[发明专利]一种SOI平面波导布拉格光栅及制作方法

说明书

本发明提供了一种高端面反射率窄反射带宽的SOI平面波导布拉格光栅及其制作方法，该光栅能有效进行窄带滤波，减小背面反射，实现高的端面反射率，提高波导与光纤的耦合效率；同时，能够实现SOI波导光栅制作过程中高精度的对准以及制备，保证光栅在脊型波导内脊表面的均匀分布，保证光栅图形与脊型边缘的垂直特性，从而保证SOI波导光栅的性能。

技术领域

本发明涉及光电子器件技术领域，尤其涉及一种SOI平面波导布拉格光栅及制作方法。

背景技术

平面波导光栅具有尺寸小、易于集成、温度稳定性高、抗振动能力强等特点，已经在硅基光电子集成、小型化光通信器件和硅基集成电路中，发挥着关键作用。

其中，绝缘体上硅(Silicon-on-Insulator，SOI)波导，由于硅(折射率n_si＝3.5)光波导层的下侧是二氧化硅(折射率)，上侧是空气(折射率n_air＝1.0)或者二氧化硅，两侧材料的折射率很低，形成高的折射率差，大部分光将集中在高折射率的硅波导层中传播，因此SOI波导对光的约束能力比其他波导要强很多，泄露损耗很小，尺寸能大幅度降低，达到几百纳米尺度的线宽。此外，SOI结构器件制备工艺还具有与微电子集成电路制作工艺兼容的特点。

随着微纳光电集成技术的不断发展，芯片集成密度越来越大，绝缘体上硅波导的尺寸越来越小，硅波导中的光场模斑尺寸小于1μm。然而，与之耦合的光纤由于本身尺寸的原因，其模斑尺寸约为8～10μm，使得两者之间的模式匹配较差，从而带来辐射模，同时，有效折射率的失配还带来背向反射，因而这种小尺寸的硅波导光栅与光纤耦合时的损耗很大。同时，由于硅波导本身尺寸较小，且在制作中心波长为1550nm的波导光栅时，光栅周期约为223nm，其对制作工艺提出了十分高的要求。波导边缘刻蚀的光滑程度、光栅的形貌以及光栅与波导的相对位置都会极大的影响SOI波导光栅的传输损耗，而传统的脊型波导光栅采用先制作脊型波导，再在脊型上面或两侧刻蚀光栅的工艺步骤，很难保证光栅均匀的分布在脊型上面或两侧，同时难以控制光栅与脊型保持垂直的关系。

目前制约SOI平面波导光栅发展的主要问题有：

(1)SOI波导光栅与耦合的光纤尺寸不匹配导致了模式失配，造成了耦合损耗大、存在辐射模及背向散射等问题。

(2)由于SOI波导光栅器件尺寸较小，与光纤或有源芯片耦合封装时，偏调容差较小，耦合工艺难度高，成品率低。

(3)由于SOI波导刻蚀深度比光栅刻蚀深度大，导致制作时需要紫外光刻和电子束光刻配合进行，存在套刻误差，减小了工艺容差。

(4)亚微米结构光栅的形貌和脊型波导的光滑垂直程度，以及脊型上光栅的分布和相对垂直关系，都将极大的影响波导光栅的性能，对光刻和刻蚀工艺提出了十分高的要求。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种高端面反射率窄反射带宽的SOI平面波导布拉格光栅及其制作方法，其可实现高的端面反射率、窄的反射带宽，消除背向反射，提高光纤或有源芯片的高的耦合效率；同时，实现SOI波导光栅制作过程中高精度的对准以及制备，保证光栅在脊型波导内脊表面的均匀分布，保证光栅图形与脊型边缘的垂直特性。

(二)技术方案

本发明提供一种高端面反射率窄反射带宽的SOI平面波导布拉格光栅，其结构包括：

SOI片；

脊型波导结构4，其形成在SOI片上表面的中间位置，其中，脊型波导结构4包括光栅区域8和在两端与光栅区域8光滑链接的波导区域9，光栅区域8为直条型，波导区域9为弯曲脊型；

布拉格光栅结构5，其形成在脊型波导结构4的内脊表面；