集成有底部反射层的、垂直耦合的二元闪耀亚波长光栅耦合器及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种集成有底部反射层的、垂直耦合的二元闪耀亚波长光栅耦合器，自上而下的薄膜功能层、键合层、底部反射层和衬底层。功能层为脊型结构，包括输入/出光栅耦合器、光子波导器件区域。输入/出光栅耦合器呈对称分布内设置有周期性排布的二元闪耀亚波长结构的光栅阵列，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。降低器件复杂度的同时优化设计以实现最大光耦合效率，额外设置了底部反射层来防止光线向底部泄露，光纤和光栅之间所采用的完全垂直耦合方式还便于器件的测试和芯片的封装，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】
集成有底部反射层的、垂直耦合的二元闪耀亚波长光栅耦合器及制备方法


[0001]本专利技术属于半导体光电子和通信领域，尤其涉及一种集成有底部反射层的、垂直耦合的二元闪耀亚波长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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种集成有底部反射层的、垂直耦合的二元闪耀亚波长光栅耦合器，其特征在于，包括自上而下的功能层、键合层、底部反射层和衬底层；所述功能层的下底面经所述键合层与所述底部反射层的上端面键合连接，所述底部反射层用于将泄露到所述衬底层中光线反射回所述功能层；所述底部反射层的下端面与所述衬底层的上端面连接，所述衬底层用于支撑和承载所述功能层、所述键合层和所述底部反射层；所述功能层设置为单晶薄膜材料，经过光刻、刻蚀等图形化处理后定义出器件结构；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、所述光子波导器件区域和所述输出光栅耦合器依次设置于所述功能层中，铺设于所述键合层的上端面上，且相邻之间光路连通，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、调控或转换所述输入耦合信号至所述输出光栅耦合器，所述输出光栅耦合器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闪耀亚波长结构的光栅阵列单元，所述二元闪耀亚波长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所述的集成有底部反射层的、垂直耦合的二元闪耀亚波长光栅耦合器，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闪耀亚波长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或等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闪耀亚波长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或等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可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所述的集成有底部反射层的、垂直耦合的二元闪耀亚波长光栅耦合器，其特征在于，所述功能层采用一次性、整体光刻和刻蚀等图形化处理后形成所述间隔槽，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所述的集成有底部反射层的、垂直耦合的二元闪耀亚波长光栅耦合器，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所述的集成有底部反射层的、垂直耦合的二元闪耀亚波长光栅耦合器，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LiNbO3,LN或薄膜钽酸锂LiTaO3或薄膜硅Si或薄膜氮化硅Si3N4或薄膜钛酸钡，所述键合层的材料可设置为SiO2或BCB，所述底部反射层可设置为光吸收率低、反射性强的金Au、银Ag或铝Al材料，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所述的集成有底部反射层的、垂直耦合的二元闪耀亚波长光栅耦合器，其特征在于，所述底部反射层可设置为100～200nm的Au、Ag或Al等薄膜，所述底部反射层与所述衬底层之间还设置有10～20nm的Ti或Cr金属来作为打底层，用于增强所述底部反射层与所述衬底层之间的粘性；类似的，所述底部反射层与所述键合层之间也设置有20～40nm的Ti或Cr薄膜来作为粘合层，用于增强所述底部反射层与所述键合层之间的粘性；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...

【专利技术属性】
技术研发人员：程秀兰，杨思攀，权雪玲，乌李英，瞿敏妮，王英，李雅倩，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：