一种凸型自增强聚焦耦合光栅耦合器的制作方法

1.本实用新型涉及一种凸型自增强聚焦耦合光栅耦合器，属于集成光电子技术领域。


背景技术：

2.硅基光子学是光学领域中最活跃的学科之一，经过多年的发展，出现了许多基于硅的光电子器件，包括光开关、偏振模分离器、光波分复用器/解复用器、光滤波器和光调制解调器等，而光栅耦合器在其中起着重要的作用，它是这些器件的基础，同时也是实现光子集成电路和外部光纤之间光束耦合的一种非常有效的方法。因此，硅基光栅耦合器的研制具有非常重要的实用价值和现实意义。
3.光栅耦合器是指通过光栅的衍射作用，使衍射光耦合到光波导中进行传播，目前光栅耦合器的设计思路和解决方案主要为以下几个方面：一、减小光栅耦合器的背反射：光波从硅波导入射至光栅区域时，将会产生极强的背反射，这主要是因为：(1)光栅将光衍射之后，会存在二阶反射，如果二阶反射的方向恰好沿着光波导返回，则必然会导致光栅耦合器耦合效率的降低；(2)由于光栅本身的特性，即光栅齿和凹槽的存在，使得光栅区域的有效折射率与波导的有效折射率之差较大，从而导致了在两者交界处有较大的反射。二、减小光栅的透射：光栅单元的个数决定了整个光栅的长度，而且其与光栅的带宽有一定的关联。由于光栅周期的选取问题，会导致光经过光栅之后，依然存在一部分残余光未完全衍射出去，这必然影响光栅耦合器的耦合效率。三、提高光栅耦合器的定向性：对于出射光栅耦合器而言，为了提高光栅耦合器与光纤相耦合的效率，就必须增加向上衍射的光，而设法抑制向下衍射的光，即提高光栅耦合器的定向性。四、增大光栅耦合器的带宽：由于光栅耦合器的工作原理，导致其本身就是一个波长选择性的器件，因此存在带宽问题，耦合器带宽越大越好，即让其能够耦合的波长跨度尽量的宽。五、研究光栅耦合器的偏振特性：光栅耦合器除了波长选择性之外，还存在偏振选择性的问题，这主要是因为：在亚微米尺寸的波导中，随着尺寸的减小，波导的偏振相关性越来越强，主要表现为：不同的模式的有效折射率、群折射率以及损耗均不同；这种差异导致光栅耦合器对不同的偏振模式的入射光，耦合效率不尽相同。
4.光波导(简称波导)是集成光学重要的基础部件，它能将光束缚在光波长量级尺寸的介质中长距离无辐射损耗的传输；光波导器件与常规光学元件的根本差别在于波导中传播光波的模式是分立的；在波导中，人们已经研制了众多不同的光波导元器件，波导光栅就是最重要的光学元件之一。在集成光学器件中，波导光栅的主要作用之一，就是实现模式之间的耦合。波导光栅耦合器就是利用波导光栅实现光波导的输入/输出耦合的器件。因此它在光信息处理、光学计算等方面的应用尤为突出。但要进一步地扩展其应用，关键的问题是要提高波导光栅耦合器的耦合效率，然而在现有的技术中，波导光栅耦合器的耦合效率还不够高。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于弥补现有技术的缺点和不足，提供一种高耦合效率的自增强聚焦耦合光栅耦合器，所述自增强聚焦耦合光栅耦合器从下至上包括硅衬底1、埋氧层2、波导层3、上包层4，所述埋氧层2为sio2层，所述波导层3为硅层阵列波导光栅，所述上包层4上设有sio2层凸面。
6.优选的，本实用新型所述阵列波导光栅的个数为12
‑
15个，光栅区域高度为200
‑
240nm，光栅区域的刻蚀深度为90
‑
110nm，光栅占空比可为0.4～0.8之间。
7.优选的，本实用新型所述埋氧层2的高度为2μm。
8.优选的，本实用新型所述上包层4的高度为2μm，凸面的弧度没有范围要求。
9.优选的，本实用新型所述上包层4上sio2层凸面为多个。
10.本实用新型的有益效果：
11.(1)本实用新型提供了一种高耦合效率的凸面自增强聚焦耦合光栅耦合器，所述上包层设置为凸透镜结构，用于聚焦作用，可以最大限度增大光纤与光栅之间的光耦合，减小耦合损坏增，加设计的自由度，克服并实现任意角度的高耦合效率的自增强聚焦耦合光栅耦合器。
12.(2)本实用新型可实现同时优化多个光栅耦合器的性能指标，克服由于不同波长和角度耦合的困难，实现不同耦合角度，不同波长的耦合的复杂结构；本实用新型的技术方案适用于垂直耦合的光栅耦合器等无源器件。
附图说明
13.图1为本实用新型的结构示意图。
14.图中：1
‑
硅衬底；2
‑
埋氧层；3
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波导层；4
‑
上包层。
具体实施方式
15.下面结合具体实施例本实用新型作进一步的详细说明，但本实用新型的保护范围并不限于所述内容。
16.实施例1
17.一种高耦合效率的自增强聚焦耦合光栅耦合器，如图1所示，所述自增强聚焦耦合光栅耦合器从下至上包括硅衬底1、埋氧层2、波导层3、上包层4，所述埋氧层2为2μm的sio2层，所述波导层3为硅层阵列波导光栅，所述上包层4上设有2个sio2层凸面；所述阵列波导光栅的个数为14个，光栅区域高度为220nm，光栅区域的刻蚀深度为100nm，光栅占空比可为0.4～0.8之间，所述上包层4的高度为2μm。
18.本实施例所述自增强聚焦耦合光栅耦合器的制备方法为常规方法，具体过程如下：
19.步骤s1：在220nm的波导层3上涂抹一层光刻胶，用于曝光形成光栅结构。
20.步骤s2：用掩膜版对上层光刻胶进行曝光，其中曝光的光栅个数为14，光栅区域的高度为220nm。
21.步骤s3：对光栅区域进行刻蚀，光栅区域的刻蚀深度为100nm。
22.步骤s4：对光刻胶区域进行洗胶，利用cmp技术将光栅顶部进行抛光，形成平整表
面。
23.步骤s5：利用pecvd或mdcvd设备在波导层3上层沉积一层sio2层，利用cmp技术将sio2层表面进行抛光，形成平整表面。
24.步骤s6：在sio2层表面涂抹一层光刻胶，用于形成上包层4。
25.步骤s7：先利用灰度曝光技术把光刻胶刻蚀成凸面，再利用反向刻蚀技术将sio2层也刻蚀为凸面结构，即得到上包层4。


技术特征：
1.一种凸型自增强聚焦耦合光栅耦合器，其特征在于：所述光栅耦合器从下至上包括硅衬底(1)、埋氧层(2)、波导层(3)、上包层(4)，所述埋氧层(2)为sio2层，所述波导层(3)为硅层阵列波导光栅，所述上包层(4)上设有sio2层凸面。2.根据权利要求1所述凸型自增强聚焦耦合光栅耦合器，其特征在于：所述阵列波导光栅的个数为12
‑
15个，光栅区域高度为200
‑
240nm，光栅区域的刻蚀深度为90
‑
110nm，光栅占空比可为0.4～0.8之间。3.根据权利要求1所述凸型自增强聚焦耦合光栅耦合器，其特征在于：埋氧层(2)的高度为2μm。4.根据权利要求1所述凸型自增强聚焦耦合光栅耦合器，其特征在于：上包层(4)的高度为2μm。5.根据权利要求1所述凸型自增强聚焦耦合光栅耦合器，其特征在于：上包层(4)上sio2层凸面为多个。

技术总结
本实用新型涉及一种凸型自增强聚焦耦合光栅耦合器，属于集成光电子技术领域。本实用新型所述凸型自增强聚焦耦合光栅耦合器从下至上包括硅衬底、埋氧层、波导层、上包层，所述埋氧层为SiO2层，所述波导层为硅层阵列波导光栅，所述上包层上设有SiO2层凸面。本实用新型提供一种新型的光栅结构，本实用新型所述上包层设置为凸透镜结构，用于聚焦作用，可以最大限度增大光纤与光栅之间的光耦合，减小耦合损坏；本实用新型所述凸型自增强聚焦耦合光栅耦合器耦合效率高、应用前景广，使用成熟的制造工艺就能被设计实现。工艺就能被设计实现。工艺就能被设计实现。


技术研发人员：方青 马晓悦 胡鹤鸣 张馨丹 陈华
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：2021.05.21
技术公布日：2021/11/30