用各向異性濕法蝕刻技術制作的低損耗硅波導

引言

低損耗硅波導和有效的光柵耦合器來將光耦合到其中。通過使用各向異性濕法蝕刻技術，我們將側壁粗糙度降低到1.2納米。波導沿[112]方向在絕緣體上硅襯底上形成圖案。波導邊界由垂直于[110]表面的平面決定。制作的波導對TE極化的最小傳播損耗為0.85分貝/厘米，對TM極化的最小傳播損耗為1.08分貝/厘米。制作的光柵耦合器在1570納米處的耦合效率為4.16分貝，3 dB帶寬為46納米。

介紹

硅光子技術被視為替代板對板和芯片內光學互連的金屬互連的潛在解決方案(Miller，2009)。用于實現無源和有源光學器件的硅光子學最常用的材料平臺是硅非絕緣體(SOI)。除了硅是透明的這一事實之外，晶體硅(~3.5)和掩埋氧化物之間在電信波長下的大折射率對比使得強光限制在頂部硅層中。通過蝕刻硅層以形成肋或線波導，還可以實現極好的橫向限制，使得具有小彎曲半徑的光波導，因此，緊湊的光子電路在亞微米尺度上是可行的。然而，這種強限制是有代價的，因為折射率的任何不規則性都會導致強散射損耗，因為散射損耗與(δn)3成比例(鈴木等人，。1994). 通常，側壁粗糙度是硅光子學元件中光學損耗的主要促成因素，尤其是對于亞微米尺寸的硅波導。因此，正在進行深入研究，以開發實現低損耗硅波導的最佳制造工藝，因為這對硅光子技術的成功至關重要。

實驗

各向異性濕法刻蝕制造

對于晶體硅的各向異性濕法蝕刻，四甲基氫氧化銨(TMAH)水溶液被廣泛使用。由于其強堿性，根據暴露的晶面，TMAH與晶體硅的反應非常不同。例如，當[100]和[110]平面被蝕刻時，[111]平面幾乎不受溶液的影響。這種效應可以允許非常高的各向異性蝕刻，其中[111]平面充當蝕刻停止層。這種濕法蝕刻技術可以產生散射損耗非常低的波導，因為它是完全化學的過程，并且波導側壁將由硅晶面決定，硅晶面理想地在原子尺度上具有不規則性。

為了進行比較，我們還使用標準干蝕刻工藝制作了波導。我們使用了與濕法蝕刻工藝相同的基底。用ZEP520A抗蝕劑旋涂襯底，并使用電子束光刻將波導圖案寫在抗蝕劑上。然后使用電感耦合等離子體蝕刻工藝將圖案轉移到硅層。然后，在用1-微米厚的?？怂?16層覆蓋之前，在O2等離子體灰化器中處理襯底以去除抗蝕劑。

圖3A用波導在不同時間點的掃描電鏡截面圖顯示了作為蝕刻時間函數的剩余硅厚度。在未構圖的SOI襯底上，發現對于[110]方向，蝕刻速率為37納米/分鐘，因此340納米厚的頂部硅層預計在< 10分鐘內被蝕刻掉。然而，對于圖案化的襯底，例如，。在制作波導結構時，我們在波導底部發現了硅殘留物，即使在長時間蝕刻后也是如此參見圖3A中的插圖

圖3

討論

在為濕法蝕刻工藝設計光柵耦合器時，我們必須考慮濕法蝕刻工藝所施加的限制，因為晶面決定了要制造的結構的形狀。對于]取向的SOI晶片，只有方向給出穩定的垂直側壁。因此，這兩個晶體方向被用來設計光柵耦合器和相關的波導。由于這兩個平面之間的角度是109.47°，1D光柵很難設計。這是因為在1D光柵耦合器中，凹槽需要垂直于波導的方向，以便有效耦合。因此，我們選擇了2D亞波長光柵設計，如圖5A所示。采用三維時域有限差分(FDTD)法，使用商用軟件Lumerical確定優化設計參數。我們還沿光傳播方向對光柵結構進行了線性變跡，以提高耦合效率。沿著x方向，周期保持恒定在ax = 350 nm，具有30行凹槽。沿著y方向，前11個周期具有ay = 600 nm的周期性，然后在接下來的11個周期中周期性從600 nm線性變化到550 nm，以實現變跡。如圖5B所示，凹槽的形狀是平行四邊形，其較長的臂沿著[方向，與波導相同，較短的臂沿著方向。除了垂直于方向的平面外，還有兩個與表面成35.3°角的[111]平面，這也決定了凹槽深度的范圍。均勻(未修飾)部分中的凹槽長l = 430納米，寬w = 200納米。在變跡截面中，當寬度保持恒定在w = 200 nm時，長度從l = 430到270 nm線性變化。最后，在380納米寬的硅波導和10微米寬的光柵耦合器之間產生無損轉換所需的絕熱波導錐形長度被選擇為500 μm。有趣的是，在制造的器件中，我們沒有看到濕法蝕刻工藝的各向異性的任何明顯影響，這可能是因為錐形側壁與方向的偏差小于1。

結論

總之，我們提出了一種新穎簡單的制作技術，利用各向異性濕法刻蝕技術實現低損耗硅波導和光柵耦合器。為了實現波導的垂直側壁，我們使用了取向的SOI襯底平面。原子力顯微鏡成像顯示，與干蝕刻波導的7納米相比，濕蝕刻波導的1.2納米側壁粗糙度有顯著改善。對于TE極化，我們已經實現了濕蝕刻波導的傳播損耗僅為0.85分貝/厘米。這明顯小于干蝕刻波導測得的4.69分貝/厘米的傳播損耗。此外，TM偏振的傳播損耗為1.08分貝/厘米，表明該濕法刻蝕工藝可用于制作偏振不敏感的波導結構。還展示了使用相同的濕法蝕刻技術制造的高效光柵耦合器。光柵耦合器由六邊形凹槽組成。凹槽的形狀和深度由沿的穩定晶面決定。優化后的光柵耦合器在1565納米處的耦合效率為4.3分貝，3 dB帶寬為38納米。

審核編輯人：鄢夢凡