专利名称：一种偏振无关光栅耦合器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光耦合领域，特别是一种集成光栅耦合器，具有偏振无关的特性。
背景技术：
集成硅基光学系统，由于其小的器件尺寸，以及与传统集成电路CMOS工艺良好的 兼容性，成为目前研究的一个热点。许多微纳器件已经在硅基上实现集成，如激光器、调制 器、滤波器、耦合器、缓存器等等。而光栅用于实现耦合器功能，有着耦合面积小、耦合效率 高等优点，从而被广泛应用在平面光学系统中。但是光栅和其他光学微纳器件一样，由于尺寸小使得器件对于TE、TM模式的有 效折射率存在较大差异，从而导致了器件偏振相关的问题。通过光诱导双折射现象可以解 ^^^iiilffi^ W IS (D. A. Peyrot, Τ. V. Galstian, and R. A. Lessard, "Polarization independentgrating coupling in planar wave-guide using photo-inducedbirefrin gence,，，Proc. SPIE 4833，719 (2002).)，但是它采用了特殊的偏振光敏感材料，且涉及到 偏振曝光技术，实用性和普遍性不大。通过生长应力层的方 法将TE、TM模式的有效折射 率差调节为零(D. -X. Xu, P. Cheben, D. Dalacu, A. Delage, S. Janz, B. Lamontagne, M. -J. Picard,and W. N. Ye,"Eliminating the birefringence insilicon-on-insulator ridge waveguides by use of cladding stress，” Opt. Lett. 29，2384 (2004).)，也可以解决偏振 相关的问题，但是增加了后处理工艺步骤和额外的材料，而其增加应力层所引入的额外厚 度也限制了器件尺寸向更小发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种T型槽光栅结构的设计方法，对两种模式采取不同的耦 合原理来实现输出耦合器，从而实现了采用同一结构对TE、TM模式同时高效率耦合输出， 在1550nm光通信波段附近实现了高效率、宽带宽、低偏振相关损耗(PDL)的偏振无关光栅 耦合器。采用的具体技术方案如下一种偏振无关光栅耦合器的制作方法，包括如下步骤(1)根据光栅耦合布拉格条件计算TM模式的周期T ；(2)根据光栅谐振条件计算TE模式的周期Tte ；(3)令T = Tte,求得所述偏振无关光栅耦合器的上层材料厚度，将此时的T 或 Tte设置为该偏振无关光栅耦合器的周期；(4)利用上述求得的上层材料厚度和周期制作竖直Slot光栅；(5)在上述竖直slot光栅的凹槽上部刻蚀一组浅刻蚀光栅，使得上述竖直Slot光 栅变为T型槽光栅，调节所述浅刻蚀光栅的刻蚀宽度与刻蚀深度，使得TE模式耦合输出效 率最大，TM模式耦合效率不受影响，此时形成的T型槽光栅即为所求的偏振无关光栅耦合
ο本发明所述的周期Τ * X/neff ，其中，λ为耦合波长，neff 为TM模式的有效折射率。本发明在计算TE模式的周期Tte中，首先将光场束缚在一个布拉格光栅谐振器 之中，此时，TE模式光栅耦合器的工作是遵循光栅谐振条件，从而光栅周期Tte在(2a士 1) 入/^^到“/^！^广范围内，其中，neffTE*TE模式的有效折射率，λ为耦合波长，a为正 整数。本发明所述的偏振无关光栅耦合器的材料可以是任何对TE和TM模式存在有效折 射率差的材料。本发明实现了在1480-1580nm波长范围内TE、TM模式的耦合效率均高于50%，两 种模式的耦合效率都在1550nm波长处达到了 58% ；而在1510-1580nm波长范围内耦合器 的偏振相关损耗(PDL)小于0. 05dB，在1550nm波长处仅为3. 6 X 10_3dB，所设计的光栅耦合 器实现了高耦合效率、低偏振相关损耗、宽带宽的耦合输出功能。本发明提供了一种新型偏振无关光栅耦合器的设计方法，相比较于以往的偏振无 关器件，其器件结构简单、制作方便、体积小，且与标准的CMOS工艺兼容，将为偏振无关器 件的设计与制造提供技术支持。
图1本发明的原理图及结构图，图中上下深灰色部分为硅，中间白色部分为二氧 化硅，图(a)为针对TM模式的竖直Slot光栅，图(b)为针对TE模式的布拉格光栅谐振器， 图(c)为TM模式的T型槽光栅，图(d)为TE模式的T型槽光栅。图(a)、(b)到(c)、(d) 箭头的变化示意了光在耦合器中路径的变化，图(c)、(d)为所发明的光栅耦合器结构。
具体实施例方式本发明的目的是提供一种结构简单、易制作的新型偏振无关光栅耦合器的设计方 法。
具体实施方式
分以下五个步骤1.根据光栅耦合布拉格条件求得TM模式的周期T ；通常基于光栅布拉格条件的针对同一波长的TE、TM模式的光栅耦合器，由于二者 大的有效折射率差，其光栅周期会有很大的不同。而这里我们考虑TM模式仍遵循光栅布拉 格条件进行耦合，则其光栅周期1""应为λ/η# (λ为耦合波长，nrff 模式的有效折 射率)左右，针对TM模式的Slot效应，TM光栅的刻槽采用竖直Slot刻槽结构导出能量来 实现高效率耦合。2.根据光栅谐振条件求得TE模式的周期Tte ； 针对TE模式，首先将光场束缚在一个布拉格光栅谐振器之中。此时，TE模式光栅 耦合器的工作是遵循光栅谐振条件，从而光栅周期Tte应在(2a士 1) λ /4neffTE到a λ /2neffTE 范围内，其中，IWteSTE模式的有效折射率，λ为耦合波长，a为正整数。3.令周期T 与周期Tte相等，求得的上硅层厚度作为耦合器的上硅层厚度，此时的周期为耦合器的周期；由于步骤1、2中光栅周期的表达式并不相同，这样即使TE模式和TM模式的有效 折射率(与上硅层厚度等参数有关)不相同，通过适当设计光栅参数，就可以让同一光栅结 构同时满足TM模式的布拉格条件和TE模式的谐振条件。
我们通过调节SOI硅基光栅上硅层的厚度，使得以上针对TE模式的谐振光栅的周 期与TM模式的常规耦合光栅的周期相同。具体实现则可通过计算出不同上硅层厚度对应 的TM模式最大耦合效率时的周期与TE模式的光栅谐振点处的周期，连成两条曲线，曲线交 点处即为所求上硅层厚度和光栅周期。4.利用上述的上硅层厚度和光栅周期制作竖直Slot光栅；5.在上述制作的竖直slot光栅的凹槽上部刻蚀一组浅刻蚀光栅，形成T型槽光 栅，使得TE模式耦合输出效率最大，TM模式耦合效率不受影响，此时的光栅即为所设计的 偏振无关耦合器。针对TE模式，在谐振器光栅结构(即步骤4中得到的竖直Slot光栅结构)的上 部加刻一组浅刻蚀光栅来将束缚在谐振器中的光能攫取出来，从而实现TE模式高效率的 耦合，而加刻的浅刻蚀光栅对TM模式耦合几乎没有影响。通过调节调节上部浅刻蚀光栅的 刻蚀宽度与刻蚀深度，进一步优化T型光栅的性能，即可实现偏振无关光栅耦合器。为了取得更好的效果，还可以调节竖直Slot光栅的刻蚀深度和刻蚀宽度。该偏振无关耦合器的制作可以采用电子束光刻技术进行套刻制作 ，也可以采用灰 度光刻技术进行制作。采用电子束光刻进行套刻时，分别进行两次电子束光刻与刻蚀，来制 作出Slot光栅结构和浅刻蚀光栅结构，从而实现T型光栅结构，即使套刻的对准误差使得 光栅凹槽在r型-τ型-η型之间变化，耦合器仍然能实现高效率偏振无关耦合性能。而采 用灰度光刻技术进行制作时，则只需要在程序设计时对凹槽进行相应的曝光量设置，得到τ 型掩模层，再进行刻蚀，即可以实现器件结构。此外，此结构不只限制在硅基材料中使用，对于TE、TM模式存在有效折射率差的 材料中均可以使用。对该耦合器检验时，首先将1550nm波长附近的光源接到偏振控制器的输入端，然 后将偏振控制器输出的光如图1(c)、(d)左边波导中箭头所示，通入到耦合器中，耦合器的 光栅面上方输出的光接收到光探测器中，然后调节偏振控制器，观察探测器接收到的光能 大小，若调节过程中探测器所接收到的光能大小不变，则该光栅耦合器实现了偏振无关耦 合功能。
权利要求
一种偏振无关光栅耦合器的制作方法，包括如下步骤(1)根据光栅耦合布拉格条件计算TM模式的周期TTM；(2)根据光栅谐振条件计算TE模式的周期TTE；(3)令TTM＝TTE，求得所述偏振无关光栅耦合器的上层材料厚度，将此时的TTM或TTE设置为该偏振无关光栅耦合器的周期；(4)利用上述求得的上层材料厚度和设置的周期制作竖直Slot光栅；(5)在上述竖直slot光栅的凹槽上部刻蚀一组浅刻蚀光栅，使得上述竖直Slot光栅变为T型槽光栅，调节所述浅刻蚀光栅的刻蚀宽度与刻蚀深度，使得当其在TE模式耦合输出效率最大、TM模式耦合效率不受影响时，此时刻蚀形成的T型槽光栅即为所求的偏振无关光栅耦合器。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述的周期T 为X/nrff ，其中，A 为耦合波长，nef ”为TM模式的有效折射率。
3.根据权利要求1或2所述的制作方法，其特征在于，所述在计算TE模式的周期Tte 中，首先将光场束缚在一个布拉格光栅谐振器之中，此时，TE模式光栅耦合器的工作是遵循 光栅谐振条件，从而光栅周期TTE在(2a士 1) X/4neffTE到aX/2neffTE范围内，其中，neffTE为 TE模式的有效折射率，\为耦合波长，a为正整数。
4.根据权利要求1-3之一所述的制作方法，其特征在于，所述的偏振无关光栅耦合器 的材料可以是任何对TE和TM模式存在有效折射率差的材料。
全文摘要
本发明提供了一种T型槽光栅结构的设计方法，对两种模式采取不同的耦合原理来实现输出耦合器，从而实现了采用同一结构对TE、TM模式同时高效率耦合输出。本发明实现了在1480-1580nm波长范围内TE、TM模式的耦合效率均高于50％，两种模式的耦合效率都在1550nm波长处达到了58％；而在1510-1580nm波长范围内耦合器的偏振相关损耗(PDL)小于0.05dB，在1550nm波长处仅为3.6×10-3dB，所设计的光栅耦合器实现了高耦合效率、低偏振相关损耗、宽带宽的耦合输出功能。器件结构简单、制作方便、体积小，且与标准的CMOS工艺兼容，将为偏振无关器件的设计与制造提供技术支持。
文档编号G02B5/18GK101833138SQ201010161238
公开日2010年9月15日 申请日期2010年4月30日 优先权日2010年4月30日
发明者汪毅, 邵士茜 申请人:华中科技大学