高效光栅耦合器

本发明涉及集成光电子和光通讯，尤其涉及一种高效光栅耦合器。

背景技术：

1、在过去的几十年中，集成电路技术取得了广泛的应用，在器件设计、加工制作和封装测试方面的应用相当成熟，并形成了完整的产业链。但是随着信息技术的进一步发展，大数据、物联网及云计算等技术先后诞生，产生了海量数据。人们迫切需要实现具有超高传输速率、超快处理能力、超大信息容量、高可靠性、低损耗、低延迟及低成本的信息网络，来满足迅速增长的信息容量和处理能力的需求。然而基于电互联的集成电路技术逐渐逼近物理极限，速率、带宽、能耗、串扰、延迟及电磁干扰等问题愈发突出。在此背景下，集成光电子技术将微电子技术与光子学结合，以光子作为信息载体，具有传输速率快、易于调制、多种复用维度、频率带宽大、抗电磁干扰、能耗低及损耗小等优点，成为突破当前信息网络发展瓶颈的最佳方案。

2、但要实现成熟的商业化光电子芯片还有许多问题亟需解决，其中突出的一个问题是芯片与光纤之间的高效光耦合问题。目前最为主流的一种耦合方案为光栅耦合，光栅耦合器作为芯片与光纤之间的桥梁，可以将从光纤发射的入射光耦合到芯片中，也可以将芯片中的光耦合输出到光纤中。光栅耦合器具有易于制造、cmos兼容、位置灵活、对准容差大及易于测试等优点，但是其也具有耦合效率低、耦合带宽窄、片上尺寸过大及偏振敏感等缺点。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明提供了一种高效光栅耦合器，以解决现有光栅耦合器耦合效率低的问题。

2、本发明提供了一种高效光栅耦合器，从下至上依次包括：衬底层、埋藏氧化物层、硅波导层、多晶硅层及顶部氧化物层；其中，所述硅波导层包括单模输出波导、过渡波导以及硅光栅，所述单模输出波导、过渡波导及硅光栅依次相连；所述多晶硅层包括多晶硅光栅，所述多晶硅光栅与硅波导层中的硅光栅在上下叠置，共同组成目标光栅；所述顶部氧化物层中包括有反射层，所述反射层至少能够覆盖所述目标光栅，通过对所述反射层层数、位置和厚度的设计使入射光的反射光产生相消干涉，并将目标光栅反射向芯片外的光重新反射回目标光栅。

3、在一种可能的实施例中，还包括：反射镜，设于所述衬底层和所述埋藏氧化物层之间，所述反射镜为金属反射镜或分布式布拉格反射镜。

4、在一种可能的实施例中，所述目标光栅的一个光栅单元的长度大于等于50纳米且小于等于1.5微米，所述高效光栅耦合器的特征尺寸大于等于80纳米。

5、在一种可能的实施例中，所述多晶硅光栅与所述硅光栅的刻蚀部分的位置和宽度均一致。

6、可选地，所述反射层的层数大于等于1。

7、可选地，所述反射层的材料为氮化硅。

8、在一种可能的实施例中，所述过渡波导的第一端面与单模输出波导相连，且所述过渡波导的第一端面的宽度和高度与所述单模输出波导一致；所述过渡波导的第二端面与所述目标光栅相连，且所述过渡波导的第二端面与所述目标光栅的连接处的横截面的宽度和高度一致，且所述第二端面的形状与所述目标光栅端面的形状相匹配。

9、在本发明至少能够达到以下有益效果：

10、（1）本发明与标准的soi平台相匹配，制造流程与标准的coms工艺相兼容，无需引入额外的复杂工艺流程即可通过提高耦合的方向性实现较高的耦合效率。便于实现低成本的大规模生产。

11、（2）本发明可用于设计制造具有高耦合效率的紧凑光栅耦合器，解决芯片与光纤之间的高效光耦合问题以及传统光栅耦合器片上尺寸过大的问题。

12、（3）本发明中所包含的层数、位置、厚度可变的用于提高耦合效率的反射层为光电子集成平台的探索提供了借鉴，有助于标准soi平台的进一步优化，并为其他器件的高性能设计方案提供思路。

技术特征：

1.一种高效光栅耦合器，其特征在于，从下至上依次包括：

2.根据权利要求1所述的高效光栅耦合器，其特征在于，还包括：

3.根据权利要求1所述的高效光栅耦合器，其特征在于，所述目标光栅的一个光栅单元的长度大于等于50纳米且小于等于1.5微米，所述高效光栅耦合器的特征尺寸大于等于80纳米。

4.根据权利要求1所述的高效光栅耦合器，其特征在于，所述多晶硅光栅（1041）与所述硅光栅（1033）的刻蚀部分的位置和宽度均一致。

5.根据权利要求1所述的高效光栅耦合器，其特征在于，所述反射层（105）的层数大于等于1。

6.根据权利要求1所述的高效光栅耦合器，其特征在于，所述反射层（105）的材料为氮化硅。

7.根据权利要求1所述的高效光栅耦合器，其特征在于，所述过渡波导（1032）的第一端面与单模输出波导（1031）相连，且所述过渡波导（1032）的第一端面的宽度和高度与所述单模输出波导（1031）一致；所述过渡波导（1032）的第二端面与所述目标光栅相连，且所述过渡波导（1032）的第二端面与所述目标光栅的连接处的横截面的宽度和高度一致，且所述第二端面的形状与所述目标光栅端面的形状相匹配。

技术总结
本发明提供了一种高效光栅耦合器，涉及集成光电子和光通讯技术领域，该高效光栅耦合器从下至上依次包括：衬底层、埋藏氧化物层、硅波导层、多晶硅层及顶部氧化物层；其中，硅波导层包括单模输出波导、过渡波导以及硅光栅，单模输出波导、过渡波导及硅光栅依次相连；多晶硅层包括多晶硅光栅，多晶硅光栅与硅波导层中的硅光栅在上下叠置，共同组成目标光栅；顶部氧化物层中包括有反射层，反射层至少能够覆盖目标光栅，通过对反射层的层数、位置和厚度的设计使入射光的反射光产生相消干涉，并将目标光栅反射向芯片外的光重新反射回目标光栅，以提高光栅耦合器的方向性，从而提高耦合效率。

技术研发人员：李明,厉彦榛,谢毓俊,孙雨舟,杨先超,任之良,赵志勇,李伟,祝宁华
受保护的技术使用者：中国科学院半导体研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15