一種基于二元閃耀亞波長光柵的、垂直耦合的光柵耦合器及制備方法技術

本發明專利技術公開了一種基于二元閃耀亞波長光柵的、垂直耦合的光柵耦合器，自上而下的功能層、鍵合層和襯底層。功能層為脊型結構，包括輸入/出光耦合器、光子波導器件區域。輸入與輸出光耦合器呈對稱設置，內均設有周期性排布的二元亞波長閃耀光柵陣列，每個周期中設置有一個不同寬度的主級和次級亞波長光柵，相鄰亞波長光柵之間形成寬度不一的間隔槽，最后一個次級亞波長光柵與中間的光波導區域相臨近。本發明專利技術在降低器件設計復雜度的同時優化設計出一種基于二元閃耀亞波長光柵的光柵耦合器，以實現最大的光耦合效率，垂直耦合還極大地方便了器件的測試和后期芯片的封裝。本發明專利技術所設計的光子器件結構較緊湊、制備工藝簡單、可重復性好。可重復性好。可重復性好。

【技術實現步驟摘要】
一種基于二元閃耀亞波長光柵的、垂直耦合的光柵耦合器及制備方法


[0001]本專利技術屬于半導體光電子領域，尤其涉及一種基于二元閃耀亞波長光柵結構的、完全垂直耦合的表面光柵耦合器及制備方法。

技術介紹

[0002]隨著半導體光電子技術的不斷發展，光子器件以及光子集成電路在高速、大容量以及大帶寬等通信中發揮著越來越大的作用。而為了實現有效的光電互聯，首先就要實現在外部光纖(外部激光器作為入射光源)與片上光子元器件之間形成光線的高效耦合。其中，常見的2種光耦合方式分別為：端面耦合和基于光柵耦合器機構的表面耦合方式。基于常見的光子材料平臺制備得到的光柵耦合器(grating couplers，GCs，GC)，考慮到外部入/出射光纖與片上光子波導結構之間通過采用完全垂直的耦合方式，可以為芯片的測試和后期元器件的封裝等提供極大的便利，但是，對于傳統的垂直耦合方式，有很大一部分光線會直接泄漏到高折射率的襯底中去，同時背向反射現象也很嚴重，這都極大的降低了光纖與波導光柵之間的耦合效率。
[0003]通過調研大量文獻后發現，目前已報道的有關于垂直耦合的LNOI光柵耦合器的研究工作非常少。其中，Carnegie Mellon University的Gianluca Piazza教授研究團隊首先研究了光纖完全垂直入/出射的LNOI光柵耦合器，發現該光柵耦合器在1550nm的中心工作波長下的理論耦合效率僅為
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3.71dB/coupler；接著，他們還進行了實驗制備后發現，在中心波長為1550nm時的耦合效率低達<br/>?
10dB/coupler，以及測試得到的最大耦合效率為
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5.5dB/coupler，但是中心波長偏離1550nm很大。于此同時，他們對該結構做了進一步的改進，通過將傳統的均勻光柵耦合器中的局部光柵陣列結構之間的間距進行了變跡(或切趾)等處理，進而制備了一種較為高效的、完全垂直耦合的LNOI光柵耦合器，他們利用FDTD三維模型進行理論仿真后，以及修改邊界條件等，計算得到了這種垂直耦合的變跡光柵耦合器的最高耦合效率為
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2dB/coupler，而實驗測試得到的最高耦合效率為
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3.6dB/coupler。另外，還需考慮到該光柵耦合器結構的設計較為復雜、器件結構中有的線寬尺寸較窄、制備工藝較復雜、加工的偏差大。
[0004]于此同時，北京大學的周治平、王興軍教授等研究團隊通過合作，基于薄膜硅(thin film silicon,silicon
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on
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insulator，Si
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OI，SOI)平臺，首先在理論上提出并設計出了一種新型的、可用于垂直耦合的二元閃耀亞波長光柵耦合器結構模型。而后，他們還制備出了這種基于二元閃耀亞波長光柵結構的SOI光柵耦合器，但器件均勻性并不好、重復性也較差，最終實驗測試得到的耦合效率非常低。
[0005]考慮到Si和鈮酸鋰(lithi niobate，LiNbO3，LNO，LN)這兩種不同的材料在晶體結構和光電特性等方面所存在的一些差異，據我們所知，截止目前，基于薄膜鈮酸鋰(thin
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film lithi niobate，lithi niobate
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on
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insulator，LNOI)平臺的、垂直耦合的二元閃耀亞波長光柵耦合器還未開始研究，相應的理論模型也還未建立；同時，考慮到LN難刻蝕的本
質、以及在器件實際制備過程中所存在的加工容差和工藝復雜度等問題，基于SOI二元閃耀亞波長光柵耦合器已有的研究基礎，仍然需要對LNOI二元閃耀亞波長光柵耦合器做進一步改進，進而來設計并制備出一種新型的、高效率的、完全垂直耦合的二元閃耀亞波長光柵LNOI耦合器。
[0006]由于傳統光柵耦合器結構中的光柵陣列只具有單一的周期性，基于此，我們對其中的局部光柵陣列結構進行了簡單的改進。因此，為了進一步地降低制備成本，減小器件尺寸和結構設計的復雜度，同時與現有的標準CMOS制備工藝相兼容，進而來實現一種具有高耦合效率的、光纖完全垂直耦合的LNOI耦合器。

技術實現思路

[0007]本專利技術的技術目的是提供一種基于二元閃耀亞波長光柵的、垂直耦合的光柵耦合器及制備方法，以解決現有技術中當外部光纖與光柵耦合器進行光線的耦合時，這二者之間的光耦合效率低，光纖非垂直入/出射時所導致的芯片測試不方便、不易于元器件封裝，器件不緊湊、設計復雜，可重復性差，制備工藝難度大、加工容差小，制備成本高的技術問題。
[0008]為解決上述問題，本專利技術的技術方案為：
[0009]一種基于二元閃耀亞波長光柵的、垂直耦合的光柵耦合器，包括自上而下的功能層、鍵合層和襯底層。
[0010]功能層的下底面經鍵合層與襯底層的上端面鍵合連接，襯底層用于支撐和承載功能層和鍵合層。
[0011]功能層設置為光電薄膜材料，包括輸入光柵耦合器、輸出光柵耦合器、光子波導器件區域，功能層為脊型光波導結構，輸入光柵耦合器、輸出光柵耦合器和光子波導器件區域均設置在功能層中，鋪設于鍵合層的上端面上，輸入光柵耦合器與輸出光柵耦合器以光子波導器件區域呈對稱設置。
[0012]輸入光柵耦合器用于接收外部光纖輸出的光線以實現將激光光束耦合，得到輸入耦合信號，光子波導器件區域為自定義的器件結構，用于傳遞輸入耦合信號至輸出光柵耦合器并與另一外部光纖實現耦合輸出。
[0013]輸入光柵耦合器和輸出光柵耦合器內均設有若干周期性排布的二元亞波長閃耀光柵陣列單元，二元亞波長閃耀光柵陣列單元中包括相同數量的主級亞波長光柵條紋和次級亞波長光柵條紋，主級亞波長光柵條紋與次級亞波長光柵條紋依次間隔設置、沿特定方向排列，且相鄰主級亞波長光柵條紋與次級亞波長光柵條紋之間形成寬度周期性變化的間隔槽，主級亞波長光柵條紋的寬度大于次級亞波長光柵條紋的寬度。
[0014]其中，主級亞波長光柵條紋和次級亞波長光柵條紋可設置為方形、弧形或扇形，間隔槽的形貌與相鄰的光柵條紋相對應。
[0015]輸入光柵耦合器中的二元亞波長閃耀光柵陣列單元包括一主級亞波長光柵條紋和一次級亞波長光柵條紋，次級亞波長光柵條紋左側的間隔槽的寬度大于次級亞波長光柵條紋右側的間隔槽的寬度。
[0016]輸出光柵耦合器中的二元亞波長閃耀光柵陣列單元包括一主級亞波長光柵條紋和一次級亞波長光柵條紋，次級亞波長光柵條紋右側的間隔槽的寬度大于次級亞波長光柵
條紋左側的間隔槽的寬度。
[0017]光子波導器件區域為自定義的光子器件結構，用于將輸入光柵耦合器和輸出光柵耦合器相互連接，且光子波導器件區域的兩端均需設置為相鄰二元亞波長閃耀光柵陣列單元中的次級亞波長光柵條紋。
[0018]其中，由功能層一次性、整體刻蝕后形成間隔槽，間隔槽可采用矩形、弧形以及扇形聚焦結構，間隔槽的刻蝕深度可自定義，且與功能層的總厚度、器件實際加工時的難度因素相關。
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【技術保護點】

【技術特征摘要】
1.一種基于二元閃耀亞波長光柵的、垂直耦合的光柵耦合器，其特征在于，包括自上而下的功能層、鍵合層和襯底層；所述功能層的下底面經所述鍵合層與所述襯底層的上端面鍵合連接，所述襯底層用于支撐和承載所述功能層和所述鍵合層；所述功能層設置為光電薄膜材料，包括輸入光柵耦合器、輸出光柵耦合器、光子波導器件區域，所述功能層為脊型光波導結構，所述輸入光柵耦合器、所述輸出光柵耦合器和所述光子波導器件區域均設置在所述功能層中，鋪設于所述鍵合層的上端面上，所述輸入光柵耦合器與所述輸出光柵耦合器以所述光子波導器件區域呈對稱設置；所述輸入光柵耦合器用于接收外部光纖輸出的光線以實現將激光光束耦合，得到輸入耦合信號，所述光子波導器件區域為自定義的器件結構，用于傳遞所述輸入耦合信號至所述輸出光柵耦合器并與另一外部光纖實現耦合輸出；所述輸入光柵耦合器和所述輸出光柵耦合器內均設有若干周期性排布的二元亞波長閃耀光柵陣列單元，所述二元亞波長閃耀光柵陣列單元中包括相同數量的主級亞波長光柵條紋和次級亞波長光柵條紋，所述主級亞波長光柵條紋與所述次級亞波長光柵條紋依次間隔設置、沿特定方向排列，且相鄰所述主級亞波長光柵條紋與所述次級亞波長光柵條紋之間形成寬度周期性變化的間隔槽，所述主級亞波長光柵條紋的寬度大于所述次級亞波長光柵條紋的寬度。2.根據權利要求1所述的基于二元閃耀亞波長光柵的、垂直耦合的光柵耦合器，其特征在于，所述主級亞波長光柵條紋和所述次級亞波長光柵條紋可設置為方形、弧形或扇形，所述間隔槽的形貌與相鄰的光柵條紋相對應；所述輸入光柵耦合器中的所述二元亞波長閃耀光柵陣列單元包括一所述主級亞波長光柵條紋和一所述次級亞波長光柵條紋，所述次級亞波長光柵條紋左側的所述間隔槽的寬度大于所述次級亞波長光柵條紋右側的所述間隔槽的寬度；所述輸出光柵耦合器中的所述二元亞波長閃耀光柵陣列單元包括一所述主級亞波長光柵條紋和一所述次級亞波長光柵條紋，所述次級亞波長光柵條紋右側的所述間隔槽的寬度大于所述次級亞波長光柵條紋左側的所述間隔槽的寬度；所述光子波導器件區域為自定義的光子器件結構，用于將所述輸入光柵耦合器和所述輸出光柵耦合器相互連接，且所述光子波導器件區域的兩端均需設置為相鄰所述二元亞波長閃耀光柵陣列單元中的所述次級亞波長光柵條紋。3.根據權利要求1所述的基于二元閃耀亞波長光柵的、垂直耦合的光柵耦合器，其特征在于，由所述功能層一次性、整體刻蝕后形成所述間隔槽，所述間隔槽可采用矩形、弧形以及扇形聚焦結構，所述間隔槽的刻蝕深度可自定義，且與所述功能層的總厚度、器件實際加工時的難度因素相關。4.根據權利要求1或3所述的基于二元閃耀亞波長光柵的、垂直耦合的光柵耦合器，其特征在于，所述功能層采用不同切向的單晶光學薄膜，所述功能層的厚度為亞微米尺度，且所述功能層的厚度和所述間隔槽的刻蝕深度都需要分別與所述鍵合層和所述襯底層的材料和厚度相對應。5.根據權利要求4所述的基于二元閃耀亞波長光柵的、垂直耦合的光柵耦合器，其特征
在于，所述功能層的單晶材料可設置為單晶薄膜鈮酸鋰或薄膜鉭酸鋰或薄膜硅或薄膜Si3N4或薄膜鈦酸鋇，所述鍵合層的材料可設置為SiO2或BCB，所述襯底層為塊體材料，所述襯底層可設置為塊體硅或LN或石英。6.根據權利要求5所述的基于二元閃耀亞波長光柵的、垂直耦合的光柵耦合器，其特征在于，當所述功能層設置為600nm厚的x切向的薄膜鈮酸鋰時，所述鍵合層設置為4.7μm厚的SiO2材料，所述襯底層設置為幾百微米厚的塊體硅或LN材料，所述間隔槽的刻蝕深度設置為所述功能層厚度的一半；當所述功能層設置為600nm厚的x切向的薄膜鈮酸鋰時，所述鍵合層設置為2.5μm厚的SiO2材料，所述襯底層設置為幾百微米厚的塊體硅或LN材料，所述間隔槽的刻蝕深度設置為所述功能層厚度的一半；當所述功能層設置為600nm厚的x切向的薄膜鈮酸鋰時，所述鍵合層設置為2.0μm厚的SiO2材料，所述襯底層設置為幾百微米厚的塊體硅或LN材料，所述間隔槽的刻蝕深度設置為小于或等于所述功能層厚度的一半；當所述功能層設置為700nm厚的x切向的薄膜鈮酸鋰時，所述鍵合層設置為2.0μm厚的SiO2材料，所述襯底層設置為幾百微米厚的塊體硅或LN材料，所述間隔槽的刻蝕深度設置為遠小于或等于所述功能層厚度的一半；當所述功能層設置為300nm厚的x切向的薄膜鈮酸鋰時，所述鍵合層設置為2.0μm厚的SiO2材料，所述襯底層設置為幾百微米厚的塊體硅或L...

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊思攀，程秀蘭，
申請(專利權)人：上海交通大學，
類型：發明
國別省市：