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专利号: 2024117156364
申请人: 南京信息工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-07-01
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于混合谐振的通感一体光芯片,包括硅基片(1),其特征在于,所述硅基片(1)的顶部沉积有氧化埋层(2),所述氧化埋层(2)的上方安装有多层矩形波导(3),多层矩形波导(3)的一端与氧化埋层(2)保持齐平,另一端安装有硅矩形波导(5),所述多层矩形波导(3)朝向氧化埋层(2)中心的一端设置有反向拉锥部(4),硅矩形波导(5)远离氧化埋层(2)中心的一端设置有正向拉锥部(6),正向拉锥部(6)完全包覆在反向拉锥部(4)内形成定向耦合结构;

多层矩形波导(3)与硅矩形波导(5)整体构成一个耦合单元,耦合单元的数量至少为两个,且两个耦合单元以氧化埋层(2)中心线为对称轴,沿氧化埋层(2)长度方向对称布设;

两个所述耦合单元之间的中心部位安装有金谐振环(7),金谐振环(7)内部形成混合型谐振腔,且金谐振环(7)靠近硅矩形波导(5)的位置沿直波导方向上开设有两个开口(8),用于两侧的硅矩形波导(5)与混合型谐振腔进行近场耦合;

所述金谐振环(7)的内部设置有硅圆盘(9),硅圆盘(9)的圆心与金谐振环(7)的圆心重合,且硅圆盘(9)与金谐振环(7)之间间接耦合;

所述多层矩形波导(3)与反向拉锥部(4)一体成型设置,多层矩形波导(3)由下往上依次形成有GaN层(31)、Si3N4层(32)以及SU‑8光刻胶层(33),其中,硅矩形波导(5)中的正向拉锥部(6)是完全包覆在GaN层(31)和Si3N4层(32)内,且GaN层(31)、Si3N4层(32)以及SU‑8光刻胶层(33)在近红外波段下的折射率分别为2.4、2、1.53。

2.根据权利要求1所述的一种基于混合谐振的通感一体光芯片,其特征在于:所述硅矩形波导(5)的厚度与混合型谐振腔厚度相等,均为220nm。

3.根据权利要求2所述的一种基于混合谐振的通感一体光芯片,其特征在于:所述反向拉锥部(4)宽度沿氧化埋层(2)一侧朝中心方向逐渐递减;

正向拉锥部(6)与硅矩形波导(5)一体成型,且正向拉锥部(6)沿氧化埋层(2)中心朝一侧方向逐渐递减。

4.根据权利要求3所述的一种基于混合谐振的通感一体光芯片,其特征在于:所述氧化埋层(2)的厚度设置为2μm。

5.根据权利要求4所述的一种基于混合谐振的通感一体光芯片,其特征在于:所述硅圆盘(9)的半径设置为390nm至430nm,硅圆盘(9)厚度设置为200nm至220nm。

6.根据权利要求5所述的一种基于混合谐振的通感一体光芯片,其特征在于:所述金谐振环(7)内外半径分别为1.4μm至1.6μm和1.7μm至1.9μm,开口(8)的宽度为100nm至150nm。

7.根据权利要求6所述的一种基于混合谐振的通感一体光芯片,其特征在于:所述金谐振环(7)的圆心与两侧设置的硅矩形波导(5)中心连线中心点相重合,两侧的硅矩形波导(5)与金谐振环(7)上开口(8)之间存在一定间距。

8.根据权利要求7所述的一种基于混合谐振的通感一体光芯片,其特征在于:所述硅矩形波导(5)与混合型谐振腔通过近场耦合的方式组成片上光互连,输入第二矩形波导中的光场与混合型谐振腔接触并进行耦合,从而激发出等离子体模式;

硅圆盘(9)通过与金谐振环(7)之间进行间接耦合,用于激发出光学模式。

9.一种基于混合谐振的通感一体光芯片的制备方法,用于制备权利要求1至8中任一项所述的基于混合谐振的通感一体光芯片,具体包括如下:S1.首先,在硅基片(1)的顶层硅上铺设一层350nm厚的电子束光刻胶,利用电子束光刻和干法刻蚀制作出硅矩形波导(5)和硅圆盘(9);

S2.采用PECVD分别在硅基片(1)上生长100nm厚的GaN薄膜和100nm厚的Si3N4薄膜,然后铺设一层350nm厚的电子束光刻胶,利用电子束光刻和干法刻蚀制作出Si3N4/GaN多层结构;

S3.然后在Si3N4/GaN多层结构上铺设2.7μm厚的SU‑8光刻胶,通过一次性甩膜、紫外光刻、显影、固化制备完成SU‑8/Si3N4/GaN多层结构波导;

S4.在制作好波导图样的芯片上铺设一层500nm厚的电子束光刻胶,经过电子束光刻制金谐振环(7)与硅圆盘(9)的图案;

S5.采用金属沉积工艺在制作好电子束光刻胶图案的芯片上沉积220nm厚的金层,金属沉积完成后把芯片放入至丙酮溶液中,采用超声清洗的方式去除掉片上的电子束光刻胶,此时只有直接沉积在氧化埋层(2)上的金谐振环(7)和硅圆盘(9)被保留下来,介质‑金属混合型谐振腔制备完成;

S6.对制作好图样的芯片进行二次清洗,去除掉所有残余的光刻胶后完成器件的制备;

S7.最后,针对已经制备完成的芯片,进行基于光线阵列系统的封装,将单模光纤与多层矩形波导(3)进行端面耦合对接,并利用紫外固化胶进行粘接,完成器件的光学封装。