一种波导结构及其制造方法

技术领域

本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种波导结构及其制造方法。

背景技术

硅光子是一种基于硅和硅基衬底材料(如SiGe/Si、SOI等)，利用现有互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺进行光器件开发和集成的新一代技术，其结合了集成电路技术的超大规模、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势。硅光子不仅在现阶段的光通信、光互连领域有迫切的应用需求，也是未来实现芯片内光互连和光计算机的潜在技术。

波导结构是硅光子器件中的重要器件。现有的波导结构中出现了一种微环谐振腔结构，例如，将微环设置于平行的两个直波导之间，光进入一个直波导，该直波导中的光耦合进入微环耦合，从微环耦合进另一个直波导，并从该另一个直波导出射。

微环谐振腔结构作为基本光学元器件，其光传输方向可控，并且，由于其谐振不需要腔面或者光栅来提供光反馈，因而有利于与其他光电子元器件的单片集成。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

在传统的微环结构中，可通过减小微环半径，并在平行的两个直波导之间串联多个大小不同的微环来实现大的自由光谱范围(FSR)，其中，微环的串联是指：相邻两个微环的中心的连线与两个直波导的延伸方向垂直。此外，在传统的微环结构中，还可以增加微环的个数来提高输出光谱的平滑度。

本申请的发明人发现，在传统的微环结构中，需要设计多个大小不同的微环，因而版图的设计比较复杂，并且，直线型波导的延伸方向和多个环形波导的排列方向垂直，占用芯片表面的面积较大。

本申请实施例提供一种波导结构及其制造方法，在该波导结构中，使用U型波导连接两个直线型波导，从而使谐振光和非谐振光在同一端口相长干涉，并且，在两个平行的直线型波导之间并联两个以上环形波导，由此，不仅使得输出的光谱顶部的平滑度提高，自由光谱范围(FSR)得到加倍，而且，版图的设计简单，占用芯片表面的面积较小。

根据本申请实施例的一个方面，提供一种波导结构，所述波导结构包括：

环形波导，其数量为两个以上；

第一直线型波导，呈直线形状，所述第一直线型波导的两端分别为入射端和第一连接端；

第二直线型波导，呈直线形状，所述第二直线型波导的两端分别为出射端和第二连接端；以及

U型波导，其连接所述第一连接端和第二连接端，其中，相邻的环形波导的中心连线与所述第一直线型波导和所述第二直线型波导平行。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，各所述环形波导的半径相同。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述环形波导的数量为三个以上，相邻两个环形波导的中心距离(Ls)相等。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，相邻两个环形波导的中心的距离(Ls)为所述环形波导周长的一倍。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述U型波导的长度(Lu)为所述环形波导半周长的偶数倍。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述波导结构由第一材料形成，位于衬底上，所述衬底由第二材料形成，所述第一材料的折射率高于所述第二材料的折射率。

根据本申请实施例的另一个方面，其中，所述第一材料为锗(Ge)，所述第二材料为硅(Si)。

根据本申请实施例的另一个方面，提供一种波导结构的制造方法，所述制造方法包括：

在衬底上外延第一材料层；

刻蚀所述第一材料层，得到由所述第一材料形成的波导结构，

其中，所述波导结构包括：

环形波导，其数量为两个以上；

第一直线型波导，呈直线形状，所述第一直线型波导的两端分别为入射端和第一连接端；

第二直线型波导，呈直线形状，所述第二直线型波导的两端分别为出射端和第二连接端；以及

U型波导，其连接所述第一连接端和第二连接端，其中，相邻的环形波导的中心连线与所述第一直线型波导和所述第二直线型波导平行。

本申请的有益效果在于：在该波导结构中，使用U型波导连接两个直线型波导，从而使谐振光和非谐振光在同一端口相长干涉，并且，在两个平行的直线型波导之间并联两个以上环形波导，由此，不仅使得输出的光谱顶部的平滑度提高，自由光谱范围(FSR)得到加倍，而且，版图的设计简单，占用芯片表面的面积较小。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1是本申请实施例1的波导结构在横向上的一个示意图；

图2是在第一直线型波导和第二直线型波导之间并联设置环形波导的输出端光谱的一个示意图；

图3是具有U型波导的情况下在第一直线型波导和第二直线型波导之间并联设置环形波导的输出端光谱的一个示意图；

图4是本申请实施例2的波导结构的制造方法的一个示意图。

具体实施方式

参照附图，通过下面的说明书，本申请的前述以及其它特征将变得明显。在说明书和附图中，具体公开了本申请的特定实施方式，其表明了其中可以采用本申请的原则的部分实施方式，应了解的是，本申请不限于所描述的实施方式，相反，本申请包括落入所附权利要求的范围内的全部修改、变型以及等同物。

在本申请各实施例的说明中，为描述方便，将平行于衬底的表面的方向称为“横向”，将垂直于衬底的表面的方向称为“纵向”，其中，各部件的“厚度”是指该部件在“纵向”的尺寸，在“纵向”上，从衬底指向波导结构的方向称为“上”方向，与“上”方向相反的为“下”方向。

实施例1

本申请实施例提供一种波导结构。

图1是本申请实施例1的波导结构在横向上的一个示意图。

如图1所示，波导结构1包括：环形波导11，第一直线型波导12，第二直线型波导13，以及U型波导14。

在本实施例中，如图1所示，环形波导11的数量为两个以上，例如，两个，三个，或多于三个等。其中，相邻的环形波导11的中心连线与第一直线型波导12和第二直线型波导13平行，即，两个以上的该环形波导并联于第一直线型波导12和第二直线型波导13之间。

如图1所示，第一直线型波导12呈直线形状，第一直线型波导12的两端分别为入射端121和第一连接端122。

如图1所示，第二直线型波导13呈直线形状，第二直线型波导13的两端分别为出射端131和第二连接端132。

如图1所示，U型波导14连接第一连接端122和第二连接端132。

如图1所示，最靠近U型波导14的环形波导11为环形波导111，第一连接端122和第二连接端132的连线经过环形波导111的中心C。第一连接端122和第二连接端132的连线垂直于第一直线型波导12和第二直线型波导13。

在本实施例中，如图1所示，入射光可以从入射端121进入第一直线型波导12，一方面，满足环形波导的谐振条件的光波可以依次耦合进入该两个以上的环形波导11中，并从环性波导11耦合进入到第二直线型波导13，并从出射端131输出；另一方面，入射光中不满足环形波导的谐振条件的光波(即，非谐振光)经过U型波导14传播到第二直线型波导13，也从出射端131输出。

根据本实施例，在该波导结构1中，使用U型波导连接两个直线型波导，从而使谐振光和非谐振光在同一端口相长干涉，并且，在两个平行的直线型波导之间并联两个以上环形波导，由此，使得输出的光谱顶部的平滑度提高，且自由光谱范围(FSR)得到加倍；并且，在本实施例中，两个以上环形波导并联在两个直线型波导之间，直线型波导的延伸方向和多个环形波导的排列方向一致，由此，版图的设计简单，占用芯片表面的面积较小。

在本实施例中，各环形波导11的半径可以相同，由此，制造波导结构1的过程中使用的版图中不需要设置多个半径不同的微环，因而版图的涉及简单。

如图1所示，相邻的环形波导11的中心距离为Ls。在环形波导的数量为三个以上的情况下，相邻两个环形波导的中心距离(Ls)相等。

在一个具体的实施方式中，相邻两个环形波导11的中心的距离(Ls)为环形波导11的周长的一倍，即，环形波导11的半周长的二倍，由此，能够使得布拉格谐振与环形波导的谐振重合。

如图1所示，U型波导14的长度为Lu。在一个具体实施例中，Lu可以等于环性波导11的周长的整数倍，即，Lu可以等于环形波导11的半周长的偶数倍，由此，可以使得自由光谱范围(FSR)加倍。

在本实施例中，通过调整Ls，可实现布拉格谐振和环形波导11内谐振的重合，使得出射端131的光谱顶部的平滑度增加，即，得到箱型光谱；并且，通过调整Lu，可在使得出射端131的光谱的自由光谱范围(FSR)加倍。由此，在本实施例中，通过调整Ls和Lu，能够在波导结构1中同时实现自由光谱范围(FSR)加倍以及箱型光谱的目的。与传统微环谐振腔相比，本实施例的波导结构1由于具有加倍的自由光谱范围(FSR)以及箱型光谱，因而能够被用于波分复用技术以及滤波器等硅基光电子领域。

图2是在第一直线型波导和第二直线型波导之间并联设置环形波导的输出端光谱的一个示意图。如图2所示，201、202、203分别是在第一直线型波导和第二直线型波导之间具有1个环形波导，并联有2个环形波导，并联有3个环形波导的情况下输出端光谱的示意图。如图2所示，并联的环形波导数量越多，光谱的顶部越平滑。

此外，在图2中，自由光谱范围(FSR)为光谱范围204。

图3是具有U型波导的情况下在第一直线型波导和第二直线型波导之间并联设置环形波导的输出端光谱的一个示意图。如图3所示，301、302、303分别是在第一直线型波导和第二直线型波导之间具有1个环形波导，并联有2个环形波导，并联有3个环形波导的情况下输出端光谱的示意图。自由光谱范围(FSR)为光谱范围304。

如图2和图3所示，光谱范围304是光谱范围204的二倍，可见，通过增加U型波导，自由光谱范围(FSR)能够加倍。

此外，在图3中，并联的环形波导数量越多，光谱的顶部越平滑。例如，针对图3中虚线圈305所示的光谱的顶部，光谱303顶部的平滑度高于光谱302顶部的平滑度，光谱302顶部的平滑度高于光谱301顶部的平滑度。

在本实施例中，波导结构11可以由第一材料形成，波导结构11可以位于衬底(图1未示出)上，该衬底可以由第二材料形成。

在本实施例中，第一材料的折射率可以高于第二材料的折射率，由此，光波在波导结构11内能够形成全反射，避免入射到衬底。例如，第一材料为锗(Ge)，第二材料为硅(Si)。此外，第一材料也可以是硅或氮化硅等材料，相应地，第二材料是折射率小于硅或氮化硅的材料。

第一材料选择锗或硅材料，能够得到如下优点：锗或硅在光谱范围中的透明度范围可达到中红外波长，因此，使用锗或硅来形成波导结构，能够在大的波长范围内实现较低损耗。

根据本实施例，在该波导结构1中，使用U型波导连接两个直线型波导，从而使谐振光和非谐振光在同一端口相长干涉，并且，在两个平行的直线型波导之间并联两个以上环形波导，由此，使得输出的光谱顶部的平滑度提高，且自由光谱范围(FSR)得到加倍；并且，在本实施例中，两个以上环形波导并联在两个直线型波导之间，直线型波导的延伸方向和多个环形波导的排列方向一致，由此，版图的设计简单，占用芯片表面的面积较小。

实施例2

实施例2提供一种波导结构的制造方法，用于制造实施例1所述的波导结构。

图4是本实施例的波导结构的制造方法的一个示意图。如图4所示，在本实施例中，该制造方法可以包括：

步骤401、在衬底上外延第一材料层；

步骤402、刻蚀所述第一材料层，得到由所述第一材料形成的波导结构。

在步骤401中，在衬底上外延第一材料层的方法可以是气相沉积或化学沉积等方法。

在步骤402中，可以采用如下方法得到波导结构：在第一材料层表面涂覆光刻胶，对光刻胶进行曝光和显影得到光刻胶图形，以光刻胶图形为掩模刻蚀第一材料层，从而得到由第一材料形成的波导结构。

通过步骤402，可以得到图1所示的波导结构1。

在一个具体实施例中，衬底可以是硅材料，第一材料层可以是外延在硅衬底表面的锗材料层。

根据本实施例，在制造的波导结构1中，使用U型波导连接两个直线型波导，从而使谐振光和非谐振光在同一端口相长干涉，并且，在两个平行的直线型波导之间并联两个以上环形波导，由此，使得输出的光谱顶部的平滑度提高，且自由光谱范围(FSR)得到加倍；并且，在本实施例中，两个以上环形波导并联在两个直线型波导之间，直线型波导的延伸方向和多个环形波导的排列方向一致，由此，版图的设计简单，占用芯片表面的面积较小。

以上结合具体的实施方式对本申请进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本申请保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本申请的精神和原理对本申请做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本申请的范围内。