本发明专利技术公开了一种具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器，包括衬底、缓冲层、波导、锥形波导、光栅反射镜和光纤，光栅反射镜的反射面设有阶梯光栅，缓冲层固定连接在衬底的顶面，波导、锥形波导和光栅反射镜固定连接在缓冲层的顶面，锥形波导的高度等于波导的高度，锥形波导的一端为窄端，锥形波导的另一端为宽端，且锥形波导的窄端与波导的输入端固定连接，锥形波导的宽端与光栅反射镜的反射面相对，光纤竖直放置，光纤位于光栅反射镜的上方，且光纤的输出端与光栅反射镜的反射面相对。该波导耦合器可使光纤和波导实现高效耦合，具有较大的对准容差。同时，本发明专利技术还公开了该波导耦合器的制备方法，该方法简单，且与MOS工艺兼容。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于集成光子器件
，具体来说，涉及。
技术介绍
随着硅基材料在集成光子学领域不断发展，硅基光子器件得到了广泛应用。集成光子光路的主流发展趋势是小型化，光子器件集成化。硅基二氧化硅(硅基二氧化硅英文全称Silica on Silicon，文中简称SoS)波导材料折射率与光纤折射率相近，不存在折射率失配问题。目前，基于大尺寸SoS波导无源光器件与光纤之间不存在耦合问题，已经商用，如基于横截面尺寸为8μηιΧ8μηι的SoS波导光分路器。但是基于大尺寸的SoS波导存在不足波导高度具有工艺实现难度，由于刻蚀深度较大，很容易引起侧面刻蚀不垂直导致多模波导和偏振相关损耗的产生；波导宽度较大导致器件尺寸较大，不利于集成。由此，横截面尺寸为小尺寸(小于等于4 μ mX 4 μ m)的SoS波导已成为制作无源光器件的新导向。由于小尺寸的SoS波导中模斑尺寸小于4 μ m，光纤中的模斑尺寸为8 μ πΓ Ο μ m,两者之间的模式失配导致耦合效率的下降，从而导致光纤与光器件之间存在较大能量损耗，严重影响光传感通信系统的稳定性。因此，如何解决光纤与小尺寸波导的耦合问题是一项具有挑战的工作。目前的光波导稱合方式大都是纵向型直接对准稱合。稱合方法一般为楔形光波导耦合，光栅耦合等。实际应用最广泛的是楔形光波导耦合器，然而在平面光波光路工艺条件下无法制作满足耦合效率要求的三维楔形光波导耦合结构；另一种采用光栅结构的耦合器，带宽很低，不能满足光通信的要求。由此可见纵向耦合具有很大的局限性，从而限制了率禹合效率的提闻。在此背景下，本专利技术提出一种具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器及制备方法。该耦合器与现有技术相比具有如下优点(I)具有阶梯光栅反射镜的耦合结构是一种新型的光纤与波导的稱合结构；(2)基于平面光波光路工艺与COMS (英文全称是Complementary Metal Oxide Semiconductor,对应中文为互补式金属氧化物半导体,文中简称C0MS)工艺兼容，开辟了一种制备反射镜耦合结构的新方法；(3)耦合方法简单高效，利用阶梯光栅反射镜结合二维楔形光波导实现光纤与波导的高效耦合，对于光纤调节对准要求相对较低。
技术实现思路
技术问题本专利技术所要解决的技术问题是提供一种具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器，该波导耦合器可以使光纤和小尺寸波导实现高效耦合，具有较大的对准容差。同时，本专利技术还提供该波导耦合器的制备方法，该制备方法简单，且与CMOS工艺兼容。 技术方案为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是—种具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器，该波导耦合器包括衬底、缓冲层、波导、锥形波导、光栅反射镜和光纤，光栅反射镜的反射面设有阶梯光栅，缓冲层固定连接在衬底的顶面，波导、锥形波导和光栅反射镜固定连接在缓冲层的顶面，锥形波导的高度等于波导的高度，锥形波导的纵截面呈锥形，锥形波导的一端为窄端，锥形波导的另一端为宽端，且锥形波导的窄端与波导的输入端固定连接，锥形波导的宽端与光栅反射镜的反射面相对， 光纤竖直放置，光纤位于光栅反射镜的上方，且光纤的输出端与光栅反射镜的反射面相对。进一步,所述的波导的截面尺寸小于等于4μηιΧ4μηι。上述的具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器的制备方法，该制备方法包括以下步骤步骤10):取一硅衬底，在硅衬底上制备厚度15μπι到20 μ m的二氧化硅缓冲层； 利用等离子体增强化学气相沉积方法，250°C—40(TC下，在二氧化硅缓冲层上生长掺杂二氧化锗的二氧化硅，形成厚度为6 μ m-ΙΟ μ m的波导层，且波导层的折射率高于缓冲层的折射率；步骤20):在波导层上，重复利用光刻和刻蚀工艺，制备光栅反射镜；步骤30):在波导层上，利用光刻和刻蚀工艺制备锥形波导；步骤40):在波导层上，利用光刻和刻蚀工艺制备波导；步骤50):对步骤40)得到的样片，去除残留掩膜，得到具有阶梯光栅反射镜的波导率禹合器。有益效果与现有技术相比，本专利技术具有如下优点(I)光纤与波导实现高效耦合。本专利技术的具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器，通过阶梯光栅反射镜，使得光纤与波导实现高效耦合，从而有效降低由于模式失配引起的能量损耗。光纤中的光首先入射到阶梯光栅反射镜侧面上，光束传播方向发生改变，入射到锥形光波导中，而后锥形光波导和小尺寸波导实现连接，完成整个耦合过程。利用阶梯光栅反射镜结合锥形波导实现光纤与波导的高效耦合。同时，本专利技术对于光纤调节对准要求相对较低。本专利技术的波导耦合器的耦合效率可达67%，而传统的波导耦合器的耦合效率普遍为 32%—64%。(2)具有较大的对准容差。传统光纤与波导的耦合过程中，为保证耦合效率，光纤耦合对光束的空间指向及位置的准确性要求极高，一般容差必须要小于O. 5 μ m，甚至要求达到几十纳米。传统对准方法是采用光纤与波导在一个平面对准，对位置要求极高。最近几年也有纵向耦合方法，但是耦合效率较低，一般在32%-50%。本专利技术的波导耦合器，由于采用纵向耦合，即光纤与波导不在一个平面上的耦合方式，本专利技术波导水平放置，光纤竖直放置。本专利技术的波导耦合器，可以很好的降低光束对空间指向及位置极高的要求。采用大尺寸阶梯光栅反射镜接收位置偏差较大的入射光束，然后通过二维锥形波导压缩入射角， 抑制径向位置误差和角度误差带来的影响。光纤与耦合结构线性容差可达到O. 8 μ m，角度容差达到正负1°，耦合效率稳定保持在60%以上。相比普通的耦合结构，本专利技术的波导耦合器的稱合稳定性能有显著提高。(3)制备方法和C MOS工艺具有很好的兼容性，简化制备过程，且降低成本。目前， 平面光波光路器件是构成光通信网络的核心器件，全部采用平面光波光路工艺实现。平面光波光路工艺和CMOS工艺相互兼容,利于大规模批量制作。本专利技术的制备方法基于平面光波光路工艺，利用的半导体材料，其工艺和CMOS工艺具有很好的兼容性，容易制备，从而很好的降低成本。相比于普通的反射镜型耦合结构，大都利用化学方法制备光反射镜，与平面光波光路无法兼容。本专利技术的波导耦合器结构基于普通的平面光波光路工艺，通过重复刻蚀工艺，可以得到阶梯光栅反射镜。阶梯光栅反射镜的结构易于实现，耦合方法简单高效。 本专利技术利用平面光波光路工艺，因此和CMOS工艺兼容，且很容易得到高效耦合结构，从而达到解决模式失配带来耦合损耗的问题。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。图1是本专利技术的立体结构示意图。图2是的主视图。图3是本专利技术实施例中制作完成衬底、缓冲层与波导层的结构示意图。图4是本专利技术实施例中阶梯光栅第一次刻蚀的结构示意图。图5是本专利技术实施例中阶梯光栅第二次刻蚀的结构示意图。图6是本专利技术实施例中阶梯光栅第三次刻蚀的结构示意图。图7是本专利技术实施例中制作完成的阶梯光栅反射镜的结构示意图。图8是本专利技术实施例制备的波导耦合器的FD-BPM仿真结果图。具体实施方式为进一步说明本专利技术的内容及特点，下面结合附图对本专利技术作进一步说明，但本专利技术不仅限制于实施例。如图1和图2所示，本专利技术的一种具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器，包括衬底1、缓冲层2、波导3、锥形波导4、光栅反射镜5和光纤6。衬底I可为硅材料制成。缓冲层2可为二氧化硅材料制成。波导3优选小尺寸，即波导3的截面尺寸小于等于4μπιΧ4μπ本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器，其特征在于，该波导耦合器包括衬底（1）、缓冲层（2）、波导（3）、锥形波导（4）、光栅反射镜（5）和光纤（6），光栅反射镜（5）的反射面设有阶梯光栅，缓冲层（2）固定连接在衬底（1）的顶面，波导（3）、锥形波导（4）和光栅反射镜（5）固定连接在缓冲层（2）的顶面，锥形波导（4）的高度等于波导（3）的高度，锥形波导（4）的纵截面呈锥形，锥形波导（4）的一端为窄端，锥形波导（4）的另一端为宽端，且锥形波导（4）的窄端与波导（3）的输入端固定连接，锥形波导（4）的宽端与光栅反射镜（5）的反射面相对，光纤（6）竖直放置，光纤（6）位于光栅反射镜（5）的上方，且光纤（6）的输出端与光栅反射镜（5）的反射面相对。
【技术特征摘要】
1.一种具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器，其特征在于，该波导耦合器包括衬底(I)、缓冲层(2)、波导(3)、锥形波导(4)、光栅反射镜(5)和光纤(6)，光栅反射镜(5)的反射面设有阶梯光栅，缓冲层(2)固定连接在衬底(I)的顶面，波导(3)、锥形波导(4)和光栅反射镜(5)固定连接在缓冲层(2)的顶面，锥形波导(4)的高度等于波导(3)的高度，锥形波导(4)的纵截面呈锥形，锥形波导(4)的一端为窄端，锥形波导(4)的另一端为宽端，且锥形波导(4)的窄端与波导(3)的输入端固定连接，锥形波导(4)的宽端与光栅反射镜(5)的反射面相对，光纤(6 )竖直放置,光纤(6 )位于光栅反射镜(5 )的上方,且光纤(6 )的输出端与光栅反射镜(5)的反射面相对。2.按照权利要求1所述的具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器，其特征在于，所述的波导(3)的截面尺寸小于等于4 μ mX4 μ m。3.按照权利要求1所述的具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器，其特征在于，所述的衬底(I)为硅材料制成。4.按照权利要求1所述的具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器，其特征在于，所述的缓冲层...
【专利技术属性】
技术研发人员：孙小菡，蒋卫锋，柏宁丰，刘旭，吴晨，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：
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