CN111458794A - 一种垂直耦合光波导器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种垂直耦合光波导器件，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层；波导层包括朝向衬底一侧表面的第一光栅，以及背向衬底一侧表面的第二光栅，第一光栅的结构与第二光栅的结构相同，第一光栅沿光线传播方向与第二光栅之间具有一预设间距的错位；错位使第一光栅散射光线与第二光栅散射光线之间具有第一相位差，第一光栅与第二光栅之间的等效厚度使第一光栅散射光线与第二光栅散射光线之间具有第二相位差。上述位错可以使得第一光栅散射光线与第二光栅散射光线相互抵消一部分，从而减少整体朝向或背向衬底传播光线的强度，即增加整体朝向或背向衬底传播光线的单向性，从而增加垂直耦合光波导器件的耦合效率。

Description

一种垂直耦合光波导器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及光波导器件技术领域，特别是涉及一种垂直耦合光波导器件以及一种垂直耦合光波导器件的制备方法。

背景技术

光电子集成芯片在光通信、光互联、光交换、光传感等领域具有非常广阔的应用，随着目前集成技术的进步，光电子集成芯片的市场份额呈现出几何级数的增长趋势。如何将光高效率地导入和导出芯片是目前光电子集成芯片封装方面的一个难题，其中光纤与芯片之间的耦合，自由空间到芯片之间耦合尤为重要。

总体来说，在现阶段耦合方式包括端面耦合和垂直耦合两种，由于垂直耦合方式容差大，封装容易而被广泛应用。但耦合效率仍然不高，一个主要原因是，垂直耦合主要采用光栅结构，而光栅结构在上下两个方向散射光，向下的散射光进入衬底而损失掉。所以如何提供一种高耦合效率的垂直耦合光波导器件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垂直耦合光波导器件，具有较高的耦合效率；本发明的另一目的在于提供一种垂直耦合光波导器件的制备方法，所制备而成的垂直耦合光波导器件具有较高的耦合效率。

为解决上述技术问题，本发明提供一种垂直耦合光波导器件，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层；所述波导层包括朝向所述衬底一侧表面的第一光栅，以及背向所述衬底一侧表面的第二光栅，所述第一光栅的结构与所述第二光栅的结构相同，所述第一光栅沿光线传播方向与所述第二光栅之间具有一预设间距的错位；所述错位使第一光栅散射光线与第二光栅散射光线之间具有第一相位差，所述第一光栅与所述第二光栅之间的等效厚度使所述第一光栅散射光线与所述第二光栅散射光线之间具有第二相位差，所述第一光栅散射光线为所述第一光栅散射的光线，所述第二光栅散射光线为所述第二光栅散射的光线；所述第一相位差与所述第二相位差之间的和或差中的一取值范围为

至

k为奇数，不包括端点值；另一取值范围为

至

p为偶数，不包括端点值；

位于所述波导层背向所述衬底一侧的上包层，所述上包层覆盖所述第二光栅。

可选的，所述第一光栅中的刻蚀区域沿所述波导层中光线的传播方向分布，所述第二光栅中的刻蚀区域沿所述波导层中光线的传播方向分布；所述刻蚀区域位于所述波导层的两侧边部。

可选的，所述第一光栅中的刻蚀区域沿所述波导层中光线的传播方向分布，所述第二光栅中的刻蚀区域沿所述波导层中光线的传播方向分布；所述刻蚀区域位于所述波导层的中间部。

可选的，所述第一相位差与所述第二相位差之间的和或差中的一取值范围为kπ，k为奇数。

可选的，所述第一相位差与所述第二相位差之间的和或差中的一取值为π。

可选的所述第一相位差与所述第二相位差的和或差中的另一取值范围为pπ，p为偶数。

本发明还提供了一种垂直耦合光波导器件的制备方法，包括：

在衬底表面生长第一包层材料层；

在所述第一包层材料层表面刻蚀出对应第一光栅的凸起，以制成下包层；

在所述下包层表面沉积覆盖所述凸起的波导层，以在所述波导层朝向所述衬底一侧表面形成第一光栅；

在所述波导层背向所述衬底一侧表面刻蚀出第二光栅；所述第一光栅的结构与所述第二光栅的结构相同，所述第一光栅沿光线传播方向与所述第二光栅之间具有一预设间距的错位；所述错位使第一光栅散射光线与第二光栅散射光线之间具有第一相位差，所述第一光栅与所述第二光栅之间的等效厚度使所述第一光栅散射光线与所述第二光栅散射光线之间具有第二相位差，所述第一光栅散射光线为所述第一光栅散射的光线，所述第二光栅散射光线为所述第二光栅散射的光线；所述第一相位差与所述第二相位差之间的和或差中的一取值范围为

至

k为奇数，不包括端点值；另一取值范围为

至

p为偶数，不包括端点值；

在所述波导层表面沉积覆盖所述第二光栅的上包层，以制成所述垂直耦合光波导器件。

可选的，所述在所述波导层背向所述衬底一侧表面刻蚀出第二光栅包括：

在所述波导层背向所述衬底一侧表面刻蚀出第二光栅；所述第一相位差与所述第二相位差之间的和或差中的一取值范围为kπ，k为奇数。

可选的，所述在所述波导层背向所述衬底一侧表面刻蚀出第二光栅包括：

在所述波导层背向所述衬底一侧表面刻蚀出第二光栅；所述第一相位差与所述第二相位差之间的和或差中的一取值为π。

可选的，所述在所述下包层表面沉积覆盖所述凸起的波导层包括：

通过PECVD工艺或LPCVD工艺在所述下包层表面沉积覆盖所述凸起的波导层。

本发明所提供的一种垂直耦合光波导器件，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层；波导层包括朝向衬底一侧表面的第一光栅，以及背向衬底一侧表面的第二光栅，第一光栅的结构与第二光栅的结构相同，第一光栅沿光线传播方向与第二光栅之间具有一预设间距的错位；错位使第一光栅散射光线与第二光栅散射光线之间具有第一相位差，第一光栅与第二光栅之间的等效厚度使第一光栅散射光线与第二光栅散射光线之间具有第二相位差，第一光栅散射光线为第一光栅散射的光线，第二光栅散射光线为第二光栅散射的光线；第一相位差与第二相位差之间的和或差中的一取值范围为

至

k为奇数，不包括端点值；另一取值范围为

至

p为偶数，不包括端点值；位于波导层背向衬底一侧的上包层，上包层覆盖第二光栅。

光线在第一光栅以及第二光栅中传播时，均会向上以及向下发出散射光；其中由第一光栅散射出的光线为第一光栅散射光线，由第二光栅散射出的光线为第二光栅散射光线。但是由于第一光栅与第二光栅之间存在错位，该错位会引起第一光栅散射光线与第二光栅散射光线之间具有第一相位差，而第一光栅与第二光栅之间的等效厚度会引起第一光栅散射光线与第二光栅散射光线之间具有第二相位差，当第一相位差与第二相位差之间的和或差的取值范围为

至

k为奇数，不包括端点值时，会使得朝一侧传播的第一光栅散射光线与第二光栅散射光线相互抵消一部分从而减少该方向传播光线的强度；而当第一相位差与第二相位差之间的和或差的取值范围为

至

p为偶数，不包括端点值时，会使得朝另一侧传播的第一光栅散射光线与第二光栅散射光线相互叠加一部分从而增加该方向传播光线的强度，从而增加波导传输光线的单向性，进而增加垂直耦合光波导器件的耦合效率。

本发明还提供了一种垂直耦合光波导器件的制备方法，所制备而成的垂直耦合光波导器件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为现有技术中垂直耦合光波导器件的光路图；

图2为本发明实施例所提供的一种垂直耦合光波导器件的结构示意图；

图3为图2的原理图；

图4为本发明实施例所提供的一种具体的垂直耦合光波导器件的俯视结构示意图；

图5为图4的斜视立体图；

图6为本发明实施例所提供的另一种具体的垂直耦合光波导器件的俯视结构示意图；

图7为图6的斜视立体图；

图8至图12为本发明实施例所提供的一种垂直耦合光波导器件制备方法的工艺流程图。

图中：1.衬底、2.下包层、21.凸起、3.波导层、31.第一光栅、32.第二光栅、4.上包层。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种垂直耦合光波导器件。请参考图1，图1为现有技术中垂直耦合光波导器件的光路图。参见图1，在现有技术中，沿光栅中光线传播方向，会产生向上传播的散射光以及向下传播的散射光。但是通常情况下，在垂直耦合过程中仅仅会使用到一侧的光线，而使得另一侧传输的散射光被浪费；即仅一侧散射的光线为可用光，而另一侧散射的光线为无用光，从而造成垂直耦合光波导器件的耦合效率不高。

而本发明所提供的一种垂直耦合光波导器件，

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层；波导层包括朝向衬底一侧表面的第一光栅，以及背向衬底一侧表面的第二光栅，第一光栅的结构与第二光栅的结构相同，第一光栅沿光线传播方向与第二光栅之间具有一预设间距的错位；错位使第一光栅散射光线与第二光栅散射光线之间具有第一相位差，第一光栅与第二光栅之间的等效厚度使第一光栅散射光线与第二光栅散射光线之间具有第二相位差，第一光栅散射光线为第一光栅散射的光线，第二光栅散射光线为第二光栅散射的光线；第一相位差与第二相位差之间的和或差中的一取值范围为

至

k为奇数，不包括端点值；另一取值范围为

至

p为偶数，不包括端点值；位于波导层背向衬底一侧的上包层，上包层覆盖第二光栅。

光线在第一光栅以及第二光栅中传播时，均会向上以及向下发出散射光；其中由第一光栅散射出的光线为第一光栅散射光线，由第二光栅散射出的光线为第二光栅散射光线。但是由于第一光栅与第二光栅之间存在错位，该错位会引起第一光栅散射光线与第二光栅散射光线之间具有第一相位差，而第一光栅与第二光栅之间的等效厚度会引起第一光栅散射光线与第二光栅散射光线之间具有第二相位差，当第一相位差与第二相位差之间的和或差的取值范围为

至

k为奇数，不包括端点值时，会使得朝一侧传播的第一光栅散射光线与第二光栅散射光线相互抵消一部分从而减少该方向传播光线的强度；而当第一相位差与第二相位差之间的和或差的取值范围为

至

p为偶数，不包括端点值时，会使得朝另一侧传播的第一光栅散射光线与第二光栅散射光线相互叠加一部分从而增加该方向传播光线的强度，从而增加波导传输光线的单向性，进而增加垂直耦合光波导器件的耦合效率。

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2以及图3，图2为本发明实施例所提供的一种垂直耦合光波导器件的结构示意图；图3为图2的原理图。

参见图2，在本发明实施例中，垂直耦合光波导器件，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1一侧表面的波导层3；所述波导层3包括朝向所述衬底1一侧表面的第一光栅31，以及背向所述衬底1一侧表面的第二光栅32，所述第一光栅31的结构与所述第二光栅32的结构相同，所述第一光栅31沿光线传播方向与所述第二光栅32之间具有一预设间距的错位；所述错位使第一光栅散射光线与第二光栅散射光线之间具有第一相位差，所述第一光栅31与所述第二光栅32之间的等效厚度使所述第一光栅散射光线与所述第二光栅散射光线之间具有第二相位差，所述第一光栅散射光线为所述第一光栅31散射的光线，所述第二光栅散射光线为所述第二光栅32散射的光线；所述第一相位差与所述第二相位差之间的和或差中的一取值范围为

至

k为奇数，不包括端点值；另一取值范围为

至

p为偶数，不包括端点值；位于所述波导层3背向所述衬底1一侧的上包层4，所述上包层4覆盖所述第二光栅32。

上述衬底1用于承载整个垂直耦合光波导器件的各个功能结构，即上述下包层2、波导层3、上包层4等结构均是依次设置在衬底1表面。通常情况下，在本发明实施例中通常会选用硅衬底1作为垂直耦合光波导器件的衬底1。当然，在本发明实施例中也可以选用其他材质的衬底1，有关衬底1的具体材质以及结构可以根据实际情况自行设定，在此不做具体限定。

上述下包层2位于衬底1表面，波导层3位于下包层2背向衬底1一侧表面，上包层4位于波导层3背向衬底1一侧表面，上包层4需要覆盖整个波导层3。即波导层3具体位于下包层2与上包层4之间，上包层4以及下包层2会包覆波导层3从而限制波导层3中光线的传播。具体的，在本发明实施例中上述上包层4以及下包层2通常为二氧化硅层(SiO₂层)，当然在本发明实施例中对于上包层4以及下包层2的具体材质不做具体限定，视具体情况而定。通常情况下，上述上包层4具体会与下包层2相接触，以包覆住波导层3的侧壁。

上述波导层3包括沿厚度方向叠加的第一光栅31以及第二光栅32共两个光栅。其中第一光栅31位于波导层3中朝向衬底1一侧，通常与下包层2直接接触；而第二光栅32位于波导层3中背向衬底1一侧，通常与上包层4直接接触。具体的，上述第一光栅31与第二光栅32的结构需要相同但具有一定的错位，以保证第一光栅31和第二光栅32向外散射的光线可以相互干涉。

在本发明实施例中，第一光栅31中传输的光线会向上，即向背向衬底1一侧散射第一光栅散射光线；以及向下，即向朝向衬底1一侧散射第一光栅散射光线。而第二光栅32中传输的光线同样会向上，即向背向衬底1一侧散射第二光栅散射光线；以及向下，即向朝向衬底1一侧散射第二光栅散射光线。具体的，上述第一光栅31与第二光栅32沿光线传播方向具有一预设间距的错位，该错位使得第一光栅散射光线与第二光栅散射光线之间具有第一相位差。而在波导层3中第一光栅31与第二光栅32之间具有一等效厚度，该等效厚度会使得第一光栅散射光线与第二光栅散射光线之间具有第二相位差。

参见图3，在本发明实施例中，第一相位差与第二相位差之间的和或差中的一取值范围为

至

k为奇数，不包括端点值；另一取值范围为

至

p为偶数，不包括端点值。在本发明实施例中，假设第一光栅31与第二光栅32之间向上或向下传输的光线中，因第一光栅31与第二光栅32之间错位所引起的相位差称为

即上述第一相位差为

假设应第一光栅31与第二光栅32之间等效厚度所引起的相位差称为

即上述第二相位差为

在本发明实施例中，第一相位差与第二相位差之间的和为

而第一相位差与第二相位差之间的差为

即从波导层一侧因散射传输出的光线之间相位差为

另一侧因散射传输出的光线之间相位差为

上述

或

中的一个的取值范围在本发明实施例中需要在

至

k为奇数，不包括端点值，此时可以使波导层一侧传输的第一光栅散射光线与第二光栅散射光线之间相干相消，进而降低甚至避免波导层3中在该方向上传输的光线。

相应的，当上述

或

中的另一个的取值范围在本发明实施例中需要在

至

p为偶数，不包括端点值，此时可以使波导层另一侧传输的第一光栅散射光线与第二光栅散射光线之间相干叠加，进而提升波导层3中在该方向上传输的光线。

作为优选的，在本发明实施例中，可以将所述第一相位差与所述第二相位差之间的和或差中的一取值范围为限定kπ，k为奇数。当第一相位差与第二相位差之间和

或差

为π的奇数倍时，可以使得第一光栅散射光线与第二光栅散射光线在一侧传输时完全相干相消，从而杜绝波导层3在该方向上传输光线，进而可以避免波导层3中在该方向上传输光线的浪费。通常情况下，会将所述第一相位差与所述第二相位差的和或差限定的取值为π，此时不会使得第一光栅31与第二光栅32之间具有过长的错位而影响垂直耦合光波导器件的整体结构长度。

作为优选的，在本发明实施例中，可以将所述第一相位差与所述第二相位差之间的和或差中的另一取值范围为限定pπ，p为偶数。当第一相位差与第二相位差之间和

或差

为零或π的偶数倍时，可以使得第一光栅散射光线与第二光栅散射光线在另一侧传输时最大程度的相干叠加，从而最大程度的增加波导层3在该方向上传输光线的强度。

通常情况下，在本发明实施例中，上述波导层3通常为氮化硅波导层3，即波导层3的材质通常为氮化硅。相应的，上述第一光栅31以及第二光栅32的材质需要均为氮化硅。当然，在本发明实施例中对于波导层3的材质不做具体限定，视具体情况而定。

本发明实施例所提供的一种垂直耦合光波导器件，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1一侧表面的波导层3；波导层3包括朝向衬底1一侧表面的第一光栅31，以及背向衬底1一侧表面的第二光栅32，第一光栅31的结构与第二光栅32的结构相同，第一光栅31沿光线传播方向与第二光栅32之间具有一预设间距的错位；错位使第一光栅散射光线与第二光栅散射光线之间具有第一相位差，第一光栅31与第二光栅32之间的等效厚度使第一光栅散射光线与第二光栅散射光线之间具有第二相位差，第一光栅散射光线为第一光栅31散射的光线，第二光栅散射光线为第二光栅32散射的光线；第一相位差与第二相位差之间的和或差中的一取值范围为

至

k为奇数，不包括端点值；另一取值范围为

至

p为偶数，不包括端点值；位于波导层3背向衬底1一侧的上包层4，上包层4覆盖第二光栅32。

光线在第一光栅31以及第二光栅32中传播时，均会向上以及向下发出散射光；其中由第一光栅31散射出的光线为第一光栅散射光线，由第二光栅32散射出的光线为第二光栅散射光线。但是由于第一光栅31与第二光栅32之间存在错位，该错位会引起第一光栅散射光线与第二光栅散射光线之间具有第一相位差，而第一光栅31与第二光栅32之间的等效厚度会引起第一光栅散射光线与第二光栅散射光线之间具有第二相位差，当第一相位差与第二相位差之间和或差中之一的取值范围为

至

k为奇数，不包括端点值时，会使得第一光栅散射光线与第二光栅散射光线相互抵消一部分从而减少整体向下传播光线的强度；而当第一相位差与第二相位差之间的和或差中另一取值范围为

至

p为偶数，不包括端点值时，会使得朝另一侧传播的第一光栅散射光线与第二光栅散射光线相互叠加一部分从而增加该方向传播光线的强度，从而增加波导传输光线的单向性，进而增加垂直耦合光波导器件的耦合效率。

有关本发明所提供的一种垂直耦合光波导器件的具体结构将在下述发明实施例中进行介绍。

请参考图4，图5，图6以及图7，图4为本发明实施例所提供的一种具体的垂直耦合光波导器件的俯视结构示意图；图5为图4的斜视立体图；图6为本发明实施例所提供的另一种具体的垂直耦合光波导器件的俯视结构示意图；图7为图6的斜视立体图。

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，进一步的对垂直耦合光波导器件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，具体会提供两种垂直耦合光波导器件的具体结构，该两种垂直耦合光波导器件均可以具有较高的耦合效率。

第一种，参见图4以及图5，在本发明实施例中，所述第一光栅31中的刻蚀区域沿所述波导层3中光线的传播方向分布，所述第二光栅32中的刻蚀区域沿所述波导层3中光线的传播方向分布；所述刻蚀区域位于所述波导层3的两侧边部。

在将刻蚀区域设置在波导层3的两侧遍布，可以将第一光栅31以及第二光栅32均设置成类似于鱼骨结构，使得第一光栅31以及第二光栅32具有周期性排列的结构。上述刻蚀区域的形状通常呈矩形，当然在本发明实施例中对于刻蚀区域的具体结构不做具体限定，视具体情况而定。

第二种，参见图6以及图7，在本发明实施例中，所述第一光栅31中的刻蚀区域沿所述波导层3中光线的传播方向分布，所述第二光栅32中的刻蚀区域沿所述波导层3中光线的传播方向分布；所述刻蚀区域位于所述波导层3的中间部。

在将刻蚀区域设置在波导层3的中间部并沿光线传播方向设置，即将该刻蚀区域沿波导层3的中轴线设置，该刻蚀区域会分别设置在波导层3朝向衬底1一侧表面，以及设置在波导层3背向衬底1一侧表面。在沿波导层3中轴线设置刻蚀区域，可以形成类似于珍珠链结构，使得第一光栅31以及第二光栅32具有周期性排列的结构。上述刻蚀区域的形状通常呈矩形，当然在本发明实施例中对于刻蚀区域的具体结构不做具体限定，视具体情况而定。

在本发明实施例中，通过对第一光栅31以及第二光栅32周期结构的调整，很容易实现对出射光场分布的控制，例如形成均与均与分布的出射光场、高斯分布的出射光场等均可，可以视具体情况而定，在本发明实施例中不做具体限定。

本发明实施例具体提供了两种垂直耦合光波导器件的具体结构，均可以实现减少甚至于消除波导向衬底1一侧传输的光线，从而降低光线损耗，提高垂直耦合光波导器件的耦合效率。

下面对本发明所提供的一种垂直耦合光波导器件的制备方法进行介绍，下文描述的制备方法与上述描述的垂直耦合光波导器件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垂直耦合光波导器件制备方法的工艺流程图。

参见图8，在本发明实施例中，垂直耦合光波导器件的制备方法可以包括：

S101：在衬底表面生长第一包层材料层。

在本步骤中，会首先在衬底1表面生长第一包层材料层，以便在后续步骤中将该第一包层材料层刻蚀成下包层2。有关衬底1以及第一包层材料层的具体材质已在上述发明实施例中做详细介绍，在此不再进行赘述。有关外延生长工艺的具体内容可以参考现有技术，在此不再进行赘述。在本步骤中，通常会先在衬底1表面生长一层厚度为5μm左右的下包层2。

S102：在第一包层材料层表面刻蚀出对应第一光栅的凸起，以制成下包层。

参见图9，在本步骤中，会对第一包层材料层进行区域刻蚀，在第一包层材料层表面刻蚀出对应第一光栅31的凸起21，以便在后续步骤中设置覆盖该凸起21的波导层3时，可以直接在波导层3朝向衬底1一侧表面形成第一光栅31。上述凸起21的结构需要第一波导层3的周期性结构相对应，例如若第一光栅31呈鱼骨结构，则上述光栅的排列通常呈反鱼骨结构。有关凸起21的具体内容可以根据实际情况自行设定。在本步骤中，上述凸起21的高度通常在70nm左右，即在本步骤中通常会对第一包层材料层刻蚀深度为70nm左右的凹槽，同时形成高度为70nm左右的凸起21，以刻蚀出下包层2。

S103：在下包层表面沉积覆盖凸起的波导层，以在波导层朝向衬底一侧表面形成第一光栅。

参见图10，在本步骤中，会在下包层2表面沉积一层波导层3。有关波导层3的具体材质已在上述发明实施例中做详细介绍，在此不再进行赘述。在沉积波导层3时，由于波导层3会覆盖下包层2表面形成的凸起21，该凸起21会使波导层3朝向衬底1一侧表面形成预设的周期排列结构，从而在波导层3朝向衬底1一侧表面形成第一光栅31。有关第一光栅31的具体结构以在上述发明实施例中做详细介绍，在此不再进行赘述。

具体的，本步骤可以具体为：通过PECVD工艺或LPCVD工艺在所述下包层2表面沉积覆盖所述凸起21的波导层3。PECVD工艺即等离子体增强化学的气相沉积工艺，LPCVD工艺即低压力化学气相沉积工艺。通过PECVD工艺或LPCVD工艺保证波导层3的成品质量，进而保证垂直耦合光波导器件具有稳定的性能。

S104：在波导层背向衬底一侧表面刻蚀出第二光栅。

参见图11，在本发明实施例中，所述第一光栅31的结构与所述第二光栅32的结构相同，所述第一光栅31沿光线传播方向与所述第二光栅32之间具有一预设间距的错位；所述错位使第一光栅散射光线与第二光栅散射光线之间具有第一相位差，所述第一光栅31与所述第二光栅32之间的等效厚度使所述第一光栅散射光线与所述第二光栅散射光线之间具有第二相位差，所述第一光栅散射光线为所述第一光栅31散射的光线，所述第二光栅散射光线为所述第二光栅32散射的光线；所述第一相位差与所述第二相位差之间的和或差中的一取值范围为

至

k为奇数，不包括端点值；另一取值范围为

至

p为偶数，不包括端点值。有关第一光栅31、第二光栅32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。

在本步骤之前，首先需要对波导层3背向衬底1一侧表面进行抛光，通常是使用化学机械抛光方法将波导层3背向衬底1一侧表面抛平。因为在S103沉积波导层3时，具体会覆盖下包层2表面凸起21，而该凸起21不仅仅会形成第一光栅31，还会引起波导层3背向衬底1一侧表面的不平整。为了便于第二光栅32的刻蚀，在本步骤之前通常需要将波导层3表面抛平。在抛光过程中，波导层3的剩余厚度通常在340nm左右。

在本步骤中，需要在波导层3表面刻蚀出与上述第一光栅31结构相对应的第二光栅32。有关刻蚀波导层3的具体工艺可以参考现有技术，在此不再进行赘述。具体的，本步骤可以为：在所述波导层3背向所述衬底1一侧表面刻蚀出第二光栅32；所述第一相位差与所述第二相位差之间的和或差中的一取值范围为kπ，k为奇数。将第一光栅31以及第二光栅32中向一侧传播光线之间相位差的代数和限定在kπ，k为奇数时，可以使第一光栅31以及第二光栅32中向一侧传播光线完全相干相消，从而使得波导层3向该侧完全不传输光线。作为优选的，在本步骤可以具体为：在所述波导层3背向所述衬底1一侧表面刻蚀出第二光栅32；所述第一相位差与所述第二相位差之间的和或差中的一取值为π。将第一光栅31以及第二光栅32中向一侧传播光线之间相位差的代数和限定为π，可以有效限制第一光栅31与第二光栅32之间错位的长度，不会使得第一光栅31与第二光栅32之间具有过长的错位而影响垂直耦合光波导器件的整体结构长度。

作为优选的，在本步骤可以具体为：在所述波导层3背向所述衬底1一侧表面刻蚀出第二光栅32；所述第一相位差与所述第二相位差之间的和或差中的另一取值为pπ，p为偶数。此时可以使得波导层3向另一侧传输光线尽最大程度的相干叠加，从而最大程度的提高垂直耦合光波导器件的耦合效率。

参见图12，在本步骤之后，通常需要对波导层3进行进一步的刻蚀，以调整波导层3的形貌，例如对波导层3的宽度进行限制，以保证垂直耦合光波导器件中波导正常的功能。

S105：在波导层表面沉积覆盖第二光栅的上包层，以制成垂直耦合光波导器件。

在本步骤中，通常会在波导层3表面沉积覆盖第二光栅32的上包层4，通过上包层4以及下包层2可以包覆住整个波导层3，以限制波导层3中光线的传播。有关上包层4具体的沉积工艺可以参考上述下包层2在衬底1表面沉积的工艺，在此不再进行赘述。

本发明实施例所提供的一种垂直耦合光波导器件的制备方法，所制备而成的垂直耦合光波导器件中，

光线在第一光栅31以及第二光栅32中传播时，均会向上以及向下发出散射光；其中由第一光栅31散射出的光线为第一光栅散射光线，由第二光栅32散射出的光线为第二光栅散射光线。但是由于第一光栅31与第二光栅32之间存在错位，该错位会引起第一光栅散射光线与第二光栅散射光线之间具有第一相位差，而第一光栅31与第二光栅32之间的等效厚度会引起第一光栅散射光线与第二光栅散射光线之间具有第二相位差，当第一相位差与第二相位差之间和或差中之一的取值范围为

至

k为奇数，不包括端点值时，会使得第一光栅散射光线与第二光栅散射光线相互抵消一部分从而减少整体向下传播光线的强度；而当第一相位差与第二相位差之间的和或差中另一取值范围为

至

p为偶数，不包括端点值时，会使得朝另一侧传播的第一光栅散射光线与第二光栅散射光线相互叠加一部分从而增加该方向传播光线的强度，从而增加波导传输光线的单向性，进而增加垂直耦合光波导器件的耦合效率。

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垂直耦合光波导器件以及一种垂直耦合光波导器件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 (10)

1.一种垂直耦合光波导器件，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层；所述波导层包括朝向所述衬底一侧表面的第一光栅，以及背向所述衬底一侧表面的第二光栅，所述第一光栅的结构与所述第二光栅的结构相同，所述第一光栅沿光线传播方向与所述第二光栅之间具有一预设间距的错位；所述错位使第一光栅散射光线与第二光栅散射光线之间具有第一相位差，所述第一光栅与所述第二光栅之间的等效厚度使所述第一光栅散射光线与所述第二光栅散射光线之间具有第二相位差，所述第一光栅散射光线为所述第一光栅散射的光线，所述第二光栅散射光线为所述第二光栅散射的光线；所述第一相位差与所述第二相位差之间的和或差中的一取值范围为

至

k为奇数，不包括端点值；另一取值范围为

至

p为偶数，不包括端点值；

位于所述波导层背向所述衬底一侧的上包层，所述上包层覆盖所述第二光栅。

2.根据权利要求1所述的垂直耦合光波导器件，其特征在于，所述第一光栅中的刻蚀区域沿所述波导层中光线的传播方向分布，所述第二光栅中的刻蚀区域沿所述波导层中光线的传播方向分布；所述刻蚀区域位于所述波导层的两侧边部。

3.根据权利要求1所述的垂直耦合光波导器件，其特征在于，所述第一光栅中的刻蚀区域沿所述波导层中光线的传播方向分布，所述第二光栅中的刻蚀区域沿所述波导层中光线的传播方向分布；所述刻蚀区域位于所述波导层的中间部。

4.根据权利要求1至3任一项权利要求所述的垂直耦合光波导器件，其特征在于，所述第一相位差与所述第二相位差之间的和或差中的一取值范围为kπ，k为奇数。

5.根据权利要求4所述的垂直耦合光波导器件，其特征在于，所述第一相位差与所述第二相位差之间的和或差中的一取值为π。

6.根据权利要求4所述的垂直耦合光波导器件，其特征在于，所述第一相位差与所述第二相位差的和或差中的另一取值范围为pπ，p为偶数。

7.一种垂直耦合光波导器件的制备方法，其特征在于，包括：

在衬底表面生长第一包层材料层；

在所述第一包层材料层表面刻蚀出对应第一光栅的凸起，以制成下包层；

在所述下包层表面沉积覆盖所述凸起的波导层，以在所述波导层朝向所述衬底一侧表面形成第一光栅；

在所述波导层背向所述衬底一侧表面刻蚀出第二光栅；所述第一光栅的结构与所述第二光栅的结构相同，所述第一光栅沿光线传播方向与所述第二光栅之间具有一预设间距的错位；所述错位使第一光栅散射光线与第二光栅散射光线之间具有第一相位差，所述第一光栅与所述第二光栅之间的等效厚度使所述第一光栅散射光线与所述第二光栅散射光线之间具有第二相位差，所述第一光栅散射光线为所述第一光栅散射的光线，所述第二光栅散射光线为所述第二光栅散射的光线；所述第一相位差与所述第二相位差之间的和或差中的一取值范围为

至

k为奇数，不包括端点值；另一取值范围为

至

p为偶数，不包括端点值；

在所述波导层表面沉积覆盖所述第二光栅的上包层，以制成所述垂直耦合光波导器件。

8.根据权利要求7所述方法，其特征在于，所述在所述波导层背向所述衬底一侧表面刻蚀出第二光栅包括：

在所述波导层背向所述衬底一侧表面刻蚀出第二光栅；所述第一相位差与所述第二相位差之间的和或差中的一取值范围为kπ，k为奇数。

9.根据权利要求8所述方法，其特征在于，所述在所述波导层背向所述衬底一侧表面刻蚀出第二光栅包括：

在所述波导层背向所述衬底一侧表面刻蚀出第二光栅；所述第一相位差与所述第二相位差之间的和或差中的一取值为π。

10.根据权利要求7所述方法，其特征在于，所述在所述下包层表面沉积覆盖所述凸起的波导层包括：

通过PECVD工艺或LPCVD工艺在所述下包层表面沉积覆盖所述凸起的波导层。

Images