[发明专利]一种高制作容差的亚波长光栅耦合器

说明书

本发明公开一种高制作容差的亚波长光栅耦合器，设置在光波导层上，所述光栅耦合器包括若干个光栅周期，每个光栅周期依次由第一孔状亚波长结构、第一平面波导区域、第二孔状亚波长结构和第二平面波导区域组成，所述第一孔状亚波长结构由若干个穿透设置在光波导层上且成等间距周期性排列的大穿透孔组成，所述第二孔状亚波长结构由若干个穿透设置在光波导层上且成等间距周期性排列的小穿透孔组成，每个所述光栅周期通过组合第一孔状亚波长结构和第二孔状亚波长结构，实现对光栅耦合器中亚波长结构的占空比的增加；第一孔状亚波长结构与第二孔状亚波长结构组合，可以降低光栅耦合器的有效折射率，增加光栅耦合器的制作容差。

技术领域

本发明属于集成光电子领域，具体涉及一种新型高制作容差的亚波长光栅耦合器。

背景技术

硅-绝缘体(Silicon-on-Insulator，SOI)晶圆为开发高质量、低成本、高集成度的光电子集成回路(Opto-Electronic Integrated Circuits,OEICs)提供了优越的平台。由于硅、锗等半导体材料具有很高的折射率，所开发的芯片可以将光限制在截面面积在平方微米量级的光波导层中，与光纤模式具有很大的光场空间模式失配，从而引入很大的耦合光学损耗。为了解决这一问题，光栅和端面两种光场耦合器件被广泛的研究与应用。与端面耦合器相比，光栅耦合器具有无需采用透镜光纤以及边缘抛光工作、能实现器件的晶圆级自动测量、容易对准、面积较小、位置灵活等优点。

亚波长光栅耦合器是一种常用的二维光栅耦合器结构。相比传统的一维浅刻蚀光栅耦合器，其具有以下优点：第一，可以更加灵活的调控亚波长结构的有效折射率从而调整光栅耦合器的耦合强度，降低反射；第二，能够提供更大的耦合光谱带宽；第三，加工简单，只需要单一蚀刻步骤可实现光栅耦合器制作；第四，亚波长光栅耦合器的刻蚀孔能够帮助去除光栅耦合器下的氧化埋层，可用于制作微流体或气体传感器的悬空波导。

近年来亚波长光栅耦合器深受科研工作者的研究青睐。2018年新加坡国立大学的李正国课题组基于SOI晶圆研制了一种中红外亚波长光栅耦合器，其在3.7微米处的峰值耦合效率可以达到-6.47dB (Optics Express,26,20,26242)。2020年，华中科技大学张新亮课题组基于220纳米厚的SOI 晶圆研制了一种TE模聚焦切趾亚波长光栅耦合器，其在中心波长1551.5纳米处的峰值耦合效率可以达到-3.1dB(Optics Express,28,23,35395)。2021年，天津大学的程振洲课题组基于多用户晶圆工艺(Multi-Project Wafer，MPW)制作了2微米波段的TE模聚焦亚波长光栅耦合器，其在2.36微米处的峰值耦合效率可以达到-7.8dB(Journal of Physics D:Applied Physics,55,015109)。2017年，上海理工大学的冯吉军等人发明了一种基于亚波长光栅结构的宽带氮化硅波导耦合器，在1550纳米波长的TE模式偏振光垂直于传播方向沿波导入射时，可实现50：50的耦合比，申请了中国发明专利(201710116953.8)。2022年，浙江大学的何赛灵等人发明了一种基于亚波长光栅结构的高性能起偏器，在1260-1675纳米范围内，插入损耗小于0.5dB，消光比大于20dB，申请了中国发明专利(202210212580.5)。

综上所述，虽然亚波长光栅耦合器已经被广泛的研究开发，然而，亚波长光栅耦合器的性能仍然对器件尺寸的加工误差非常敏感，特别是亚波长结构填充因子的变化会极大的影响亚波长光栅耦合器的中心波长和效率，不利于开发高可靠性、高质量、低成本、高集成度的光电子集成回路。

发明内容

本发明的目的是为了克服传统亚波长光栅耦合器对器件加工误差过于敏感的问题。提出一种高制作容差的亚波长光栅耦合器。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：