CN103033881A - 片上周期变化折射率透镜光子芯片立体耦合器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种片上周期变化折射率透镜光子芯片立体耦合器，包括光子芯片、周期变化折射率透镜层、光纤，光子芯片包括硅衬底，以及生长刻蚀在硅衬底顶面的脊波导、模斑转换器和光栅，模斑转换器的输入端口与脊波导的宽度相等，且模斑转换器的输入端口与脊波导的波导端口连接；模斑转换器的输出端口与光栅的宽度相等，且模斑转换器的输出端口与光栅的输入端口连接；周期变化折射率透镜层连接于光栅的顶面，光纤连接于周期变化折射率透镜层的顶面。该耦合器具有尺寸小、利于集成、光场约束强和对准精度要求低，可以实现芯片和光纤之间高效迅捷耦合。同时，本发明还公开了该耦合器的制备方法，该制备方法简单易行。

Description

片上周期变化折射率透镜光子芯片立体耦合器及制备方法

技术领域

本发明属于光电子学和集成光学技术领域，具体来说，涉及一种片上周期变化折射率透镜光子芯片立体耦合器及制备方法，该耦合器及制备方法可用于光通信系统、光纤传感系统、光纤测量系统、光计算机系统等系统中。

背景技术

在光子集成技术发展过程中，波导器件与光纤耦合成为其发展的重要技术瓶颈之一。首先，由于SOI（Silicon-On-Insulator）或InP波导折射率大，对光限制的能力强，波导可达亚微米或纳米尺度。波导的模斑尺寸比光纤的小，造成波导与光纤耦合时模场失配。再者，光从光纤入射到波导器件时，要求对二者之间有比较精准的对准，两者尺寸的不匹配也会增加对准的难度。当光从光纤入射到这种小尺寸的波导时，二者之间的模场失配、折射率失配以及对准失配，导致辐射模、菲涅尔反射以及对准误差的出现。因此，光纤与光子芯片的高效耦合是很大的技术挑战。

三种失配关系中，就微纳尺度光子芯片的耦合问题来讲，折射率失配最重要，最难解决。模场失配通过透镜光纤、模斑转换器等均有良好的改善；对准失配通过精密自动六维微调或不要求精确对准的面上耦合，也会有很好的解决。但折射率失配涉及材料问题，不易解决。因光纤-芯片材料折射率差较大，难以有一种渐变折射率材料完美地实现折射率沿纵向从3.5（SOI或InP）变化到1.45（熔融石英）。而且传统的渐变折射率透镜是分立光学元件，不易实现光子集成。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供了一种片上周期变化折射率透镜光子芯片立体耦合器，该耦合器具有尺寸小、利于集成、光场约束强和对准精度要求低，可以实现芯片和光纤之间高效迅捷耦合。同时，本发明还提供了该耦合器的制备方法，该制备方法简单易行。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种片上周期变化折射率透镜光子芯片立体耦合器，该耦合器包括光子芯片、周期变化折射率透镜层、光纤，光子芯片包括硅衬底，以及生长刻蚀在硅衬底顶面的脊波导、模斑转换器和光栅，模斑转换器的输入端口与脊波导的宽度相等，且模斑转换器的输入端口与脊波导的波导端口连接；模斑转换器的输出端口与光栅的宽度相等，且模斑转换器的输出端口与光栅的输入端口连接；周期变化折射率透镜层连接于光栅的顶面，光纤连接于周期变化折射率透镜层的顶面；光纤的轴线与周期变化折射率透镜层顶面法线的夹角为光纤倾斜角θ，且0°≤θ＜90°。

进一步，所述的光子芯片和变折射率透镜层为整体式结构。

进一步，所述的周期变化折射率透镜层由交替叠加连接的硅层和二氧化硅层组成，且硅层的层数和二氧化硅层的层数分别大于20层。

上述片上周期变化折射率透镜光子芯片立体耦合器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

步骤10）制作硅衬底的掩膜：利用低压化学气相沉积工艺将氮化硅层沉积在硅衬底的顶面，作为硅衬底的掩膜；

步骤20）对硅衬底进行成型处理：通过接触式光刻工艺，利用正性光刻胶，对硅衬底进行成型处理；

步骤30）制作热氧化层：采用反应离子刻蚀方法，刻蚀氮化硅，形成热氧化层；

步骤40）制作脊波导、模斑转换器和光栅：利用反应离子刻蚀方法，对硅衬底进行刻蚀，形成脊波导和模斑转换器，再利用紫外光刻工艺，对硅衬底进行刻蚀，形成具有空气层和波导层的光栅，且模斑转换器的输入端口与脊波导的波导端口连接，模斑转换器的输出端口与光栅的输入端口连接；

步骤50）沉积钝化的二氧化硅薄膜层：通过氧等离子体去除正性光刻胶，并用磷酸去除氮化硅，再通过等离子体增强化学汽相沉积工艺在波导层上沉积钝化的二氧化硅薄膜层；

步骤60）沉积钝化的硅薄膜层：通过等离子体增强化学汽相沉工艺，将硅薄膜层沉积在步骤50)制得的二氧化硅薄膜上；

步骤70）制作周期变化折射率透镜层：重复步骤50）和步骤60），制成具有立体结构的周期变化折射率透镜层；

步骤80）制成耦合器：在步骤70）制成的周期变化折射率透镜层上设置光纤，光纤固定在微调架上，从而制成耦合器。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）易于实现光子集成。采用片上周期变化折射率透镜，即在光子芯片端口侧通过半导体制作工艺形成微纳尺度的折射率周期变化结构，与光子芯片尺度在一个量级上，集成在光子芯片上，与光子芯片形成整体。这克服了传统的分立体光学元件形式的渐变折射率透镜尺寸大、对准调节困难等问题。

（2）降低对准精度，实现立体耦合。在光子芯片端口制作光栅，通过设计不同周期结构参数，实现脊波导中纵向波矢偏转，光场可倾斜角θ输出，得到近水平纵向到垂直方向近90°范围的可调光信号，降低了光纤与芯片波导的对准精度，实现大容差立体耦合。这种方式不需要对芯片进行划片、切割和研磨，光纤可以作为探针，有较大的空间自由度，为芯片晶圆级检测和分选提供了可能性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中光子芯片和周期变化折射率透镜层的结构示意图。

图3是本发明中硅衬底和光栅的结构示意图。

图4是本发明的光场传输路径示意图。

图5是本发明试验的耦合效率与光纤倾斜角的关系对比图。

图中有：光子芯片1、脊波导11、硅衬底12、模斑转换器13、光栅14、空气层141、波导层142、周期变化折射率透镜层2、硅层21、二氧化硅层22、光纤3。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1至图3所示，本发明的一种片上周期变化折射率透镜光子芯片立体耦合器，包括光子芯片1、周期变化折射率透镜层2（文中简称GRIN）和光纤3。光子芯片1包括硅衬底12，以及生长刻蚀在硅衬底12顶面的脊波导11、模斑转换器13和光栅14。模斑转换器13的输入端口与脊波导11的宽度相等，且模斑转换器13的输入端口与脊波导11的波导端口连接。模斑转换器13的输出端口与光栅14的宽度相等，且模斑转换器13的输出端口与光栅14的输入端口连接。周期变化折射率透镜层2连接于光栅14的顶面。光纤3连接于周期变化折射率透镜层2的顶面。光纤3的轴线与周期变化折射率透镜层2顶面法线的夹角为光纤倾斜角θ，且0°≤θ＜90°。

进一步，所述的光子芯片1和变折射率透镜层2为整体式结构。呈整体式结构的光子芯片1和变折射率透镜层2，易于实现光子集成。在光子芯片1端口侧通过半导体制作工艺形成微纳尺度的折射率变化结构，与光子芯片1尺度在一个量级上，集成在光子芯片1上，与光子芯片1形成一个整体。这克服了分立体光学元件形式的渐变折射率透镜尺寸大、对准调节困难等问题。基于半导体工艺制作在光栅14上方的周期变化折射率透镜层2，完成了或部分完成芯片至光纤间的折射率渐变，减小两者间的反射损耗。

进一步，所述的周期变化折射率透镜层2由交替叠加连接的硅层21和二氧化硅层22组成，且硅层21的层数和二氧化硅层22的层数分别大于20层。交替叠加形成周期结构，实现折射率渐变。周期变化折射率透镜层2底层的折射率与光栅14的波导层142的折射率匹配，例如可以是3.5。周期变化折射率透镜层2顶层的折射率与光纤3的折射率匹配，例如可以是1.45。

进一步，所述的光栅14包括空气层141和波导层142，波导层142的顶面设有相互平行的凸楞，相邻的两个凸楞之间形成的凹槽为空气层141。

上述结构耦合器的工作过程是：光子芯片1由生长刻蚀在硅衬底12上的脊波导11完成光信号的处理和传输，利用模斑转换器13和光栅14完成模场匹配和光路转向。光栅14由周期排列的空气层141和波导层142组成。制作在光栅14上方的是周期变化折射率透镜层2。周期变化折射率透镜层2完成光子芯片1与光纤3间的折射率变化，减小两者间的反射损耗。光子芯片1通过片上周期变化折射率透镜层2叠加光栅14的接口，将光子芯片1中的光场高效地耦合到光纤3中，实现光信号高效的输入输出。

利用Comsol仿真软件仿真本发明的耦合器中光场传输路径，如图4所示。从图4可知：光场能量可有效地从脊波导11，经模斑转换器13、光栅14、周期变化折射率透镜层2，耦合进入到光纤3中，完成光信号的传输。

上述片上周期变化折射率透镜光子芯片立体耦合器的制备方法，包括以下步骤：

步骤10）制作硅衬底12的掩膜：利用低压化学气相沉积工艺将氮化硅层沉积在硅衬底12的顶面，作为硅衬底12的掩膜。

步骤20）对硅衬底12进行成型处理：通过接触式光刻工艺，利用正性光刻胶，对硅衬底12进行成型处理。

步骤30）制作热氧化层：采用反应离子刻蚀方法，刻蚀氮化硅，形成热氧化层。

步骤40）制作脊波导11、模斑转换器13和光栅14：利用反应离子刻蚀方法，对硅衬底12进行刻蚀，形成脊波导11和模斑转换器13，再利用紫外光刻工艺，对硅衬底12进行刻蚀，形成具有空气层141和波导层142的光栅14，且模斑转换器13的输入端口与脊波导11的波导端口连接，模斑转换器13的输出端口与光栅14的输入端口连接。

步骤50）沉积钝化的二氧化硅薄膜层：通过氧等离子体去除正性光刻胶，并用磷酸去除氮化硅，再通过等离子体增强化学汽相沉积工艺在波导层142上沉积钝化的二氧化硅薄膜层。

步骤60）沉积钝化的硅薄膜层：通过等离子体增强化学汽相沉工艺，将硅薄膜层沉积在步骤50）制得的二氧化硅薄膜上。

步骤70）制作周期变化折射率透镜层2：重复步骤50）和步骤60），制成具有立体结构的周期变化折射率透镜层2。

在步骤70）中，重复步骤50）和步骤60）的次数大于19次。

步骤80）制成耦合器：在步骤70）制成的周期变化折射率透镜层2上设置光纤3，光纤3固定在微调架上，从而制成耦合器。

下面通过试验对比，说明本发明的片上周期变化折射率透镜光子芯片立体耦合器优良性能（以下简称，本发明的耦合器）。试验对象是两种结构的耦合器，一种是采用本发明结构的耦合器，另一种是对比耦合器。该对比耦合器的结构与本发明耦合器的结构相同，不同的是对比耦合器中没有设置周期变化折射率透镜层，光纤直接与光子芯片的光栅连接。

两种结构的耦合器中相同的部件具有相同的尺寸，参数具体如下：光栅14周期0.71μm，刻蚀深度0.9μm；硅衬底12厚度0.8μm；脊波导11高度0.18μm、宽度0.7μm；模斑转换器13输入端宽0.7μm、输出端宽3μm；周期变化折射率透镜层2中硅层21的层数为30层，每层厚度为0.8μm，二氧化硅层22层数为30层，每层厚度为0.2μm。

利用Comsol仿真软件，测试上述两种结构的耦合器的耦合效率与光纤倾斜角的关系。仿真结果如表1和表2所示，其中，表1是对比例的耦合器的耦合效率与光纤倾斜角的对应关系。表2是本发明的耦合器的耦合效率与光纤倾斜角的对应关系。

从表1和表2可知：对比例的耦合器在光纤倾斜角10°时，耦合效率最大，耦合效率为0.547；本发明的耦合器在光纤倾斜角16°时，耦合效率最大，耦合效率为0.794。结合表1和表2中的数据，通过折线图来表示耦合效率与光纤倾斜角的关系，如图5所示。从表1、表2和图5可知，本发明的耦合器比对比例的耦合器具有更高的耦合效率、且倾斜角更大。

表1.对比例的耦合器的耦合效率与光纤倾斜角的关系

倾斜角（θ/°）	2	4	6	8	10	12	14	16
									耦合效率（η）	0.318	0.279	0.195	0.239	0.547	0.134	0.132	0.058
倾斜角（θ/°）	18	20	22	24	26	28	30
									耦合效率（η）	0.135	0.242	0.213	0.280	0.280	0.340	0.316

表2.本发明的耦合器的耦合效率与光纤倾斜角的关系

倾斜角（θ/°）	2	4	6	8	10	12	14	16
									耦合效率（η）	0.356	0.409	0.185	0.228	0.387	0.263	0.290	0.794
倾斜角（θ/°）	18	20	22	24	26	28	30
									耦合效率（η）	0.346	0.422	0.305	0.379	0.385	0.178	0.320

Claims (6)

1.一种片上周期变化折射率透镜光子芯片立体耦合器，其特征在于，该耦合器包括光子芯片（1）、周期变化折射率透镜层（2）、光纤（3），光子芯片（1）包括硅衬底（12），以及生长刻蚀在硅衬底（12）顶面的脊波导（11）、模斑转换器（13）和光栅（14），模斑转换器（13）的输入端口与脊波导（11）的宽度相等，且模斑转换器（13）的输入端口与脊波导（11）的波导端口连接；模斑转换器（13）的输出端口与光栅（14）的宽度相等，且模斑转换器（13）的输出端口与光栅（14）的输入端口连接；周期变化折射率透镜层（2）连接于光栅（14）的顶面，光纤（3）连接于周期变化折射率透镜层（2）的顶面；光纤（3）的轴线与周期变化折射率透镜层（2）顶面法线的夹角为光纤倾斜角θ，且0°≤θ＜90°。

2.根据权利要求1所述的片上周期变化折射率透镜光子芯片立体耦合器，其特征在于：所述的光子芯片（1）和变折射率透镜层（2）为整体式结构。

3.根据权利要求1所述的片上周期变化折射率透镜光子芯片立体耦合器，其特征在于：所述的周期变化折射率透镜层（2）由交替叠加连接的硅层（21）和二氧化硅层（22）组成，且硅层（21）的层数和二氧化硅层（22）的层数分别大于20层。

4.根据权利要求1所述的片上周期变化折射率透镜光子芯片立体耦合器，其特征在于：所述的光栅（14）包括空气层（141）和波导层（142），波导层（142）的顶面设有相互平行的凸楞，相邻的两个凸楞之间形成的凹槽为空气层（141）。

5.一种权利要求1所述的片上周期变化折射率透镜光子芯片立体耦合器的制备方法，其特征在于：该制备方法包括以下步骤：

步骤10）制作硅衬底（12）的掩膜：利用低压化学气相沉积工艺将氮化硅层沉积在硅衬底（12）的顶面，作为硅衬底（12）的掩膜；

步骤20）对硅衬底（12）进行成型处理：通过接触式光刻工艺，利用正性光刻胶，对硅衬底（12）进行成型处理；

步骤30）制作热氧化层：采用反应离子刻蚀方法，刻蚀氮化硅，形成热氧化层；

步骤40）制作脊波导（11）、模斑转换器（13）和光栅（14）：利用反应离子刻蚀方法，对硅衬底（12）进行刻蚀，形成脊波导（11）和模斑转换器（13），再利用紫外光刻工艺，对硅衬底（12）进行刻蚀，形成具有空气层（141）和波导层（142）的光栅（14），且模斑转换器（13）的输入端口与脊波导（11）的波导端口连接，模斑转换器（13）的输出端口与光栅（14）的输入端口连接；

步骤50）沉积钝化的二氧化硅薄膜层：通过氧等离子体去除正性光刻胶，并用磷酸去除氮化硅，再通过等离子体增强化学汽相沉积工艺在波导层（142）上沉积钝化的二氧化硅薄膜层；

步骤60）沉积钝化的硅薄膜层：通过等离子体增强化学汽相沉工艺，将硅薄膜层沉积在步骤50)制得的二氧化硅薄膜上；

步骤70）制作周期变化折射率透镜层（2）：重复步骤50）和步骤60），制成具有立体结构的周期变化折射率透镜层（2）；

步骤80）制成耦合器：在步骤70）制成的周期变化折射率透镜层（2）上设置光纤（3），光纤（3）固定在微调架上，从而制成耦合器。

6.按照权利要求5所述的片上周期变化折射率透镜光子芯片立体耦合器的制备方法，其特征在于：所述的步骤70）中，重复步骤50）和步骤60）的次数大于19次。

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