CN111257996B - 一种双折射波导布拉格光栅反射器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双折射波导布拉格光栅反射器，包括衬底；位于衬底表面的下包层；位于下包层背向衬底一侧表面的波导芯层；波导芯层背向下包层一侧表面刻蚀有多个凹槽以形成光栅，光栅的波矢方向平行于波导芯层的波导方向；位于波导芯层背向衬底一侧表面的上包层，上包层覆盖光栅。通过在波导芯层表面刻蚀出光栅可以改变波导芯层的形状对称性，从而提高双折射波导布拉格光栅反射器的形状双折射值；同时光栅可以使得波导芯层与上包层以及下包层之间存在强烈的各向异性应力，从而使得双折射波导布拉格光栅反射器具有较高的应力双折射值，使得双折射波导布拉格光栅反射器具有较高的双折射值。本发明还提供了一种制备方法，同样具有上述有益效果。

Description

一种双折射波导布拉格光栅反射器及其制备方法
技术领域
本发明涉及光电子器件技术领域，特别是涉及一种双折射波导布拉格光栅反射器以及一种双折射波导布拉格光栅反射器的制备方法。
背景技术
高双折射的波导布拉格光栅反射器(WBG)是偏振相关光学系统中的重要元器件，例如起偏器、偏振分束器，波片等。同时作为一种具有线性偏振模式选择功能的激光外腔反射器，其在高线性偏振态的外腔半导体激光器领域有着重要的应用。高双折射的WBG有着线性偏振模式选择功能，能够使基横模(TE模式)和基纵模(TM模式)发生分裂，以它作为激光光源的外腔反射器可以直接实现线性偏振输出，对简化激光系统，降低系统的损耗有着重要的作用，对于实现高紧凑度、高功率输出的线性偏振激光器有重要的意义。
在现阶段，双折射波导布拉格光栅反射器(WBG)的双折射值一般都比较低，大部分WBG的双折射值都处于10-4量级的水平，所以如何提高双折射波导布拉格光栅反射器的双折射值是本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种双折射波导布拉格光栅反射器，具有较高的双折射值；本发明的另一目的在于提供一种双折射波导布拉格光栅反射器的制备方法，所制备而成的双折射波导布拉格光栅反射器具有较高的双折射值。
为解决上述技术问题，本发明提供一种双折射波导布拉格光栅反射器，包括：
衬底；
位于所述衬底表面的下包层；
位于所述下包层背向所述衬底一侧表面的波导芯层；所述波导芯层背向所述下包层一侧表面刻蚀有多个凹槽以形成光栅，所述光栅的波矢方向平行于所述波导芯层的波导方向；
位于所述波导芯层背向所述衬底一侧表面的上包层，所述上包层覆盖所述光栅。
可选的，所述光栅具体为：
切趾光栅、或相移光栅、或取样光栅。
可选的，所述波导芯层的基质为：
二氧化硅、或氮化硅、或硅。
可选的，所述波导芯层中掺杂的杂质元素包括以下任意一项或任意组合：
锗元素、镱元素、铒元素。
可选的，所述上包层和所述下包层的材质均为二氧化硅。
本发明还提供了一种双折射波导布拉格光栅反射器的制备方法，包括：
在衬底的表面设置下包层；
在所述下包层背向所述衬底一侧表面设置波导芯层；
在所述波导芯层背向所述下包层一侧表面刻蚀多个凹槽以形成光栅；所述光栅的波矢方向平行于所述波导芯层的波导方向；
在所述波导芯层背向所述衬底一侧表面设置覆盖所述光栅的上包层，以形成所述双折射波导布拉格光栅反射器。
可选的，所述在所述波导芯层背向所述下包层一侧表面刻蚀多个凹槽以形成光栅包括：
通过位移塔尔博特光刻技术在所述波导芯层背向所述下包层一侧表面刻蚀多个凹槽以形成光栅。
可选的，所述通过位移塔尔博特光刻技术在所述波导芯层背向所述下包层一侧表面刻蚀多个凹槽以形成光栅包括：
在所述波导芯层背向所述下包层一侧表面涂布抗反射层；
在所述抗反射层背向所述波导芯层一侧表面涂布光刻胶；
通过位移塔尔博特光刻工艺对所述光刻胶进行曝光，并通过显影形成光刻胶掩模图案；
通过电感耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀未被所述光刻胶掩膜图案遮挡的波导芯层，以在所述波导芯层背向所述下包层一侧表面刻蚀多个凹槽形成光栅；
去除所述抗反射层和所述光刻胶。
可选的，所述去除所述抗反射层和所述光刻胶包括：
通过去胶液和打胶机去除所述光刻胶和所述抗反射层。
可选的，所述在衬底的表面设置下包层包括：
通过PECVD设备在衬底的表面生长下包层；
所述在所述下包层背向所述衬底一侧表面设置波导芯层包括：
通过PECVD设备在所述下包层背向所述衬底一侧表面生长波导芯层；
所述在所述波导芯层背向所述衬底一侧表面设置覆盖所述光栅的上包层包括：
通过PECVD设备在所述波导芯层背向所述衬底一侧表面生长覆盖所述光栅的上包层。
本发明所提供的一种双折射波导布拉格光栅反射器，包括衬底；位于衬底表面的下包层；位于下包层背向衬底一侧表面的波导芯层；波导芯层背向下包层一侧表面刻蚀有多个凹槽以形成光栅，光栅的波矢方向平行于波导芯层的波导方向；位于波导芯层背向衬底一侧表面的上包层，上包层覆盖光栅。通过在波导芯层表面刻蚀出光栅可以改变波导芯层的形状对称性，从而提高双折射波导布拉格光栅反射器的形状双折射值；而通过刻蚀出光栅以及设置覆盖光栅的上包层，可以使得波导芯层与上包层以及下包层之间存在强烈的各向异性应力，从而使得双折射波导布拉格光栅反射器具有较高的应力双折射值，使得双折射波导布拉格光栅反射器具有较高的双折射值。
本发明还提供了一种双折射波导布拉格光栅反射器的制备方法，同样具有上述有益效果，在此不再进行赘述。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的一种双折射波导布拉格光栅反射器的结构示意图；
图2为图1的正视结构示意图；
图3为圆偏振状态下测得本发明实施例所提供的一种双折射波导布拉格光栅反射器的光谱图；
图4为TE线偏振态和TM线偏振态下测得本发明实施例所提供的一种双折射波导布拉格光栅反射器的透射光谱图；
图5为TE线偏振态和TM线偏振态下测得本发明实施例所提供的一种双折射波导布拉格光栅反射器的反射光谱图；
图6为双折射波导布拉格光栅反射器中波导芯层宽度与对应双折射值的变化趋势图；
图7为双折射波导布拉格光栅反射器中光栅刻蚀深度与对应双折射值的变化趋势图；
图8至图12为本发明实施例所提供的一种双折射波导布拉格光栅反射器制备方法的工艺流程图；
图13至图18为本发明实施例所提供的一种具体的双折射波导布拉格光栅反射器制备方法的工艺流程图。
图中：1.衬底、2.下包层、3.波导芯层、4.上包层、5.光栅、6.抗反射层、7.光刻胶、8.相位掩膜板。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种双折射波导布拉格光栅反射器。在现有技术中，双折射波导布拉格光栅反射器(WBG)的双折射值一般都比较低，大部分WBG的双折射值都处于10-4量级的水平，不利于实现更短损耗更低的偏振相关器件，也限制了WBG在线偏振激光器中的应用。
而本发明所提供的一种双折射波导布拉格光栅反射器，包括衬底；位于衬底表面的下包层；位于下包层背向衬底一侧表面的波导芯层；波导芯层背向下包层一侧表面刻蚀有多个凹槽以形成光栅，光栅的波矢方向平行于波导芯层的波导方向；位于波导芯层背向衬底一侧表面的上包层，上包层覆盖光栅。通过在波导芯层表面刻蚀出光栅可以改变波导芯层的形状对称性，从而提高双折射波导布拉格光栅反射器的形状双折射值；而通过刻蚀出光栅以及设置覆盖光栅的上包层，可以使得波导芯层与上包层以及下包层之间存在强烈的各向异性应力，从而使得双折射波导布拉格光栅反射器具有较高的应力双折射值，使得双折射波导布拉格光栅反射器具有较高的双折射值。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1以及图2，图1为本发明实施例所提供的一种双折射波导布拉格光栅反射器的结构示意图；图2为图1的正视结构示意图。
参见图1以及图2，在本发明实施例中，双折射波导布拉格光栅反射器包括衬底1；位于所述衬底1表面的下包层2；位于所述下包层2背向所述衬底1一侧表面的波导芯层3；所述波导芯层3背向所述下包层2一侧表面刻蚀有多个凹槽以形成光栅5，所述光栅5的波矢方向平行于所述波导芯层3的波导方向；位于所述波导芯层3背向所述衬底1一侧表面的上包层4，所述上包层4覆盖所述光栅5。
上述衬底1主要起支撑作用，上述下包层2、波导芯层3、上包层4均需要按照一定的顺序依次设置在衬底1表面。有关具体的双折射波导布拉格光栅反射器的制作工艺将在下述发明实施例中做详细介绍，在此不再进行赘述。上述衬底1在本发明实施例中通常为纯硅(Si)衬底1，即衬底1的材质通常为硅。当然，在本发明实施例中还可以选用其他材质的衬底1，有关衬底1的具体材质在本发明实施例中不做具体限定。
上述下包层2位于衬底1的表面，该下包层2具体设置于衬底1的预设表面。上述的波导芯层3位于下包层2背向衬底1一侧表面，而上包层4会具体位于波导芯层3背向衬底1一侧表面。即波导芯层3会位于上包层4以及下包层2之间，上包层4以及下包层2会包住波导芯层3。上述下包层2的折射率以及上包层4的折射率通常需要小于波导芯层3的折射率，从而通过上述下包层2，波导芯层3和上包层4形成全反射波导，光波通常会在上述波导芯层3中传输，即在双折射波导布拉格光栅反射器内传输的光模被限制在波导芯层3内。
具体的，上述下包层2的材质在本发明实施例中通常为二氧化硅(SiO2)，该下包层2的厚度通常在15μm左右，折射率通常为1.445。当然，有关上包层4的具体材质可以根据实际情况自行设定，在本发明实施例中不做具体限定；相应的，上述上包层4的材质在本发明实施例中通常也为二氧化硅(SiO2)，该上包层4的厚度通常在15μm左右，折射率通常为1.445。当然，有关上包层4的具体材质可以根据实际情况自行设定，在本发明实施例中不做具体限定。
上述波导芯层3通常为掺杂有稀土元素的材质，以构成有源平板波导。上述波导芯层3的基质为二氧化硅(SiO2)、或氮化硅(SixNy)、或硅(Si)，即二氧化硅、氮化硅、硅中的一种。当上述上包层4以及下包层2均选用二氧化硅时，该波导芯层3的基质通常也为二氧化硅。上述波导芯层3中掺杂的杂质元素包括以下任意一项或任意组合锗(Ge)元素、镱(Yb)元素、铒(Er)元素。即波导芯层3中掺杂的杂质元素可以为锗元素、镱元素、铒元素中的一种或多种。当然，在波导芯层3中也可以掺杂其他的种类的稀土元素，在本发明实施例中不做具体限定。
具体的，在本发明实施例中上述波导芯层3的基质通常为二氧化硅，而波导芯层3中掺杂的杂质元素通常为锗元素，其中锗的掺杂摩尔比通常在28.8％左右，该波导芯层3的厚度通常在3.5μm左右，此时波导芯层3的折射率通常为1.481，上述上包层4以及下包层2与该波导芯层3之间的折射率差值通常在2.5％。低折射率上包层4以及下包层2和高折射率的波导芯层3之间可以产生波导效应，能够将光限制在波导芯层3内部传播。需要说明的是，上述波导芯层3的宽度，即波导芯层3沿垂直于波导方向的长度通常需要小于下包层2沿垂直于波导方向的长度，同时上述上包层4会覆盖波导芯层3的侧壁，以使上包层4与下包层2相互配合可以包住整个波导芯层3。
在本发明实施例中，上述波导芯层3背向下包层2一侧表面刻蚀有多个凹槽，该多个凹槽会在波导芯层3表面形成光栅5，即布拉格光栅5，该光栅5的波矢方向需要与波导芯层3的波导方向相互平行，以通过光栅5增加双折射波导布拉格光栅反射器的双折射值。需要说明的是，上述光栅5的刻蚀深度以及波导芯层3的宽度均会影响双折射波导布拉格光栅反射器的双折射值，其具体内容将在下述发明实施例中做详细介绍。在本发明实施例中，构成光栅5的凹槽的刻蚀深度不应大于波导芯层3的厚度，以使波导芯层3内可以通过光波。
具体的，在本发明实施例中上述光栅5的结构可以为均匀光栅结构也可以为非均匀光栅结构。当光栅5为非均匀光栅5时，上述光栅5可以具体为切趾光栅、或相移光栅、或取样光栅。当光栅5具体为切趾光栅时，切趾光栅可以去掉光栅谐振光谱两侧的旁瓣，提高边模抑制比(SMSR)，在光通讯中可以降低串扰；当光栅5具体为相移光栅时，由于相移光栅在布拉格谐振光谱内存在一个光谱禁带，使其有着高质量、高Q值的光谱选择特性，可以产生一个线宽极窄的透射窗口；当光栅5具体为取样光栅时，取样光栅与相移光栅原理相同，但是具有多个窄线宽的透射窗口，在密集波分复用系统(DWHM)中有着重要的应用。当然，面对实际问题，上述光栅5也可以为其他不同结构的光栅5，只要能起到具体作用即可，在本发明实施例中对于光栅5的具体种类不做具体限定。
上述上包层4需要覆盖上述光栅5，即覆盖上述多个凹槽，从而通过光栅5多凹槽的结构可以在波导芯层3与上包层4之间产生密集的各向异性的应力。
在本发明实施例中，WBG的双折射来源主要来自两个方面：第一，当波导在两个正交的方向所受的应力不同时，因为光弹性效应引起各方向传输的速度不同从而产生快轴和慢轴导致双折射效应，而WBG各层之间材料的差异会产生各向异性的材料应力；第二，波导在垂直于光传输方向的几何形状也会引起两个正交方向的折射率不同从而产生双折射效应。因此，通过在WBG内部引入不同的材料分布可以提高应力双折射；改变波导芯层3的几何形状对称性可以提高应力双折射以及形状双折射。
本发明实施例所提供的一种双折射波导布拉格光栅反射器，包括衬底1；位于衬底1表面的下包层2；位于下包层2背向衬底1一侧表面的波导芯层3；波导芯层3背向下包层2一侧表面刻蚀有多个凹槽以形成光栅5，光栅5的波矢方向平行于波导芯层3的波导方向；位于波导芯层3背向衬底1一侧表面的上包层4，上包层4覆盖光栅5。通过在波导芯层3表面刻蚀出光栅5可以改变波导芯层3的形状对称性，从而提高双折射波导布拉格光栅反射器的形状双折射值；而通过刻蚀出光栅5以及设置覆盖光栅5的上包层4，可以使得波导芯层3与上包层4以及下包层2之间存在强烈的各向异性应力，从而使得双折射波导布拉格光栅反射器具有较高的应力双折射值，使得双折射波导布拉格光栅反射器具有较高的双折射值。
有关本发明所提供的一种双折射波导布拉格光栅反射器的具体结构将在下述发明实施例中做详细介绍。
请参考图3，图4，图5，图6以及图7，图3为圆偏振状态下测得本发明实施例所提供的一种双折射波导布拉格光栅反射器的光谱图；图4为TE线偏振态和TM线偏振态下测得本发明实施例所提供的一种双折射波导布拉格光栅反射器的透射光谱图；图5为TE线偏振态和TM线偏振态下测得本发明实施例所提供的一种双折射波导布拉格光栅反射器的反射光谱图；图6为双折射波导布拉格光栅反射器中波导芯层3宽度与对应双折射值的变化趋势图；图7为双折射波导布拉格光栅反射器中光栅刻蚀深度与对应双折射值的变化趋势图。
区别于上述发明实施例，本发明实施例是在上述发明实施例的基础上，进一步的对双折射波导布拉格光栅反射器的结构进行具体限定。其余内容已在上述发明实施例中进行了详细介绍，在此不再进行赘述。
在本发明实施例中，在波导芯层3厚度确定的情况下，波导芯层3的宽度，即波导芯层3沿垂直于波导方向的长度在不同范围内改变会产生正或负形状双折射的变化；此外形成光栅5的凹槽的刻蚀深度对形状双折射和应力双折射都有着重要的影响，刻蚀深度的增加会使这应力双折射效应以及形状双折射效应同时增加。通过适当的调整波导芯层3的宽度以及光栅5的刻蚀深度，可以实现很高的双折射值，并且调整波导宽度和光栅5刻蚀深度可以实现WBG双折射值的调控，以满足不同线偏振激光器的需要。
在本发明实施例中，双折射波导布拉格光栅反射器中下包层2为厚度等于15μm的二氧化硅膜层，上包层4为厚度等于15μm的二氧化硅膜层，波导芯层3为厚度等于3.5μm的掺锗二氧化硅膜层，其中锗的掺杂摩尔比为28.8％。在本发明实施例中，会对制备的WBG的透射和反射光谱进行了测量，并对不同波导宽度和光栅5刻蚀深度的WBG的双折射进行了计算，双折射值Δneff TM-TE＝Δneff TMΔneff TE，Δneff TM和Δneff TE分别为TE模式和TM模式的有效折射率，其可以通过Δneff TM-TE＝ΔλB TM-TE/2Λ来计算，ΔλB TM-TE是两个模式之间布拉格谐振峰的中心波长差值，Λ为WBG的周期。
请参考图3，图3为圆偏振态下测得的本发明实施例所提供的双折射波导布拉格光栅反射器的透射光谱和反射光谱，在图3中测得的双折射波导布拉格光栅反射器中波导芯层3的宽度为3.5μm，光栅5的刻蚀深度为121.5nm。在图3中，波长为1540nm至1545nm的模式是由低阶包层模导致的“鬼模”，图3中所示的TE模式与TM模式布拉格谐振峰的中心波长分别为1550.799nm和1552.512nm，模式分裂为1.7635nm，其对应的双折射值为1.621×10-3。
请参考图4以及图5，图4为TE线偏振态和TM线偏振态下分别测得的本发明实施例所提供的双折射波导布拉格光栅反射器的透射光谱，其中实线TE模式，虚线TM模式；图4为TE线偏振态和TM线偏振态下分别测得的本发明实施例所提供的双折射波导布拉格光栅反射器的反射光谱，其中实线TE模式，虚线TM模式。通过图4以及图5可以看出，本发明实施例所提供的双折射波导布拉格光栅反射器可以有效分裂传输光线中的TE模式和TM模式，具有较高的双折射值。
请参考图6，图6为双折射波导布拉格光栅反射器中波导芯层3宽度与对应双折射值的分布曲线。从图6中可以看出当双折射波导布拉格光栅反射器中波导芯层3宽度从3.3μm增加到3.8μm时，WBG的双折射值的变化趋势。在图6中，双折射波导布拉格光栅反射器中光栅5的刻蚀深度固定为121.5nm。
当波导芯层3宽度在3.3μm到3.6μm范围内，双折射随着波导宽度增加而减小，在3.5μm时可以获得最小的双折射值1.621×10-3。在3.5μm到3.8μm的范围内，双折射值随波导宽度增加而增加。波导宽度的改变可以获得1.621×10-3到1.670×10-3的变化裕度。
请参考图7，图7为双折射波导布拉格光栅反射器中光栅5刻蚀深度与对应双折射值的分布曲线。从图7中可以看出光栅5刻蚀深度改变时WBG的双折射值的变化趋势。在图7中，双折射波导布拉格光栅反射器中波导芯层3的宽度固定为3.6μm。
当光栅5的刻蚀深度从92.6nm增加到121.5nm时，双折射值随着刻蚀深度增加而增加。双折射值从7.919×10-4增加到了1.670×10-3。
本发明实施例所提供的一种双折射波导布拉格光栅反射器，具有较高的双折射值，该双折射波导布拉格光栅反射器的双折射值在7.919×10-41.670×10-3之间，相比现有技术，本发明实施例所提供的双折射波导布拉格光栅反射器的双折射值可以达到10-3量级。
下面对本发明所提供的一种双折射波导布拉格光栅反射器的制备方法进行介绍，下文描述的制备方法与上述描述的双折射波导布拉格光栅反射器的结构可以相互对应参照。
请参考图8至图12，图8至图12为本发明实施例所提供的一种双折射波导布拉格光栅反射器制备方法的工艺流程图。
参见图8，在本发明实施例中，双折射波导布拉格光栅反射器的制备方法包括：
S101：在衬底的表面设置下包层。
参见图9，有关衬底1以及下包层2的具体结构已在上述发明实施例中做详细介绍，在此不再进行赘述。在本步骤中，通常是通过PECVD设备在衬底1的表面生长下包层2，即采用PECVD工艺在衬底1的表面生长下包层2。
S102：在下包层背向衬底一侧表面设置波导芯层。
参见图10，有关波导芯层3的具体结构已在上述发明实施例中做详细介绍，在此不再进行赘述。在本步骤中，通常是通过PECVD设备在下包层2背向衬底1一侧表面生长波导芯层3，即采用PECVD工艺在下包层2背向衬底1一侧表面生长波导芯层3。
S103：在波导芯层背向下包层一侧表面刻蚀多个凹槽以形成光栅。
参见图11，在本发明实施例中，所述光栅5的波矢方向平行于所述波导芯层3的波导方向。有关光栅5的具体结构已在上述发明实施例中做详细介绍，在此不再进行赘述。
在本步骤中，通常是通过位移塔尔博特光刻技术在所述波导芯层3背向所述下包层2一侧表面刻蚀多个凹槽以形成光栅5。所谓位移塔尔博特光刻技术即DTL技术，DTL技术作为一种非接触式的光刻技术，在大面积制备光栅5上有着很大的优势，可以有效增加光刻的精度，即可以使得光栅5图案具有较高的分辨率。
位移塔尔博特光刻技术的原理为：利用单色准直光照射在相位掩模版上，同时让待刻蚀表面在垂直于掩模版几个塔尔博特周期的距离内来回运动，使塔尔博特效应产生的自图像和子图像刻写在待刻蚀表面上，从而可以提高光栅5分辨率和对比度，制备的光栅5周期为掩模版周期的一半。有关光栅5的具体刻蚀工艺，即位移塔尔博特光刻技术的具体内容将在下述发明实施例中做详细介绍，在此不再进行赘述。
S104：在波导芯层背向衬底一侧表面设置覆盖光栅的上包层，以形成双折射波导布拉格光栅反射器。
参见图12，有关上包层4的具体结构已在上述发明实施例中做详细介绍，在此不再进行赘述。在本步骤中，通常是通过PECVD设备在波导芯层3背向衬底1一侧表面生长上包层4，即采用PECVD工艺在波导芯层3背向衬底1一侧表面生长上包层4。
具体的，在本步骤中，可以分两步生长上包层4。首先，可以先在波导芯层3表面生长一层覆盖光栅5的保护层，然后再在保护层表面生长上包层4的主体，而上述保护层的材质与上包层4主体的材质通常相同。
在本步骤之前，即在刻蚀完光栅5之后，可以先通过刻蚀工艺，例如i-line光刻技术调整波导芯层3的宽度，以便制备出符合目标双折射值的双折射波导布拉格光栅反射器。
本发明实施例所提供的一种双折射波导布拉格光栅反射器的制备方法，所制备而成的双折射波导布拉格光栅反射器中，通过在波导芯层3表面刻蚀出光栅5可以改变波导芯层3的形状对称性，从而提高双折射波导布拉格光栅反射器的形状双折射值；而通过刻蚀出光栅5以及设置覆盖光栅5的上包层4，可以使得波导芯层3与上包层4以及下包层2之间存在强烈的各向异性应力，从而使得双折射波导布拉格光栅反射器具有较高的应力双折射值，使得双折射波导布拉格光栅反射器具有较高的双折射值。
有关本发明所提供的一种双折射波导布拉格光栅反射器的制备方法的具体内容将在下述发明实施例中做详细介绍。
请参考图13至图18，图13至图18为本发明实施例所提供的一种具体的双折射波导布拉格光栅反射器制备方法的工艺流程图。
参见图13，在本发明实施例中，双折射波导布拉格光栅反射器的制备方法包括：
S201：在衬底的表面设置下包层。
S202：在下包层背向衬底一侧表面设置波导芯层。
上述S201至S202与上述发明实施例中S101至S102基本一致，详细内容请参考上述发明实施例，在此不再进行赘述。
S203：在波导芯层背向下包层一侧表面涂布抗反射层。
参见图14，在本步骤中，上述抗反射层6(BARC)可以防止光刻时产生的驻波效应，从而提高后续步骤中光刻的准确性。有关抗反射层6的具体内容可以参考现有技术，在此不再进行赘述。
S204：在抗反射层背向波导芯层一侧表面涂布光刻胶。
参见图15，在本步骤中，需要在抗反射层6背向波导芯层3一侧表面涂布光刻胶7，该光刻胶7为正性光刻胶7或负性光刻胶7均可，在本发明实施例中不做具体限定。
S205：通过位移塔尔博特光刻工艺对光刻胶进行曝光，并通过显影形成光刻胶掩膜图案。
参见图16，在本步骤中，具体会通过位移塔尔博特光刻工艺对光刻胶7进行曝光，以将相位掩膜板8中产生的塔尔博特图案转移至光刻胶7；之后会通过显影工艺在光刻胶中形成对应塔尔博特图案的光刻胶掩膜图案。
在位移塔尔博特光刻工艺中，外部照射的激光光源垂直照射在相位掩模版上时，会在一个塔尔博特周期的距离上产生自图像，同时在对应于塔尔博特周期整数倍的距离内产生子图像，塔尔博特周期p＝2Λmask 2/λin，其中Λmask是相位掩模版的周期，λin是入射激光的波长。当涂有光刻胶7的波导芯层3在对应整数个塔尔博特周期的范围d内来回运动时，会在光刻胶7上同时形成自图像和子图像，使光栅5的分辨率提高。当激光照射在相位掩模版上产生的图案可以用标量电场的强度分布来描述：
Figure BDA0002416203490000141
在上式中m是整数，k＝(2π/λ)，G＝(2π/a)，G是相位掩模的倒数单位晶格矢量。当衍射阶数很小时，km＝(k2-m2G2)1/2可以精确描述为：
ZT＝2π/[(k2-m2G2)1/2-(k2-n2G2)1/2]；
其中m和n是不同衍射的阶数，ZT是因为选定的阶数所产生的塔尔博特长度。
在本发明实施例中，会采用波长为377nm的激光光源进行曝光，同时相位掩膜板8的周期为1056.8nm。在本发明实施例中，会在3个塔尔博特周期内移动涂布光刻胶7的波导芯层3，相应的，上述ZT具体为5.925μm，并对0阶衍射进行了抑制，光场的能量主要集中在±1阶衍射上。通过上述参数所制备的光栅5图案周期为528.4nm。
光栅5是根据严格耦合模理论进行设计的，假设WBG导致的正向传播和背向传播的谐振峰满足相位匹配条件：
β1＝β2+p(2π/∧)；
其中β1和β2分别对应于相向耦合的情况下正向导模和背向导模的传播常数，Λ是布拉格光栅5的周期，p是谐振峰。在本发明实施例中，p＝1对应于1阶光栅5，光栅5周期为528.4nm对应于1550nm波长。当然，在本发明实施例中还可以选用其他波长的激光进行曝光，同时还可以选用其它周期的相位掩膜板8，相应的上述光栅5图案周期等具体参数会发生对应的改变。
在本步骤中，对光刻胶7进行曝光后，可以将相位掩膜板8中图案转移至光刻胶7。
S206：通过电感耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀未被光刻胶掩膜图案遮挡的波导芯层，以在波导芯层背向下包层一侧表面刻蚀多个凹槽形成光栅。
参见图17，在本步骤中，具体可以采用电感耦合等离子体(ICP)技术将光刻胶7上的图案转移到波导芯层3的表面，即透过曝光以及显影得到的光刻胶掩膜图案刻蚀波导芯层3，以形成光栅5。当然，在本步骤中还可以通过其他技术工艺将光刻胶7上的图案转移到波导芯层3的表面，在本发明实施例中不做具体限定。
S207：去除抗反射层和光刻胶。
参见图18，在本步骤中，需要去除上述抗反射层6和光刻胶7，以暴露波导芯层3。具体的，在本步骤中可以通过去胶液和打胶机去除抗反射层6和光刻胶7。首先，在本步骤中会先使用去胶液，例如二甲基亚砜初步去除残余的光刻胶7，然后使用打胶机进一步去除残余的光刻胶7以及抗反射层6。
S208：在波导芯层背向衬底一侧表面设置覆盖光栅的上包层，以形成双折射波导布拉格光栅反射器。
本步骤与上述发明实施例中S104基本一致，详细内容请参考上述发明实施例，在此不再进行赘述。
本发明实施例所提供的一种双折射波导布拉格光栅反射器的制备方法，通过DTL技术可以低成本，大面积的制备高分辨率的光栅5，从而有效提高双折射波导布拉格光栅反射器的性能。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的一种双折射波导布拉格光栅反射器以及一种双折射波导布拉格光栅反射器的制备方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种双折射波导布拉格光栅反射器，其特征在于，包括：
衬底；
位于所述衬底表面的下包层；
位于所述下包层背向所述衬底一侧表面的波导芯层；所述波导芯层背向所述下包层一侧表面刻蚀有多个凹槽以形成光栅，所述光栅的波矢方向平行于所述波导芯层的波导方向；
位于所述波导芯层背向所述衬底一侧表面的上包层，所述上包层覆盖所述光栅；
所述波导芯层的基质为二氧化硅；所述波导芯层中掺杂的杂质元素为锗元素；所述上包层和所述下包层的材质均为二氧化硅；
所述双折射波导布拉格光栅反射器的双折射值在10-3量级。
2.根据权利要求1所述的双折射波导布拉格光栅反射器，其特征在于，所述光栅具体为：
切趾光栅、或相移光栅、或取样光栅。
3.一种双折射波导布拉格光栅反射器的制备方法，其特征在于，包括：
在衬底的表面设置下包层；
在所述下包层背向所述衬底一侧表面设置波导芯层；
在所述波导芯层背向所述下包层一侧表面刻蚀多个凹槽以形成光栅；所述光栅的波矢方向平行于所述波导芯层的波导方向；
在所述波导芯层背向所述衬底一侧表面设置覆盖所述光栅的上包层，以形成所述双折射波导布拉格光栅反射器；
所述波导芯层的基质为二氧化硅；所述波导芯层中掺杂的杂质元素为锗元素；所述上包层和所述下包层的材质均为二氧化硅；
所述双折射波导布拉格光栅反射器的双折射值在10-3量级。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述在所述波导芯层背向所述下包层一侧表面刻蚀多个凹槽以形成光栅包括：
通过位移塔尔博特光刻技术在所述波导芯层背向所述下包层一侧表面刻蚀多个凹槽以形成光栅。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述通过位移塔尔博特光刻技术在所述波导芯层背向所述下包层一侧表面刻蚀多个凹槽以形成光栅包括：
在所述波导芯层背向所述下包层一侧表面涂布抗反射层；
在所述抗反射层背向所述波导芯层一侧表面涂布光刻胶；
通过位移塔尔博特光刻工艺对所述光刻胶进行曝光，并通过显影形成光刻胶掩模图案；
通过电感耦合等离子体刻蚀工艺刻蚀未被所述光刻胶掩膜图案遮挡的波导芯层，以在所述波导芯层背向所述下包层一侧表面刻蚀多个凹槽形成光栅；
去除所述抗反射层和所述光刻胶。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述去除所述抗反射层和所述光刻胶包括：
通过去胶液和打胶机去除所述抗反射层和所述光刻胶。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述在衬底的表面设置下包层包括：
通过PECVD设备在衬底的表面生长下包层；
所述在所述下包层背向所述衬底一侧表面设置波导芯层包括：
通过PECVD设备在所述下包层背向所述衬底一侧表面生长波导芯层；
所述在所述波导芯层背向所述衬底一侧表面设置覆盖所述光栅的上包层包括：
通过PECVD设备在所述波导芯层背向所述衬底一侧表面生长覆盖所述光栅的上包层。
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