專利名稱：片上周期變化折射率透鏡光子芯片立體耦合器及制備方法
片上周期變化折射率透鏡光子芯片立體耦合器及制備方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于光電子學(xué)和集成光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)，涉及一種片上周期變化折射率透鏡光子芯片立體耦合器及制備方法，該耦合器及制備方法可用于光通信系統(tǒng)、光纖傳感系統(tǒng)、光纖測(cè)量系統(tǒng)、光計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等系統(tǒng)中。
背景技術(shù)：
在光子集成技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，波導(dǎo)器件與光纖耦合成為其發(fā)展的重要技術(shù)瓶頸之一。首先，由于SOI (Silicon-On-1nsulator)或InP波導(dǎo)折射率大,對(duì)光限制的能力強(qiáng),波導(dǎo)可達(dá)亞微米或納米尺度。波導(dǎo)的模斑尺寸比光纖的小，造成波導(dǎo)與光纖耦合時(shí)模場(chǎng)失配。 再者，光從光纖入射到波導(dǎo)器件時(shí)，要求對(duì)二者之間有比較精準(zhǔn)的對(duì)準(zhǔn)，兩者尺寸的不匹配也會(huì)增加對(duì)準(zhǔn)的難度。當(dāng)光從光纖入射到這種小尺寸的波導(dǎo)時(shí)，二者之間的模場(chǎng)失配、折射率失配以及對(duì)準(zhǔn)失配，導(dǎo)致輻射模、菲涅爾反射以及對(duì)準(zhǔn)誤差的出現(xiàn)。因此，光纖與光子芯片的高效耦合是很大的技術(shù)挑戰(zhàn)。
三種失配關(guān)系中，就微納尺度光子芯片的耦合問(wèn)題來(lái)講，折射率失配最重要，最難解決。模場(chǎng)失配通過(guò)透鏡光纖、模斑轉(zhuǎn)換器等均有良好的改善；對(duì)準(zhǔn)失配通過(guò)精密自動(dòng)六維微調(diào)或不要求精確對(duì)準(zhǔn)的面上耦合，也會(huì)有很好的解決。但折射率失配涉及材料問(wèn)題，不易解決。因光纖-芯片材料折射率差較大，難以有一種漸變折射率材料完美地實(shí)現(xiàn)折射率沿縱向從3. 5 (SOI或InP)變化到1. 45 (熔融石英)。而且傳統(tǒng)的漸變折射率透鏡是分立光學(xué)元件，不易實(shí)現(xiàn)光子集成。發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供了一種片上周期變化折射率透鏡光子芯片立體耦合器，該耦合器具有尺寸小、利于集成、光場(chǎng)約束強(qiáng)和對(duì)準(zhǔn)精度要求低，可以實(shí)現(xiàn)芯片和光纖之間高效迅捷耦合。同時(shí)，本發(fā)明還提供了該耦合器的制備方法，該制備方法簡(jiǎn)單易行。
技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案
一種片上周期變化折射率透鏡光子芯片立體耦合器，該耦合器包括光子芯片、周期變化折射率透鏡層、光纖，光子芯片包括硅襯底，以及生長(zhǎng)刻蝕在硅襯底頂面的脊波導(dǎo)、 模斑轉(zhuǎn)換器和光柵，模斑轉(zhuǎn)換器的輸入端口與脊波導(dǎo)的寬度相等，且模斑轉(zhuǎn)換器的輸入端口與脊波導(dǎo)的波導(dǎo)端口連接；模斑轉(zhuǎn)換器的輸出端口與光柵的寬度相等，且模斑轉(zhuǎn)換器的輸出端口與光柵的輸入端口連接；周期變化折射率透鏡層連接于光柵的頂面，光纖連接于周期變化折射率透鏡層的頂面；光纖的軸線與周期變化折射率透鏡層頂面法線的夾角為光纖傾斜角Θ，且O。( Θ <90°。
進(jìn)一步，所述的光子芯片和變折射率透鏡層為整體式結(jié)構(gòu)。
進(jìn)一步，所 述的周期變化折射率透鏡層由交替疊加連接的硅層和二氧化硅層組成，且硅層的層數(shù)和二氧化硅層的層數(shù)分別大于20層。
上述片上周期變化折射率透鏡光子芯片立體耦合器的制備方法，該制備方法包括以下步驟
步驟10)制作硅襯底的掩膜利用低壓化學(xué)氣相沉積工藝將氮化硅層沉積在硅襯底的頂面，作為娃襯底的掩膜；
步驟20)對(duì)硅襯底進(jìn)行成型處理通過(guò)接觸式光刻工藝，利用正性光刻膠，對(duì)硅襯底進(jìn)行成型處理；
步驟30)制作熱氧化層采用反應(yīng)離子刻蝕方法，刻蝕氮化硅，形成熱氧化層；
步驟40)制作脊波導(dǎo)、模斑轉(zhuǎn)換器和光柵利用反應(yīng)離子刻蝕方法，對(duì)硅襯底進(jìn)行刻蝕，形成脊波導(dǎo)和模斑轉(zhuǎn)換器，再利用紫外光刻工藝，對(duì)硅襯底進(jìn)行刻蝕，形成具有空氣層和波導(dǎo)層的光柵，且模斑轉(zhuǎn)換器的輸入端口與脊波導(dǎo)的波導(dǎo)端口連接，模斑轉(zhuǎn)換器的輸出端口與光柵的輸入端口連接；
步驟50)沉積鈍化的二氧化硅薄膜層通過(guò)氧等離子體去除正性光刻膠，并用磷酸去除氮化硅，再通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積工藝在波導(dǎo)層上沉積鈍化的二氧化硅薄膜層；
步驟60)沉積鈍化的硅薄膜層通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉工藝，將硅薄膜層沉積在步驟50)制得的二氧化硅薄膜上；
步驟70)制作周期變化折射率透鏡層重復(fù)步驟50)和步驟60)，制成具有立體結(jié)構(gòu)的周期變化折射率透鏡層；
步驟80)制成耦合器在步驟70)制成的周期變化折射率透鏡層上設(shè)置光纖，光纖固定在微調(diào)架上，從而制成耦合器。
有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果
(I)易于實(shí)現(xiàn)光子集成。采用片上周期變化折射率透鏡，即在光子芯片端口側(cè)通過(guò)半導(dǎo)體制作工藝形成微納尺度的折射率周期變化結(jié)構(gòu)，與光子芯片尺度在一個(gè)量級(jí)上，集成在光子芯片上，與光子芯片形成整體。這克服了傳統(tǒng)的分立體光學(xué)元件形式的漸變折射率透鏡尺寸大、對(duì)準(zhǔn)調(diào)節(jié)困難等問(wèn)題。
(2)降低對(duì)準(zhǔn)精度，實(shí)現(xiàn)立體耦合。在光子芯片端口制作光柵，通過(guò)設(shè)計(jì)不同周期結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)脊波導(dǎo)中縱向波矢偏轉(zhuǎn)，光場(chǎng)可傾斜角Θ輸出，得到近水平縱向到垂直方向近90°范圍的可調(diào)光信號(hào)，降低了光纖與芯片波導(dǎo)的對(duì)準(zhǔn)精度，實(shí)現(xiàn)大容差立體耦合。這 種方式不需要對(duì)芯片進(jìn)行劃片、切割和研磨，光纖可以作為探針，有較大的空間自由度，為芯片晶圓級(jí)檢測(cè)和分選提供了可能性。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明中光子芯片和周期變化折射率透鏡層的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明中硅襯底和光柵的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明的光場(chǎng)傳輸路徑示意圖。
圖5是本發(fā)明試驗(yàn)的耦合效率與光纖傾斜角的關(guān)系對(duì)比圖。
圖中有光子芯片1、脊波導(dǎo)11、硅襯底12、模斑轉(zhuǎn)換器13、光柵14、空氣層141、波導(dǎo)層142、周期變化折射率透鏡層2、硅層21、二氧化硅層22、光纖3。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。
如圖1至圖3所示，本發(fā)明的一種片上周期變化折射率透鏡光子芯片立體耦合器， 包括光子芯片1、周期變化折射率透鏡層2 (文中簡(jiǎn)稱GRIN)和光纖3。光子芯片I包括硅襯底12,以及生長(zhǎng)刻蝕在娃襯底12頂面的脊波導(dǎo)11、模斑轉(zhuǎn)換器13和光柵14。模斑轉(zhuǎn)換器13的輸入端口與脊波導(dǎo)11的寬度相等，且模斑轉(zhuǎn)換器13的輸入端口與脊波導(dǎo)11的波導(dǎo)端口連接。模斑轉(zhuǎn)換器13的輸出端口與光柵14的寬度相等,且模斑轉(zhuǎn)換器13的輸出端口與光柵14的輸入端口連接。周期變化折射率透鏡層2連接于光柵14的頂面。光纖3連接于周期變化折射率透鏡層2的頂面。光纖3的軸線與周期變化折射率透鏡層2頂面法線的夾角為光纖傾斜角Θ，且0°彡Θ <90°。
進(jìn)一步，所述的光子芯片I和變折射率透鏡層2為整體式結(jié)構(gòu)。呈整體式結(jié)構(gòu)的光子芯片I和變折射率透鏡層2，易于實(shí)現(xiàn)光子集成。在光子芯片I端口側(cè)通過(guò)半導(dǎo)體制作工藝形成微納尺度的折射率變化結(jié)構(gòu)，與光子芯片I尺度在一個(gè)量級(jí)上，集成在光子芯片I 上，與光子芯片I形成一個(gè)整體。這克服了分立體光學(xué)元件形式的漸變折射率透鏡尺寸大、 對(duì)準(zhǔn)調(diào)節(jié)困難等問(wèn)題?；诎雽?dǎo)體工藝制作在光柵14上方的周期變化折射率透鏡層2，完成了或部分完成芯片至光纖間的折射率漸變，減小兩者間的反射損耗。
進(jìn)一步，所述的周期變化折射率透鏡層2由交替疊加連接的硅層21和二氧化硅層 22組成，且硅層21的層數(shù)和二氧化硅層22的層數(shù)分別大于20層。交替疊加形成周期結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)折射率漸變。周期變化折射率透鏡層2底層的折射率與光柵14的波導(dǎo)層142的折射率匹配，例如可以是3. 5。周期變化折射率透鏡層2頂層的折射率與光纖3的折射率匹配,例如可以是1. 45。
進(jìn)一步，所述的光柵14包括空氣層141和波導(dǎo)層142，波導(dǎo)層142的頂面設(shè)有相互平行的凸楞，相鄰的兩個(gè)凸楞之間形成的凹槽為空氣層141。
上述結(jié)構(gòu)耦合器的工作過(guò)程是光子芯片I由生長(zhǎng)刻蝕在硅襯底12上的脊波導(dǎo) 11完成光信號(hào)的處理和傳輸，利用模斑轉(zhuǎn)換器13和光柵14完成模場(chǎng)匹配和光路轉(zhuǎn)向。光柵14由周期排列的空氣層141和波導(dǎo)層142組成。制作在光柵14上方的是周期變化折射率透鏡層2。周期變化折射率透鏡層2完成光子芯片I與光纖3間的折射率變化，減小兩者間的反射損耗。光子芯片I通過(guò)片上周期變化折射率透鏡層2疊加光柵14的接口，將光子芯片I中的光場(chǎng)高效地耦合到光纖3中，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)高效的輸入輸出。
利用Comsol仿真軟件仿真本發(fā)明的耦合器中光場(chǎng)傳輸路徑，如圖4所示。從圖4 可知光場(chǎng)能量可有效地從脊波導(dǎo)11，經(jīng)模斑轉(zhuǎn)換器13、光柵14、周期變化折射率透鏡層2， 耦合進(jìn)入到光纖3中，完成光信號(hào)的傳輸。
上述片上周期變化折射率透鏡光子芯片立體耦合器的制備方法，包括以下步驟
步驟10)制作硅襯 底12的掩膜利用低壓化學(xué)氣相沉積工藝將氮化硅層沉積在硅襯底12的頂面，作為硅襯底12的掩膜。
步驟20)對(duì)硅襯底12進(jìn)行成型處理通過(guò)接觸式光刻工藝，利用正性光刻膠，對(duì)硅襯底12進(jìn)行成型處理。
步驟30)制作熱氧化層采用反應(yīng)離子刻蝕方法，刻蝕氮化硅，形成熱氧化層。
步驟40)制作脊波導(dǎo)11、模斑轉(zhuǎn)換器13和光柵14 :利用反應(yīng)離子刻蝕方法，對(duì)硅襯底12進(jìn)行刻蝕，形成脊波導(dǎo)11和模斑轉(zhuǎn)換器13，再利用紫外光刻工藝，對(duì)硅襯底12進(jìn)行刻蝕，形成具有空氣層141和波導(dǎo)層142的光柵14，且模斑轉(zhuǎn)換器13的輸入端口與脊波導(dǎo) 11的波導(dǎo)端口連接，模斑轉(zhuǎn)換器13的輸出端口與光柵14的輸入端口連接。
步驟50)沉積鈍化的二氧化硅薄膜層通過(guò)氧等離子體去除正性光刻膠，并用磷酸去除氮化硅，再通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積工藝在波導(dǎo)層142上沉積鈍化的二氧化娃薄膜層。
步驟60)沉積鈍化的硅薄膜層通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉工藝，將硅薄膜層沉積在步驟50)制得的二氧化硅薄膜上。
步驟70)制作周期變化折射率透鏡層2 :重復(fù)步驟50)和步驟60)，制成具有立體結(jié)構(gòu)的周期變化折射率透鏡層2。
在步驟70)中，重復(fù)步驟50)和步驟60)的次數(shù)大于19次。
步驟80)制成耦合器在步驟70)制成的周期變化折射率透鏡層2上設(shè)置光纖3， 光纖3固定在微調(diào)架上,從而制成稱合器。下面通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，說(shuō)明本發(fā)明的片上周期變化折射率透鏡光子芯片立體耦合器優(yōu)良性能(以下簡(jiǎn)稱，本發(fā)明的耦合器)。試驗(yàn)對(duì)象是兩種結(jié)構(gòu)的耦合器，一種是采用本發(fā)明結(jié)構(gòu)的耦合器，另一種是對(duì)比耦合器。該對(duì)比耦合器的結(jié)構(gòu)與本發(fā)明耦合器的結(jié)構(gòu)相同，不同的是對(duì)比耦合器中沒(méi)有設(shè)置周期變化折射率透鏡層，光纖直接與光子芯片的光柵連接。
兩種結(jié)構(gòu)的耦合器中相同的部件具有相同的尺寸，參數(shù)具體如下光柵14周期O.71 μ m,刻蝕深度O. 9 μ m ;娃襯底12厚度O. 8 μ m ;脊波導(dǎo)11高度O. 18 μ m、寬度O. 7 μ m ; 模斑轉(zhuǎn)換器13輸入端寬O. 7 μ m、輸出端寬3 μ m ;周期變化折射率透鏡層2中硅層21的層數(shù)為30層，每層厚度為O. 8 μ m，_■氧化娃層22層數(shù)為30層，每層厚度為O. 2 μ m。
利用Comsol仿真軟件，測(cè)試上述兩種結(jié)構(gòu)的耦合器的耦合效率與光纖傾斜角的關(guān)系。仿真結(jié)果如表I和表2所示，其中，表I是對(duì)比例的耦合器的耦合效率與光纖傾斜角的對(duì)應(yīng)關(guān)系。表2是本發(fā)明的耦合器的耦合效率與光纖傾斜角的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
從表I和表2可知對(duì)比例的耦合器在光纖傾斜角10°時(shí),耦合效率最大,耦合效率為O. 547 ;本發(fā)明的耦合器在光纖傾斜角16°時(shí)，耦合效率最大，耦合效率為O. 794。結(jié)合表I和表2中的數(shù)據(jù)，通過(guò)折線圖來(lái)表示耦合效率與光纖傾斜角的關(guān)系，如圖5所示。從表1、表2和圖5可知，本發(fā)明的耦合器比對(duì)比例的耦合器具有更高的耦合效率、且傾斜角更大。
表1.對(duì)比例的耦合器的耦合效率與光纖傾斜角的關(guān)系
權(quán)利要求
1.一種片上周期變化折射率透鏡光子芯片立體耦合器，其特征在于，該耦合器包括光子芯片(I)、周期變化折射率透鏡層(2)、光纖(3)，光子芯片(I)包括硅襯底(12)，以及生長(zhǎng)刻蝕在硅襯底(12)頂面的脊波導(dǎo)(11)、模斑轉(zhuǎn)換器(13)和光柵(14)，模斑轉(zhuǎn)換器(13)的輸入端口與脊波導(dǎo)(11)的寬度相等，且模斑轉(zhuǎn)換器(13)的輸入端口與脊波導(dǎo)(11)的波導(dǎo)端口連接；模斑轉(zhuǎn)換器(13)的輸出端口與光柵(14)的寬度相等，且模斑轉(zhuǎn)換器(13)的輸出端口與光柵(14)的輸入端口連接；周期變化折射率透鏡層(2)連接于光柵(14)的頂面，光纖(3)連接于周期變化折射率透鏡層(2)的頂面；光纖(3)的軸線與周期變化折射率透鏡層(2)頂面法線的夾角為光纖傾斜角0，且0°彡Θ <90°。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的片上周期變化折射率透鏡光子芯片立體耦合器，其特征在于所述的光子芯片(I)和變折射率透鏡層(2)為整體式結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的片上周期變化折射率透鏡光子芯片立體耦合器，其特征在于所述的周期變化折射率透鏡層(2)由交替疊加連接的硅層(21)和二氧化硅層(22)組成，且硅層(21)的層數(shù)和二氧化硅層(22)的層數(shù)分別大于20層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的片上周期變化折射率透鏡光子芯片立體耦合器，其特征在于所述的光柵(14)包括空氣層(141)和波導(dǎo)層(142)，波導(dǎo)層(142)的頂面設(shè)有相互平行的凸楞，相鄰的兩個(gè)凸楞之間形成的凹槽為空氣層(141)。
5.一種權(quán)利要求1所述的片上周期變化折射率透鏡光子芯片立體耦合器的制備方法，其特征在于該制備方法包括以下步驟步驟10)制作硅襯底(12)的掩膜利用低壓化學(xué)氣相沉積工藝將氮化硅層沉積在硅襯底(12)的頂面，作為硅襯底(12)的掩膜；步驟20)對(duì)硅襯底(12)進(jìn)行成型處理通過(guò)接觸式光刻工藝，利用正性光刻膠，對(duì)硅襯底(12)進(jìn)行成型處理；步驟30)制作熱氧化層采用反應(yīng)離子刻蝕方法，刻蝕氮化硅，形成熱氧化層；步驟40)制作脊波導(dǎo)(11)、模斑轉(zhuǎn)換器(13)和光柵(14):利用反應(yīng)離子刻蝕方法，對(duì)硅襯底(12)進(jìn)行刻蝕，形成脊波導(dǎo)(11)和模斑轉(zhuǎn)換器(13)，再利用紫外光刻工藝，對(duì)硅襯底(12)進(jìn)行刻蝕，形成具有空氣層(141)和波導(dǎo)層(142)的光柵(14)，且模斑轉(zhuǎn)換器(13)的輸入端口與脊波導(dǎo)(11)的波導(dǎo)端口連接，模斑轉(zhuǎn)換器(13)的輸出端口與光柵(14)的輸入端口連接；步驟50)沉積鈍化的二氧化硅薄膜層通過(guò)氧等離子體去除正性光刻膠，并用磷酸去除氮化硅，再通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積工藝在波導(dǎo)層(142)上沉積鈍化的二氧化硅薄膜層；步驟60)沉積鈍化的硅薄膜層通過(guò)等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相沉工藝，將硅薄膜層沉積在步驟50)制得的二氧化硅薄膜上；步驟70)制作周期變化折射率透鏡層(2):重復(fù)步驟50)和步驟60)，制成具有立體結(jié)構(gòu)的周期變化折射率透鏡層(2)；步驟80)制成耦合器在步驟70)制成的周期變化折射率透鏡層(2)上設(shè)置光纖(3)，光纖(3)固定在微調(diào)架上,從而制成稱合器。
6.按照權(quán)利要求5所述的片上周期變化折射率透鏡光子芯片立體耦合器的制備方法，其特征在于所述的步驟70)中，重復(fù)步驟50)和步驟60)的次數(shù)大于19次。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種片上周期變化折射率透鏡光子芯片立體耦合器，包括光子芯片、周期變化折射率透鏡層、光纖，光子芯片包括硅襯底，以及生長(zhǎng)刻蝕在硅襯底頂面的脊波導(dǎo)、模斑轉(zhuǎn)換器和光柵，模斑轉(zhuǎn)換器的輸入端口與脊波導(dǎo)的寬度相等，且模斑轉(zhuǎn)換器的輸入端口與脊波導(dǎo)的波導(dǎo)端口連接；模斑轉(zhuǎn)換器的輸出端口與光柵的寬度相等，且模斑轉(zhuǎn)換器的輸出端口與光柵的輸入端口連接；周期變化折射率透鏡層連接于光柵的頂面，光纖連接于周期變化折射率透鏡層的頂面。該耦合器具有尺寸小、利于集成、光場(chǎng)約束強(qiáng)和對(duì)準(zhǔn)精度要求低，可以實(shí)現(xiàn)芯片和光纖之間高效迅捷耦合。同時(shí)，本發(fā)明還公開(kāi)了該耦合器的制備方法，該制備方法簡(jiǎn)單易行。
文檔編號(hào)G02B6/13GK103033881SQ20121059112
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月31日
發(fā)明者劉旭, 劉文強(qiáng), 蔣衛(wèi)鋒, 孫小菡, 柏寧豐 申請(qǐng)人:東南大學(xué)