm。硅襯底5和頂層硅7采用單晶硅，硅襯底5厚度為700μm，頂層硅7厚度為220nm。正向二元閃耀光柵1和反向二元閃耀光柵4設置有一個或多個子光柵。
47.如圖3和圖6所示，正向二元閃耀光柵1設置為入射光經過二元閃耀光柵的衍射后會向波導3所在方向傳播，反向二元閃耀光柵4設置為入射光經過二元閃耀光柵的衍射后會向波導3所在方向的反向傳播。正向二元閃耀光柵1所在端設置為輸入端，反向二元閃耀光柵4所在端設置為輸出端。
48.本實施例還提供基于反向二元閃耀光柵的濾波器的制造方法，包括以下步驟：步驟s1，在頂層硅7上旋涂電子束光刻膠，電子束光刻膠厚度為70nm；通過電子束直寫進行正向二元閃耀光柵1和反向二元閃耀光柵4的圖形化；曝光后的頂層硅7基片放入顯影液中進行顯影，顯影后放入異丙醇溶液中定影；步驟s2，在電子束光刻膠的保護下對頂層硅7進行刻蝕，從而將正向二元閃耀光柵1和反向二元閃耀光柵4的圖形轉移至頂層硅7上，刻蝕時間為47s，刻蝕深度為77nm，之后將剩余的電子束光刻膠清洗干凈；步驟s3，在頂層硅7上旋涂新的電子束光刻膠，電子束光刻膠厚度為200nm；并通過電子束直寫進行錐形體2和波導3的圖形化；曝光后的頂層硅7基片放入顯影液中進行顯影，顯影后放入異丙醇溶液中定影；步驟s4，在電子束光刻膠的保護下對頂層硅7進行刻蝕，刻蝕時間為135s，刻蝕深度為220nm；從而將錐形體2和波導3的圖形轉移至頂層硅7上，并將剩余的電子束光刻膠清洗干凈。
49.實施例2
50.實施例2作為實施例1的優選例。
51.如圖3所示，對于二元閃耀光柵結構，其可由閃耀光柵等效轉換得到，因此它同樣具備閃耀效應，即可將入射光的能量閃耀至需要的某一衍射級次。對于垂直入射至二元閃
耀光柵的光，閃耀的衍射級次被設計為-1級，即光的大部分能量會被衍射至以窄的子光柵結束的方向。
52.如圖6所示，如果入射光經過二元閃耀光柵的衍射后會向波導3所在方向傳播，則該二元閃耀光柵被定義為正向二元閃耀光柵1，這時大部分入射的光能夠耦合至波導3，并可在波導3中穩定的傳播；如果入射光經過二元閃耀光柵的衍射后會向波導3所在方向的反向傳播，則該二元閃耀光柵被定義為反向二元閃耀光柵4，這時大部分入射的光不能耦合至波導3，因此該結構可用于濾波。
53.如圖1和圖2所示，本實施例包括：正向二元閃耀光柵1、錐形體2、波導3以及反向二元閃耀光柵4。材料堆棧為：硅襯底5、埋氧層6以及頂層硅7。正向二元閃耀光柵1、錐形體2、波導3以及反向二元閃耀光柵4位于頂層硅。硅襯底5為700μm厚的單晶硅層，埋氧層6為2μm厚的二氧化硅層，頂層硅7為220nm厚的單晶硅層。
54.本實施例提供該濾波器的制造方法，包括以下步驟：步驟t1、在頂層硅7上旋涂電子束光刻膠ar-p672.045，并通過電子束直寫進行正向二元閃耀光柵1和反向二元閃耀光柵4的圖形化；步驟t2、通過電感耦合等離子體反應離子刻蝕(icp-rie)工藝在電子束光刻膠ar-p672.045的保護下對頂層硅7進行刻蝕，從而將正向二元閃耀光柵1和反向二元閃耀光柵4的圖形轉移至頂層硅7上，并將剩余的電子束光刻膠ar-p672.045清洗干凈；步驟t3、在頂層硅7上旋涂新的電子束光刻膠ar-p6200.09，并通過電子束直寫進行錐形體2和波導3的圖形化；步驟t4、通過icp-rie工藝在電子束光刻膠ar-p6200.09的保護下對頂層硅7進行刻蝕，從而將錐形體2和波導3的圖形轉移至頂層硅7上，并將剩余的電子束光刻膠ar-p6200.09清洗干凈。
55.實施例3
56.如圖4所示，圖中圖例里的t值表示二元閃耀光柵的周期。正向二元閃耀光柵1和反向二元閃耀光柵4的參數設計：考慮到效率和制備難度，正向二元閃耀光柵1和反向二元閃耀光柵4的子光柵個數選為2。結合粒子群算法，對正向二元閃耀光柵1和反向二元閃耀光柵4的周期、刻蝕深度、子光柵寬度等關鍵參數進行優化，最終得到的正向二元閃耀光柵1和反向二元閃耀光柵4衍射效率高且容易實現。
57.正向二元閃耀光柵1和反向二元閃耀光柵4的圖形化：選取所需的soi基片，利用丙酮進行有機清洗。將清洗干凈的基片放入氧等離子體中進行處理，以增加電子束光刻膠的粘著力。對正向二元閃耀光柵1和反向二元閃耀光柵4的圖形化，由于其最小線寬較小，選取分辨率高的薄膠ar-p672.045。勻膠機轉速為4000rpm,勻膠時間為40s，前烘溫度為180℃，前烘時間為180s,最終光刻膠厚度為70nm。利用電子束直寫技術對涂覆有光刻膠的基片進行曝光，加速電壓為100kv，電子束電流為0.5na。曝光后的基片放入顯影液中進行顯影，顯影時間為90s，而后放入異丙醇溶液中定影，定影時間為60s。
58.正向二元閃耀光柵1和反向二元閃耀光柵4的刻蝕：利用icp-rie刻蝕系統對顯影后的基片進行刻蝕，從而將光刻膠上的正向二元閃耀光柵1和反向二元閃耀光柵4的圖形轉移至頂層硅7中，刻蝕氣體為sf6和c4f8，刻蝕時間為47s，刻蝕深度為77nm。
59.錐形體2和波導3的圖形化：清洗和預處理與正向二元閃耀光柵1和反向二元閃耀光柵4中的一致，光刻膠選取較厚的ar-p6200.09光刻膠以確保后續的220nm的刻蝕要求。勻膠機轉速為4000rpm,勻膠時間為40s，前烘溫度為150℃，前烘時間為60s,最終光刻膠厚度
為200nm。利用電子束直寫技術對涂覆有光刻膠的基片進行曝光，加速電壓為100kv，電子束電流為1na。曝光后的基片放入顯影液中進行顯影，顯影時間為75s，而后放入異丙醇溶液中定影，定影時間為60s。
60.錐形體2和波導3的刻蝕：刻蝕時間為135s，刻蝕深度為220nm?？涛g完成后，將基片表面的剩余光刻膠利用有機清洗去除。
61.如圖5所示為利用光學測試平臺對最終加工完成的基片進行測試的濾波結果。從圖中可以看出，經過優化設計以及加工制備的濾波器件測試結果和預期基本一致。中心頻率的偏移是實際加工工藝存在的無法避免的誤差導致的。中心頻率的可調諧也被證明通過改變反向二元閃耀光柵的周期可以實現。周期逐漸增大，調諧中心頻率會逐漸紅移，且周期每變化5nm，中心頻率會變化大約10nm。
62.本領域技術人員知道，除了以純計算機可讀程序代碼方式實現本發明提供的系統及其各個裝置、模塊、單元以外，完全可以通過將方法步驟進行邏輯編程來使得本發明提供的系統及其各個裝置、模塊、單元以邏輯門、開關、專用集成電路、可編程邏輯控制器以及嵌入式微控制器等的形式來實現相同功能。所以，本發明提供的系統及其各項裝置、模塊、單元可以被認為是一種硬件部件，而對其內包括的用于實現各種功能的裝置、模塊、單元也可以視為硬件部件內的結構；也可以將用于實現各種功能的裝置、模塊、單元視為既可以是實現方法的軟件模塊又可以是硬件部件內的結構。
63.在本技術的描述中，需要理解的是，術語“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本技術和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本技術的限制。
64.以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內做出各種變化或修改，這并不影響本發明的實質內容。在不沖突的情況下，本技術的實施例和實施例中的特征可以任意相互組合。