阅读说明：本技术 一种三通硅基分束器芯片及其制造方法 (Three-way silicon-based beam splitter chip and manufacturing method thereof ) 是由 曾和平 冯吉军 吴昕耀 于 2019-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种三通道硅基分束器芯片,包括一个输入波导、三个输出波导和设置在所述输入波导和所述输出波导之间的耦合区；所述耦合区为正方形；所述输入波导和所述输出波导的宽度相等,所述宽度为K：490nm<K<510nm；所述耦合区、所述输入波导和所述输出波导的厚度均相等,所述厚度为H：210nm<H<230nm；所述耦合区的边长长度为L：1600nm<L<2000nm。本发明的三通道硅基分束器芯片,集成度更高,器件尺寸小,提高了波前重构设备的便携性。(The invention discloses a three-channel silicon-based beam splitter chip, which comprises an input waveguide, three output waveguides and a coupling area arranged between the input waveguide and the output waveguides; the coupling region is square; the input waveguide and the output waveguide have equal widths, the widths being K: 490nm < K <510 nm; the coupling region, the input waveguide and the output waveguide are all equal in thickness, and the thickness is H: 210nm < H <230 nm; the length of the side of the coupling area is L: 1600nm < L <2000 nm. The three-channel silicon-based beam splitter chip has higher integration level and small device size, and improves the portability of wavefront reconstruction equipment.)

一种三通硅基分束器芯片及其制造方法

技术领域

本发明涉及集成光子器件领域，尤其涉及硅基分束器技术。

背景技术

激光波前重构技术在激光处理等相关应用中具有重要应用，如可用于近视激光原位角膜磨镶术中的个性化波前引导方面。波前重构，即通过对承载被成像物体的表面光场强度进行处理，提取出对应相位面信息进行分解、重构处理。分束器是波前重构的关键器件，为了波前重构成像系统的小型化的进一步发展，以及利用光器件实现更多的功能，既要解决器件尺寸给集成化带来的阻碍，又要在更小的尺寸下实现功能上的创新。硅基集成光电子器件在诸如能耗、性能、尺寸和成本等方面有着较大的优势，在波前重构、量子调控、光计算等多个领域有着重要应用。但如何在减少器件尺寸同时依然保有高性能，一直是硅基光子领域的一项重大挑战。

专利文献CN105334575A公开了一种硅基超材料光分束器及其制造方法，其硅基超材料光分束器包括基片，所述基片包括一个输入波导和两个输出波导，在所述输入波导和输出波导之间具有N×N个同等大小的像素块组成的耦合区域；通过对所述像素块进行打孔，通过优化算法形成特殊的打孔阵列，由于亚波长尺寸的空气孔阵列的排布可以等效为一种非均匀缓变的折射率分布区域，可以同时对不同的波长进行引导，从而使得不同的波长都能够达到在输出端口有效输出的目的，进而实现了大工作带宽的目的。由硅基集成的分束器大多是由一个输入波导、耦合区域和两个输出波导的分束器组成，三通道硅基分束器还鲜见相关报道。传统的三通道分束器的结构尺寸大，不利于便携，且能耗高，成本高，性能低，同时基于传统波导理论设计出的三通道分束器分光比为1:2:1。

发明内容

本发明的目的是提供一种集成度更高，器件尺寸小，提高波前重构设备的便携性的三通道硅基分束器。

为实现上述目的，本发明提供一种三通道硅基分束器芯片，包括一个输入波导、三个输出波导和设置在所述输入波导和所述输出波导之间的耦合区；所述耦合区为正方形；

所述输入波导和所述输出波导的宽度相等,所述宽度为K：490nm<K<510nm；所述耦合区、所述输入波导和所述输出波导的厚度均相等,所述厚度为H：

210nm<H<230nm；所述耦合区的边长长度为L：1600nm<L<2000nm。

进一步，所述耦合区由N*N个像素结构组成；所述像素结构包括硅像素结构和二氧化硅像素结构；所述硅像素结构和所述二氧化硅像素结构离散化分布在所述耦合区上；所述硅像素结构和所述二氧化硅像素结构的尺寸大小相等。

进一步，所述硅像素结构和所述二氧化硅像素结构在所述耦合区中均非线性相邻或间隔设置。

进一步，三个所述输出波导分别为第一输出波导、第二输出波导和第三输出波导；所述第二输出波导和所述输入波导均设置在所述耦合区的光源入射方向的对称轴的延伸线上；所述第一输出波导和所述第三输出波导相对于所述对称轴的延伸线对称设置在所述第二输出波导的两侧。

进一步，所述耦合区通过所述对称轴被划分为第一耦合区和第二耦合区；所述第一耦合区上的所述硅像素结构和所述二氧化硅像素结构与所述第二耦合区上的所述硅像素结构和所述二氧化硅像素结构沿所述对称轴对称分布。

进一步，所述厚度为220nm，所述边长长度为1800nm，所述宽度为500nm。

进一步，所述耦合区由18*18个所述像素结构组成；每个所述像素结构的边长为100nm，厚度为220nm；每个所述像素结构的位置设置为x-y,其中x表示第x行，1≤x≤18，x为整数，y表示第y列，1≤y≤18，y为整数；

在第一耦合区域内设置有所述二氧化硅像素结构的位置为：1-3，1-4，1-6，1-9，1-10，1-12，1-13，1-15，1-17，1-18，2-1，2-2，2-3，2-4，2-5，2-6，2-9，2-10，2-15，7-1，7-2，7-7，7-9，7-14，7-16，7-17，7-18；

在所述第二耦合区内设置有所述二氧化硅像素结构的位置为：12-1，12-2，12-7，12-9，12-14，12-16，12-17，12-18，17-1，17-2，17-3，17-4，17-5，17-6，17-9，17-10，17-15，18-3，18-4，18-6，18-9，18-10，18-12，18-13，18-15，18-17，18-18；

在所述第一耦合区域和所述第二耦合区其余位置均设置为所述硅像素结构。

进一步，所述三通道硅基分束器适用的波长范围为1550纳米波段。

本发明还提供了一种三通道硅基分束器芯片的制造方法，包括以下步骤：

(S1)采用硅基衬底，在所述硅基衬底上形成一个输入波导、三个输出波导和耦合区，在所述硅基衬底上，将所述输入波导和所述输出波导之间的耦合区划分成N*N个像素结构；所述所述像素结构包括硅像素结构和二氧化硅像素结构，所述硅像素结构和所述二氧化硅像素结构离散化分布在所述耦合区上；

(S2)设置目标参量和结构变量，目标参量为三个所述输出波导的输出端口的透射率，均为0.33；结构变量为在耦合区上通过所述硅像素结构和所述二氧化硅像素结构离散化分布结构；将目标参量和结构变量进行建模；

(S3)根据不同的结构变量，通过迭代寻优的方式确定出最佳的所述硅像素结构和所述二氧化硅像素结构在所述耦合区上的离散化分布结构。

在步骤(S2)中，包括以下步骤：

(201)每个像素结构对应一个二进制的权重位，按照从右到左的方式分配低位到高位的权重；“1”代表该像素块为硅像素结构，“0”代表该像素块为二氧化硅像素结构；所述耦合区上的每一行由1或0构成的N个像素结构组成一个N位二进制数，总共N个N位二进制数；结构变量转化为N个所述N位二进制数；

(S202)使用粒子群算法作为寻优算法，建立目标函数FOM公式为：FOM＝(T1-0.33)+(T2-0.33)+(T3-0.33)，其中，T1、T2、和T3依次分别表示为从上到下三个所述输出波导的实际透射率。

本发明与相关技术相比较具有以下优点：

本发明的三通硅基分束器芯片，集成度更高，器件尺寸小，提高了波前重构设备的便携性；通过对结构对称性的设置，简化了繁杂的结构分布设计；通过逆设计方法，将干涉区进行离散化编码，不仅对基于机器学习的设计方法其过程省去了繁琐的波导理论推理；还通过迭代寻优的方法找出最佳分布结构，得到性能更高的三通硅基分束器芯片；通过合理的设计，得到在1550纳米波段以垂直偏振光入射时，实现分束器芯片三个输出端口满足光强分束比为1:1:1。

附图说明

图1为本发明具体实施例的三通道硅基分束器芯片结构示意图；

图2为图1中的俯视图；

图3为图1中的耦合区的像素结构分布的结构示意图；

图4为图3中三个输出波导的透过率随波长的变化关系图；

图5为图3对应离散化分布结构对应的仿真所得光场分布示意图，灰度表示光场分布的强弱；

图6为本发明的三通道硅基分束器芯片的制作工艺过程图。

图中：

1-输入波导；

2-输出波导，21-第一输出波导，22-第二输出波导，23-第三输出波导；

3-耦合区，31-像素结构，310-硅像素结构，311-二氧化硅像素结构，32-第一耦合区，33-第二耦合区；

Q-对称轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

如图1和图2所示，本发明实施例公开了一种三通道硅基分束器芯片包括一个输入波导1、三个输出波导2和设置在所述输入波导1和所述输出波导2之间的耦合区3；所述耦合区3为正方形。

所述输入波导1和所述输出波导2的宽度相等,所述宽度为K：490nm<K<510nm；所述耦合区3、所述输入波导1和所述输出波导2的厚度均相等,所述厚度为H：210nm<H<230nm；所述耦合区3的边长长度为L：1600nm<L<2000nm。该三通道硅基分束器芯片用于波前重构，器件尺寸小，结构紧凑，性能高。

所述硅像素结构310和所述二氧化硅像素结构311在所述耦合区3中均非线性相邻或间隔设置。

三个所述输出波导2分别为第一输出波导21、第二输出波导22和第三输出波导23；所述第二输出波导22和所述输入波导1均设置在所述耦合区3的光源入射方向的对称轴Q的延伸线上；所述第一输出波导21和所述第三输出波导23相对于所述对称轴Q的延伸线对称设置在所述第二输出波导22的两侧。耦合区3、第一输出波导21、第二输出波导22和第三输出波导23的相应的对称设置，简化了工艺设计和制作步骤的繁琐。

如图3所示，所述耦合区3由N*N个像素结构31组成；所述像素结构31包括硅像素结构310和二氧化硅像素结构311；所述硅像素结构310和所述二氧化硅像素结构311离散化分布在所述耦合区3上；所述硅像素结构310和所述二氧化硅像素结构311的尺寸大小相等。设置硅像素结构和二氧化硅像素结构的离散化分布有助于提高对光源从输入波导输出到三个输出波导的透射率。离散化分布表示将硅像素结构310和二氧化硅像素结构311看作点，硅像素结构310和二氧化硅像素结构311在耦合区3中均非线性相邻或间隔设置。

所述耦合区3通过所述对称轴Q被划分为第一耦合区32和第二耦合区33；所述第一耦合区32上的所述硅像素结构310和所述二氧化硅像素结构311与所述第二耦合区33上的所述硅像素结构310和所述二氧化硅像素结构311沿所述对称轴Q对称分布。在保证三通道硅基分束器芯片的高性能前提下，简化了离散化分布结构的设计。

所述厚度H为220nm，所述边长L长度为1800nm，所述宽度K为500nm。

所述耦合区3由18*18个所述像素结构31组成；每个所述像素结构31的边长为100nm，厚度为220nm。

每个所述像素结构31的位置设置为x-y,其中x表示第x行，1≤x≤18，x为整数，y表示第y列，1≤y≤18，y为整数。

在第一耦合区32内设置有所述二氧化硅像素结构311的位置为：1-3，1-4，1-6，1-9，1-10，1-12，1-13，1-15，1-17，1-18，2-1，2-2，2-3，2-4，2-5，2-6，2-9，2-10，2-15，7-1，7-2，7-7，7-9，7-14，7-16，7-17，7-18；

在所述第二耦合区33内设置有所述二氧化硅像素结构311的位置为：12-1，12-2，12-7，12-9，12-14，12-16，12-17，12-18，17-1，17-2，17-3，17-4，17-5，17-6，17-9，17-10，17-15，18-3，18-4，18-6，18-9，18-10，18-12，18-13，18-15，18-17，18-18；

在所述第一耦合区32和所述第二耦合区33其余位置均设置为所述硅像素结构310。所述耦合区3从上到下依次排序为第一行至第十八行，从左到右排序为第一列至第十八列。所述第一输出波导21和所述第三输出波导23与所述第二输出波导22之间的距离均为100nm。将三通道硅基分束器芯片经过上述结构设置，实现了分光比为1:1:1，光损耗小，透射效能高。

本发明的三通道硅基分束器芯片可通过以下三通道硅基分束器芯片的制造方法制得。如图3所示，所述三通道硅基分束器芯片的制造方法，包括以下步骤：

(S1)采用硅基衬底，在所述硅基衬底上形成一个输入波导、三个输出波导和耦合区，在所述硅基衬底上，将所述输入波导和所述输出波导之间的耦合区划分成N*N个像素结构；所述所述像素结构包括硅像素结构和二氧化硅像素结构，所述硅像素结构和所述二氧化硅像素结构离散化分布在所述耦合区上；

(S2)设置目标参量和结构变量，目标参量为三个所述输出波导的输出端口的透射率，均为0.33；结构变量为在耦合区上通过所述硅像素结构和所述二氧化硅像素结构离散化分布结构；将目标参量和结构变量进行建模；

(S3)根据不同的结构变量，通过迭代寻优的方式确定出最佳的所述硅像素结构和所述二氧化硅像素结构在所述耦合区上的离散化分布结构。

在步骤(S2)中，包括以下步骤：

(S201)每个像素结构对应一个二进制的权重位，按照从右到左的方式分配低位到高位的权重；“1”代表该像素块为硅像素结构，“0”代表该像素块为二氧化硅像素结构；所述耦合区上的每一行由1或0构成的N个像素结构组成一个N位二进制数，总共N个N位二进制数；结构变量转化N个所述N位二进制数；

(S202)使用粒子群算法作为寻优算法，建立目标函数FOM公式为：FOM＝(T1-0.33)+(T2-0.33)+(T3-0.33)，其中，T1、T2、和T3依次分别表示为从上到下三个所述输出波导的实际透射率。T1、T2、和T3的值需接近目标参量，目标函数FOM的值越小越好。

如图3所示，选择厚度为220nm，边长长度为1800nm，宽度为500nm的三通道硅基分束器芯片；将耦合区划分成18*18个像素结构31，每一行由1或0构成的18个像素结构组成一个18位二进制数，总共18个18位二进制数。每个18位二进制数取值范围为取值范围0～131071，其中131071为2^18-1。

由于本次的一分三1:1:1的分束器结构具由一定的对称性，出于降低变量考虑，将18个变量按上下对称成9个变量。所述耦合区3通过所述对称轴Q被划分为第一耦合区32和第二耦合区33；所述第一耦合区32上的所述硅像素结构310和所述二氧化硅像素结构311与所述第二耦合区33上的所述硅像素结构310和所述二氧化硅像素结构311沿所述对称轴Q对称分布；

将所述耦合区3通过所述耦合区3的对称轴划分为第一耦合区32和第二耦合区33；每个所述像素结构31的位置设置为x-y,其中x表示第x行，1≤x≤18，x为整数，y表示第y列，1≤y≤18，y为整数；通过迭代寻优的方式寻找出最佳的所述硅像素结构310和所述二氧化硅像素结构311在所述耦合区3上的分布结构，分布结构如下：

在第一耦合区32内设置有所述二氧化硅像素结构311的位置为：1-3，1-4，1-6，1-9，1-10，1-12，1-13，1-15，1-17，1-18，2-1，2-2，2-3，2-4，2-5，2-6，2-9，2-10，2-15，7-1，7-2，7-7，7-9，7-14，7-16，7-17，7-18；

在所述第二耦合区(33)内设置有所述二氧化硅像素结构(311)的位置为：12-1，12-2，12-7，12-9，12-14，12-16，12-17，12-18，17-1，17-2，17-3，17-4，17-5，17-6，17-9，17-10，17-15，18-3，18-4，18-6，18-9，18-10，18-12，18-13，18-15，18-17，18-18；

在所述第一耦合区32和所述第二耦合区33其余位置均设置为所述硅像素结构(310)。

通过上述方法得到最佳值的9个变量按照在第一耦合区32从上到下或在所述第二耦合区(33)从下向上的顺序分别为：208020、3319、262143、262143、262143、262143、62952、262143、262143。

检测并得到三个输出波导的透过率随波长的变化关系，如图4所示，通过图示可知，在波长为1550纳米波段以垂直偏振光入射的三通道分速器芯片性能最好，此时，三个输出波导从上到下在1550纳米波长处取值依次分别为0.329、0.336、0.334。三处透射率之和等于0.999，光源通过三通硅基分束器芯片输出，透射率高，损耗小，实现分束器芯片三个输出端口满足光强分束比为1:1:1。

如图5所示，在硅基衬底上设置有二氧化硅绝缘层，在二氧化硅绝缘层上设置硅层，利用等离子体增强化学气相沉积镀膜装置蒸镀上100纳米的二氧化硅做刻蚀掩膜，接着使用电子束光刻和等离子蚀刻涂覆上光刻胶的二氧化硅缓冲层，同时监控实时刻蚀深度直至达到制作芯层的要求。对于制作的样品表面进行有机清洗后，放入氢氟酸溶液内去除剩余的二氧化硅掩模，并进行RCA硅基材料标准清洗；之后通过等离子体增强、化学气相沉积2微米的二氧化硅作为包层。最后在其背面上抛光并切割以进行性能表征。

芯片在测试以及今后的使用过程中，外界的振动是无法避免的。由于芯片制作精密，光纤耦合的效率直接关系到芯片的性能，这些振动有时甚至会损毁芯片。为提高系统的机械稳定性，降低光纤-波导芯片的耦合损害，需对芯片进行集成封装。

首先，清洁光纤和光波导端面，将光纤和光波导的端面使用异丙醇擦拭后吹干；然后将波导放置于封装系统中的平台上，使用专用夹具固定；之后将与波导对接的光纤分别安装在波导台两侧的三维调整台上固定；接下来将光源与输入光纤连接，光功率计与输出光纤连接，此过程中需要用洁净的、带有半球状前端的玻璃细棒沾些许折射率匹配液点涂到输入光纤端面上，在光纤端面上自然形成液珠状；之后输入端一侧的端面间平行度调整。对于端面良好的波导和光纤，其端面间平行度调整在显微操作下容易实现，两端面间置有折射率匹配液珠，由于表面张力作用，匹配液珠的位置与两端面间的夹角有关，也可在显微系统监测下的调角操作可以获得很好的端面间平行。输出端一侧的端面间平行度调整。与上述对输入端的调整方式相同，在显微镜系统监测下可顺利完成。

完成以上步骤，测试波长由光源端输入，通过调节位移平台调整输入及输出两端面光纤位置直至输出光功率最大，此时到达最佳耦合位置，即确保封装芯片达到最优性能。之后在波导两端面点涂PB300紫外固化胶粘结剂。再经紫外光照射固化，照射时间是180秒，50摄氏度烘烤8小时使粘结剂固化。最后将器件装入盒内，加盖封胶，理顺尾纤后，两端使用橡胶塞封口；将输入输出端口尾纤与光纤跳线熔融连接，装入塑料盒，盘线后引出光纤跳线头。

本发明的三通硅基分束器芯片，集成度更高，器件尺寸小，提高了波前重构设备的便携性；通过对结构对称性的设置，简化了繁杂的结构分布设计；通过逆设计方法，将干涉区进行离散化编码，不仅对基于机器学习的设计方法其过程省去了繁琐的波导理论推理；还通过迭代寻优的方法找出最佳分布结构，得到性能更高的三通硅基分束器芯片；通过合理的设计，得到在1550纳米波段以垂直偏振光入射时，实现分束器芯片三个输出端口满足光强分束比为1:1:1。