[发明专利]一种偏振无关光栅耦合器的制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及光耦合领域，特别是一种集成光栅耦合器，具有偏振无关的特性。

背景技术

集成硅基光学系统，由于其小的器件尺寸，以及与传统集成电路CMOS工艺良好的兼容性，成为目前研究的一个热点。许多微纳器件已经在硅基上实现集成，如激光器、调制器、滤波器、耦合器、缓存器等等。而光栅用于实现耦合器功能，有着耦合面积小、耦合效率高等优点，从而被广泛应用在平面光学系统中。

但是光栅和其他光学微纳器件一样，由于尺寸小使得器件对于TE、TM模式的有效折射率存在较大差异，从而导致了器件偏振相关的问题。通过光诱导双折射现象可以解决器件偏振相关的问题(D.A.Peyrot，T.V.Galstian，and R.A.Lessard，“Polarization independentgrating coupling in planar wave-guide using photo-inducedbirefringence，”Proc.SPIE 4833，719(2002).)，但是它采用了特殊的偏振光敏感材料，且涉及到偏振曝光技术，实用性和普遍性不大。通过生长应力层的方法将TE、TM模式的有效折射率差调节为零(D.-X.Xu，P.Cheben，D.Dalacu，A.S.Janz，B.Lamontagne，M.-J.Picard，and W. N.Ye，“Eliminating the birefringence insilicon-on-insulator ridge waveguides by use of cladding stress，”Opt.Lett.29，2384(2004).)，也可以解决偏振相关的问题，但是增加了后处理工艺步骤和额外的材料，而其增加应力层所引入的额外厚度也限制了器件尺寸向更小发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种T型槽光栅结构的设计方法，对两种模式采取不同的耦合原理来实现输出耦合器，从而实现了采用同一结构对TE、TM模式同时高效率耦合输出，在1550nm光通信波段附近实现了高效率、宽带宽、低偏振相关损耗(PDL)的偏振无关光栅耦合器。采用的具体技术方案如下：

一种偏振无关光栅耦合器的制作方法，包括如下步骤：

(1)根据光栅耦合布拉格条件计算TM模式的周期T^TM；

(2)根据光栅谐振条件计算TE模式的周期T^TE；

(3)令T^TM＝T^TE，求得所述偏振无关光栅耦合器的上层材料厚度，将此时的T^TM或T^TE设置为该偏振无关光栅耦合器的周期；

(4)利用上述求得的上层材料厚度和周期制作竖直Slot光栅；

(5)在上述竖直slot光栅的凹槽上部刻蚀一组浅刻蚀光栅，使得上述竖直Slot光栅变为T型槽光栅，调节所述浅刻蚀光栅的刻蚀宽度与刻蚀深度，使得TE模式耦合输出效率最大，TM模式耦合效率不受影响，此时形成的T型槽光栅即为所求的偏振无关光栅耦合器。

本发明所述的周期T^TM为λ/n_eff^TM，其中，λ为耦合波长，n_eff^TM为TM模式的有效折射率。

本发明在计算TE模式的周期T^TE中，首先将光场束缚在一个布拉格光栅谐振器之中，此时，TE模式光栅耦合器的工作是遵循光栅谐振条件，从而光栅周期T^TE在(2a±1)λ/4_neff^TE到aλ/2n_eff^TE范围内，其中，n_eff^TE为TE模式的有效折射率，λ为耦合波长，a为正整数。

本发明所述的偏振无关光栅耦合器的材料可以是任何对TE和TM模式存在有效折射率差的材料。

本发明实现了在1480-1580nm波长范围内TE、TM模式的耦合效率均高于50％，两种模式的耦合效率都在1550nm波长处达到了58％；而在1510-1580nm波长范围内耦合器的偏振相关损耗(PDL)小于0.05dB，在1550nm波长处仅为3.6×10^-3dB，所设计的光栅耦合器实现了高耦合效率、低偏振相关损耗、宽带宽的耦合输出功能。