[發(fā)明專(zhuān)利]一種二元閃耀光柵耦合器及其在硅基混合集成光探測(cè)器上的應(yīng)用

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410288826.2
• 申請(qǐng)日: 2014-06-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104090333A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-10-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李鴻強(qiáng);劉宇;崔貝貝;周文騫
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 天津工業(yè)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G02B6/124
• 分類(lèi)號(hào): G02B6/124;G02B6/34;G02B6/42
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光波導(dǎo)的耦合結(jié)構(gòu)，特別是一種二元閃耀光柵耦合器，屬于光電子集成領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著社會(huì)的進(jìn)步和生產(chǎn)力的發(fā)展，集成電路的尺寸將越來(lái)越小，信息傳輸速度將越來(lái)越高，但傳統(tǒng)的微電子技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)接近其極限，使得其成為阻礙集成電路繼續(xù)向前發(fā)展的一個(gè)瓶頸。因此必須開(kāi)發(fā)新的器件、新的互聯(lián)方式以及新的集成方式以滿(mǎn)足高密度數(shù)據(jù)通信和高速率的數(shù)據(jù)處理過(guò)程。硅基光學(xué)器件作為打破這一瓶頸的最有希望的技術(shù)之一已經(jīng)逐漸被人們所重視，它使得進(jìn)一步壓縮器件尺寸、提高集成度成為可能。硅基光學(xué)器件的研究基礎(chǔ)就是硅基光子學(xué)，近些年國(guó)內(nèi)外對(duì)硅基光子學(xué)的研究不斷取得引人注目的重要突破。硅基光子學(xué)就是研究各類(lèi)硅基低維材料的制備方法、結(jié)構(gòu)特征、光發(fā)射、光傳輸、光調(diào)制與光接收特性，并以此為物理基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和制備各種硅基光學(xué)器件，從而最終實(shí)現(xiàn)全硅光電子集成的科學(xué)。

對(duì)于一個(gè)集成光路系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，耦合器就是系統(tǒng)與外界的接口。近年來(lái)平面光波導(dǎo)耦合技術(shù)越來(lái)越受到普遍關(guān)注，光柵耦合器作為一種面耦合器成為這方面研究的熱點(diǎn)。光柵耦合器是利用光柵實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)的輸入/輸出耦合的器件，它可以在系統(tǒng)的任何地方實(shí)現(xiàn)信號(hào)的上載/下載大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。因此，它在通信、傳感、光譜分析、光互連等方面均有廣泛的應(yīng)用。然而高效率、寬帶寬、工藝制作簡(jiǎn)單的光柵耦合器還是目前的一個(gè)難題，對(duì)其進(jìn)行研制是很有研究前景和實(shí)用意義的。本發(fā)明解決陣列波導(dǎo)光柵解調(diào)集成微系統(tǒng)中的SOI硅納米線(xiàn)波導(dǎo)與InGaAs/InP光探測(cè)器間的光耦合問(wèn)題，設(shè)計(jì)出采用二元閃耀光柵耦合的硅基混合集成光探測(cè)器。本發(fā)明必將對(duì)光纖光柵傳感解調(diào)領(lǐng)域的發(fā)展起到重要推動(dòng)作用，同時(shí)對(duì)于未來(lái)光纖光柵解調(diào)系統(tǒng)的全硅光電集成芯片研究具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于解決陣列波導(dǎo)光柵解調(diào)集成微系統(tǒng)中的SOI硅納米線(xiàn)波導(dǎo)與InGaAs/InP光探測(cè)器間的光耦合問(wèn)題，提供一種二元閃耀光柵耦合器，特別是提供一種應(yīng)用于硅基混合集成光探測(cè)器間的高耦合效率、寬帶寬、工藝制作簡(jiǎn)單的二元閃耀光柵耦合器結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

(1)計(jì)算TE模式下二元閃耀光柵耦合器的周期T；

(2)計(jì)算TE模式下二元閃耀光柵耦合器占空比f(wàn)和其等效折射率；

(3)構(gòu)建二元閃耀光柵耦合器結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)其刻蝕深度、光柵長(zhǎng)度、耦合效率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，其中二元閃耀光柵為一維二元閃耀光柵或二維二元閃耀光柵；

(4)構(gòu)建錐形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)其長(zhǎng)度，光傳輸效率等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化；

(5)選取最優(yōu)二元閃耀光柵耦合器結(jié)構(gòu)，并將III-V材料的光電探測(cè)器鍵合在其上方；

(6)采用二元閃耀光柵耦合器將SOI波導(dǎo)內(nèi)傳播的光垂直衍射至其上方的光電探測(cè)器陣列，光電探測(cè)器以InGaAs/InP為材料，在InP襯底上連續(xù)生長(zhǎng)3層，依次為：n-InP緩沖層、i-InGaAs本征吸收層、p-InP蓋層。

在上述步驟(1)中，根據(jù)光柵耦合布拉格條件，光柵耦合器的衍射理論對(duì)TE模式下二元閃耀光柵耦合器的周期T進(jìn)行計(jì)算。

在上述步驟(2)中，根據(jù)亞波長(zhǎng)光柵的等效介質(zhì)膜理論對(duì)TE模式下二元閃耀光柵耦合器占空比f(wàn)和其等效折射率進(jìn)行計(jì)算。

在上述步驟(3)中，以時(shí)域有限差分算法為基礎(chǔ)，建立二元閃耀光柵耦合器結(jié)構(gòu)模型，對(duì)光柵耦合器的刻蝕深度、光柵長(zhǎng)度、耦合效率等參數(shù)進(jìn)行模擬仿真。當(dāng)光源入射波長(zhǎng)在1450nm-1600nm范圍內(nèi)，耦合效率均高于60％，在1550nm波長(zhǎng)時(shí)，耦合效率達(dá)到了68％。

在上述步驟(4)中，基于光束傳播法對(duì)錐形波導(dǎo)進(jìn)行仿真、優(yōu)化設(shè)計(jì)，以減少其傳輸損耗，實(shí)現(xiàn)光柵耦合器與陣列波導(dǎo)光柵解調(diào)集成微系統(tǒng)中陣列波導(dǎo)光柵的互連。在入射波長(zhǎng)為1550nm時(shí)光的傳輸效率為85％。

在上述步驟(5)中，鍵合用的中間層材料采用的是苯并環(huán)丁烯(Benzocyclobutene，BCB)膠。

在上述步驟(6)中，建立InP基光電探測(cè)器模型，基于時(shí)域有限差分算法對(duì)整個(gè)硅基混合集成光探測(cè)器結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬仿真，在1450-1600nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)有源層吸收效率均高于75％。在波長(zhǎng)為1550nm時(shí)有源層吸收效率為78.5％，并在波長(zhǎng)為1475nm時(shí)有源層吸收效率達(dá)到最大值81.8％。