[发明专利]一种低背向反射的光栅耦合器

说明书

一种低背向反射的光栅耦合器，包括单模波导、锥形波导展宽区域和光栅区域，所述的单模波导和光栅区域通过锥形波导展宽区域相连接，光栅区域由一组相互平行的波导阵列组成。本发明提供了一种低背向反射的光栅耦合器，它解决了传统光栅耦合器受菲涅尔反射影响的问题，能有效抑制光栅耦合器的背向反射，并降低光栅耦合器输出谱中的功率抖动。

技术领域

本发明涉及高折射率差的光波导和光纤之间的通信或者是光波导和其混合集成的光源以及探测器之间的通信，尤其是一种具有低背向反射和低输出功率抖动的光栅耦合器。

背景技术

基于SOI平台的高折射率差纳米线硅波导器件(比如微环、阵列波导光栅、马赫增德尔干涉仪等)：由于具有超小尺寸，可以实现高密度集成；工艺兼容于传统CMOS工艺，可以大大降低制作成本并实现批量生产；同时硅光器件还可以和硅电子器件、光源、探测器、调制器、微流控等器件在硅平台上实现混合集成，以制成具有不同功能的模块、系统等，使其在近年来得到了广泛的研究。但这里也面临一个问题，就是纳米线的硅波导模场和光纤、半导体光源等的模场之间严重失配，导致它们之间的直接耦合损耗非常大。为了解决该问题，Vilson R.Almeida等人(Vilson R.Almeida,Roberto R.Panepucci,and Michal Lipson,“Nanotaper for compact mode conversion,”Opt.Lett.,28(15),pp.1302-1304,2003)提出了采用倒锥形taper来降低光纤和纳米线波导之间的耦合损耗，为了获得较低的损耗，taper区域的波导宽度通常在几十nm左右，这对工艺提出了极高的要求，并且该耦合效率对taper顶端的宽度十分敏感。T.Shoji等人(T.Shoji et al,“Low-loss mode sizeconverter from 0.3μm square Si wire waveguides to single mode fibers,”Electronics Letters,38(25),pp.1669-1670,2002)提出了利用一个高折射率聚合物波导覆盖带taper的硅波导结构来降低耦合损耗，该结构需要复杂的制作工艺。D.Taillaert等人(D.Taillaert et al,“Grating couplers for coupling between optical fibersand nanophotonic waveguides,”Japanese journal of Applied Physics,45(8A),pp.6071-6077,2006)提出了表面光栅耦合器，大大提高了和光纤的耦合效率，解放了工艺制作要求，并且利用该光栅耦合器可以实现对芯片的实时在线测试，极为方便。所以，目前用于硅纳米线波导器件测试多采用光栅耦合器结构，特别是对基于硅纳米线器件的传感器测试。然而，该光栅耦合器有一个缺点：由于硅芯层和包层之间折射率差较大，这就使得在芯层和包层的分界面处存在较大的菲涅尔反射，一部分光将反射回原光路，然后再次反射回该光栅耦合器中，这就使得光栅耦合器的输出谱中存在较大的抖动，并且如果光路中集成了半导体光源，那么反射回的光将会对光源造成严重影响。同时，如果是针对传感应用中的功率检测，那么光栅耦合器输出谱中的抖动就会造成输出功率的不稳定，大大的影响传感检测的精度。因此，减小光栅耦合器的背向反射极为重要。Yanlu Li等人(Yanlu Li,etal,“Compact grating couplers on silicon-on-insulator with reducedbackreflection,”Opt.Lett.,37(21),pp.4355-4357,2012)提出采用倾斜的聚焦光栅耦合器，即输入波导和光栅齿的法线之间成一角度，使光栅反射回来的光不耦合到输入波导，以此来减小该光栅耦合器的背向反射。由于此处的反射光是偏离输入波导，不是被抑制的，所以在高密度集成的光路系统或者是密集型并行传感检测中，该反射光可能会加大系统的背景噪音。

发明内容