本发明专利技术涉及光子器件技术领域，具体是一种金属键合的垂直耦合光栅耦合器及其制备方法。所述光栅耦合器包括：一硅片或玻璃片构成的载体片；一金属键合层兼作反射镜层；一DVS-BCB层构成的条形波导、锥形波导和亚微米波导三者的下限制层；一硅层构成的条形波导、锥形波导和亚微米波导三者的芯层；一二氧化硅埋氧化层构成的条形波导、锥形波导和亚微米波导三者的上限制层，条形波导、锥形波导和亚微米波导三者在水平方向相互衔接，在条形波导芯层表面制作有耦合光栅和反射光栅；一光纤，该光纤的一端垂直靠近SOI去除了硅衬底之后的上限制层表面。本发明专利技术可实现光纤与平面光波导之间的高效率垂直耦合。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光通信和光互连领域，特别是涉及一种光波导的耦合结构的设计和制备。该光栅耦合器的结构可以有效降低光纤和波导垂直耦合时的耦合损耗。
技术介绍
随着微纳光电子技术的发展，光电子器件的尺寸越来越小。特别是在硅基光子学中所选用的光波导材料为硅，采用的是SOI结构，由于SOI光波导器件的大折射率差，使其具有器件尺寸小、集成度高等优点，但同时其小的器件尺寸也给硅基集成光学系统带来了耦合与对准的困难。SOI波导的截面尺寸为几百纳米，而单模光纤的截面尺寸为9 μ m左右，两者之间大的模场失配使得直接对准耦合的效率很低。在直接对准耦合时，采用拉锥光纤来进行I禹合可以提高I禹合的效率，但是由于拉锥光纤的输出光斑直径仍有3 μ m左右，与SOI波导仍然存在较大的模场失配，从而其耦合效率仍然很低，一般不高于10%。并且在波导端面与光纤进行耦合时，需要对波导端面进行抛光处理，以减小由于端面不平整造成的散射损耗。因此，需要提出更优的方案来替代直接耦合实现SOI波导与光纤之间的耦合。光栅耦合器作为一种面耦合器，它可以在系统的任何地方实现信号的上传和下载，大大增强了系统的灵活性。光栅耦合器通过光栅的衍射使光路中的光发生方向偏转，从而将入射到光栅表面的光转向进入波导中传播，或将波导中的光转向从光栅面输出。由于其是一种面耦合方式，光栅面与光纤面的尺寸大小可以设计得很相近，从而减小模斑失配所带来的耦合损耗。但对于传统的光栅结构，由于其对称性对单侧耦合效率的限制，需要采取将光纤倾斜10°角左右入射和接收，加大了器件封装、对准等的难度，因此亟需一种能直接实现垂直耦合的耦合方案。垂直耦合的光栅耦合器可利用光栅的负一阶衍射效应实现垂直耦合，但同时由于存在负二阶反射，向衬底方向的衍射和穿过光栅的透射，导致垂直方向耦合效率的降低。因此有必要设计一种高效率的垂直耦合光栅耦合器。
技术实现思路
为了克服现有技术中存在的光电子器件的耦合难题，本专利技术的目的在于提供一种用于实现高效率垂直耦合的光栅耦合器及其制作方法，其可实现光纤与平面光波导之间的垂直耦合。为达到上述目的，本专利技术的技术解决方案是:—种金属键合的垂直稱合光栅稱合器，其特征在于包括: 一硅片或玻璃片作为载体片； 一金薄膜制作的反射镜兼作金属键合层，该金属键合层在载体片的上面，作为键合材料实现SOI片和载体片的键合，键合完成后金薄膜作为反射镜用来对垂直向下的衍射光进行反射； 一 DVS-BCB胶层，该DVS-BCB胶层在金薄膜反射镜层的上面，作为条形波导、锥形波导和亚微米波导三者的下限制层； 一娃波导芯层，依次包括一亚微米波导、一锥形波导、一条形波导三者的芯层，该娃波导芯层在DVS-BCB胶层的上面，与亚微米波导连接处为锥形波导的窄端，该锥形波导芯层长度150-1000 μ m，锥形波导的宽端连接处为条形波导，在该条形波导芯层的表面制作有耦合光栅和反射光栅，稱合光栅用于实现对来自条形波导中的入射光的垂直稱合，反射光栅用于实现对未被衍射直接透射的入射光进行反射； 一二氧化硅层，该二氧化硅层在硅波导芯层的上面，作为条形波导、锥形波导和亚微米波导三者的上限制层； 一光纤，该光纤在耦合光栅正上方的上限制层的上方，光纤的轴线与上限制层表面法线平行，该光纤用于接收向上的垂直衍射光。上限制层、波导芯层(光栅层刻蚀在该芯层表面)、下限制层、反射镜层和载体片层。波导结构(上限制层、波导芯层、下限制层三层组成)由一条形波导、锥形波导和亚微米波导在水平方向上衔接而成。上限制层为二氧化硅材料，波导芯层为硅材料，下限制层为DVS-BCB材料，反射镜层为金材料，金反射镜层同时是Au/Au键合层材料，载体片层可以为娃材料或者二氧化娃玻璃，光栅层包括稱合光栅和反射光栅，稱合光栅和反射光栅均制作在条形波导芯层的下表面，反射光栅在耦合光栅的左侧，与条形波导连接的是锥形波导，与锥形波导连接的是亚微米波导，在二氧化硅层的上方有用于接收向上垂直衍射光的光纤，光纤的轴线与耦合光栅表面法线平行。本专利技术利用耦合光栅可以将通过硅波导芯层的光垂直衍射出波导，衍射方向与硅波导表面垂直，衍射出的光被置于稱合光栅上部二氧化娃层外面的光纤接收；上限制层为二氧化硅材料，下限制层为DVS-BCB材料。一种金属键合的垂直耦合光栅耦合器的制作方法，具体步骤为:步骤1:在硅衬底上依次制作上限制层和硅波导芯层，形成SOI片；步骤2:清洗SOI片表面的硅波导芯层，烘干；步骤3:将烘干的SOI片放入匀胶机中，旋涂光刻胶层，烘干；步骤4:采用电子束曝光工艺对SOI片表面的光刻胶进行曝光，形成条形波导、锥形波导和亚微米波导的光刻胶掩膜图形；步骤5:采用感应耦合等离子体刻蚀，形成条形波导、锥形波导和亚微米波导三者的芯层和上限制层；步骤6:将制有条形波导、锥形波导和亚微米波导三者的芯层和上限制层的SOI片放于匀胶机中，旋涂光刻胶。步骤7:采用电子束曝光工艺在条形波导芯层表面进行曝光，形成耦合光栅和反射光栅的光刻胶掩膜图形；步骤8:对曝光后的SOI片进行显影定影；步骤9:采用感应耦合等离子体刻蚀，形成耦合光栅和反射光栅；步骤10:清洗已形成耦合光栅和反射光栅的SOI片表面的硅波导芯层，烘干；步骤11:将烘干的SOI片放入匀胶机中，在硅波导芯层表面旋涂DVS-BCB胶层，烘干；步骤12:将烘干的SOI片上DVS-BCB表面蒸镀一层金薄膜作反射镜；步骤13:将一硅载体片或玻璃载体片清洗烘干后，蒸镀一层金薄膜；步骤14:蒸镀金薄膜后的硅载体片或玻璃载体片与蒸镀金薄膜后的SOI片进行金/金键合；步骤15:去除SOI片的硅衬底，露出上限制层；步骤16:在耦合光栅正上方的上限制层的上方放置一光纤，光纤的轴线与上限制层表面法线平行。其中所述步骤3中，光刻胶在烘片机中在140_200°C下烘14_20分钟。其中所述步骤11中，DVS-BCB胶在烘片机中在250°C下烘I小时。其中所述娃波芯层的厚度不大于260nm,上、下限制层的厚度不小于I μ m。其中锥形波导长度150 μ m以上。其中所述耦合光栅和反射光栅面积之和为250_350μπι2，光栅的刻蚀深度为20-260nm,耦合光栅和反射光栅的宽度相等，均为10-14 μ m。其中所述耦合光栅和反射光栅为亚微米量级的均匀周期光栅，耦合光栅周期数为10-40，反射光栅周期数在40以上，耦合光栅和反射光栅的占空比均为0.5。附图说明图1是本专利技术金属键合的垂直耦合光栅耦合器的结构示意图。图2是金属键合的垂直耦合光栅耦合器结构的截面示意图。图3 (a)是实施例步骤I中在硅衬底9上依次制作上限制层7和硅波导芯层8，形成SOI片的 图3 (b)是实施例步骤6中将制作有条形波导、锥形波导和亚微米波导三者的芯层和上限制层的SOI片放于匀胶机中，旋涂光刻胶层10后的 图3 (c)是实施例步骤7中采用电子束曝光工艺在条形波导3芯层表面进行曝光，形成率禹合光栅5和反射光栅4图形后的 图3 (d)是实施例步骤8中曝光后的SOI片进行显影定影后的 图3 (e)是实施例步骤9中采用感应耦合等离子体刻蚀，在硅波导芯层8表面形成耦合光栅5和反射光栅4后的 图3 (f)是实施例步骤10中清洗已形成耦合光栅5和反射光栅4的SOI片表面的硅波导本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种金属键合的垂直耦合光栅耦合器，其特征在于包括：一硅片或玻璃片作为载体片；一金薄膜制作的反射镜兼作金属键合层，该金属键合层在载体片的上面；一DVS?BCB胶层，该DVS?BCB胶层在金薄膜反射镜层的上面，作为条形波导、锥形波导和亚微米波导三者的下限制层；一硅波导芯层，依次包括一亚微米波导、一锥形波导、一条形波导三者的芯层，该硅波导芯层在DVS?BCB胶层的上面，与亚微米波导连接处为锥形波导的窄端，该锥形波导芯层长度150?1000μm，锥形波导的宽端连接处为条形波导，在该条形波导芯层的表面制作有耦合光栅和反射光栅，耦合光栅用于实现对来自条形波导中的入射光的垂直耦合，反射光栅用于实现对未被衍射直接透射的入射光进行反射；一二氧化硅层，该二氧化硅层在硅波导芯层的上面，作为条形波导、锥形波导和亚微米波导三者的上限制层；一光纤，该光纤在耦合光栅正上方的上限制层的上方，光纤的轴线与上限制层表面法线平行，该光纤用于接收向上的垂直衍射光。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：郭霞，武华，韩明夫，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：
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