用各向异性湿法蚀刻技术制作的低损耗硅波导

引言

低损耗硅波导和有效的光栅耦合器来将光耦合到其中。通过使用各向异性湿法蚀刻技术，我们将侧壁粗糙度降低到1.2纳米。波导沿[112]方向在绝缘体上硅衬底上形成图案。波导边界由垂直于[110]表面的平面决定。制作的波导对TE极化的最小传播损耗为0.85分贝/厘米，对TM极化的最小传播损耗为1.08分贝/厘米。制作的光栅耦合器在1570纳米处的耦合效率为4.16分贝，3 dB带宽为46纳米。

介绍

硅光子技术被视为替代板对板和芯片内光学互连的金属互连的潜在解决方案(Miller，2009)。用于实现无源和有源光学器件的硅光子学最常用的材料平台是硅非绝缘体(SOI)。除了硅是透明的这一事实之外，晶体硅(~3.5)和掩埋氧化物之间在电信波长下的大折射率对比使得强光限制在顶部硅层中。通过蚀刻硅层以形成肋或线波导，还可以实现极好的横向限制，使得具有小弯曲半径的光波导，因此，紧凑的光子电路在亚微米尺度上是可行的。然而，这种强限制是有代价的，因为折射率的任何不规则性都会导致强散射损耗，因为散射损耗与(δn)3成比例(铃木等人，。1994). 通常，侧壁粗糙度是硅光子学元件中光学损耗的主要促成因素，尤其是对于亚微米尺寸的硅波导。因此，正在进行深入研究，以开发实现低损耗硅波导的最佳制造工艺，因为这对硅光子技术的成功至关重要。

实验

各向异性湿法刻蚀制造

对于晶体硅的各向异性湿法蚀刻，四甲基氢氧化铵(TMAH)水溶液被广泛使用。由于其强碱性，根据暴露的晶面，TMAH与晶体硅的反应非常不同。例如，当[100]和[110]平面被蚀刻时，[111]平面几乎不受溶液的影响。这种效应可以允许非常高的各向异性蚀刻，其中[111]平面充当蚀刻停止层。这种湿法蚀刻技术可以产生散射损耗非常低的波导，因为它是完全化学的过程，并且波导侧壁将由硅晶面决定，硅晶面理想地在原子尺度上具有不规则性。

为了进行比较，我们还使用标准干蚀刻工艺制作了波导。我们使用了与湿法蚀刻工艺相同的基底。用ZEP520A抗蚀剂旋涂衬底，并使用电子束光刻将波导图案写在抗蚀剂上。然后使用电感耦合等离子体蚀刻工艺将图案转移到硅层。然后，在用1-微米厚的福克斯-16层覆盖之前，在O2等离子体灰化器中处理衬底以去除抗蚀剂。

图3A用波导在不同时间点的扫描电镜截面图显示了作为蚀刻时间函数的剩余硅厚度。在未构图的SOI衬底上，发现对于[110]方向，蚀刻速率为37纳米/分钟，因此340纳米厚的顶部硅层预计在< 10分钟内被蚀刻掉。然而，对于图案化的衬底，例如，。在制作波导结构时，我们在波导底部发现了硅残留物，即使在长时间蚀刻后也是如此参见图3A中的插图

图3

讨论

在为湿法蚀刻工艺设计光栅耦合器时，我们必须考虑湿法蚀刻工艺所施加的限制，因为晶面决定了要制造的结构的形状。对于]取向的SOI晶片，只有方向给出稳定的垂直侧壁。因此，这两个晶体方向被用来设计光栅耦合器和相关的波导。由于这两个平面之间的角度是109.47°，1D光栅很难设计。这是因为在1D光栅耦合器中，凹槽需要垂直于波导的方向，以便有效耦合。因此，我们选择了2D亚波长光栅设计，如图5A所示。采用三维时域有限差分(FDTD)法，使用商用软件Lumerical确定优化设计参数。我们还沿光传播方向对光栅结构进行了线性变迹，以提高耦合效率。沿着x方向，周期保持恒定在ax = 350 nm，具有30行凹槽。沿着y方向，前11个周期具有ay = 600 nm的周期性，然后在接下来的11个周期中周期性从600 nm线性变化到550 nm，以实现变迹。如图5B所示，凹槽的形状是平行四边形，其较长的臂沿着[方向，与波导相同，较短的臂沿着方向。除了垂直于方向的平面外，还有两个与表面成35.3°角的[111]平面，这也决定了凹槽深度的范围。均匀(未修饰)部分中的凹槽长l = 430纳米，宽w = 200纳米。在变迹截面中，当宽度保持恒定在w = 200 nm时，长度从l = 430到270 nm线性变化。最后，在380纳米宽的硅波导和10微米宽的光栅耦合器之间产生无损转换所需的绝热波导锥形长度被选择为500 μm。有趣的是，在制造的器件中，我们没有看到湿法蚀刻工艺的各向异性的任何明显影响，这可能是因为锥形侧壁与方向的偏差小于1。

结论

总之，我们提出了一种新颖简单的制作技术，利用各向异性湿法刻蚀技术实现低损耗硅波导和光栅耦合器。为了实现波导的垂直侧壁，我们使用了取向的SOI衬底平面。原子力显微镜成像显示，与干蚀刻波导的7纳米相比，湿蚀刻波导的1.2纳米侧壁粗糙度有显著改善。对于TE极化，我们已经实现了湿蚀刻波导的传播损耗仅为0.85分贝/厘米。这明显小于干蚀刻波导测得的4.69分贝/厘米的传播损耗。此外，TM偏振的传播损耗为1.08分贝/厘米，表明该湿法刻蚀工艺可用于制作偏振不敏感的波导结构。还展示了使用相同的湿法蚀刻技术制造的高效光栅耦合器。光栅耦合器由六边形凹槽组成。凹槽的形状和深度由沿的稳定晶面决定。优化后的光栅耦合器在1565纳米处的耦合效率为4.3分贝，3 dB带宽为38纳米。

审核编辑人：鄢梦凡