CN107544117B - 集成光源倾斜光栅耦合器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种集成光源倾斜光栅耦合器件，包括衬底和镀设在衬底上的薄膜波导；在所述薄膜波导上进行倾斜刻蚀，获得倾斜刻蚀的光栅；所述薄膜波导内光栅的位置上方有竖立的纳米线阵列光源；所述的薄膜波导与纳米线阵列光源间有一覆层。本发明还公开上述集成光源倾斜光栅耦合器件的制备方法。本发明中的器件旨在搭载电致发光光源，由于电致发光纳米线激光器体积小，可以将其集成到片上，形成片上集成光源，大大缩小器件体积。

Description

集成光源倾斜光栅耦合器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及一维材料、微纳光学、集成光学等，尤其涉及一种集成光源倾斜光栅耦合器件及其制备方法。
背景技术
随着微电子技术的发展逐步达到其物理极限，光子技术成为信息科技的新突破点。光子器件的小型化和集成化是目前该领域的重要发展方向。无源光子器件的小型化相对成熟，而有源器件尤其是光源的小型化与集成化是主要难题，这也成为国际研究的热点和难点问题。半导体纳米线半导体纳米线具有尺寸小、集成度高、发光效率高等优点，是一种理想的微纳光源，在片上光通信、超分辨显微、高灵敏传感及高分辨率显示等方面有重要应用。基于半导体纳米线的激光器、LED等都已经被发明出来。半导体纳米线光源已经在国际上被成功实现，但它与实际应用还有很大距离。其中一个重要的瓶颈是如何实现半导体纳米线光源与集成光电子器件的有效耦合，这对于实现半导体纳米线光源在集成光电器件的应用是关键一步。对于横向生长或放置的纳米线，可以通过倏逝波耦合的方式实现。但是目前国际上报道的可用于大规模制备的可集成半导体纳米线光源是竖直阵列的，目前还难以与光子器件高效耦合。
发明内容
本发明提供集成光源倾斜光栅耦合器件及其制备方法，本申请内的器件可以应用于片上集成的竖直阵列纳米线光源与波导耦合；而竖直阵列化纳米线与水平波导直接耦合时，耦合效率较低。
本发明采用的具体技术方案如下：
一种集成光源倾斜光栅耦合器件，包括衬底和镀设在衬底上的薄膜波导；
在所述薄膜波导上进行倾斜刻蚀，获得倾斜刻蚀的光栅；
所述薄膜波导内光栅的位置上方有竖立的纳米线阵列光源；
所述的薄膜波导与纳米线阵列光源间有一覆层；
作为优选的，所述衬底为二氧化硅衬底，所述的覆层为二氧化硅覆层，所述的纳米线阵列光源可以为氧化锌、铟镓砷、硒化镉等纳米线阵列。
在本发明的倾斜刻蚀光栅结构中，应控制覆层厚度、光栅倾斜角度和光栅与纳米线阵列间的横向错位距离，以取得优异的耦合效率和谐振腔Q值。
作为优选的，所述光栅的倾斜角度为40-70°。
作为优选的，所述覆层的厚度范围控制在0-1100nm。
作为优选的，所述的薄膜波导为氮化硅薄膜。
作为优选的，所述光栅与纳米线阵列光源间的横向错位距离为-600nm到+1400nm。
一种集成光源倾斜光栅耦合器件的制备方法，包括：
在衬底上面镀一层薄膜波导，并对所述薄膜波导进行倾斜刻蚀，获得倾斜刻蚀的光栅，
在光栅表面沉积一覆层，所述的覆层上面通过光刻得到种子层，该种子层区域生长有纳米线阵列光源。
本发明采用化学气相沉积(CVD)等技术方式，在硅基芯片表面沉积出二氧化硅基底用以承载整个系统；使用溅射方法在二氧化硅基底表面沉积一层氮化硅薄膜作为波导；使用光刻仪在该氮化硅波导表面刻蚀出带有倾角的光栅结构；在刻蚀完毕的器件表面再溅射上一层二氧化硅覆层；在该覆层表面光栅位置上方溅射上一层种子层，作为纳米线生长的基底；在此基底上通过水热法生长获得纳米线阵列光源。
本器件旨在搭载电致发光光源，由于电致发光纳米线激光器体积小，可以将其集成到片上，形成片上集成光源，大大缩小器件体积。
附图说明
图1为本发明所设计的倾斜刻蚀光栅器件的详细示意图；其中，1为二氧化硅基底，2为氮化硅波导，3为倾斜刻蚀光栅，4为二氧化硅覆层，5为纳米线阵列光源
图2为耦合效率与覆层厚度关系图；
图3为Q值与覆层厚度关系图；
图4为光栅耦合效率与倾斜角度的关系图；
图5为Q值与光栅倾斜角度的关系图；
图6为耦合效率与错位距离关系图；
图7为Q值与错位距离关系图；
图8为集成纳米光源阵列结构图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。
实施例1
如图1所示，本实施例中的集成光源倾斜光栅耦合器件，包括二氧化硅衬底1和镀设在衬底上的氮化硅薄膜波导2；在薄膜波导上进行倾斜刻蚀，获得倾斜刻蚀光栅3；氮化硅薄膜波导2内倾斜刻蚀光栅3的位置上方有竖立的纳米线阵列光源5；薄膜波导与纳米线阵列光源5间有一层二氧化硅覆层4。
本实施例中的器件在仿真测试中有不错的耦合特性。在倾斜刻蚀光栅结构中，有三个重要参数会影响耦合效率和谐振腔Q值，分别定义如下：1.二氧化硅覆层4厚度。在氮化硅波导和顶部纳米线之间沉积有一层二氧化硅覆层，由纳米线光源出射的光场经过此覆层后导入到底部的氮化硅波导，因此该覆层的厚度会显著影响到耦合效率。同时，由于纳米线本身作为谐振腔，该端部作为谐振腔输出端口，过高的输出会造成谐振腔损耗高于增益而难以获得稳定的谐振。2.倾斜刻蚀光栅3的倾斜角度。氮化硅波导中刻蚀了一组光栅结构，为了增加该光栅对光场的接受与耦合能力，实验中对光栅结构增加了一个倾角，通过改变该倾角研究谐振腔Q值和耦合效率的变化。3.倾斜刻蚀光栅3与纳米线阵列光源5间横向的错位距离。图1所示中纳米线阵列光源5正好生长在光栅正上方，然而实际生产制作中，两者的位置难以恰好对正，总会存在一个横向的错位距离。该错位距离也会影响到光场的耦合效率。
本实施例中，控制二氧化硅覆层厚度变化范围为0-1100nm。测得的耦合效率曲线变化如图2所示，可见在覆层厚度在0-300nm时，耦合效率低于10％，覆层在300-1100nm时耦合效率基本不变，保持在13％左右。测得的Q值变化如图3所示，可见Q值的变化并不规律。结合两者可以分析出该结构覆层的最佳厚度在800nm，此时该系统的耦合效率和谐振腔Q值均在较好水平。
本实施例中，控制光栅倾斜角度变化范围为40-70°。图4所示为耦合效率随倾斜角度变化，可见耦合效率随倾角单调递增。图5所示为倾角与谐振腔Q值的变化关系，可见倾角在55-65°范围内谐振腔有较好的性质。因此综合两者的数据分析，可以确定倾斜光栅的倾斜角度应当设置在60°左右。
本实施例中，控制错位距离变化范围为-600nm到+1400nm。从耦合效率图6中可看出，当错位距离在180nm-580nm之间时，该结构有较好好的耦合效率，该结果应该与光栅的倾斜角度相关，由于光场耦合方向和光栅倾斜的方向都是朝向正向的，因此正向错位时更有利于光场耦合进入波导。图7所示的谐振腔Q值随错位距离有较大波动，这应该与谐振腔所支持的特定谐振波长有关。考虑实际使用时，可以设置错位距离为50nm、180nm以及380nm。
在上述三个参数的调控以后，对于一种特定尺寸的纳米线阵列，可以同时达到30％左右的耦合效率和接近200的Q值。
本发明所述的倾斜刻蚀光栅结构可以用于微纳光学器件进行光场显示，也可以基于光子芯片使用进行光学计算。在光场显示中，将多个该器件结构组合成为阵列结构，如图8所示，阵列分布的就是刻蚀光栅结构。纳米线激光器发射的光经过刻蚀光栅耦合进入波导，就可以实现点阵光源的输出，经过相位调制技术可以实现三维显示。在上述系统中，使用纳米线光源，通过光泵浦或电注入谐振得到激光。
实施例2
如图1所示，本实施例中的集成光源倾斜光栅耦合器件，包括二氧化硅衬底1和镀设在衬底上的氮化硅薄膜波导2；在薄膜波导上进行倾斜刻蚀，获得倾斜刻蚀光栅3；氮化硅薄膜波导2内倾斜刻蚀光栅3的位置上方有竖立的纳米线阵列光源5；薄膜波导与纳米线阵列光源5间有一层二氧化硅覆层4。
上述集成光源倾斜光栅耦合器件的制备过程如下：
(1)采用化学气相沉积(CVD)法在特定温度、气压、气流等条件下生长二氧化硅薄膜作为二氧化硅衬底1，并对其光学性能进行表征，作为倾斜刻蚀光栅器件的承载平台。
(2)采用溅射方法生成氮化硅薄膜作为光波导结构，即氮化硅薄膜波导2，或者通过CVD方法直接在二氧化硅基底上溅射获得此结构。
(3)将制备所得基底以一定倾斜角度放置，使用聚焦离子束刻蚀(FIB)在氮化硅薄膜上刻蚀出光栅结构，最终获得与竖直方向成一定角度的倾斜光栅结构3。
(4)通过溅射方法或者CVD方法在氮化硅波导表面沉积一层二氧化硅覆层4，需要将光栅凹陷部分填平，以获得表面平整均一的二氧化硅覆层。
(5)使用磁控溅射或者化学生长方式在获得的二氧化硅覆层4表面生长出种子层，须确保该种子层均匀且与倾斜光栅部分的位置相对应。
(6)通过水热法在种子层上生长出阵列化的纳米线光源5，作为谐振激光光源。
(7)半导体纳米线在激发发光下，通过波导结构将辐射光耦合进入氮化硅波导，再将该光源引入到芯片中的其他无源光子器件中即可进行下一步的应用与操作。同时，结合光场相位调制技术，可以实现光场图像的重建，在三维光场显示中有重要的应用前景。
以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种集成光源倾斜光栅耦合器件，其特征在于，包括衬底和镀在衬底上的薄膜波导；
在所述薄膜波导上进行倾斜刻蚀，获得倾斜刻蚀的光栅；
所述薄膜波导内光栅的位置上方有竖立的纳米线阵列光源；
所述的薄膜波导与纳米线阵列光源间有一覆层。
2.如权利要求1所述的集成光源倾斜光栅耦合器件，其特征在于，所述衬底为二氧化硅衬底，所述的覆层为二氧化硅覆层。
3.如权利要求1所述的集成光源倾斜光栅耦合器件，其特征在于，所述光栅的倾斜角度为40-70°。
4.如权利要求1所述的集成光源倾斜光栅耦合器件，其特征在于，所述覆层的厚度范围控制在0-1100nm。
5.如权利要求1所述的集成光源倾斜光栅耦合器件，其特征在于，所述的薄膜波导为氮化硅薄膜。
6.如权利要求1所述的集成光源倾斜光栅耦合器件，其特征在于，所述光栅与纳米线阵列光源间的横向错位距离为-600nm到+1400nm。
7.一种集成光源倾斜光栅耦合器件的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底上面镀一层薄膜波导，并对所述薄膜波导进行倾斜刻蚀，获得倾斜刻蚀的光栅，
在光栅表面沉积一覆层，所述的覆层上面通过光刻得到种子层，该种子层区域生长有纳米线阵列光源。
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