[发明专利]光栅耦合器及其制备方法

说明书

本发明提供了一种光栅耦合器及其制备方法，本发明的光栅耦合器的制备方法包括如下步骤：提供SOI衬底，所述SOI衬底自下而上包括硅衬底层、二氧化硅中间层以及硅顶层；刻蚀所述硅顶层形成第一耦合光栅；在所述硅顶层上形成Poly‑Si层；刻蚀所述Poly‑Si层形成第二耦合光栅；所述第二耦合光栅与所述第一耦合光栅错位堆叠。本发明的光栅耦合器通过在硅顶层上形成Poly‑Si层减小光栅耦合器的插入损耗，再通过第二耦合光栅与所述第一耦合光栅偏移设计，进一步减小插入损耗，并且偏移设计可以提高光栅制备工艺的容差。

技术领域

本发明涉及光子器件技术领域，特别是涉及在SOI衬底上的光栅耦合器及其制备方法。

背景技术

与CMOS工艺相兼容的硅基光电子学的发展，使得生产硅芯片的低成本技术与光学技术整合起来，打破传统的电子计算和光纤通信之间的界限；同时，基于硅CMOS工艺的高速电子电路的发展，使得具有一定功能的高性能光路和电路单片集成芯片成为现实。SOI是Silicon-On-Insulator(绝缘体上硅)的英文首字母缩写，SOI衬底自下而上由硅衬底层、二氧化硅中间层和硅顶层层叠组成，其中硅衬底层、二氧化硅中间层和硅顶层相互平行。目前与CMOS工艺相兼容的硅基光电子器件制备在SOI(绝缘体上硅)衬底上。

经过多年的发展，出现了许多基于硅的光电子器件，包括光开关、偏振模分离器、光波分复用器/解复用器、光滤波器和光调制解调器等，而光栅耦合器在其中起着重要的作用，它是这些器件的基础，同时也是实现光子集成电路和外部光纤之间光束耦合的一种非常有效的方法。因此，硅基光栅耦合器的研制具有非常重要的实用价值和现实意义。光栅耦合器是指通过光栅的衍射作用， 使衍射光耦合到光波导中进行传播。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，从而广泛用在平面光学系统中。

然而现有技术中发现，光栅耦合器作为光芯片的输入输出接口，存在光栅耦合器插入损耗较大的问题。现有技术中为解决此问题，一般采用非均匀光栅设计、底部反射镜设计、顶层硅上外延poly硅设计等方案来减小光栅耦合器的插入损耗。其中，高性能的非均匀光栅耦合器中光栅最小尺寸一般在100 nm以下，对光刻机的要求较高；底部反射镜工艺比较复杂，不易实现。

光栅耦合器插入损耗大增加了硅光芯片的片上损耗、系统的能耗和成本。因此，如何有效解决光栅耦合器插入损耗过大问题，降低硅光芯片的片上损耗、从而降低系统的能耗和成本是本领域急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光栅耦合器及其制备方法，本发明的光栅耦合器能够解决现有技术中光栅耦合器损耗过大问题，工艺简单，能够降低硅光芯片的片上损耗，并可以降低对光源的功率要求或接收机的灵敏度，从而降低系统的能耗和成本。

本发明的目的主要通过以下技术方案实现。

本发明提供了一种光栅耦合器的制备方法，包括如下步骤：提供SOI衬底，所述SOI衬底自下而上包括硅衬底层、二氧化硅中间层以及硅顶层；刻蚀所述硅顶层形成第一耦合光栅，所述第一耦合光栅包括多个第一脊和多个第一槽，两个第一脊之间通过一个第一槽间隔开；在所述硅顶层上形成Poly-Si层；刻蚀所述Poly-Si层形成第二耦合光栅，所述第二耦合光栅包括多个第二脊和多个第二槽，两个第二脊之间通过一个第二槽间隔开；所述第一脊与所述第二脊一一对应，所述第二耦合光栅与所述第一耦合光栅错位堆叠使所述第一脊的边缘与所述第二脊的边缘形成预定距离的偏移。该方法获得的光栅耦合器，可以调整光栅衍射光的输出波形，实现与光纤模斑更加匹配，有效减小了光栅耦合器插入损耗。并且，相比于现有技术中第一耦合光栅与第二耦合光栅无偏移的设计，本发明的第一耦合光栅与第二耦合光栅的偏移设计提高了光栅制备工艺的容差。

在本发明的光栅耦合器的制备方法的中第一耦合光栅与所述第二耦合光栅的光栅周期可以不相同, 但是在一个优选方案中，所述第一耦合光栅与所述第二耦合光栅的光栅周期相同。