CN109358394A - 一种基于中等折射率波导材料的高效率光栅耦合器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于中等折射率波导材料的高效率光栅耦合器，具体结构从下往上依次为衬底、下包层、中等折射率材料层、绝缘层、非晶硅光栅、上包层。本发明还公开了一种基于中等折射率波导材料的高效率光栅耦合器的制备方法，首先在衬底上制备波导下包层及中等折射率材料层；在中等折射率材料层中实现波导器件；然后于样品表面生长绝缘层以及非晶硅；然后通过电子束或紫外曝光，将光栅结构转移到电子束胶或光刻胶层，显影后形成光栅图案；然后通过刻蚀工艺将光栅结构转移至非晶硅光栅；最后去除电子束胶或光刻胶层，并生长上包层。本发明具有工艺步骤更简单，成本更低，误差容忍度更高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光子器件及其制备方法领域，更具体地，涉及一种基于中等折射率波导材料的高效率光栅耦合器及其制备方法。
背景技术
中等折射率材料，如铌酸锂，氮化硅等，从可见到中红外范围内具有高透射率，低损耗的特点，在集成光电子器件中是理想的光传输材料。
对于晶体材料铌酸锂薄膜，传统的光纤与铌酸锂波导的耦合方式，是通过晶片解理后，从端面将光注入波导。铌酸锂、氮化硅等亚微米波导模式一般与带有微透镜的光纤模式失配，导致耦合效率较低。目前最好的铌酸锂亚微米波导与光纤透镜的单边耦合效率约-5dB。亚微米波导与平端单模光纤进行端面耦合难度更高，目前还没有实现的方案。
光栅耦合器可以实现传统的平端单模光纤与亚微米波导的高效率垂直耦合。其优势在硅光子器件平台已经得到充分的证明。
在铌酸锂亚微米波导上，光栅耦合器也有演示的案例。通过直接刻蚀铌酸锂光栅的方式，可获得约-10dB的耦合效率。通过添加底部反射镜的方式在理论上可有效提高光栅耦合器的耦合效率，在实验上获得了-6.9dB的耦合效率。
非晶体氮化硅薄膜材料是硅酸盐材料中折射率最高的材料之一，其折射率可以达到1.9以上。单纯刻蚀氮化硅制作的光栅耦合器，可获得相对较大的1-dB带宽，但耦合效率小于-4dB。要获取高效率和高带宽，需要采用底部掩埋光栅结构，工艺繁琐。采用绝缘体上硅(silicononinsulator，SOI)作为基底，相继沉积氧化硅绝缘层和氮化硅，并统一刻蚀至硅层形成底部光栅，工艺相对简单，且获得较高的带宽和效率，但使用SOI作为基底会提高材料成本。
上述限制铌酸锂、氮化硅等光栅耦合器的性能的主要原因是，铌酸锂、氮化硅属于中等折射率材料(n～1.9-2.2)，单纯依赖在波导材料中刻蚀光栅，在单模光纤的模场直径范围内，获得的耦合衍射效率远远低于硅(n～3.42)波导光栅耦合器(～-3dB)。而采用底部反射镜方案将导致加工工艺变得极为复杂。
发明内容
本发明的目的是解决上述一个或多个缺陷，提出一种基于中等折射率波导材料的高效率光栅耦合器及其制备方法。
为实现以上发明目的，采用的技术方案是：
一种基于中等折射率波导材料的高效率光栅耦合器，包括衬底、下包层、中等折射率材料层、绝缘层、非晶硅光栅和上包层；其中所述光栅耦合器的结构从下往上依次为衬底、下包层、中等折射率材料层、绝缘层、非晶硅光栅、上包层。光在中等折射率材料中以波导模式传输，当光传输至光栅区域受到非晶硅光栅的衍射，满足布拉格条件的光波按特定角度出射，并由单模光纤收集。反之，由单模光纤注入的光经过光栅耦合进入中等折射率材料波导。
优选的是，所述衬底包括硅、石英、玻璃、蓝宝石或铌酸锂中的一种或多种。
优选的是，所述下包层、绝缘层和上包层均为二氧化硅；其中所述下包层厚度为2微米至5微米；所述绝缘层厚度为70纳米至120纳米。所述的介于中等折射率波导材料与非晶硅光栅之间的绝缘层是氧化硅，其作用在于增强中等折射率波导材料与非晶硅之间的粘附性，其厚度也起到影响光栅效率的作用，在优化的情况下可提高光栅的耦合效率。在一些应用场景下，该绝缘层可不生长。
优选的是，所述中等折射率材料层其折射率介于1.7至2.5之间；所述中等折射率材料层采用铌酸锂或者氮化硅或其他折射率介于氧化硅与硅之间的材料。
优选的是，所述中等折射率材料层厚度为100纳米至700纳米。
优选的是，所述非晶硅光栅折射率为2.59-3.73；所述非晶硅光栅为一维均匀或非均匀周期光栅、聚焦型均匀或非均匀周期光栅、光子晶体光栅或实现横电场模和横磁场模双偏振的光子晶体光栅。在近红外通信波段(1200-1800纳米波长)，非晶硅相比于空气，二氧化硅和中等折射率波导材料具有更高的折射率，可大大提高耦合强度。
优选的是，所述非晶硅光栅厚度为100纳米至300纳米。
优选的是，所述非晶硅光栅周期为700纳米至1000纳米。
优选的是，所述中等折射率材料层的光波导在光栅区域是矩形或扇形；所述矩形的宽度为10微米至20微米。
一种基于中等折射率波导材料的高效率光栅耦合器的制备方法，包括以下步骤：
S1：在衬底上制备波导下包层及中等折射率材料层；
S2：使用微纳加工手段，包括电子束/紫外曝光和刻蚀，在中等折射率材料层中实现波导器件；
S3：使用等离子体增强-化学气相沉积工艺，于样品表面生长绝缘层以及非晶硅层；
S4：旋涂电子束胶或光刻胶层，使用电子束曝光系统或光刻系统将光栅结构转移到电子束胶或光刻胶层，显影后形成光栅图案；
S5：使用等离子体刻蚀系统及其硅刻蚀工艺，将光栅结构转移至非晶硅形成非晶硅光栅；
S6：去除电子束胶或光刻胶层，并生长上包层。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)非晶硅(折射率n>3)与波导包层材料形成更高的折射率反差，可获得更高的衍射耦合效率；
2)非晶硅工艺成熟，稳定，可靠。其材料制备与结构加工工艺可以与铌酸锂，氮化硅等材料兼容；
3)工艺步骤更简单，成本更低，误差容忍度更高。
附图说明
图1为本发明的一种基于中等折射率波导材料的高效率光栅耦合器的结构示意图；
图2为本发明的一种基于中等折射率波导材料的高效率光栅耦合器的工艺流程图；
图3为本发明的一种基于中等折射率波导材料的高效率光栅耦合器涵盖的光栅类型图。
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
一种基于中等折射率波导材料的高效率光栅耦合器，请参考图1，包括衬底1、下包层2、中等折射率材料层3、绝缘层4、非晶硅光栅5和上包层6；其中所述光栅耦合器的结构从下往上依次为衬底1、下包层2、中等折射率材料层3、绝缘层4、非晶硅光栅5、上包层6。光在中等折射率材料3中以波导模式传输，当光传输至光栅区域受到非晶硅光栅5的衍射，满足布拉格条件的光波按特定角度出射，并由单模光纤7收集。反之，由单模光纤7注入的光经过光栅5耦合进入中等折射率材料波导3。
本实施例中，所述衬底1是硅，其厚度为400微米。
本实施例中，所述下包层2是二氧化硅，其厚度为2微米。
本实施例中，所述中等折射率材料层3材料是铌酸锂，其厚度为600纳米。
本实施例中，所述绝缘层4是氧化硅，其作用在于增强铌酸锂与非晶硅之间的粘附性，其厚度为90纳米。
本实施例中，所述非晶硅光栅5是均匀周期光栅，厚度为220纳米，周期为875纳米，占空比0.52。
本实施例中，所述上包层6是通过等离子体增强-化学气相沉积工艺生长的二氧化硅，其厚度为1.5微米。
本实施例中，所述中等折射率材料层3的光波导在光栅区域的宽度一致，宽度为15微米。
一种基于中等折射率波导材料的高效率光栅耦合器的制备方法，请参考图2，包括以下步骤：
S1：在衬底1上制备波导下包层2及中等折射率材料层3；
S2：如图2.s1，使用微纳加工手段，包括电子束曝光和干法刻蚀，在中等折射率材料层3中实现波导器件；
S3：如图2.s2，使用等离子体增强-化学气相沉积工艺，于样品表面生长绝缘层4以及非晶硅层；
S4：如图2.s3，旋涂电子束胶，使用电子束曝光系统将光栅结构转移到电子束胶，显影后形成光栅图案；
S5：如图2.s4，使用等离子体刻蚀系统及其硅刻蚀工艺，将光栅结构转移至非晶硅形成非晶硅光栅5；
S6：如图2.s5，使用稀释的氢氟酸去除电子束胶，并使用等离子体增强-化学气相沉积工艺生长上包层6。
本实施例中，请参考图3，所述非晶硅光栅耦合器不局限于一维均匀周期光栅耦合器，可包括非均匀周期光栅耦合器，如图3.a。更进一步，在一些实际案例中，包括聚焦型的均匀或非均匀周期光栅耦合器，如图3.b。在一些实际案例中，包括光子晶体光栅耦合器。更进一步，也可用于实现波导中横电场模和横磁场模与单模光纤同时耦合的光子晶体光栅耦合器。
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。
Claims (10)
1.一种基于中等折射率波导材料的高效率光栅耦合器，其特征在于，包括衬底（1）、下包层（2）、中等折射率材料层（3）、绝缘层（4）、非晶硅光栅（5）和上包层（6）；其中所述光栅耦合器的结构从下往上依次为衬底（1）、下包层（2）、中等折射率材料层（3）、绝缘层（4）、非晶硅光栅（5）、上包层（6）。
2.根据权利要求1所述的一种基于中等折射率波导材料的高效率光栅耦合器，其特征在于，所述衬底（1）包括硅、石英、玻璃、蓝宝石或铌酸锂中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种基于中等折射率波导材料的高效率光栅耦合器，其特征在于，所述下包层（2）、绝缘层（4）和上包层（6）均为二氧化硅；其中所述下包层（2）厚度为2微米至5微米；所述绝缘层（4）厚度为70纳米至120纳米。
4.根据权利要求1所述的一种基于中等折射率波导材料的高效率光栅耦合器，其特征在于，所述中等折射率材料层（3）其折射率介于1.7至2.5之间；所述中等折射率材料层（3）采用铌酸锂或者氮化硅或其他折射率介于氧化硅与硅之间的材料。
5.根据权利要求4所述的一种基于中等折射率波导材料的高效率光栅耦合器，其特征在于，所述中等折射率材料层（3）厚度为100纳米至700纳米。
6.根据权利要求1所述的一种基于中等折射率波导材料的高效率光栅耦合器，其特征在于，所述非晶硅光栅（5）折射率为2.59-3.73；所述非晶硅光栅（5）为一维均匀或非均匀周期光栅、聚焦型均匀或非均匀周期光栅、光子晶体光栅或实现横电场模和横磁场模双偏振的光子晶体光栅。
7.根据权利要求1所述的一种基于中等折射率波导材料的高效率光栅耦合器，其特征在于，所述非晶硅光栅（5）厚度为100纳米至300纳米。
8.根据权利要求1所述的一种基于中等折射率波导材料的高效率光栅耦合器，其特征在于，所述非晶硅光栅（5）周期为700纳米至1000纳米。
9.根据权利要求1所述的一种基于中等折射率波导材料的高效率光栅耦合器，其特征在于，所述中等折射率材料层（3）的光波导在光栅区域是矩形或扇形；所述矩形的宽度为10微米至20微米。
10.一种根据权利要求1-9任一项所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在衬底（1）上制备波导下包层（2）及中等折射率材料层（3）；
S2：使用微纳加工手段，包括电子束/紫外曝光和刻蚀，在中等折射率材料层（3）中实现波导器件；
S3：使用等离子体增强-化学气相沉积工艺，于样品表面生长绝缘层（4）以及非晶硅层；
S4：旋涂电子束胶或光刻胶层，使用电子束曝光系统或光刻系统将光栅结构转移到电子束胶或光刻胶层，显影后形成光栅图案；
S5：使用等离子体刻蚀系统及其硅刻蚀工艺，将光栅结构转移至非晶硅形成非晶硅光栅（5）；
S6：去除电子束胶或光刻胶层，并生长上包层（6）。
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