引言
低損耗矽波導和有效的光柵耦合器來將光耦合到其中。透過使用各向異性溼法蝕刻技術，我們將側壁粗糙度降低到1.2奈米。波導沿[112]方向在絕緣體上矽襯底上形成圖案。波導邊界由垂直於[110]表面的平面決定。製作的波導對TE極化的最小傳播損耗為0.85分貝/釐米，對TM極化的最小傳播損耗為1.08分貝/釐米。製作的光柵耦合器在1570奈米處的耦合效率為4.16分貝，3 dB頻寬為46奈米。
介紹
矽光子技術被視為替代板對板和晶片內光學互連的金屬互連的潛在解決方案(Miller，2009)。用於實現無源和有源光學器件的矽光子學最常用的材料平臺是矽非絕緣體(SOI)。除了矽是透明的這一事實之外，晶體矽(~3.5)和掩埋氧化物之間在電信波長下的大折射率對比使得強光限制在頂部矽層中。透過蝕刻矽層以形成肋或線波導，還可以實現極好的橫向限制，使得具有小彎曲半徑的光波導，因此，緊湊的光子電路在亞微米尺度上是可行的。然而，這種強限制是有代價的，因為折射率的任何不規則性都會導致強散射損耗，因為散射損耗與(δn)3成比例(鈴木等人，。1994). 通常，側壁粗糙度是矽光子學元件中光學損耗的主要促成因素，尤其是對於亞微米尺寸的矽波導。因此，正在進行深入研究，以開發實現低損耗矽波導的最佳製造工藝，因為這對矽光子技術的成功至關重要。
實驗
各向異性溼法刻蝕製造
對於晶體矽的各向異性溼法蝕刻，四甲基氫氧化銨(TMAH)水溶液被廣泛使用。由於其強鹼性，根據暴露的晶面，TMAH與晶體矽的反應非常不同。例如，當[100]和[110]平面被蝕刻時，[111]平面幾乎不受溶液的影響。這種效應可以允許非常高的各向異性蝕刻，其中[111]平面充當蝕刻停止層。這種溼法蝕刻技術可以產生散射損耗非常低的波導，因為它是完全化學的過程，並且波導側壁將由矽晶面決定，矽晶面理想地在原子尺度上具有不規則性。
為了進行比較，我們還使用標準幹蝕刻工藝製作了波導。我們使用了與溼法蝕刻工藝相同的基底。用ZEP520A抗蝕劑旋塗襯底，並使用電子束光刻將波導圖案寫在抗蝕劑上。然後使用電感耦合等離子體蝕刻工藝將圖案轉移到矽層。然後，在用1-微米厚的福克斯-16層覆蓋之前，在O2等離子體灰化器中處理襯底以去除抗蝕劑。
圖3A用波導在不同時間點的掃描電鏡截面圖顯示了作為蝕刻時間函式的剩餘矽厚度。在未構圖的SOI襯底上，發現對於[110]方向，蝕刻速率為37奈米/分鐘，因此340奈米厚的頂部矽層預計在< 10分鐘內被蝕刻掉。然而，對於圖案化的襯底，例如，。在製作波導結構時，我們在波導底部發現了矽殘留物，即使在長時間蝕刻後也是如此參見圖3A中的插圖
圖3
討論
在為溼法蝕刻工藝設計光柵耦合器時，我們必須考慮溼法蝕刻工藝所施加的限制，因為晶面決定了要製造的結構的形狀。對於]取向的SOI晶片，只有方向給出穩定的垂直側壁。因此，這兩個晶體方向被用來設計光柵耦合器和相關的波導。由於這兩個平面之間的角度是109.47°，1D光柵很難設計。這是因為在1D光柵耦合器中，凹槽需要垂直於波導的方向，以便有效耦合。因此，我們選擇了2D亞波長光柵設計，如圖5A所示。採用三維時域有限差分(FDTD)法，使用商用軟體Lumerical確定最佳化設計引數。我們還沿光傳播方向對光柵結構進行了線性變跡，以提高耦合效率。沿著x方向，週期保持恆定在ax = 350 nm，具有30行凹槽。沿著y方向，前11個週期具有ay = 600 nm的週期性，然後在接下來的11個週期中週期性從600 nm線性變化到550 nm，以實現變跡。如圖5B所示，凹槽的形狀是平行四邊形，其較長的臂沿著[方向，與波導相同，較短的臂沿著方向。除了垂直於方向的平面外，還有兩個與表面成35.3°角的[111]平面，這也決定了凹槽深度的範圍。均勻(未修飾)部分中的凹槽長l = 430奈米，寬w = 200奈米。在變跡截面中，當寬度保持恆定在w = 200 nm時，長度從l = 430到270 nm線性變化。最後，在380奈米寬的矽波導和10微米寬的光柵耦合器之間產生無損轉換所需的絕熱波導錐形長度被選擇為500 μm。有趣的是，在製造的器件中，我們沒有看到溼法蝕刻工藝的各向異性的任何明顯影響，這可能是因為錐形側壁與方向的偏差小於1。
結論
總之，我們提出了一種新穎簡單的製作技術，利用各向異性溼法刻蝕技術實現低損耗矽波導和光柵耦合器。為了實現波導的垂直側壁，我們使用了取向的SOI襯底平面。原子力顯微鏡成像顯示，與幹蝕刻波導的7奈米相比，溼蝕刻波導的1.2奈米側壁粗糙度有顯著改善。對於TE極化，我們已經實現了溼蝕刻波導的傳播損耗僅為0.85分貝/釐米。這明顯小於幹蝕刻波導測得的4.69分貝/釐米的傳播損耗。此外，TM偏振的傳播損耗為1.08分貝/釐米，表明該溼法刻蝕工藝可用於製作偏振不敏感的波導結構。還展示了使用相同的溼法蝕刻技術製造的高效光柵耦合器。光柵耦合器由六邊形凹槽組成。凹槽的形狀和深度由沿的穩定晶面決定。最佳化後的光柵耦合器在1565奈米處的耦合效率為4.3分貝，3 dB頻寬為38奈米。
