[发明专利]一种具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于集成光子器件技术领域，具体来说，涉及一种具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器及其制备方法。

背景技术

随着硅基材料在集成光子学领域不断发展，硅基光子器件得到了广泛应用。集成光子光路的主流发展趋势是小型化，光子器件集成化。硅基二氧化硅（硅基二氧化硅：英文全称：Silica on Silicon，文中简称：SoS）波导材料折射率与光纤折射率相近，不存在折射率失配问题。目前，基于大尺寸SoS波导无源光器件与光纤之间不存在耦合问题，已经商用，如基于横截面尺寸为8μm×8μm的SoS波导光分路器。但是基于大尺寸的SoS波导存在不足：波导高度具有工艺实现难度，由于刻蚀深度较大，很容易引起侧面刻蚀不垂直导致多模波导和偏振相关损耗的产生；波导宽度较大导致器件尺寸较大，不利于集成。由此，横截面尺寸为小尺寸（小于等于4μm×4μm）的SoS波导已成为制作无源光器件的新导向。由于小尺寸的SoS波导中模斑尺寸小于4μm，光纤中的模斑尺寸为8μm~10μm，两者之间的模式失配导致耦合效率的下降，从而导致光纤与光器件之间存在较大能量损耗，严重影响光传感通信系统的稳定性。因此，如何解决光纤与小尺寸波导的耦合问题是一项具有挑战的工作。

目前的光波导耦合方式大都是纵向型直接对准耦合。耦合方法一般为楔形光波导耦合，光栅耦合等。实际应用最广泛的是楔形光波导耦合器，然而在平面光波光路工艺条件下无法制作满足耦合效率要求的三维楔形光波导耦合结构；另一种采用光栅结构的耦合器，带宽很低，不能满足光通信的要求。由此可见纵向耦合具有很大的局限性，从而限制了耦合效率的提高。

在此背景下，本发明提出一种具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器及制备方法。该耦合器与现有技术相比具有如下优点：（1）具有阶梯光栅反射镜的耦合结构是一种新型的光纤与波导的耦合结构；（2）基于平面光波光路工艺与COMS（英文全称是：Complementary Metal Oxide Semiconductor,对应中文为：互补式金属氧化物半导体，文中简称：COMS）工艺兼容，开辟了一种制备反射镜耦合结构的新方法；（3）耦合方法简单高效，利用阶梯光栅反射镜结合二维楔形光波导实现光纤与波导的高效耦合，对于光纤调节对准要求相对较低。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器，该波导耦合器可以使光纤和小尺寸波导实现高效耦合，具有较大的对准容差。同时，本发明还提供该波导耦合器的制备方法，该制备方法简单，且与CMOS工艺兼容。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器，该波导耦合器包括衬底、缓冲层、波导、锥形波导、光栅反射镜和光纤，光栅反射镜的反射面设有阶梯光栅，缓冲层固定连接在衬底的顶面，波导、锥形波导和光栅反射镜固定连接在缓冲层的顶面，锥形波导的高度等于波导的高度，锥形波导的纵截面呈锥形，锥形波导的一端为窄端，锥形波导的另一端为宽端，且锥形波导的窄端与波导的输入端固定连接，锥形波导的宽端与光栅反射镜的反射面相对，光纤竖直放置，光纤位于光栅反射镜的上方，且光纤的输出端与光栅反射镜的反射面相对。

进一步，所述的波导的截面尺寸小于等于4μm×4μm。

上述的具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

步骤10）：取一硅衬底，在硅衬底上制备厚度15μm到20μm的二氧化硅缓冲层；利用等离子体增强化学气相沉积方法，250℃—400℃下，在二氧化硅缓冲层上生长掺杂二氧化锗的二氧化硅，形成厚度为6μm-10μm的波导层，且波导层的折射率高于缓冲层的折射率；

步骤20）：在波导层上，重复利用光刻和刻蚀工艺，制备光栅反射镜；

步骤30）：在波导层上，利用光刻和刻蚀工艺制备锥形波导；

步骤40）：在波导层上，利用光刻和刻蚀工艺制备波导；

步骤50）：对步骤40）得到的样片，去除残留掩膜，得到具有阶梯光栅反射镜的波导耦合器。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：