一种光栅耦合器及其制备方法与流程

本发明涉及无源光子器件及其制备领域，更具体地，涉及一种光栅耦合器及其制备方法。

背景技术：

早期的光子集成芯片，光信号通过芯片解理后的光波导端面耦合到波导中，实现光信号接入。随着光栅耦合器的应用，与解理芯片的端面耦合不同，光信号可以在无需切片和解理的情况下实现垂直耦合。

光栅耦合器是一种光子集成领域中的基础光子器件之一，通过表面刻蚀的光栅结构对光信号的衍射作用，实现垂直芯片表面方向的入射光向芯片光波导的耦合。由于其垂直耦合特性，通过在光子芯片表面刻蚀的光栅结构，可以在无芯片解理的情况下，方便快捷地实现光子芯片的片上测试，很大程度上规避了传统端面耦合中精确解理芯片的流程，使得光子芯片研发和测试更加便利。

近些年，随着氮化硅材料的逐渐发展与流行，氮化硅材料体系，由于其低损耗、低色散、低非线性、适中的折射率以及可低温外延生长等优秀特性，在有源无源集成、片上密集波分复用等光子集成领域体现出比原有硅光子材料更好的性能。然而，由于氮化硅材料的折射率较低（n=2），因此，在单个光栅周期内难以形成足够的耦合强度，在仿照硅基光栅耦合器的设计思路和依照标准单模光纤的传输模式匹配的情况下，很难在短的波导传输长度内，实现高效率的光信号从单模光纤到光波导的耦合，限制了光栅耦合器的耦合性能。

技术实现要素：

本发明为克服上述现有技术所述的光栅耦合器的耦合效率低的缺陷，提供一种光栅耦合器及其制备方法。

为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：

一种光栅耦合器，包括：从下往上依次为带绝缘层和光栅层的晶片、氧化层和光波导层；其中，光栅层的折射率大于光波导层的折射率；

所述光栅层和光波导层均为预设周期的光栅结构；所述绝缘层上的光栅层作为分布式布拉格光栅反射镜。

上述方案中，光耦合进入光栅耦合器的过程中，一部分光直接耦合进光波导层，另一部分光透过氧化层照射到分布式布拉格光栅反射镜，并被布拉格光栅反射镜反射回光波导层。绝缘层上的高折射率光栅层作为分布式布拉格光栅反射镜，由于其高反射率，能尽可能地提升光栅耦合器向上辐射光信号的能力，大大提升光栅耦合器的耦合效率。

优选地，所述绝绝缘层上的光栅层为硅光栅层，所述光波导层为氮化硅光波导层。由于单晶硅材料在通信波段具有较高的折射率（n=3.42），易于与其他材料（如空气和氧化硅等）形成较大的折射率差，由此产生较大的光栅耦合强度。

优选地，所述绝缘层上的光栅层为砷化镓晶片或磷化铟晶片。由于砷化镓晶片或磷化铟晶片的折射率较大，具有高反射率，能够较好的实现光信号的向上辐射。

优选地，所述光波导层为预设配比的氮氧化硅、氧化硅光波导层。

进一步地，所述光栅耦合器的光栅周期为均匀周期或非均匀周期。

同时，本发明还提供了一种光栅耦合器的制备方法，其具体方案如下：

S1、以带绝缘层和光栅层的晶片为衬底，然后在光栅层的顶部从下到上依次外延生长氧化层和光波导层；其中，所述光栅层的折射率大于所述光波导层的折射率；

S2、进行单次的电子束光刻，并掩膜成型；

S3、对光波导层、氧化层和光栅层进行单次的等离子体刻蚀，得到光栅耦合器。

本技术方案对所述光栅层、氧化层和波导层进行单次的电子束光刻和单次的等离子体刻蚀，即可实现带布拉格高反射镜的光栅耦合器的制备，制备流程简单便捷，在实际芯片制作中具有更高的应用潜力。

优选地，所述绝绝缘层上的光栅层为硅光栅层，所述光波导层为氮化硅光波导层。

优选地，所述绝缘层上的光栅层为砷化镓晶片或磷化铟晶片。

优选地，所述光波导层为预设配比的氮氧化硅、氧化硅光波导层。

优选地，所述光栅耦合器的预设光栅周期为均匀周期或非均匀周期。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

（1）本发明提供的光栅耦合器在光耦合进入光栅耦合器的过程中，一部分光直接耦合进光波导层，另一部分光透过氧化层照射到分布式布拉格光栅反射镜，并被布拉格光栅反射镜反射回光波导层。绝缘层上的高折射率晶片作为分布式布拉格光栅反射镜，由于其高反射率，能尽可能地提升光栅耦合器向上辐射光信号的能力，大大提升光栅耦合器的耦合效率。

（2）本发明提供的制备方法通过对所述光栅层、氧化层和波导层材料进行单次的电子束光刻和单次的等离子体刻蚀，即可实现带布拉格反射镜的光栅耦合器的制备，制备流程简单便捷。

附图说明

图1为一实施例的光栅耦合器的结构示意图。

图2为一实施例的光栅耦合器的制备方法的示意性流程图。

图3为一实施例的光栅耦合器的制备过程的示意性状态图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

图1为一实施例的光栅耦合器的结构示意图。如图1所述，一种光栅耦合器，包括：从下往上依次为以带绝缘层5和光栅层4的晶片、氧化层3和光波导层2；其中光栅层4的折射率大于光波导层2的折射率；所述光栅层4、光波导层2均为预设周期的光栅结构；所述绝缘层5上的光栅层4作为分布式布拉格光栅反射镜，所述光波导层2将光纤里的光信号垂直耦合进光栅耦合器；光耦合进入光栅耦合器的过程中，一部分光直接耦合进光波导层2，另一部分光透过氧化层3照射到分布式布拉格光栅反射镜，并被布拉格光栅反射镜反射回光波导层2，1为连接所述光栅耦合器的单模光纤。

在本实施例，所述光栅耦合器的光栅周期为均匀周期或非均匀周期。光栅周期在200nm到2000um之间，具体的光栅周期取决于传输光信号的波长。比如，可以针对传统光纤通信波段（1550nm波段）的光信号进行光栅结构设计及应用，此外，也可针对可见光或中红外等其他波段光信号应用。在特定应用中，为了匹配光纤传输模式，提升耦合效率，光栅周期设置成为非均匀周期。

本实施例绝缘层上的光栅层作为分布式布拉格光栅反射镜，由于其高反射率，能尽可能地提升光栅耦合器向上辐射光信号的能力，大大提升了光栅耦合器的耦合效率。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上，对其各个部件做了进一步的限定，具体为：

所述绝缘层上的光栅层为硅光栅层，所述光波导层为氮化硅光波导层；所述绝缘层上的硅晶片作为分布式布拉格光栅反射镜，所述氮化硅光波导层将光纤里的光信号垂直耦合进光栅耦合器；光耦合进入光栅耦合器的过程中，一部分光直接耦合进氮化硅光波导层，另一部分光透过氧化层照射到分布式布拉格光栅反射镜，并被布拉格光栅反射镜反射回氮化硅光波导层。在本实施例，由于单晶硅材料在通信波段具有较高的折射率（n=3.42），易于与其他材料（如空气和氧化硅等）形成较大的折射率差，由此产生较大的光栅耦合强度，使得光信号可以在与标准单模光纤匹配的较短的传输长度内，实现光信号的向上辐射，实现高效率光信号从单模光纤到光波导的耦合。而绝缘层上硅（SOI）晶片衬底，一方面提供了高质量的单晶硅材料基础，另一方面在全球范围内具有稳定的、低廉优质的晶片供应渠道，节省了定制化晶片的时间成本和制作成本。

实施例3

本实施例在实施例1的基础上，对其各个部件做了进一步的限定，具体为：

所述绝缘层上的光栅层为砷化镓晶片或磷化铟晶片，所述光波导层为预设配比的氮氧化硅、氧化硅光波导层；所述绝缘层上的砷化镓或磷化铟晶片作为分布式布拉格光栅反射镜，所述预设配比的氮氧化硅、氧化硅光波导层将光纤里的光信号垂直耦合进光栅耦合器；光耦合进入光栅耦合器的过程中，一部分光直接耦合进预设配比的氮氧化硅、氧化硅光波导层，另一部分光透过氧化层照射到分布式布拉格光栅反射镜，并被布拉格光栅反射镜反射回预设配比的氮氧化硅、氧化硅光波导层。在本实施例，砷化镓或磷化铟均是高折射率材料，具有高的反射率。当然，所述绝缘层上的光栅层可以为上述材料，但不仅限于上述材料，还可以是其它高折射率材料。

实施例4

图2为一实施例的光栅耦合器的制备方法的示意性流程图。图3为一实施例的光栅耦合器的制备过程的示意性状态图。如图2所示，一种光栅耦合器的制备方法，包括：

S1：以带绝缘层和光栅层的晶片为衬底，如图3（a），然后在晶片的顶部从下到上依次外延生长氧化层和光波导层，如图3（b）；其中，所述光栅层的折射率大于所述光波导层的折射率；

S2：进行单次的电子束光刻，并掩膜成型，如图3（c）。

S3：对所述掩膜成型的晶片、氧化层和光波导层进行单次的等离子体刻蚀，得到光波导光栅和晶片的光栅反射镜，如图3（d）。

在本实施例，对所述光栅层、氧化层和光波导层进行单次的电子束光刻单次的等离子体刻蚀，避免了反复的电子束曝光和表面抛光等步骤，节省微加工流程和加工周期，制备流程简单便捷，高效便捷的实现光子芯片的光耦合。

实施例5

本实施例中的制备方法中，以绝缘层上硅晶片为衬底，在硅晶片上外延生长有氧化层和光波导层，所述光波导层为氮化硅光波导层，所述氧化层为氧化硅氧化层。其中，所述硅晶片的折射率大于所述氮化硅的折射率；对所述硅晶片、氧化硅氧化层和氮化硅光波导层进行单次的电子束光刻，并掩膜成型；对所述掩膜成型的硅晶片、氧化硅氧化层和氮化硅光波导层进行单次的等离子体刻蚀，得到氮化硅的光栅和硅的光栅反射镜，即带布拉格光栅高反射镜的光栅耦合器。

实施例6

本实施例中的制备方法中，以绝缘层上的砷化镓晶片/磷化铟晶片为衬底，在砷化镓晶片或磷化铟晶片上依次外延生长有氧化硅氧化层和预设配比的氮氧化硅、氧化硅光波导层；其中，所述砷化镓晶片或磷化铟晶片的折射率大于所述预设配比的氮氧化硅、氧化硅光波导层的折射率；对所述砷化镓晶片/磷化铟晶片、氧化硅氧化层和预设配比的氮氧化硅、氧化硅光波导层进行单次的电子束光刻，并掩膜成型；对所述掩膜成型的砷化镓晶片/磷化铟晶片、氧化硅氧化层和预设配比的氮氧化硅、氧化硅光波导层进行单次的等离子体刻蚀，得到光栅耦合器。

在本实施例，所述光栅耦合器的光栅周期为均匀周期或非均匀周期。

本实施例对所述掩膜成型的晶片、氧化层和光波导层进行单次的电子束光刻和单次的等离子体刻蚀，即可实现带布拉格高反射镜的光栅耦合器的制备，制备流程简单便捷，在实际芯片制作中具有更高的应用潜力。

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。