一种热调谐光栅耦合器的制作方法

本发明涉及硅基光电子技术领域，更具体地，涉及一种热调谐光栅耦合器。

背景技术：

光栅耦合器作为一种输入/输出（输入/输出）光学器件，用于光学波导到光纤表面的耦合，以及在同一芯片上或在两个不同芯片之间的层间光波导与光波导的耦合。光栅耦合器可以实现高密度的互连，从硅芯片表面的二维输入输出，多波长的操作以及在晶圆片切割之前进行晶片测试和装箱等功能。其制备与cmos工艺可以完全兼容，可以大规模高密度批量化生产。

在过去的几十年里，研究了很多种提高光栅耦合器耦合效率的方式，例如制备成浅刻蚀光栅，在光栅底部制备一层金属反射层，以及在光栅上部覆盖一层多晶硅包层。但在距离中心波长较远的区域，由于模式失配耦合效率会下降很多。限制了它们在广谱、波分复用（wdm），c波段以及l波段的应用。

技术实现要素：

本发明为解决现有技术提供的光栅耦合器距离中心波长较远的区域存在的模式失配耦合效率下降的技术缺陷，提供了一种热调谐光栅耦合器。

为实现以上发明目的，采用的技术方案是：

一种热调谐光栅耦合器，包括硅衬底、设置在硅衬底上的埋氧层、设置在埋氧层上的浅刻蚀硅加热平台、设置在浅刻蚀硅加热平台上的倾斜入射光栅，以及设置在埋氧层上的用于对浅刻蚀硅加热平台、倾斜入射光栅进行加热的微加热器。

根据光栅耦合器的耦合理论，光栅耦合器的中心波长跟其有效折射率有关，而硅材料具有较大的热光系数，因而可以通过浅刻蚀硅加热平台、微加热器将热量直接施加到光栅耦合器的方式改变光栅耦合器的折射率，进而改变光栅耦合器的中心波长。本发明的方案抛弃了传统的在热绝缘材料上制备微加热器的方式，较大的提高了光栅耦合器的加热效率，进而提高光栅耦合器在距离中心波长较远的区域的耦合带宽。

优选地，所述埋氧层的顶面上、浅刻蚀硅加热平台的顶面上、倾斜入射光栅的顶面上铺设有一层绝缘层，微加热器设置在绝缘层上。本发明采用在硅材料上生长一层很薄的具有较高热导率的绝缘层上加热方式提供热量，极大的提高了热效率。

优选地，所述绝缘层为氧化铝绝缘层。

优选地，所述硅衬底的中部掏空；所述埋氧层上设置有若干个深刻蚀槽，用于对硅衬底的中部进行掏空。

进一步地，所述若干个深刻蚀槽设置在埋氧层上浅刻蚀硅加热平台所在位置的四周。

由于硅材料具有较大的热传导系数，在光栅耦合器正下方掏空做热隔离槽，可以有效的避免热量通过硅衬底散失，从而将极大的减小光栅耦合器的能耗，提高热调谐的效率。

优选地，所述深刻蚀槽的数量为6个，6个深刻蚀槽依次环绕浅刻蚀硅加热平台设置；任意两个相邻的深刻蚀槽之间设置有悬臂支撑梁，用于对浅刻蚀硅加热平台、倾斜入射光栅进行支撑。

优选地，所述倾斜入射光栅连接有脊波导，所述脊波导连接有条形波导。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的方案抛弃了传统的在热绝缘材料上制备微加热器的方式，较大的提高了光栅耦合器的加热效率，进而提高光栅耦合器的耦合带宽。由于硅材料具有较大的热传导系数，在光耦合器正下方做热隔离槽，可以有效的避免热量通过衬底散失，从而将极大的减小光栅耦合器的能耗，提高热调谐的效率。

附图说明

图1为热调谐光栅耦合器的立体示意图。

图2为热调谐光栅耦合器的俯视图。

图3为图1的a-a’的截面图。

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；

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

实施例1

如图1、2、3所示，一种热调谐光栅耦合器，包括硅衬底1、设置在硅衬底1上的埋氧层2、设置在埋氧层2上的浅刻蚀硅加热平台6、设置在浅刻蚀硅加热平台6上的倾斜入射光栅9，以及设置在埋氧层2上的用于对浅刻蚀硅加热平台6、倾斜入射光栅9进行加热的微加热器10、11；所述倾斜入射光栅9连接有脊波导7，所述脊波导7连接有条形波导8。

根据光栅耦合器的耦合理论，光栅耦合器的中心波长跟其有效折射率有关，而硅材料具有较大的热光系数，因而可以通过浅刻蚀硅加热平台6、微加热器10、11将热量直接施加到光栅耦合器的方式改变光栅耦合器的折射率，进而改变光栅耦合器的中心波长。本实施例的方案抛弃了传统的在热绝缘材料上制备微加热器10、11的方式，较大的提高了光栅耦合器的加热效率，进而提高光栅耦合器在距离中心波长较远的区域的耦合带宽。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上，在所述埋氧层2的顶面上、浅刻蚀硅加热平台6的顶面上、倾斜入射光栅9的顶面上铺设有一层绝缘层3，所述微加热器10、11设置在绝缘层3上。本实施例采用在硅材料上生长一层很薄的具有较高热导率的绝缘层3上加热方式提供热量，极大的提高了热效率。

更具体地，绝缘层3为氧化铝绝缘层。

实施例3

本实施例在实施例1或实施例2的基础上，将硅衬底1的中部掏空；所述埋氧层2上设置有若干个深刻蚀槽4，用于对硅衬底1的中部进行掏空。其中，深刻蚀槽4的数量为6个，6个深刻蚀槽4依次环绕浅刻蚀硅加热平台6设置；任意两个相邻的深刻蚀槽4之间设置有悬臂支撑梁5，用于对浅刻蚀硅加热平台6、倾斜入射光栅9进行支撑。

由于硅材料具有较大的热传导系数，在光栅耦合器正下方掏空做热隔离槽，可以有效的避免热量通过硅衬底1散失，从而将极大的减小光栅耦合器的能耗，提高热调谐的效率。

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。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种热调谐光栅耦合器，包括硅衬底、设置在硅衬底上的埋氧层、设置在埋氧层上的浅刻蚀硅加热平台、设置在浅刻蚀硅加热平台上的倾斜入射光栅，以及设置在埋氧层上的用于对浅刻蚀硅加热平台、倾斜入射光栅进行加热的微加热器。本发明提供的方案抛弃了传统的在热绝缘材料上制备微加热器的方式，较大的提高了光栅耦合器的加热效率，进而提高光栅耦合器的耦合带宽。由于硅材料具有较大的热传导系数，在光耦合器正下方做热隔离槽，可以有效的避免热量通过衬底散失，从而将极大的减小光栅耦合器的能耗，提高热调谐的效率。

技术研发人员：蔡鑫伦;高升谦
受保护的技术使用者：中山大学
技术研发日：2018.08.28
技术公布日：2018.12.18