一种基于二元闪耀亚波长光栅的、垂直耦合的光栅耦合器及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于二元闪耀亚波长光栅的、垂直耦合的光栅耦合器，自上而下的功能层、键合层和衬底层。功能层为脊型结构，包括输入/出光耦合器、光子波导器件区域。输入与输出光耦合器呈对称设置，内均设有周期性排布的二元亚波长闪耀光栅阵列，每个周期中设置有一个不同宽度的主级和次级亚波长光栅，相邻亚波长光栅之间形成宽度不一的间隔槽，最后一个次级亚波长光栅与中间的光波导区域相临近。本发明专利技术在降低器件设计复杂度的同时优化设计出一种基于二元闪耀亚波长光栅的光栅耦合器，以实现最大的光耦合效率，垂直耦合还极大地方便了器件的测试和后期芯片的封装。本发明专利技术所设计的光子器件结构较紧凑、制备工艺简单、可重复性好。可重复性好。可重复性好。

【技术实现步骤摘要】
一种基于二元闪耀亚波长光栅的、垂直耦合的光栅耦合器及制备方法


[0001]本专利技术属于半导体光电子领域，尤其涉及一种基于二元闪耀亚波长光栅结构的、完全垂直耦合的表面光栅耦合器及制备方法。

技术介绍

[0002]随着半导体光电子技术的不断发展，光子器件以及光子集成电路在高速、大容量以及大带宽等通信中发挥着越来越大的作用。而为了实现有效的光电互联，首先就要实现在外部光纤(外部激光器作为入射光源)与片上光子元器件之间形成光线的高效耦合。其中，常见的2种光耦合方式分别为：端面耦合和基于光栅耦合器机构的表面耦合方式。基于常见的光子材料平台制备得到的光栅耦合器(grating couplers，GCs，GC)，考虑到外部入/出射光纤与片上光子波导结构之间通过采用完全垂直的耦合方式，可以为芯片的测试和后期元器件的封装等提供极大的便利，但是，对于传统的垂直耦合方式，有很大一部分光线会直接泄漏到高折射率的衬底中去，同时背向反射现象也很严重，这都极大的降低了光纤与波导光栅之间的耦合效率。
[0003]通过调研大量文献后发现，目前已报道的有关于垂直耦合的LNOI光栅耦合器的研究工作非常少。其中，Carnegie Mellon University的Gianluca Piazza教授研究团队首先研究了光纤完全垂直入/出射的LNOI光栅耦合器，发现该光栅耦合器在1550nm的中心工作波长下的理论耦合效率仅为
‑
3.71dB/coupler；接着，他们还进行了实验制备后发现，在中心波长为1550nm时的耦合效率低达<br/>‑
10dB/coupler，以及测试得到的最大耦合效率为
‑
5.5dB/coupler，但是中心波长偏离1550nm很大。于此同时，他们对该结构做了进一步的改进，通过将传统的均匀光栅耦合器中的局部光栅阵列结构之间的间距进行了变迹(或切趾)等处理，进而制备了一种较为高效的、完全垂直耦合的LNOI光栅耦合器，他们利用FDTD三维模型进行理论仿真后，以及修改边界条件等，计算得到了这种垂直耦合的变迹光栅耦合器的最高耦合效率为
‑
2dB/coupler，而实验测试得到的最高耦合效率为
‑
3.6dB/coupler。另外，还需考虑到该光栅耦合器结构的设计较为复杂、器件结构中有的线宽尺寸较窄、制备工艺较复杂、加工的偏差大。
[0004]于此同时，北京大学的周治平、王兴军教授等研究团队通过合作，基于薄膜硅(thin film silicon,silicon
‑
on
‑
insulator，Si
‑
OI，SOI)平台，首先在理论上提出并设计出了一种新型的、可用于垂直耦合的二元闪耀亚波长光栅耦合器结构模型。而后，他们还制备出了这种基于二元闪耀亚波长光栅结构的SOI光栅耦合器，但器件均匀性并不好、重复性也较差，最终实验测试得到的耦合效率非常低。
[0005]考虑到Si和铌酸锂(lithi niobate，LiNbO3，LNO，LN)这两种不同的材料在晶体结构和光电特性等方面所存在的一些差异，据我们所知，截止目前，基于薄膜铌酸锂(thin
‑
film lithi niobate，lithi niobate
‑
on
‑
insulator，LNOI)平台的、垂直耦合的二元闪耀亚波长光栅耦合器还未开始研究，相应的理论模型也还未建立；同时，考虑到LN难刻蚀的本
质、以及在器件实际制备过程中所存在的加工容差和工艺复杂度等问题，基于SOI二元闪耀亚波长光栅耦合器已有的研究基础，仍然需要对LNOI二元闪耀亚波长光栅耦合器做进一步改进，进而来设计并制备出一种新型的、高效率的、完全垂直耦合的二元闪耀亚波长光栅LNOI耦合器。
[0006]由于传统光栅耦合器结构中的光栅阵列只具有单一的周期性，基于此，我们对其中的局部光栅阵列结构进行了简单的改进。因此，为了进一步地降低制备成本，减小器件尺寸和结构设计的复杂度，同时与现有的标准CMOS制备工艺相兼容，进而来实现一种具有高耦合效率的、光纤完全垂直耦合的LNOI耦合器。

技术实现思路

[0007]本专利技术的技术目的是提供一种基于二元闪耀亚波长光栅的、垂直耦合的光栅耦合器及制备方法，以解决现有技术中当外部光纤与光栅耦合器进行光线的耦合时，这二者之间的光耦合效率低，光纤非垂直入/出射时所导致的芯片测试不方便、不易于元器件封装，器件不紧凑、设计复杂，可重复性差，制备工艺难度大、加工容差小，制备成本高的技术问题。
[0008]为解决上述问题，本专利技术的技术方案为：
[0009]一种基于二元闪耀亚波长光栅的、垂直耦合的光栅耦合器，包括自上而下的功能层、键合层和衬底层。
[0010]功能层的下底面经键合层与衬底层的上端面键合连接，衬底层用于支撑和承载功能层和键合层。
[0011]功能层设置为光电薄膜材料，包括输入光栅耦合器、输出光栅耦合器、光子波导器件区域，功能层为脊型光波导结构，输入光栅耦合器、输出光栅耦合器和光子波导器件区域均设置在功能层中，铺设于键合层的上端面上，输入光栅耦合器与输出光栅耦合器以光子波导器件区域呈对称设置。
[0012]输入光栅耦合器用于接收外部光纤输出的光线以实现将激光光束耦合，得到输入耦合信号，光子波导器件区域为自定义的器件结构，用于传递输入耦合信号至输出光栅耦合器并与另一外部光纤实现耦合输出。
[0013]输入光栅耦合器和输出光栅耦合器内均设有若干周期性排布的二元亚波长闪耀光栅阵列单元，二元亚波长闪耀光栅阵列单元中包括相同数量的主级亚波长光栅条纹和次级亚波长光栅条纹，主级亚波长光栅条纹与次级亚波长光栅条纹依次间隔设置、沿特定方向排列，且相邻主级亚波长光栅条纹与次级亚波长光栅条纹之间形成宽度周期性变化的间隔槽，主级亚波长光栅条纹的宽度大于次级亚波长光栅条纹的宽度。
[0014]其中，主级亚波长光栅条纹和次级亚波长光栅条纹可设置为方形、弧形或扇形，间隔槽的形貌与相邻的光栅条纹相对应。
[0015]输入光栅耦合器中的二元亚波长闪耀光栅阵列单元包括一主级亚波长光栅条纹和一次级亚波长光栅条纹，次级亚波长光栅条纹左侧的间隔槽的宽度大于次级亚波长光栅条纹右侧的间隔槽的宽度。
[0016]输出光栅耦合器中的二元亚波长闪耀光栅阵列单元包括一主级亚波长光栅条纹和一次级亚波长光栅条纹，次级亚波长光栅条纹右侧的间隔槽的宽度大于次级亚波长光栅
条纹左侧的间隔槽的宽度。
[0017]光子波导器件区域为自定义的光子器件结构，用于将输入光栅耦合器和输出光栅耦合器相互连接，且光子波导器件区域的两端均需设置为相邻二元亚波长闪耀光栅阵列单元中的次级亚波长光栅条纹。
[0018]其中，由功能层一次性、整体刻蚀后形成间隔槽，间隔槽可采用矩形、弧形以及扇形聚焦结构，间隔槽的刻蚀深度可自定义，且与功能层的总厚度、器件实际加工时的难度因素相关。
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于二元闪耀亚波长光栅的、垂直耦合的光栅耦合器，其特征在于，包括自上而下的功能层、键合层和衬底层；所述功能层的下底面经所述键合层与所述衬底层的上端面键合连接，所述衬底层用于支撑和承载所述功能层和所述键合层；所述功能层设置为光电薄膜材料，包括输入光栅耦合器、输出光栅耦合器、光子波导器件区域，所述功能层为脊型光波导结构，所述输入光栅耦合器、所述输出光栅耦合器和所述光子波导器件区域均设置在所述功能层中，铺设于所述键合层的上端面上，所述输入光栅耦合器与所述输出光栅耦合器以所述光子波导器件区域呈对称设置；所述输入光栅耦合器用于接收外部光纤输出的光线以实现将激光光束耦合，得到输入耦合信号，所述光子波导器件区域为自定义的器件结构，用于传递所述输入耦合信号至所述输出光栅耦合器并与另一外部光纤实现耦合输出；所述输入光栅耦合器和所述输出光栅耦合器内均设有若干周期性排布的二元亚波长闪耀光栅阵列单元，所述二元亚波长闪耀光栅阵列单元中包括相同数量的主级亚波长光栅条纹和次级亚波长光栅条纹，所述主级亚波长光栅条纹与所述次级亚波长光栅条纹依次间隔设置、沿特定方向排列，且相邻所述主级亚波长光栅条纹与所述次级亚波长光栅条纹之间形成宽度周期性变化的间隔槽，所述主级亚波长光栅条纹的宽度大于所述次级亚波长光栅条纹的宽度。2.根据权利要求1所述的基于二元闪耀亚波长光栅的、垂直耦合的光栅耦合器，其特征在于，所述主级亚波长光栅条纹和所述次级亚波长光栅条纹可设置为方形、弧形或扇形，所述间隔槽的形貌与相邻的光栅条纹相对应；所述输入光栅耦合器中的所述二元亚波长闪耀光栅阵列单元包括一所述主级亚波长光栅条纹和一所述次级亚波长光栅条纹，所述次级亚波长光栅条纹左侧的所述间隔槽的宽度大于所述次级亚波长光栅条纹右侧的所述间隔槽的宽度；所述输出光栅耦合器中的所述二元亚波长闪耀光栅阵列单元包括一所述主级亚波长光栅条纹和一所述次级亚波长光栅条纹，所述次级亚波长光栅条纹右侧的所述间隔槽的宽度大于所述次级亚波长光栅条纹左侧的所述间隔槽的宽度；所述光子波导器件区域为自定义的光子器件结构，用于将所述输入光栅耦合器和所述输出光栅耦合器相互连接，且所述光子波导器件区域的两端均需设置为相邻所述二元亚波长闪耀光栅阵列单元中的所述次级亚波长光栅条纹。3.根据权利要求1所述的基于二元闪耀亚波长光栅的、垂直耦合的光栅耦合器，其特征在于，由所述功能层一次性、整体刻蚀后形成所述间隔槽，所述间隔槽可采用矩形、弧形以及扇形聚焦结构，所述间隔槽的刻蚀深度可自定义，且与所述功能层的总厚度、器件实际加工时的难度因素相关。4.根据权利要求1或3所述的基于二元闪耀亚波长光栅的、垂直耦合的光栅耦合器，其特征在于，所述功能层采用不同切向的单晶光学薄膜，所述功能层的厚度为亚微米尺度，且所述功能层的厚度和所述间隔槽的刻蚀深度都需要分别与所述键合层和所述衬底层的材料和厚度相对应。5.根据权利要求4所述的基于二元闪耀亚波长光栅的、垂直耦合的光栅耦合器，其特征
在于，所述功能层的单晶材料可设置为单晶薄膜铌酸锂或薄膜钽酸锂或薄膜硅或薄膜Si3N4或薄膜钛酸钡，所述键合层的材料可设置为SiO2或BCB，所述衬底层为块体材料，所述衬底层可设置为块体硅或LN或石英。6.根据权利要求5所述的基于二元闪耀亚波长光栅的、垂直耦合的光栅耦合器，其特征在于，当所述功能层设置为600nm厚的x切向的薄膜铌酸锂时，所述键合层设置为4.7μm厚的SiO2材料，所述衬底层设置为几百微米厚的块体硅或LN材料，所述间隔槽的刻蚀深度设置为所述功能层厚度的一半；当所述功能层设置为600nm厚的x切向的薄膜铌酸锂时，所述键合层设置为2.5μm厚的SiO2材料，所述衬底层设置为几百微米厚的块体硅或LN材料，所述间隔槽的刻蚀深度设置为所述功能层厚度的一半；当所述功能层设置为600nm厚的x切向的薄膜铌酸锂时，所述键合层设置为2.0μm厚的SiO2材料，所述衬底层设置为几百微米厚的块体硅或LN材料，所述间隔槽的刻蚀深度设置为小于或等于所述功能层厚度的一半；当所述功能层设置为700nm厚的x切向的薄膜铌酸锂时，所述键合层设置为2.0μm厚的SiO2材料，所述衬底层设置为几百微米厚的块体硅或LN材料，所述间隔槽的刻蚀深度设置为远小于或等于所述功能层厚度的一半；当所述功能层设置为300nm厚的x切向的薄膜铌酸锂时，所述键合层设置为2.0μm厚的SiO2材料，所述衬底层设置为几百微米厚的块体硅或L...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨思攀，程秀兰，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：