基于亞波長光柵結構的寬帶氮化硅波導耦合器制造技術

本發明專利技術涉及一種基于亞波長光柵結構的寬帶氮化硅波導耦合器，由兩個完全左右前后對稱的結構相同的氮化硅波導耦合組成，輸入端為分離的直波導，經過彎曲的錐形波導進入耦合區，到周期光柵結構，再到彎曲的錐形波導到輸出端分離的直波導，錐形波導中間為從直波導寬度漸變小的錐形，兩邊為等寬的鋸齒形，鋸齒形的間隔結構與光柵結構相同，該波導耦合器從頭到尾寬度和高度完全相等。設計的光柵結構的氮化硅寬帶耦合器較傳統意義上的耦合器而言能夠極大地拓寬了傳輸帶寬，傳輸損耗低，耦合效率高，性能穩定，在1550納米光通信波段具有重要的應用前景。

Broadband silicon nitride waveguide coupler based on subwavelength grating structure

The invention relates to a broadband silicon nitride waveguide coupler based on subwavelength grating structure, composed of silicon nitride waveguide coupling structure two completely symmetrical around the same, straight waveguide input end is separated, passes through the conical waveguide bend into the coupling region, to the Zhou Qiguang gate structure, and then to the tapered waveguide bend to the output at the end of separation of the straight waveguide, the tapered waveguide is tapered from the middle straight waveguide width gradient on both sides for the small, zigzag width, zigzag spacing structure with the same grating structure, the waveguide width and height equal from A to Z. The coupler of silicon nitride broadband coupler grating structure design is the traditional sense of the terms can greatly broaden the bandwidth of transmission, low transmission loss, high coupling efficiency, stable performance, has important application prospects in the optical communication wavelength of 1550 nm.

【技術實現步驟摘要】
基于亞波長光柵結構的寬帶氮化硅波導耦合器
本專利技術涉及一種光學器件，特別涉及一種基于亞波長光柵結構的寬帶氮化硅波導耦合器。
技術介紹
氮化硅這一硅基材料在集成光電子器件方面有著廣泛應用，具有從可見到紅外的寬透射譜，其制作工藝與商用半導體加工工藝兼容等特性。基于氮化硅材料的光波導結構，與包覆層的折射率差值適中，器件尺寸在微米量級，制造容差較大，易于大規模商業化生產，且有關器件與外部光纖的耦合效率較高，傳輸損耗也比較低。在眾多的光學集成器件中，定向耦合器是基本組成部分，可以應用于波長解復用器，偏振光束分光器，光學開關和生物傳感器，定向耦合器由于其結構上簡單，沒有累贅的固有損耗等特性非常適用于光束分光，同時，定向耦合器簡單易設計，其分光比可以通過改變耦合長度或波導間隔來調節。盡管定向耦合器被廣泛應用但它的帶寬很窄且有嚴格的制造容差，這是由于在交叉耦合中必須滿足嚴格的相位匹配條件，鑒于該缺點，目前有幾種方法被提出以拓寬定向耦合器的帶寬：1、通過在馬赫森德干涉儀中連接耦合器的方法帶寬有所改善但以更大的器件封裝尺寸為代價【在先技術1：J.FengandR.Akimoto,Jpn.J.Appl.Phys.54,04DG08(2015)】。2、通過在耦合區采用特定的錐形波導，非對稱耦合器可以獲得寬帶寬但同樣極大增加了封裝尺寸【在先技術2：G.Paloczi,A.Eyal,andA.Yariv,IEEEPhoton.Technol.Lett.16,515–517(2004)】。3、將耦合器的形狀彎曲雖然有效但會導致相位響應的退化【在先技術3：D.DaiandJ.E.Bowers,Opt.Express19(19),18614–18620(2011)】。最近，亞波長結構的光柵引起廣泛關注，當它的光柵周期足夠小時，能夠充當均勻媒介并且有效抑制衍射效應，通過改變占空比和光柵周期，亞波長光柵波導有效模式的折射率和色散可以很容易改變,便于光學器件的集成與設計，矩形光柵是利用微電子深刻蝕工藝，在基底上加工出的具有矩形槽形的光柵。高密度矩形光柵的衍射理論，不能簡單地由波導學中光束傳播法來解釋，須采用三維有限時域差分算法，通過編碼的計算機程序精確地計算出結果。但據我們所知，目前為止，還沒有人針對1550納米光通信波段給出在氮化硅基片上制作的亞波長光柵結構的寬帶耦合器的設計參數。
技術實現思路
本專利技術是針對定向耦合器存在的問題，提出了一種基于亞波長光柵結構的寬帶氮化硅波導耦合器，波長為1550納米的TE偏振光（振動方向垂直于傳播方向）沿波導入射時,可以實現50:50的耦合比，從1500到1620納米波段的TE偏振光沿光柵波導入射時，可實現分束光功率差值在0.2分貝以內。本專利技術的技術方案為：一種基于亞波長光柵結構的寬帶氮化硅波導耦合器，由兩個完全左右前后對稱的結構相同的氮化硅波導耦合組成，輸入端為分離的直波導，經過彎曲的錐形波導進入耦合區，到周期光柵結構，再到彎曲的錐形波導到輸出端分離的直波導，錐形波導中間為從直波導寬度漸變小的錐形，兩邊為等寬的鋸齒形，鋸齒形的間隔結構與光柵結構相同，該波導耦合器從頭到尾寬度和高度完全相等。所述彎曲的錐形波導為S形的錐形波導，入射端兩直波導間距是光柵結構波導間距的十倍以上。所述兩個完全左右前后對稱的結構相同的氮化硅波導外由微米厚的二氧化硅層包裹。所述光柵結構波導導寬為1800納米,高度為330納米，光柵周期為350納米，占空比為0.315，占空比即為硅條紋寬度和周期的比值，耦合長度25.2微米，波長為1550納米的TE偏振光從輸入端直波導沿波導入射時,實現50:50的耦合比，光柵結構波導間距450納米時實現從1500納米到1620納米波段耦合器出射端光功率差值在0.2分貝以內。本專利技術的有益效果在于：本專利技術基于亞波長光柵結構的寬帶氮化硅波導耦合器，設計的光柵結構的氮化硅寬帶耦合器較傳統意義上的耦合器而言能夠極大地拓寬了傳輸帶寬，傳輸損耗低，耦合效率高，性能穩定，在1550納米光通信波段具有重要的應用前景。附圖說明圖1為本專利技術基于亞波長光柵結構的寬帶氮化硅波導耦合器三維結構圖；圖2為本專利技術光柵結構耦合器的耦合效果圖；圖3為本專利技術基于亞波長光柵結構的寬帶氮化硅波導耦合器制備過程示意圖。具體實施方式如圖1所示基于亞波長光柵結構的寬帶氮化硅波導耦合器三維結構圖，它包含兩個完全左右前后對稱的結構相同的氮化硅波導1和2耦合組成,該波導耦合器從頭到尾寬度和高度完全相等，輸入端為分離的直波導，經過彎曲的錐形波導進入耦合區，到周期光柵結構波導，再到彎曲的錐形波導到輸出端分離的直波導，錐形波導中間為從直波導寬度漸變小的錐形，兩邊為等寬的鋸齒形，鋸齒形的間隔結構與光柵結構相同，從氮化硅波導1中入射的TE偏振光先后經由彎曲的錐形波導和光柵結構后會迅速耦合到氮化硅波導2中，這是因為光柵結構對于入射光的限制作用較矩形波導弱，通過控制耦合距離,光柵周期和占空比可以保證在輸出端和交叉端耦合比為50:50，即為3dB耦合,其中耦合比表示由輸入信道耦合到指定輸信道功率的百分比。對于該結構為避免在輸入端不必要的耦合對于實驗結果的影響，這里用到了一種S形的錐形波導，入射端兩直波導間距遠大于光柵結構波導間隔，所謂遠大于即在10倍以上，最好在40-50倍。同時錐形結構能使光從直波導順利過渡到光柵結構波導中，減少不必要的損耗。該光柵耦合器由3微米厚的二氧化硅層包裹，由矩形氮化硅條紋和入射端和出射端彎曲的錐形波導構成，特別在光柵結構波導寬為1800納米,高度為330納米，光柵周期為350納米，占空比為（硅條紋寬度和周期的比值）0.315，耦合長度25.2微米，波長為1550納米的TE偏振光（振動方向垂直于入射面）沿波導入射時,可以實現50:50的耦合比（即為3dB耦合），光柵結構波導間距間距450納米時可實現從1500納米到1620納米波段耦合器出射端光功率差值在0.2分貝以內，圖2表示所述結構參數下入射波長變化時光柵耦合器的歸一化透過率圖，其中實線和虛線分別表示出射端和交叉端的歸一化透過率變化趨勢，實現和虛線關于3分貝的水平虛線對稱，由圖可以看出盡管兩線變化有或大或小的震蕩，但在同一波長下，出射端和交叉端的歸一化透過率差值始終在0.2個分貝內?；趤啿ㄩL光柵結構的寬帶氮化硅波導耦合器通常采用電子束光刻技術和反應離子刻蝕。與其他亞波長結構光柵只需要采用電子束光刻技術刻蝕一次不同的是，這里的光柵結構與波導結構是分開制作的，如果將光柵和波導結構同時制作的話，狹窄的光柵脊很容易在模具成型的過程中發生位置的偏移和形變，因此，光柵結構和波導結構應該分別先后制作。如圖3所示基于亞波長光柵結構的寬帶氮化硅波導耦合器制備過程示意圖，圖3中除了有說明以外，其他圖形都為側視圖，首先1通過剝離技術制備方法在硅材料表面制作一組用于后續結構制備的全局標記，然后2首先利用等離子體化學氣相沉積得到一個4微米厚的二氧化硅緩沖層，然后通過在二氧化硅緩沖層上低溫化學氣相沉積得到250納米厚的氮化硅層，3采用電子束光刻技術和反應離子刻蝕法使得氮化硅光柵成型，光柵結構被深度刻蝕，正性電子束抗蝕劑（大約400納米厚）直接用作刻蝕掩模，氮化硅基片經過干法和濕法化學清潔后，在氮化硅基片上包裹本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于亞波長光柵結構的寬帶氮化硅波導耦合器，其特征在于，由兩個完全左右前后對稱的結構相同的氮化硅波導耦合組成，輸入端為分離的直波導，經過彎曲的錐形波導進入耦合區，到周期光柵結構波導，再到彎曲的錐形波導到輸出端分離的直波導，錐形波導中間為從直波導寬度漸變小的錐形，兩邊為等寬的鋸齒形，鋸齒形的間隔結構與光柵結構相同，該波導耦合器從頭到尾寬度和高度完全相等。

【技術特征摘要】
1.一種基于亞波長光柵結構的寬帶氮化硅波導耦合器，其特征在于，由兩個完全左右前后對稱的結構相同的氮化硅波導耦合組成，輸入端為分離的直波導，經過彎曲的錐形波導進入耦合區，到周期光柵結構波導，再到彎曲的錐形波導到輸出端分離的直波導，錐形波導中間為從直波導寬度漸變小的錐形，兩邊為等寬的鋸齒形，鋸齒形的間隔結構與光柵結構相同，該波導耦合器從頭到尾寬度和高度完全相等。2.根據權利要求1所述基于亞波長光柵結構的寬帶氮化硅波導耦合器，其特征在于，所述彎曲的錐形波導為S形的錐形波導，入射端兩直波導間距是光柵結構波導間距的十倍以上。3.根據權利要求1或2所...

【專利技術屬性】
技術研發人員：馮吉軍，顧昌林，曾和平，
申請(專利權)人：上海理工大學，
類型：發明
國別省市：上海,31