[发明专利]一种折射率可调的光栅耦合器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及光通信和光互连领域，特别是涉及一种折射率可调的光波导耦合结构的设计和制备。该结构的光栅耦合器可以有效降低光纤和波导耦合时的耦合损耗。

背景技术

硅光子技术在低成本和低功耗的驱动下，基于SOI(silicon-on-insulator)平台，迄今为止已制备出多种硅光子器件并实现了光子集成，硅光子技术被认为是解决目前集成电路中功耗和带宽问题的最有潜力技术。目前硅光子技术面临的一项重要挑战就是如何将激光光源引入和导出光子集成回路，光栅耦合器由于其高的耦合效率高，成本低且与CMOS工艺兼容、无需芯片端面抛光、可在芯片表面任何地方实现光信号输入输出等优点，成为硅光子集成回路中最有效的激光光源耦合方案。

提高光栅耦合器耦合效率的方法有很多，如增加底部多层介质反射镜，倒装键合金属反射镜以及覆盖层等，这些方法或者增强方向性，或者减小光栅耦合器与光纤之间的反射损耗，但由于通常光栅耦合器上光栅是均匀分布的，而均匀分布的光栅耦合器向外衍射的光功率分布沿传播方向按照指数下降，即P=P₀exp(-2αx)，P₀为入射光功率，2α为光栅的功率泄漏因子（常数），这种衰减的衍射模场与单模光纤的高斯模场之间存在模式不匹配，限制了光栅耦合器的耦合效率进一步提高。为了实现光栅向上的衍射模场与单模光纤高斯模场的匹配，可通过纵向的非均匀光栅实现泄漏因子的非均匀分布来获得高斯形状的输出场分布G(x)，光栅的功率泄漏因子必须满足：

2α(x)=G2(x)/[1-∫0xG2(t)dt]---(1)]]>

式中为归一化的高斯分布，其中w₀=5.2μm，w₀大小与单模光纤模场半径5.2μm对应，利用能量归一化条件可以得到

目前的非均匀光栅是在SOI顶硅层进行浅刻蚀在纵向上生成非均匀占空比的光栅，或者利用感应耦合等离子体刻蚀工艺中的迟滞效应制备同时具有非均匀占空比和非均匀槽深的光栅，进而来实现泄漏因子的非均匀分布。目前方案的缺点在于材料的折射率固定；另外需要二次刻蚀，即在刻透SOI顶硅层生成硅波导之后还需在硅波导表面浅刻蚀生成线状光栅槽，工艺复杂，制备成本高；此外利用迟滞效应制备非均匀光栅存在工艺重复性差的问题。

本发明提出一种折射率可调的光栅耦合器及其制作方法。该耦合器在纵向不同光栅槽位置刻蚀不同横向占空比的亚波长矩形槽（或正方形、圆形等其他形状的槽）从而在纵向形成不同等效折射率的光栅槽分布，进而可以调节光栅的衍射特性，使得输出场分布为与光纤模式匹配的高斯分布。本发明中的非均匀光栅是对SOI顶硅层刻透生成亚波长结构的光栅槽，波导结构和亚波长结构只用一次刻蚀工艺即可生成。同时本发明中的方法克服了传统光学介质薄膜材料折射率不可调的缺点。

发明内容

为了解决现有技术中存在的普通均匀光栅耦合器输出模场与单模光纤模场之间模式不匹配的问题，本发明的目的在于提供一种折射率可调的用于实现高效率宽带耦合的光栅耦合器及其制作方法，其可实现单模光纤与平面光波导之间的耦合。

为了得到与传播方向（纵向）x相关的α(x)来获得高斯形状的输出场分布G(x)，采用x方向非均匀的光栅槽分布来实现。在纵向不同的x位置利用不同的横向（y方向）占空比f_y来调节光栅槽等效折射率n_L分布从而实现光栅向上的辐射为与光纤模式匹配的高斯光束。