[發明專利]帶有分布布拉格反射鏡的波導光柵耦合器及其制作方法無效

申請號：	201010121744.0	申請日：	2010-03-10
公開（公告）號：	CN101793998A	公開（公告）日：	2010-08-04
發明（設計）人：	朱宇;李智勇;俞育德;余金中	申請（專利權）人：	中國科學院半導體研究所
主分類號：	G02B6/34	分類號：	G02B6/34
代理公司：	中科專利商標代理有限責任公司 11021	代理人：	湯保平
地址：	100083 ***	國省代碼：	北京;11
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摘要：
搜索關鍵詞：	帶有分布布拉格反射波導光柵耦合器及其制作方法
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【說明書】：

技術領域

本發明涉及光子器件技術領域，是一種光柵波導耦合器，該光柵耦合器的結構可有效降低光纖和波導的耦合損耗，易于集成，廣泛應用于光通訊，芯片光互聯以及高速硅基光集成中。

背景技術

20世紀60年代以來，光電子集成(OEIC)獲得了長足的發展。集成電路發展的主流趨勢就是集成系統的小型化。在用于通信波段的眾多波導材料中，SOI材料以其無與倫比的成本優勢、工藝成熟性、與IC工藝兼容等優點，使之成為實現光學集成和電子集成的最有競爭力的材料之一。但是，雖然SOI亞微米波導能夠實現很多緊湊的結構和出色的功能，長期以來卻沒有大規模地應用于實際通信系統。這是因為波導中的模斑尺寸小于1μm，而光纖中的模斑尺寸為8-10μm，二者之間模斑尺寸以及有效折射率的失配將導致輻射模以及背反射的出現，光從光纖進入這種小尺寸的波導經常會帶來很大的損耗。因此在集成光電子學領域，兩者之間的耦合問題是一個長期具有挑戰性的課題。

目前的硅基光波導耦合方法主要包括錐形波導耦合，反向錐形波導耦合，棱鏡耦合，折射率漸變波導耦合等。在光纖和大尺寸波導耦合中廣泛應用的是錐形波導耦合器。然而當波導尺寸降到微米以下，這種耦合器就帶來很大的耦合損耗。而且當這種耦合器和光纖連接時，由于二者的折射率失配，還需要制作一層特殊的抗反射層來降低強烈的背反射。給制作帶來了麻煩。近來，反向錐形耦合器越來越引起人們的注意。然而這種耦合器制作難度很大，而且偏振相關性顯著。

波導光柵作為耦合器與棱鏡耦合器相比具有表面平整、不受折射率限制、體積小等優點。而它作為一種垂直耦合的方法，與普通的側向耦合相比又具有以下優點：(1)不需要劃片與端面拋光，不但減少了工藝步驟，還避免了因為劃片拋光引起的端面損耗；(2)光柵耦合器的耦合區域尺寸與光纖芯徑尺寸相當，都在10μm左右，而現在的波導尺寸多在納米量級，難于和微米量級的光纖對準，因此光柵耦合器在對準容差上有很大的優勢；(3)側向耦合時光只能從劃片拋光一側通過，而光柵耦合器使得在芯片任何地方都可以實現光的輸出與輸入，開辟了一種芯片測試和設計的新方式。然而光柵耦合器也面臨著耦合效率較低的問題，雖然可以通過在光柵底部制作金屬反射鏡等方法來增大耦合效率，但是這些方法工藝復雜，并且不與CMOS工藝兼容?，F研究表明，本發明提出的帶有分布布拉格反射鏡的波導光柵耦合器能極大地提高光柵耦合器的耦合效率，其制作也相對簡單，并且完全與CMOS工藝兼容。

發明內容

本發明的目的在于提供一種能夠實現垂直耦合的高效寬帶耦合器及其制作方法，其可實現了光纖與亞微米波導之間的耦合；可以得到較大的耦合效率，并且具有較大的對準容差。

為達到上述目的，本發明的技術解決方案是：

本發明提供一種帶有分布布拉格反射鏡的波導光柵耦合器，所述耦合器采用絕緣體上的硅材料，包括：

一硅襯底；

一限制層，該限制層制作在硅襯底上；

一頂硅層，該頂硅層制作在限制層上，在該頂硅層的表面制作有衍射光柵，在衍射光柵的一側制作有反射光柵，在衍射光柵的另一側為錐形波導，該錐形波導長度大于80μm，與錐形波導連接處為亞微米波導；

一光纖，該光纖的一端靠近頂硅層上的衍射光柵。

其中所述頂硅層的厚度小于1μm，限制層的厚度大于500nm。

其中所述硅襯底、限制層和頂硅層構成SOI片。

其中所述衍射光柵的面積為80-140μm²，反射光柵的面積為20-40μm²，適用于結構緊湊的光子集成，衍射光柵和反射光柵的刻蝕深度為100-500nm，寬度為10-14μm。

其中所述衍射光柵和反射光柵為亞微米量級的均勻周期光柵，衍射光柵有10-40個周期數，占空比為0.3-0.8，反射光柵的周期為衍射光柵3的周期的一半，占空比為0.5。