[發明專利]一種具有階梯光柵反射鏡的波導耦合器及其制備方法

無效

• 申請號: 201210574567.0
• 申請日: 2012-12-26
• 公開（公告）號: CN103033877A
• 公開（公告）日: 2013-04-10
• 發明（設計）人: 孫小菡;蔣衛鋒;柏寧豐;劉旭;吳晨
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G02B6/122
• 分類號: G02B6/122;G02B6/13;G02B6/136;G02B6/24
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

技術領域

本發明屬于集成光子器件技術領域，具體來說，涉及一種具有階梯光柵反射鏡的波導耦合器及其制備方法。

背景技術

隨著硅基材料在集成光子學領域不斷發展，硅基光子器件得到了廣泛應用。集成光子光路的主流發展趨勢是小型化，光子器件集成化。硅基二氧化硅（硅基二氧化硅：英文全稱：Silica?on?Silicon，文中簡稱：SoS）波導材料折射率與光纖折射率相近，不存在折射率失配問題。目前，基于大尺寸SoS波導無源光器件與光纖之間不存在耦合問題，已經商用，如基于橫截面尺寸為8μm×8μm的SoS波導光分路器。但是基于大尺寸的SoS波導存在不足：波導高度具有工藝實現難度，由于刻蝕深度較大，很容易引起側面刻蝕不垂直導致多模波導和偏振相關損耗的產生；波導寬度較大導致器件尺寸較大，不利于集成。由此，橫截面尺寸為小尺寸（小于等于4μm×4μm）的SoS波導已成為制作無源光器件的新導向。由于小尺寸的SoS波導中模斑尺寸小于4μm，光纖中的模斑尺寸為8μm~10μm，兩者之間的模式失配導致耦合效率的下降，從而導致光纖與光器件之間存在較大能量損耗，嚴重影響光傳感通信系統的穩定性。因此，如何解決光纖與小尺寸波導的耦合問題是一項具有挑戰的工作。

目前的光波導耦合方式大都是縱向型直接對準耦合。耦合方法一般為楔形光波導耦合，光柵耦合等。實際應用最廣泛的是楔形光波導耦合器，然而在平面光波光路工藝條件下無法制作滿足耦合效率要求的三維楔形光波導耦合結構；另一種采用光柵結構的耦合器，帶寬很低，不能滿足光通信的要求。由此可見縱向耦合具有很大的局限性，從而限制了耦合效率的提高。

在此背景下，本發明提出一種具有階梯光柵反射鏡的波導耦合器及制備方法。該耦合器與現有技術相比具有如下優點：（1）具有階梯光柵反射鏡的耦合結構是一種新型的光纖與波導的耦合結構；（2）基于平面光波光路工藝與COMS（英文全稱是：Complementary?Metal?Oxide?Semiconductor,對應中文為：互補式金屬氧化物半導體，文中簡稱：COMS）工藝兼容，開辟了一種制備反射鏡耦合結構的新方法；（3）耦合方法簡單高效，利用階梯光柵反射鏡結合二維楔形光波導實現光纖與波導的高效耦合，對于光纖調節對準要求相對較低。

發明內容

技術問題：本發明所要解決的技術問題是：提供一種具有階梯光柵反射鏡的波導耦合器，該波導耦合器可以使光纖和小尺寸波導實現高效耦合，具有較大的對準容差。同時，本發明還提供該波導耦合器的制備方法，該制備方法簡單，且與CMOS工藝兼容。

技術方案：為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：

一種具有階梯光柵反射鏡的波導耦合器，該波導耦合器包括襯底、緩沖層、波導、錐形波導、光柵反射鏡和光纖，光柵反射鏡的反射面設有階梯光柵，緩沖層固定連接在襯底的頂面，波導、錐形波導和光柵反射鏡固定連接在緩沖層的頂面，錐形波導的高度等于波導的高度，錐形波導的縱截面呈錐形，錐形波導的一端為窄端，錐形波導的另一端為寬端，且錐形波導的窄端與波導的輸入端固定連接，錐形波導的寬端與光柵反射鏡的反射面相對，光纖豎直放置，光纖位于光柵反射鏡的上方，且光纖的輸出端與光柵反射鏡的反射面相對。

進一步，所述的波導的截面尺寸小于等于4μm×4μm。

上述的具有階梯光柵反射鏡的波導耦合器的制備方法，該制備方法包括以下步驟：

步驟10）：取一硅襯底，在硅襯底上制備厚度15μm到20μm的二氧化硅緩沖層；利用等離子體增強化學氣相沉積方法，250℃—400℃下，在二氧化硅緩沖層上生長摻雜二氧化鍺的二氧化硅，形成厚度為6μm-10μm的波導層，且波導層的折射率高于緩沖層的折射率；

步驟20）：在波導層上，重復利用光刻和刻蝕工藝，制備光柵反射鏡；

步驟30）：在波導層上，利用光刻和刻蝕工藝制備錐形波導；

步驟40）：在波導層上，利用光刻和刻蝕工藝制備波導；

步驟50）：對步驟40）得到的樣片，去除殘留掩膜，得到具有階梯光柵反射鏡的波導耦合器。

有益效果：與現有技術相比，本發明具有如下優點：