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1、(10)申请公布号 CN 102393573 A (43)申请公布日 2012.03.28 C N 1 0 2 3 9 3 5 7 3 A *CN102393573A* (21)申请号 201110406571.1 (22)申请日 2011.12.08 G02F 1/025(2006.01) G02F 1/361(2006.01) G02B 6/122(2006.01) G02B 6/138(2006.01) (71)申请人中国科学院半导体研究所 地址 100083 北京市海淀区清华东路甲35 号 (72)发明人许兴胜 高永浩 李成果 (74)专利代理机构中科专利商标代理有限责任 公司 110。
2、21 代理人汤保平 (54) 发明名称 电控可调谐光子晶体波分复用器及其制作方 法 (57) 摘要 一种电控可调谐光子晶体波分复用器，包括： 一薄金属透明电极层；一聚合物层，位于薄金属 透明电极层的下方；一顶层硅层，该顶层硅层的 上面开有光子晶体孔阵列，该顶层硅层位于聚合 物层的下方；一二氧化硅层，为环状结构，位于顶 层硅层下面的四周，使二氧化硅层不遮挡光子晶 体孔阵列；一衬底硅层，为环状结构，位于环状二 氧化硅层的下面。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 2 页 CN 102393581 A 1/2页。
3、 2 1.一种电控可调谐光子晶体波分复用器，包括： 一薄金属透明电极层； 一聚合物层，位于薄金属透明电极层的下方； 一顶层硅层，该顶层硅层的上面开有光子晶体孔阵列，该顶层硅层位于聚合物层的下 方； 一二氧化硅层，为环状结构，位于顶层硅层下面的四周，使二氧化硅层不遮挡光子晶体 孔阵列； 一衬底硅层，为环状结构，位于环状二氧化硅层的下面。 2.根据权利要求1所述的电控可调谐光子晶体波分复用器，其中二氧化硅层的厚度为 1m-2m，顶层硅层的厚度为0.2m-0.5m。 3.根据权利要求1所述的电控可调谐光子晶体波分复用器，其中顶层硅层上的光子晶 体孔阵列的孔内填充有与二阶非线性聚合物层相同的材料，顶层。
4、硅层同时作为器件的下电 极，薄金属透明电极层作为上电极，该薄金属透明电极层的厚度为5nm-30nm。 4.根据权利要求3所述的电控可调谐光子晶体波分复用器，其中顶层硅层上的光子晶 体孔阵列为无缺陷二维光子晶体结构，该二维光子晶体结构的周期a为0.2m-2m，孔半 径r为0.05a-0.5a，晶格类型是四方晶格或三角晶格，该顶层硅层上的光子晶体孔阵列的 孔深小于顶层硅层的厚度。 5.根据权利要求1所述的电控可调谐光子晶体波分复用器，其中聚合物层的厚度为 0.1m-5m，所使用的材料为具有二阶非线性系数的聚合物材料。 6.根据权利要求1所述的电控可调谐光子晶体波分复用器，其中该电控可调谐光子晶 体。
5、波分复用器工作在光通讯C波段。 7.一种电控可调谐光子晶体波分复用器的制作方法，包括如下步骤： 步骤1：取一SOI材料，包括一衬底硅层、二氧化硅层和顶层硅层； 步骤2：在SOI材料的顶层硅层上浅刻蚀出光子晶体孔阵列，去除掩模； 步骤3：在SOI材料的顶层硅层上旋涂二阶非线性聚合物，置于真空烘箱内烘烤，形成 聚合物层； 步骤4：使用热蒸发、电子束蒸发或磁控溅射的方法，在聚合物层上制作薄金属透明电 极层； 步骤5：利用顶层硅层与薄金属透明电极层作为两个电极，对处于其中的聚合物层进 行极化，完成电控可调谐光子晶体波分复用器的制作。 8.根据权利要求7所述的电控可调谐光子晶体波分复用器的制作方法，其中。
6、二氧化硅 层的厚度为1m-2m，顶层硅层的厚度为0.2m-0.5m。 9.根据权利要求8所述的电控可调谐光子晶体波分复用器的制作方法，其中顶层硅层 上的光子晶体孔阵列的孔内填充有与二阶非线性聚合物层相同的材料，顶层硅层同时作为 器件的下电极，与薄金属透明电极作为上电极，该薄金属透明电极层的厚度为5nm-30nm。 10.根据权利要求8所述的电控可调谐光子晶体波分复用器的制作方法，其中顶层 硅层上的光子晶体孔阵列为无缺陷二维光子晶体结构，该二维光子晶体结构的周期a为 0.2m-2m，孔半径r为0.05a-0.5a，晶格类型是四方晶格或三角晶格，该顶层硅层上的 光子晶体孔阵列的孔深小于顶层硅层的厚。
7、度。 权 利 要 求 书CN 102393573 A CN 102393581 A 2/2页 3 11.根据权利要求7所述的电控可调谐光子晶体波分复用器的制作方法，其中聚合物 层的厚度为0.1m-5m，所使用的材料为具有二阶非线性系数的聚合物材料。 12.根据权利要求7所述的电控可调谐光子晶体波分复用器的制作方法，其中该电控 可调谐光子晶体波分复用器工作在光通讯C波段。 13.根据权利要求7所述的电控可调谐光子晶体波分复用器的制作方法，其中烘烤的 温度为80-90，时间为24小时。 14.根据权利要求7所述的电控可调谐光子晶体波分复用器的制作方法，其中对聚合 物层进行的极化，其温度为130-1。
8、50，时间为10-30分钟，所施加电压为60V/m-80V/ m。 权 利 要 求 书CN 102393573 A CN 102393581 A 1/4页 4 电控可调谐光子晶体波分复用器及其制作方法 技术领域 0001 本发明涉及光学非线性、光子晶体共振传导、波分复用、光通讯技术领域，特别是 一种电控可调谐光子晶体波分复用器及其制作方法。 背景技术 0002 随着信息技术的发展，信息传输的要求不断提高，波分复用技术成为了有效提高 光纤通信领域信息传输效率的最重要的方法之一。同时，波分复用器件也就在光通讯领域 有了极其重要的作用。 0003 由于二维光子晶体可在平面内形成光子禁带，通过制造缺陷。
9、，又能形成品质极高 的上下载滤波器，成为了波分复用器件基本结构的重要候选。同时，二维光子晶体的共振 传导模的研究也悄然兴起。Shanhui Fan在其文章Analysis of guided resonances in photonic crystal slabs中对二维光子晶体平板的共振传导模进行了细致的研究与分 析，他指出，由于二维光子晶体共振传导模所具有的特殊性质，包括透射率在短波长范围内 的从0到100的快速变化，各传导共振峰在透射谱上的不同线型，包括对称的洛伦兹线型 以及非对称的Fano线型等，使其在滤波、提取等领域有独到的作用。较之使用多层介质膜 的一维光子晶体结构，使用二维光子晶。
10、体平板共振传导模进行滤波或粗波分复用，有结构 简单，单层膜即可实现功能的特点。 0004 为实现可调谐，需要非线性材料。传统的非线性材料，如非线性晶体等，有诸如非 线性系数低、响应速度不高的缺点。近年来，非线性聚合物的研究成为了热点，有望解决上 述问题。美国华盛顿大学的Dalton教授与日本九州大学的Yokoyama教授均研制出了非线 性系数高，热稳定性好，响应速度极快的二阶非线性聚合物。 0005 所以将二维光子晶体平板共振传导模与二阶非线性聚合物结合起来实现可调谐 波分复用器是很有技术前景的一类器件，这也正是本发明所提出的关键点。 发明内容 0006 本发明目的在于，提供电控可调谐光子晶体。
11、波分复用器件及其制作方法，其是在 波分复用应用中提供一种工艺相对简单，分波效率高，可调谐的波分复用器。通过使用光子 晶体平板共振传导峰，利用其透过谱与反射谱中的Fano共振线型里较锐的上升、下降沿达 到将两个波长接近的单色光分开的目的。同时利用非线性系数较高的聚合物材料作为光子 晶体浅刻蚀孔的填充物以及平板的覆盖层，可以在相对较大的波长范围内完成可调谐的双 路波分复用。此外，由于光束是在空间中以一定角度入射，所以不需要严格的端面耦合。 0007 本发明提出一种电控可调谐光子晶体波分复用器，包括： 0008 一薄金属透明电极层； 0009 一聚合物层，位于薄金属透明电极层的下方； 0010 一顶。
12、层硅层，该顶层硅层的上面开有光子晶体孔阵列，该顶层硅层位于聚合物层 的下方； 说 明 书CN 102393573 A CN 102393581 A 2/4页 5 0011 一二氧化硅层，为环状结构，位于顶层硅层下面的四周，使二氧化硅层不遮挡光子 晶体孔阵列； 0012 一衬底硅层，为环状结构，位于环状二氧化硅层的下面。 0013 本发明还提出一种电控可调谐光子晶体波分复用器的制作方法，包括如下步骤： 0014 步骤1：取一SOI材料，包括一衬底硅层、二氧化硅层和顶层硅层； 0015 步骤2：在SOI材料的顶层硅层上浅刻蚀出光子晶体孔阵列，去除掩模； 0016 步骤3：在SOI材料的顶层硅层上旋。
13、涂二阶非线性聚合物，置于真空烘箱内烘烤， 形成聚合物层； 0017 步骤4：使用热蒸发、电子束蒸发或磁控溅射的方法，在聚合物层上制作薄金属透 明电极层； 0018 步骤5：利用顶层硅层与薄金属透明电极层作为两个电极，对处于其中的聚合物 层进行极化，完成电控可调谐光子晶体波分复用器的制作。 0019 本发明利用了光子晶体平板的传导共振峰的Fano线型，在达到将两个波长接近 的单色光高效分开的同时避免了使用多层介质膜的一维光子晶体结构，简化了工艺与器件 结构。同时使用了具有较高电光系数的非线性聚合物来作为光子晶体浅刻蚀孔的填充物以 及平板的覆盖层，完成了高效地可调谐波分复用。同时信号光束以一定角度。
14、入射，避免了严 格的端面耦合，成本较低且操作方便，有利于实际应用。 附图说明 0020 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明，其中： 0021 图1为本发明的电控可调谐波分复用器结构侧视示意图。 0022 图2为本发明的电控可调谐波分复用器结构仰视示意图。 0023 图3为本发明的电控可调谐波分复用器的透射率随电压的变化，即调谐后的情 况。 具体实施方式 0024 请参阅图1及图2，本发明提供了一种工作在光通讯C波段电控可调谐光子晶体波 分复用器的具体结构，包括： 0025 一薄金属透明电极层11； 0026 一聚合物层12，位。
15、于薄金属透明电极层11的下方； 0027 一顶层硅层13，该顶层硅层13的上面开有光子晶体孔阵列16，该顶层硅层13位 于聚合物层12的下方； 0028 一二氧化硅层14，为环状结构，位于顶层硅层13下面的四周，使二氧化硅层14不 遮挡光子晶体孔阵列16； 0029 一衬底硅层15，为环状结构，位于环状二氧化硅层14的下面。 0030 其中二氧化硅层14的厚度为1m-2m，顶层硅层13的厚度为0.2m-0.5m。 顶层硅层13上的光子晶体孔阵列16的孔内填充有与二阶非线性聚合物层12相同的材料， 顶层硅层13同时作为器件的下电极，薄金属透明电极层11作为上电极，该薄金属透明电极 说 明 书CN。
16、 102393573 A CN 102393581 A 3/4页 6 层11的厚度为5nm-30nm。 0031 顶层硅层13上的光子晶体孔阵列16为无缺陷二维光子晶体结构，该二维光子晶 体结构的周期a为0.2m-2m，孔半径r为0.05a-0.5a，晶格类型是四方晶格或三角晶 格，该顶层硅层13上的光子晶体孔阵列16的孔深小于顶层硅层13的厚度。 0032 处于薄金属透明电极层11与顶层硅层13中间的聚合物层12的厚度为 0.1m-5m，所使用的材料为具有二阶非线性系数的聚合物材料。 0033 请再参阅图1及图2，本发明还提供上述电控可调谐光子晶体波分复用器的制作 方法，对于一具体实施例而言。
17、，包括如下步骤： 0034 步骤1：取SOI材料，顶层硅层13厚度为221nm，在衬底硅层15及中间二氧化硅层 14上刻蚀出比信号光斑大的孔径，直径在3mm。 0035 步骤2：使用全息曝光、电子束曝光或纳米压印的方法在SOI材料顶层硅层13上 制作无缺陷的二维光子晶体图样的掩模。以全息曝光技术为例，将光刻胶旋涂在顶层硅上， 甩胶厚度200nm，经过前烘，通过相互垂直的两次双光束全息干涉曝光，再经过后烘、显影和 定影，即可得到胶上的光子晶体图形。尔后使用光刻胶作为抗蚀剂掩模，使用ICP干法刻 蚀，通过控制刻蚀时间等技术将胶上图形复制到顶层硅层13上，形成浅刻蚀的光子晶体孔 阵列16。随后将光刻。
18、胶掩模用去胶剂除去。制作的二维光子晶体参数如下，晶格类型为四 方晶格，周期886nm，孔半径为336nm，刻蚀深度为74nm。 0036 步骤3：在SOI材料顶层硅层13上旋涂二阶非线性聚合物，置于真空烘箱内以 80-90烘24小时，使聚合物形成聚合物层12。聚合物层12厚度为443nm，未加电压时 折射率为1.7，非线性系数为150pm/V。 0037 步骤4：使用热蒸发、电子束蒸发或磁控溅射等技术手段在聚合物层12上制作薄 金属透明电极层11。薄金属透明电极层11厚度为15nm。 0038 步骤5：在温度130-150的条件下，利用顶层硅层13与薄金属透明电极层11 作为两个电极对处于其中。
19、的非线性聚合物层12进行10-30分钟的极化，所加电压与聚合物 厚度有关，为60m/V-80m/V。 0039 在上面各项参数制作出的波分复用器件基础上，搭建波分复用器实验光路系统进 行测试，该光路系统包括：由多波长激光源发出混合了两个波长单色光的混合光束，光束经 准直器后以45度角入射到由电压源控制的光子晶体平板共振传导波分复用器样品上(波 分复用器样品放置在可调旋转台上)，而后混合光束中的两个波长的单色光被分开，一路透 射，一路反射，分别送入光谱仪中进行分析，完成了解复用。 0040 请参阅透射谱图3所示，信号光中的一个波长单色光对应透射峰极大点，另一个 波长单色光对应透射峰零点(即反射极。
20、大点)，调节电压源施加在样品上的电压，改变了 聚合物的非线性折射率，随之样品透射谱与反射谱中的峰位移动，实现了可调谐波分复 用。未对波分复用器施加电压前，聚合物折射率n z 为1.7，对应透射谱峰上的透射零点 在1548.87nm，透射极大点在1551.15nm；在对波分复用器上下电极施加30V电压后，聚合 物折射率n z 由1.7变为1.69，对应透射谱峰上的透射零点在1544.86nm，透射极大点在 1547.20nm。透射峰零点与极大典在施加电压前后都移动了4nm，适宜调谐。 0041 以上所述，仅是本发明的实施例而已，并非对本发明作任何形式上的的限制，凡是 依据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发 说 明 书CN 102393573 A CN 102393581 A 4/4页 7 明技术方案范围之内，因此本发明的保护范围当以权利要求书为准。 说 明 书CN 102393573 A CN 102393581 A 1/2页 8 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102393573 A CN 102393581 A 2/2页 9 图3 说 明 书 附 图CN 102393573 A 。