[发明专利]一种光栅耦合器

说明书

本发明涉及一种光栅耦合器及其制备方法，该光栅耦合器，包括：从下往上依次为带绝缘层和光栅层的晶片、氧化层和波导层；其中光栅层的折射率大于光波导层材料的折射率；所述光栅层、光波导层均为预设周期的光栅结构；所述绝缘层上的光栅层作为分布式布拉格光栅反射镜。光耦合进入光栅耦合器的过程中，一部分光直接耦合进光波导层，另一部分光透过氧化层照射到分布式布拉格光栅反射镜，并被布拉格光栅反射镜反射回光波导层。绝缘层上的高折射率晶片作为分布式布拉格光栅反射镜，由于其高反射率，能尽可能地提升光栅耦合器向上辐射光信号的能力，大大提升光栅耦合器的耦合效率。

技术领域

本发明涉及无源光子器件及其制备领域，更具体地，涉及一种光栅耦合器及其制备方法。

背景技术

早期的光子集成芯片，光信号通过芯片解理后的光波导端面耦合到波导中，实现光信号接入。随着光栅耦合器的应用，与解理芯片的端面耦合不同，光信号可以在无需切片和解理的情况下实现垂直耦合。

光栅耦合器是一种光子集成领域中的基础光子器件之一，通过表面刻蚀的光栅结构对光信号的衍射作用，实现垂直芯片表面方向的入射光向芯片光波导的耦合。由于其垂直耦合特性，通过在光子芯片表面刻蚀的光栅结构，可以在无芯片解理的情况下，方便快捷地实现光子芯片的片上测试，很大程度上规避了传统端面耦合中精确解理芯片的流程，使得光子芯片研发和测试更加便利。

近些年，随着氮化硅材料的逐渐发展与流行，氮化硅材料体系，由于其低损耗、低色散、低非线性、适中的折射率以及可低温外延生长等优秀特性，在有源无源集成、片上密集波分复用等光子集成领域体现出比原有硅光子材料更好的性能。然而，由于氮化硅材料的折射率较低（n=2），因此，在单个光栅周期内难以形成足够的耦合强度，在仿照硅基光栅耦合器的设计思路和依照标准单模光纤的传输模式匹配的情况下，很难在短的波导传输长度内，实现高效率的光信号从单模光纤到光波导的耦合，限制了光栅耦合器的耦合性能。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的光栅耦合器的耦合效率低的缺陷，提供一种光栅耦合器及其制备方法。

为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：

一种光栅耦合器，包括：从下往上依次为带绝缘层和光栅层的晶片、氧化层和光波导层；其中，光栅层的折射率大于光波导层的折射率；

所述光栅层和光波导层均为预设周期的光栅结构；所述绝缘层上的光栅层作为分布式布拉格光栅反射镜。

上述方案中，光耦合进入光栅耦合器的过程中，一部分光直接耦合进光波导层，另一部分光透过氧化层照射到分布式布拉格光栅反射镜，并被布拉格光栅反射镜反射回光波导层。绝缘层上的高折射率光栅层作为分布式布拉格光栅反射镜，由于其高反射率，能尽可能地提升光栅耦合器向上辐射光信号的能力，大大提升光栅耦合器的耦合效率。

优选地，所述绝绝缘层上的光栅层为硅光栅层，所述光波导层为氮化硅光波导层。由于单晶硅材料在通信波段具有较高的折射率（n=3.42），易于与其他材料（如空气和氧化硅等）形成较大的折射率差，由此产生较大的光栅耦合强度。

优选地，所述绝缘层上的光栅层为砷化镓晶片或磷化铟晶片。由于砷化镓晶片或磷化铟晶片的折射率较大，具有高反射率，能够较好的实现光信号的向上辐射。

优选地，所述光波导层为预设配比的氮氧化硅、氧化硅光波导层。

进一步地，所述光栅耦合器的光栅周期为均匀周期或非均匀周期。

同时，本发明还提供了一种光栅耦合器的制备方法，其具体方案如下：

S1、以带绝缘层和光栅层的晶片为衬底，然后在光栅层的顶部从下到上依次外延生长氧化层和光波导层；其中，所述光栅层的折射率大于所述光波导层的折射率；

S2、进行单次的电子束光刻，并掩膜成型；