CN113866875B - 一种带有损耗补偿功能的光栅层间耦合器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种带有损耗补偿功能的光栅层间耦合器及其制备方法，属于层间耦合器技术领域。由硅衬底、第一SiO2埋氧层、第一金属反射镜、第二SiO2埋氧层、硅层、SiO2隔离层、第一聚合物包层、铒镱共掺聚合物层、第二聚合物包层和第二金属反射镜构成；硅层由第一硅波导、硅光栅、第二硅波导组成；铒镱共掺聚合物层由铒镱共掺聚合物波导、铒镱共掺聚合物光栅和铒镱共掺聚合物光波导放大器组成；硅光栅及铒镱共掺聚合物光栅的单个光栅单元类似“台阶”结构。该器件分别将硅基光栅耦合器和聚合物光栅耦合器分别置于两层，实现了硅基、聚合物光子回路的三维混合集成，实现了结构紧凑、高效的光栅层间耦合，在三维光子集成领域具有很强的应用潜力。

Description

一种带有损耗补偿功能的光栅层间耦合器及其制备方法
技术领域
本发明属于层间耦合器技术领域，具体涉及一种带有损耗补偿功能的光栅层间耦合器及其制备方法。
背景技术
二十一世纪以来，伴随着信息技术的发展，数据中心、高性能计算机的通信容量也迅速增加，这对传统集成电路的带宽、功耗等性能提出了挑战。随着器件尺寸的减小，用来传输电信号的金属导线也就越来越密集，电互联的功耗、延时、漏电流等问题越来越严重，这些将严重限制通信容量。为了进一步突破电互联的瓶颈，人们尝试用光互连取代电互联实现更大容量的传输。其中，硅基光子集成回路(Photonics integrated circuits,PICs)，凭借其与传统互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)工艺兼容，可以实现低成本、大规模的制造，同时采用光作为传输媒介，能够实现大带宽、低功耗、低延迟的光子互联，在数据中心、高性能计算机等领域具有巨大的应用潜力。
另一方面，光在传输过程中，不可避免的会产生插入损耗、散射损耗、弯曲损耗等，而光放大器凭借其避免了光-电-光转换可以直接对光信号进行放大的优势逐渐成为人们研究的热点。以聚合物材料为基质的铒镱共掺光波导放大器，基于铒离子的受激辐射原理，能够实现在1550nm波长区域的低噪声、高增益的放大。聚合物光子放大器并凭借其结构紧凑、易于制作、制作成本低等易于实现与硅基光子集成光路的混合集成。
目前，由于集成规模逐渐增大，单位面积上的器件个数逐渐增多，传统的二维平面集成受到了限制，为了进一步提高集成光路的集成度，三维光子集成应运而生。三维光子集成回路(Three dimensional photonics integrated circuits,3D-PICs)，可以通过在不同的层中设置不同的功能光子器件，在有限的晶圆尺寸下实现高密度、多功能的集成，从而实现传统PICs无法实现的功能。在3D-PICs当中，最为关键的器件就是层间耦合器，然而大部分的层间耦合器都存在损耗过大的缺点，能够实现90％以上的耦合效率的层间耦合器屈指可数。
发明内容
本发明提出的一种带有损耗补偿功能的光栅层间耦合器及其制备方法。该器件分别将硅基光栅耦合器和聚合物光栅耦合器分别置于两层，基于光栅的衍射原理，可以实现高效的层间耦合。同时聚合物光栅耦合器采用具有光放大功能的铒镱共掺聚合物材料制备，补偿光传输路径中产生的损耗；该器件实现了硅基、聚合物光子回路的三维混合集成，实现了结构紧凑、高效的光栅层间耦合，在三维光子集成领域具有很强的应用潜力。
本发明所述的一种带有损耗补偿功能的光栅层间耦合器，其器件部分结构示意图如图1所示，图2为该器件图1所示A-A’方向上的截面示意图，所述的光栅层间光栅耦合器，从下至上，依次由硅衬底1、第一SiO2埋氧层2、第一金属反射镜3、第二SiO2埋氧层4、硅层5、SiO2隔离层6、第一聚合物包层7、铒镱共掺聚合物层8、第二聚合物包层9和第二金属反射镜10构成；其中，如附图3所示，铒镱共掺聚合物层8由铒镱共掺聚合物波导a2、铒镱共掺聚合物光栅b2和铒镱共掺聚合物光波导放大器c2三部分组成；硅层5由第一硅波导a1、硅光栅b1、第二硅波导c1三部分组成；硅光栅b1及铒镱共掺聚合物光栅b2的单个光栅单元如附图3中虚线框所示，类似“台阶”结构；H即为铒镱共掺聚合物层8或硅层5的厚度，W为硅层5和铒镱共掺聚合物层8刻蚀后的宽度，其他层宽度均大于W，E为刻蚀深度，L为未刻蚀区长度，λ为光栅周期，占空比F＝L/λ；硅光栅b1单个光栅单元的厚度H为220～340nm，刻蚀深度E为70～150nm，周期λ为590～670nm，宽度W为5～10μm，未刻蚀区长度L为236～402nm，占空比F为40～60％；铒镱共掺聚合物光栅b2单个光栅单元的厚度H为0.5～1μm，周期λ为1150～1350nm，刻蚀深度E为0.2～0.6μm，宽度W为5～10μm，未刻蚀区长度L为460～810nm，占空比F为40～60％。
第一SiO2埋氧层2和第二SiO2埋氧层4的厚度分别为1～3μm和0.5～1μm；
第一金属反射镜3和第二金属反射镜10的材料为金、铝、银等高反射率金属中的一种，厚度为50～100nm，用来提高光栅层间耦合器的耦合效率；
SiO2隔离层6作为硅光栅上包层的同时也是聚合物光栅的衬底，厚度为1～2μm；
第一聚合物包层7和第二聚合物包层9的材料相同，为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯(PE)、聚酯(PET)、聚苯乙烯(PS)、EpoClad、CYTOP等聚合物材料，厚度为1～5μm；
铒镱共掺聚合物层8带有损耗补偿功能，材料为掺杂NaYF4:Yb3+、Er3+纳米晶的SU-82000.5、SU-8 2002、SU-8 2005、EpoCore等聚合物芯层材料。铒镱共掺光波导放大器的工作原理是基于Er3+的受激辐射和Er3+、Yb3+能级间能量传递来实现信号光的放大。Yb3+具有典型的二能级结构，对980nm泵浦光的吸收截面较大，通常作为敏化剂掺杂在含有Er3+的材料体系中，在980nm泵浦光激发下，Yb3+吸收泵浦光能量跃迁至2F5/2能级并通过交叉弛豫过程将泵浦能量传递给Er3+，处于基态的Er3+发生受激吸收跃迁至激发态能级4I11/2，但激发态能级的寿命较短，很快以非辐射跃迁的方式跃迁至亚稳态能级4I13/2，亚稳态较稳定能级寿命相对较高，会在亚稳态能级停留较长时间。Er3+的基态能级4I15/2和亚稳态能级4I13/2会发生粒子数反转，在信号光的作用下，由亚稳态能级向基态能级受激辐射跃迁，产生与信号光的频率、相位相同的光，从而实现了对信号光的放大，Er3+、Yb3+能级结构如附图4所示。光放大器的泵浦方式可根据泵浦光传播的方向分为同向泵浦和反向泵浦，即泵浦光与信号光传播方向相同为同向泵浦，泵浦光与信号光传播方向相反为反向泵浦。附图5为信号光和泵浦光在所述带有损耗补偿功能的光栅层间耦合器中传输路径示意图。根据光栅布拉格条件，光栅会改变光的传输方向，将水平方向传输的光变为垂直方向传输，将垂直方向传输的光变为水平方向传输。根据此原理信号光首先沿硅层5从左向右传播，当传播到硅光栅b1时改变传播方向为向上传播，随后传播到铒镱共掺聚合物光栅b2改变传播方向为水平传播，随后在铒镱共掺聚合物光波导放大器c2中传播。在铒镱共掺聚合物光波导放大器c2右侧输入的反向泵浦光向左侧传输，对从硅层5耦合到聚合物光栅层8的信号光在铒镱共掺聚合物光波导放大器c2中进行放大，被放大后的信号光随后向沿铒镱共掺聚合物光波导放大器c2右传输至输出端；硅基光子回路通过所述光栅层间耦合器可以实现模斑的尺寸转换，可以实现高效的封装测试。
本发明所述的带有损耗补偿功能的光栅层间耦合器具体制备方法步骤如下：
(1)选用在硅表面生长有1～3μm厚SiO2的晶圆分别作为硅衬底1和第一SiO2埋氧层2，晶圆直径为2～8英寸，在第一SiO2埋氧层2上蒸镀50～100nm厚的金属薄膜作为第一金属反射镜3，蒸镀系统真空度为6×10-4Pa以下，蒸镀速度为
(2)在第一金属反射镜3上利用等离子体增强化学气相沉积(Plasma-EnhancedChemical Vapor Deposition，PECVD)方法沉积一层0.5～1μm厚的SiO2作为第二SiO2埋氧层4，其中PECVD设备的腔室气压为1500～2000mTorr，衬底温度为300～350℃，射频功率为100～200W，硅烷流量为15～30sccm，一氧化氮流量为1800～2000ccm，沉积速率为150～220nm/min；
(3)在第二SiO2埋氧层4上利用等离子体增强化学气相沉积(Plasma-EnhancedChemical Vapor Deposition，PECVD)方法沉积一层220～340nm厚的硅层5，其中PECVD设备的腔室气压为1500～2000mTorr，衬底温度为200～300℃，射频功率为100～200W，硅烷流量为15～30sccm，沉积速率为150～220nm/min；然后再采用化学机械抛光(ChemicalMechanical Polishing，CMP)的方法对沉积的硅层5进行平坦化处理；
(4)深刻蚀：在硅层5表面旋涂Micro Chem公司的SU-8 2005负性光刻胶，然后在加热板上进行60～90℃、20～30分钟的前烘并降温固化；再在紫外光刻机下进行掩模曝光，掩模版的结构为第一硅波导a1、硅光栅b1及第二硅波导c1构成的硅光栅耦合器的轮廓，掩模版为负版，其中紫外光波长为365nm，光功率为20～25mW/cm2；将光刻后的基片置于热板上进行65～95℃、20～30分钟的后烘处理，冷却至室温后放入PGMEA(Propylene glycolmonomethyl ether acetate)显影液中显影，未曝光的光刻胶被去掉；待显影完全后放入异丙醇溶液中洗去余胶，最后用去离子水清洗去除试剂；将显影完成的基片放入烘箱中125～150℃坚膜处理，从而在硅层5上得到宽度为W的光刻胶掩模版；最后再通过电感耦合等离子体刻蚀(Inductive Coupled Plasma Emission Spectrometer，ICP)在硅层5上制备得到宽度W为5～10μm的硅光栅耦合器轮廓，即在光刻胶掩模版的掩模下，将未被光刻胶遮挡的除硅光栅耦合器轮廓区域外的硅层5全部刻蚀掉，漏出下面的第二SiO2埋氧层4；采用SF6为刻蚀气体，C4F8为钝化气体；最终用有机溶剂去除光刻胶掩模版；
(5)浅刻蚀：在硅光栅耦合器轮廓表面旋涂Micro Chem公司的SU-8 2005负性光刻胶，然后在加热板上进行60～90℃、20～30分钟的前烘并降温固化；再在紫外光刻机下进行掩模曝光，掩模版为硅光栅b1周期中的凹槽结构，掩模版为负版，其中紫外光波长为365nm，光功率为20～25mW/cm2；将光刻后的基片置于热板上进行65～95℃、20～30分钟的后烘处理，冷却至室温后放入PGMEA(Propylene glycol monomethyl ether acetate)显影液中显影，未曝光的光刻胶被去掉；待显影完全后放入异丙醇溶液中洗去余胶，最后用去离子水清洗去除试剂；将显影完成的基片放入烘箱中125～150℃坚膜处理，在硅光栅耦合器轮廓的中间位置得到与需要制备的硅光栅b1结构相同的光刻胶掩模版；最终再通过ICP刻蚀得到周期λ为590～670nm、光栅单元数为8～12、刻蚀深度E为70～150nm的凹槽结构的硅光栅b1；采用SF6为刻蚀气体，C4F8为钝化气体；最终用有机溶剂去除光刻胶掩模版；
(6)在经过步骤(5)刻蚀的硅层5上通过PECVD制备1～2μm厚的SiO2隔离层6，SiO2隔离层6覆盖硅层5并填充满光栅凹槽；PECVD设备的腔室气压为1500～2000mTorr，衬底温度为300～350℃，射频功率为100～200W，SiH4气体流量15～30sccm，NO气体流量为1800～2000ccm，沉积速率为150～220nm/min；采用CMP工艺对沉积的SiO2进行平坦化处理；
(7)在SiO2隔离层6上旋涂1～5μm厚的聚合物材料作为第一聚合物包层7；
(8)使用全自动纳米合成仪(ANS02)采用高温热分解法制备得到1～2mmol的NaYF4：Yb、Er纳米晶(《全自动纳米材料合成仪的研制》，宋维业，吉林大学，2016年博士学位论文，掺杂摩尔百分比Er为2％，Yb为18％)，将NaYF4：Yb、Er纳米晶溶于1～2mL甲苯；然后将NaYF4：Yb、Er的甲苯溶液与SU-8 2000.5、SU-8 2002、SU-8 2005或EpoCore以1：4的质量比混合并超声震荡，得到铒镱共掺聚合物光栅层8材料；
(9)在第一聚合物包层7上旋涂0.5～1μm厚的铒镱共掺聚合物光栅层8材料，然后置于加热板上进行60～90℃、20～30分钟的前烘处理并降温固化；再在紫外光刻机下进行掩模曝光，掩模版的结构为铒镱共掺聚合物波导a2、铒镱共掺聚合物光栅b2及铒镱共掺聚合物光波导放大器c2构成的聚合物光栅耦合器的轮廓，掩模版为负版；其中紫外光波长为365nm，光功率为20～25mW/cm2；将光刻后的基片置于热板上进行65～95℃、20～30分钟的后烘处理，冷却至室温后放入铒镱共掺聚合物光栅层材料对应的显影液中显影，未曝光的光刻胶被去掉；待显影完全后放入有机溶剂中洗去余胶，最后用去离子水清洗去除试剂，得到宽度W为5～10μm的聚合物光栅耦合器轮廓，与硅光栅轮廓的宽度相同；由于光栅衍射存在衍射角，为了实现更高的耦合效率，聚合物光栅与硅光栅在沿着光传播方向上存在相对位移d，d为1～2μm，如附图5所示；
(10)在铒镱共掺聚合物光栅层8上真空蒸镀一层厚度为2～5μm的铝金属膜，在铝膜上旋涂4～5μm的BP212正性光刻胶，将基片置于加热板上进行60～90℃、20～30分钟的前烘处理并降温固化；在紫外光刻机下掩模曝光，掩模版为铒镱共掺聚合物光栅b2周期中的凹槽结构，掩模版为正版，其中紫外光波长为365nm，光功率为20～25mW/cm2；将光刻后的基片置于热板上进行65～95℃、20～30分钟的后烘处理；在0.5～1wt％的氢氧化钠溶液中显影，去除被曝光部分的光刻胶和铝膜，得到用于ICP刻蚀的光栅铝掩模版；通过ICP刻蚀在聚合物层上制备得到带有增益介质的聚合物光栅耦合器，采用SF6为刻蚀气体，C4F8为钝化气体；用乙醇去除余胶，并用氢氧化钠溶液去除铝掩模版；得到刻蚀深度0.2～0.6μm、周期1150～1350nm、光栅单元数为10～15的凹槽结构的铒镱共掺聚合物光栅层8；
(11)在铒镱共掺聚合物光栅层8上方旋涂1～2μm聚合物包层材料作为第二聚合物包层9；
(12)在第二聚合物包层9上真空蒸镀50～100nm厚的金属薄膜作为第二金属反射镜10，蒸镀系统真空度为6×10-4Pa以下，蒸镀速度为从而制备得到带有损耗补偿功能的光栅层间耦合器。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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地介绍，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带有损耗补偿功能的光栅层间耦合器三维结构示意图；
图2带有损耗补偿功能的光栅层间耦合器截面沿A-A’平面的截面图；
图3带有损耗补偿功能的光栅层间耦合器中硅层、铒镱共掺聚合物层示意图及硅光栅、铒镱共掺聚合物光栅单元结构示意图，H为层厚度，W为宽度，E为刻蚀深度，L为未刻蚀区长度，λ为周期，占空比F＝L/λ；
图4Er3+、Yb3+能级结构及光波导放大器工作原理示意图，Yb3+具有典型的二能级结构，对980nm泵浦光的吸收截面较大，通常作为敏化剂掺杂在含有Er3+的材料体系中，在980nm泵浦光激发下，Yb3+吸收泵浦光能量跃迁至2F5/2能级并通过交叉弛豫过程将泵浦能量传递给Er3+，处于基态的Er3+发生受激吸收跃迁至激发态能级4I11/2，但激发态能级的寿命较短，很快以非辐射跃迁的方式跃迁至亚稳态能级4I13/2，亚稳态较稳定能级寿命相对较高，会在亚稳态能级停留较长时间。Er3+的基态能级4I15/2和亚稳态能级4I13/2会发生粒子数反转，在信号光的作用下，由亚稳态能级向基态能级受激辐射跃迁，产生与信号光的频率、相位相同的光，从而实现了对信号光的放大；
图5带有损耗补偿功能的光栅层间耦合器中信号光与泵浦光传输路径示意图，原理信号光首先沿硅层5从左向右传播，当传播到硅光栅b1时改变传播方向为向上传播，随后传播到铒镱共掺聚合物光栅b2改变传播方向为水平传播，随后在铒镱共掺聚合物光波导放大器c2中传播，在铒镱共掺聚合物光波导放大器c2右侧输入的反向泵浦光向左侧传输，对从硅层5耦合到聚合物光栅层8的信号光在铒镱共掺聚合物光波导放大器c2中进行放大，被放大后的信号光随后向沿铒镱共掺聚合物光波导放大器c2右传输至输出端；
图6光栅层间耦合器的层间耦合效率曲线，曲线由Lumerical FDTD软件根据有限差分时域法计算得到，所提出的结构在1545.54nm波长处的耦合效率为55.56％(损耗为2.55dB)实现了层间耦合功能；
图7通过Matlab仿真计算得到在980nm泵浦光的激发下聚合物光波导放大器对-2.55dB(@1545.54nm)信号光的增益曲线，获得1dB/mm的放大效果，实现对信号光的放大功能；
图8由Lumerical FDTD软件根据有限差分时域法计算得到的带有损耗补偿功能的光栅层间耦合器耦合区光场分布示意图，光从下层波导输入在经过耦合区后在上层波导中传输，实现了耦合功能。
具体实施方式
本发明所述的一种带有损耗补偿功能的光栅层间耦合器，结构示意图如附图1所示，附图2为该器件A-A’方向上的截面示意图，下层为硅光栅，采用220nm厚度的硅层，上层为聚合物光栅，采用0.8μm的SU-8层、1μm的CYTOP下包层和1.7μm的CYTOP上包层。下层硅基光栅和上层聚合物光栅分别位于上下两个波导层中。顶层光栅与反向泵浦光波导放大器集成，底层光栅与底层波导连接。本发明还包括两个金反射镜：两个金反射镜分别位于埋氧层中和CYTOP光栅上方，两反射镜之间的距离为3μm使光栅衍射的光在两反射镜之间谐振，提高了光栅的方向性和耦合效率。
具体实施步骤如下所示：
(1)在这里我们选择2英寸直径、SiO2厚度为3μm的晶圆进行制备。在晶圆上真空蒸镀50nm厚的金属薄膜作为第一金属反射镜3，本实施例中选用金作为金属反射镜材料，具体方法为：将上述基片放入真空蒸镀系统中，将金粉铺满坩埚底部；开启机械泵将系统真空度抽至10Pa以下；开启分子泵将系统真空度抽至6×10-4Pa以下；打开蒸镀系统挡板和膜厚仪，蒸镀金粉，设置蒸镀速率为蒸镀厚度为50nm；蒸镀完成后等待系统降温后冲入氮气取出基片；
(2)在第一金属反射镜3上通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)1μm的SiO2作为第二SiO2埋氧层4，其中PECVD设备的腔室气压为1500mTorr，衬底温度为350℃，射频功率为180W，硅烷气体流量15sccm，一氧化氮气体流量为1800sccm，沉积速率为180nm/min；随后采用化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)的方法对沉积的SiO2进行平坦化处理并减薄至0.6μm；
(3)在第二SiO2埋氧层4上通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)制备一层300nm厚的硅层5，其中PECVD设备的腔室气压为1500mTorr，衬底温度为250℃，射频功率为180W，硅烷气体流量15sccm，沉积速率为150nm/min；随后采用化学机械抛光的方法对沉积的Si进行平坦化处理并减薄至220nm；
(4)在硅层表面旋涂Micro Chem公司的SU-8 2005在硅层5表面旋涂Micro Chem公司的SU-8 2005负性光刻胶，并采用湿法刻蚀工艺制备SU-8掩模板。将基片置于加热板上进行60℃(10分钟)、90℃(20分钟)的前烘处理并降温固化；再在紫外光刻机下进行掩模曝光，掩模版的结构为第一硅波导a1、硅光栅b1及第二硅波导c1的轮廓，掩模版为负版，其中紫外光波长为365nm，光功率为23mW/cm2；将光刻后的基片置于热板上进行65℃(10分钟)、95℃(20分钟)的后烘处理，冷却至室温后放入PGMEA(Propylene glycol monomethyl etheracetate)显影液中显影，待显影完全后放入异丙醇溶液中洗去余胶，最后用去离子水清洗去除试剂；将显影完成的基片放入烘箱中125℃(30分钟)坚膜处理；在硅层5上得到宽度为5μm的光刻胶掩模版；最终再通过电感耦合等离子体刻蚀在硅层5上制备得到宽度为5μm、厚度为220nm的硅光栅耦合器轮廓，即在光刻胶掩模版的掩模下，将未被光刻胶遮挡的除硅光栅耦合器轮廓区域外的硅层5全部刻蚀掉，漏出下面的第二SiO2埋氧层4；采用SF6为刻蚀气体，C4F8为钝化气体；最终用有机溶剂去除光刻胶掩模版；
(5)在硅光栅耦合器轮廓表面旋涂Micro Chem公司的SU-8 2005负性光刻胶，将基片置于加热板上进行60℃(10分钟)、90℃(20分钟)的前烘并降温固化；在紫外光刻机下对光栅刻蚀区进行曝光，其中紫外光波长为365nm，光功率为23mW/cm2；将光刻后的基片置于热板上进行95℃(30分钟)的后烘处理，冷却至室温后放入PGMEA显影液中显影，未曝光的光刻胶被去掉；待显影完全后放入异丙醇溶液中洗去余胶，最后用去离子水清洗去除试剂；将显影完成的基片放入烘箱中150℃坚膜处理30分钟；最终通过光刻和显影在硅光栅耦合器轮廓的中间位置得到与需要制备的硅光栅b1结构相同的光刻胶掩模版；通过ICP刻蚀在硅层上制备得到硅光栅耦合器，采用SF6为刻蚀气体，C4F8为钝化气体，得到的硅光栅为均匀光栅，刻蚀深度为70nm，周期为616nm，宽度为5μm，占空比为50％，光栅单元数为12；最终用有机溶剂去除光刻胶掩模版；
(6)在经过步骤(5)刻蚀的硅层5上通过PECVD沉积得到1.5μm厚的SiO2隔离层6，SiO2隔离层6覆盖硅层5并填充满光栅凹槽；其中PECVD设备的腔室气压为1500mTorr，衬底温度为350℃，射频功率为180W硅烷气体流量15sccm，一氧化氮气体流量为1800sccm，沉积速率为180nm/min；随后采用CMP工艺对SiO2进行平坦化处理并减薄至1μm；
(7)在SiO2隔离层上旋涂2μm的聚合物材料作为聚合物光栅的下包层，本实施例中选用CYTOP(perfluoro(1-butenyl vinyl ether)polymer)材料作为第一聚合物包层7；
(8)使用全自动纳米合成仪(ANS02)采用高温热分解法制备得到2mmol的NaYF4：Yb、Er纳米晶，将NaYF4：Yb、Er纳米晶溶于2mL甲苯，之后将NaYF4：Yb、Er的甲苯溶液与聚合物波导芯层材料以1：4的质量比混合并超声震荡，本实施例中聚合物波导芯层材料选用SU-8 2000.5负性光刻胶，由此得到铒镱共掺聚合物光栅层8材料；
(9)在第一聚合物包层7上旋涂0.8μm铒镱共掺聚合物光栅层8材料，将基片置于加热板上进行60℃(10分钟)、90℃(20分钟)的前烘处理并降温固化；，再在紫外光刻机下进行掩模曝光，掩模版的结构为铒镱共掺聚合物波导a2、铒镱共掺聚合物光栅b2及铒镱共掺聚合物光波导放大器c2的轮廓，掩模版为负版；其中紫外光波长为365nm，光功率为23mW/cm2；将光刻后的基片置于热板上进行65℃(10分钟)、95℃(20分钟)的后烘处理，冷却至室温后放入PGMEA显影液中显影，未曝光的光刻胶被去掉；待显影完全后放入异丙醇溶液中洗去余胶，最后用去离子水清洗去除试剂；得到宽度为5μm的聚合物光栅轮廓，与硅光栅轮廓的宽度相同；由于光栅衍射存在衍射角，为了实现更高的耦合效率，聚合物光栅与硅光栅在沿着光传播方向上存在相对位移d，长度为1.2μm，如附图5所示；
(10)在铒镱共掺聚合物光栅层8上真空蒸镀一层厚度为2～5μm的铝金属膜，在铝膜上旋涂5μm的BP212正性光刻胶，将基片置于加热板上进行60℃(10分钟)、90℃(20分钟)的前烘处理并降温固化；在紫外光刻机下掩模曝光，掩模版结构为铒镱共掺聚合物光栅b2周期中的凹槽结构，掩模版为正版，其中紫外光波长为365nm，光功率为23mW/cm2；将光刻后的基片置于热板上进行65℃(10分钟)、95℃(20分钟)的后烘处理；使用0.5wt％的氢氧化钠溶液显影，去除被曝光部分的光刻胶和铝，得到用于ICP刻蚀的铝掩模版；通过ICP刻蚀在聚合物层上制备得到带有增益介质的聚合物光栅耦合器和聚合物波导，采用SF6为刻蚀气体，C4F8为钝化气体，得到的聚合物光栅为均匀光栅，光栅周期为1261nm，宽度为5μm，占空比50％，刻蚀深度为70nm，光栅单元数为12；随后用乙醇去除余胶，并用0.5wt％氢氧化钠溶液去除铝掩模版；
(11)在铒镱共掺聚合物光栅层8上旋涂1.7μm聚合物包层材料作为第二聚合物包层9，本实施例中聚合物包层材料为CYTOP；
(12)在CYTOP上包层上真空蒸镀50nm厚的第二金属反射镜10，本实施例中选用金作为金属反射镜材料，具体方法与步骤(1)中方法相同。

Claims (7)

1.一种带有损耗补偿功能的光栅层间耦合器，其特征在于：从下至上，依次由硅衬底（1）、第一SiO2埋氧层（2）、第一金属反射镜（3）、第二SiO2埋氧层（4）、硅层（5）、SiO2隔离层（6）、第一聚合物包层（7）、铒镱共掺聚合物层（8）、第二聚合物包层（9）和第二金属反射镜（10）构成；硅层（5）由第一硅波导（a1）、硅光栅（b1）、第二硅波导（c1）三部分组成；铒镱共掺聚合物层（8）由铒镱共掺聚合物波导（a2）、铒镱共掺聚合物光栅（b2）和铒镱共掺聚合物光波导放大器（c2）三部分组成；硅光栅（b1）及铒镱共掺聚合物光栅（b2）的单个光栅单元类似“台阶”结构，硅层（5）和铒镱共掺聚合物层（8）的宽度小于其余层的宽度；H为铒镱共掺聚合物层（8）或硅层（5）的厚度，W为硅层（5）和铒镱共掺聚合物层（8）刻蚀后的宽度，E为刻蚀深度，L为未刻蚀区长度，λ为光栅周期，占空比F=L/λ；硅光栅（b1）单个光栅单元的厚度H为220~340nm，刻蚀深度E为70~150nm，周期λ为590~670nm，宽度W为5~10μm，未刻蚀区长度L为236~402nm，占空比F为40~60%；铒镱共掺聚合物光栅（b2）单个光栅单元的厚度H为0.5~1μm，周期λ为1150~1350nm，刻蚀深度E为0.2~0.6μm，宽度W为5~10μm，未刻蚀区长度L为460~810nm，占空比F为40~60%；聚合物光栅（b2）与硅光栅（b1）在沿着光传播方向上存在相对位移d，d为1~2μm。
2.如权利要求1所述的一种带有损耗补偿功能的光栅层间耦合器，其特征在于：第一SiO2埋氧层（2）和第二SiO2埋氧层（4）的厚度分别为1~3μm和0.5~1μm。
3.如权利要求1所述的一种带有损耗补偿功能的光栅层间耦合器，其特征在于：第一金属反射镜（3）和第二金属反射镜（10）的材料为金、铝或银中的一种，厚度为50~100nm。
4.如权利要求1所述的一种带有损耗补偿功能的光栅层间耦合器，其特征在于：SiO2隔离层（6）作为硅光栅上包层的同时也是聚合物光栅的衬底，厚度为1~2μm。
5.如权利要求1所述的一种带有损耗补偿功能的光栅层间耦合器，其特征在于：第一聚合物包层（7）和第二聚合物包层（9）的材料相同，为聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚苯乙烯、EpoClad或CYTOP等聚合物材料，厚度为1~5μm。
6.如权利要求1所述的一种带有损耗补偿功能的光栅层间耦合器，其特征在于：铒镱共掺聚合物层（8）带有损耗补偿功能，材料为掺杂NaYF4: Yb3+、Er3+纳米晶的SU-8 2000.5、SU-8 2002、SU-8 2005或EpoCore聚合物芯层材料。
7.权利要求1~6任何一项所述的一种带有损耗补偿功能的光栅层间耦合器的制备方法，其步骤如下：
（1）选用在硅表面生长有SiO2的晶圆分别作为硅衬底（1）和第一SiO2埋氧层（2），在第一SiO2埋氧层（2）上蒸镀金属薄膜作为第一金属反射镜（3）；
（2）在第一金属反射镜3上利用等离子体增强化学气相沉积方法沉积SiO2作为第二SiO2埋氧层（4）；
（3）在第二SiO2埋氧层（4）上利用等离子体增强化学气相沉积方法沉积硅层（5）；然后再采用化学机械抛光的方法对沉积的硅层（5）进行平坦化处理；
（4）深刻蚀：在硅层（5）表面旋涂SU-8 2005负性光刻胶，然后在加热板上进行60~90℃、20~30分钟的前烘并降温固化；再在紫外光刻机下进行掩模曝光，掩模版的结构为第一硅波导（a1）、硅光栅（b1）及第二硅波导（c1）构成的硅光栅耦合器的轮廓，掩模版为负版，其中紫外光波长为365nm，光功率为20~25mW/cm2；将光刻后的基片置于热板上进行65~95℃、20~30分钟的后烘处理，冷却至室温后放入PGMEA显影液中显影，未曝光的光刻胶被去掉；待显影完全后放入异丙醇溶液中洗去余胶，最后用去离子水清洗去除试剂；将显影完成的基片放入烘箱中125~150℃坚膜处理，从而在硅层（5）上得到宽度W的光刻胶掩模版；最后再通过电感耦合等离子体刻蚀在硅层（5）上制备得到宽度W的硅光栅耦合器轮廓；采用SF6为刻蚀气体，C4F8为钝化气体；最终用有机溶剂去除光刻胶掩模版；
（5）浅刻蚀：在硅光栅耦合器轮廓表面旋涂SU-8 2005负性光刻胶，然后在加热板上进行60~90℃、20~30分钟的前烘并降温固化；再在紫外光刻机下进行掩模曝光，掩模版为硅光栅（b1）周期中的凹槽结构，掩模版为负版，其中紫外光波长为365nm，光功率为20~25mW/cm2；将光刻后的基片置于热板上进行65~95℃、20~30分钟的后烘处理，冷却至室温后放入PGMEA显影液中显影，未曝光的光刻胶被去掉；待显影完全后放入异丙醇溶液中洗去余胶，最后用去离子水清洗去除试剂；将显影完成的基片放入烘箱中125~150℃坚膜处理，在硅光栅耦合器轮廓的中间位置得到与需要制备的硅光栅（b1）结构相同的光刻胶掩模版；最终再通过电感耦合等离子体刻蚀得到凹槽结构的硅光栅（b1）；采用SF6为刻蚀气体，C4F8为钝化气体；最终用有机溶剂去除光刻胶掩模版；
（6）在经过步骤（5）刻蚀的硅层（5）上通过等离子体增强化学气相沉积方法制备SiO2隔离层（6），SiO2隔离层（6）覆盖硅层（5）并填充满光栅凹槽；采用化学机械抛光工艺对沉积的SiO2进行平坦化处理；
（7）在SiO2隔离层（6）上旋涂聚合物材料作为第一聚合物包层（7）；
（8）将NaYF4: Yb3+、Er3+纳米晶溶于1~2mL甲苯；然后将NaYF4: Yb3+、Er3+纳米晶的甲苯溶液与SU-8 2000.5、SU-8 2002、SU-8 2005或EpoCore以1：4的质量比混合并超声震荡，得到铒镱共掺聚合物光栅层（8）材料；
（9）在第一聚合物包层（7）上旋涂铒镱共掺聚合物光栅层（8）材料，然后置于加热板上进行60~90℃、20~30分钟的前烘处理并降温固化；再在紫外光刻机下进行掩模曝光，掩模版的结构为铒镱共掺聚合物波导（a2）、铒镱共掺聚合物光栅（b2）及铒镱共掺聚合物光波导放大器（c2）构成的聚合物光栅耦合器的轮廓，掩模版为负版；其中紫外光波长为365nm，光功率为20~25mW/cm2；将光刻后的基片置于热板上进行65~95℃、20~30分钟的后烘处理，冷却至室温后放入铒镱共掺聚合物光栅层材料对应的显影液中显影，未曝光的光刻胶被去掉；待显影完全后放入有机溶剂中洗去余胶，最后用去离子水清洗去除试剂，得到聚合物光栅耦合器轮廓，与硅光栅轮廓的宽度相同；由于光栅衍射存在衍射角，为了实现更高的耦合效率，聚合物光栅与硅光栅在沿着光传播方向上存在相对位移d；
（10）在铒镱共掺聚合物光栅层（8）上真空蒸镀一层厚度为2~5μm的铝金属膜，在铝膜上旋涂4~5μm的BP212正性光刻胶，将基片置于加热板上进行60~90℃、20~30分钟的前烘处理并降温固化；在紫外光刻机下掩模曝光，掩模版为铒镱共掺聚合物光栅（b2）周期中的凹槽结构，掩模版为正版，其中紫外光波长为365nm，光功率为20~25mW/cm2；将光刻后的基片置于热板上进行65~95℃、20~30分钟的后烘处理；在0.5~1wt%的氢氧化钠溶液中显影，去除被曝光部分的光刻胶和铝膜，得到用于电感耦合等离子体刻蚀的光栅铝掩模版；通过电感耦合等离子体刻蚀在聚合物层上制备得到带有增益介质的聚合物光栅耦合器，采用SF6为刻蚀气体，C4F8为钝化气体；用乙醇去除余胶，并用氢氧化钠溶液去除铝掩模版，得到凹槽结构的铒镱共掺聚合物光栅层（8）；
（11）在铒镱共掺聚合物光栅层（8）上方旋涂聚合物包层材料作为第二聚合物包层（9）；
（12）在第二聚合物包层（9）上真空蒸镀金属薄膜作为第二金属反射镜（10），从而制备得到带有损耗补偿功能的光栅层间耦合器。
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