[发明专利]绝缘体上硅的缓变阶梯型波导光栅耦合器及制作方法

权利要求书

1.一种绝缘体上硅的波导光栅耦合器，所述耦合器采用绝缘体上硅材料，包括：

一衬底；

一限制层，该限制层制作在衬底上；

一波导层，该波导层制作在限制层上，该波导层上面的一端横向制作有衍射光栅；

一光子器件，该光子器件的光发射端或接收端置于波导层上的衍射光栅的上方。

2.根据权利要求1所述的绝缘体上硅的波导光栅耦合器，其中所述的波导层包括：

一亚微米波导，该亚微米波导为矩形体；

一锥形波导，该锥形波导为梯形，该锥形波导的窄端与亚微米波导连接；

一衍射光栅，该衍射光栅为矩形体，该衍射光栅的一端与锥形波导的宽端连接。

3.根据权利要求1所述的绝缘体上硅的缓变阶梯型波导光栅耦合器，其中所述波导层的厚度小于1μm，限制层的厚度大于1μm；波导层的材料为硅、砷化镓高折射率可用于制作光波导的材料，限制层的材料为二氧化硅、氮化硅低折射率的限制层材料。

4.根据权利要求1所述的绝缘体上硅的缓变阶梯型波导光栅耦合器，其中所述亚微米波导、锥形波导的刻蚀深度为小于1μm，亚微米波导宽度小于1μm，锥形波导的长度为50-500μm。

5.根据权利要求1所述的绝缘体上硅的缓变阶梯型波导光栅耦合器，其中所述衍射光栅的宽度为8-20μm，衍射光栅的面积为20-700μm²，适用于结构紧凑的光子集成；衍射光栅为亚微米量级的均匀周期光栅，衍射光栅周期数为5-50，每个周期为光栅单元，单个光栅单元的周期长度500-700nm，光栅单元的刻蚀深度为阶梯型分布的，最大刻蚀深度小于1μm，该光栅单元的每个台阶的宽度是渐变的，分布在50-200nm范围内，光栅单元的台阶个数大于2。

6.根据权利要求1或5所述的绝缘体上硅的缓变阶梯型波导光栅耦合器，其中所述光栅单元为台阶高度逐渐增加时，台阶高度差值为固定，或台阶高度差值为逐渐增加，或台阶高度差值为逐渐减小，或台阶高度差值为非线性变化。

7.根据权利要求1或5所述的绝缘体上硅的缓变阶梯型波导光栅耦合器，其中所述光栅单元为台阶高度逐渐减小时，台阶高度差值为固定，或台阶高度差值为逐渐增加，或台阶高度差值为逐渐减小，或台阶高度差值为非线性变化。

8.根据权利要求1或5所述的绝缘体上硅的缓变阶梯型波导光栅耦合器，其中所述光栅单元为台阶高度先增加后减小，或为台阶高度先减小后增加。

9.根据权利要求1或5所述的绝缘体上硅的缓变阶梯型波导光栅耦合器，其中所述光栅单元为台阶宽度固定，或为台阶宽度逐渐增加，或为台阶宽度逐渐减小，或为台阶宽度非线性变化。

10.一种绝缘体上硅的缓变阶梯型波导光栅耦合器的制作方法，以制作3级台阶，台阶高度逐渐增加，且台阶高度差值固定的缓变阶梯型波导光栅耦合器为例，制作方法包括如下步骤：

步骤1：在衬底上依次制作限制层和波导层，形成绝缘体上硅晶片；

步骤2：清洗绝缘体上硅晶片表面的波导层，烘干；

步骤3：将烘干的绝缘体上硅晶片放入匀胶机中，在波导层上旋涂电子束光刻胶层，前烘；

步骤4：采用电子束曝光工艺对绝缘体上硅晶片表面的电子束光刻胶进行曝光，形成亚微米波导、锥形波导的光刻胶掩膜图形；

步骤5：采用感应耦合等离子体刻蚀技术，形成亚微米波导、锥形波导；

步骤6：采用多次电子束曝光工艺和感应耦合等离子体刻蚀技术，形成衍射光栅；

步骤7：将刻蚀完成的绝缘体上硅晶片去胶清洗；

步骤8：将一光子器件置于靠近波导层上的衍射光栅的上部，完成光栅耦合器的制作。

11.根据权利要求10所述的绝缘体上硅的缓变阶梯型波导光栅耦合器的制作方法，其中所述波导层的厚度小于1μm，限制层的厚度大于1μm；波导层的材料为硅、砷化镓高折射率可用于制作光波导的材料，限制层的材料为二氧化硅、氮化硅低折射率限制层材料。

12.根据权利要求10所述的绝缘体上硅的缓变阶梯型波导光栅耦合器的制作方法，其中所述亚微米波导、锥形波导的刻蚀深度小于1μm，亚微米波导宽度小于1μm，锥形波导的长度为50-500μm。