本發(fā)明涉及一種光學(xué)器件，特別涉及一種基于亞波長光柵結(jié)構(gòu)的寬帶氮化硅波導(dǎo)耦合器。

背景技術(shù)：

氮化硅這一硅基材料在集成光電子器件方面有著廣泛應(yīng)用，具有從可見到紅外的寬透射譜，其制作工藝與商用半導(dǎo)體加工工藝兼容等特性?；诘璨牧系墓獠▽?dǎo)結(jié)構(gòu)，與包覆層的折射率差值適中，器件尺寸在微米量級，制造容差較大，易于大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)，且有關(guān)器件與外部光纖的耦合效率較高，傳輸損耗也比較低。在眾多的光學(xué)集成器件中，定向耦合器是基本組成部分，可以應(yīng)用于波長解復(fù)用器，偏振光束分光器，光學(xué)開關(guān)和生物傳感器，定向耦合器由于其結(jié)構(gòu)上簡單，沒有累贅的固有損耗等特性非常適用于光束分光，同時(shí)，定向耦合器簡單易設(shè)計(jì)，其分光比可以通過改變耦合長度或波導(dǎo)間隔來調(diào)節(jié)。盡管定向耦合器被廣泛應(yīng)用但它的帶寬很窄且有嚴(yán)格的制造容差，這是由于在交叉耦合中必須滿足嚴(yán)格的相位匹配條件，鑒于該缺點(diǎn)，目前有幾種方法被提出以拓寬定向耦合器的帶寬：1、通過在馬赫森德干涉儀中連接耦合器的方法帶寬有所改善但以更大的器件封裝尺寸為代價(jià)【在先技術(shù)1：J. Feng and R. Akimoto, Jpn. J. Appl. Phys. 54, 04DG08 (2015)】。2、通過在耦合區(qū)采用特定的錐形波導(dǎo)，非對稱耦合器可以獲得寬帶寬但同樣極大增加了封裝尺寸【在先技術(shù)2：G. Paloczi, A. Eyal, and A. Yariv, IEEE Photon. Technol. Lett. 16, 515 –517 (2004)】。3、將耦合器的形狀彎曲雖然有效但會導(dǎo)致相位響應(yīng)的退化【在先技術(shù)3：D. Dai and J. E. Bowers, Opt. Express 19(19), 18614–18620 (2011)】。

最近，亞波長結(jié)構(gòu)的光柵引起廣泛關(guān)注，當(dāng)它的光柵周期足夠小時(shí)，能夠充當(dāng)均勻媒介并且有效抑制衍射效應(yīng)，通過改變占空比和光柵周期，亞波長光柵波導(dǎo)有效模式的折射率和色散可以很容易改變,便于光學(xué)器件的集成與設(shè)計(jì)，矩形光柵是利用微電子深刻蝕工藝，在基底上加工出的具有矩形槽形的光柵。高密度矩形光柵的衍射理論，不能簡單地由波導(dǎo)學(xué)中光束傳播法來解釋，須采用三維有限時(shí)域差分算法，通過編碼的計(jì)算機(jī)程序精確地計(jì)算出結(jié)果。但據(jù)我們所知，目前為止，還沒有人針對1550納米光通信波段給出在氮化硅基片上制作的亞波長光柵結(jié)構(gòu)的寬帶耦合器的設(shè)計(jì)參數(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是針對定向耦合器存在的問題，提出了一種基于亞波長光柵結(jié)構(gòu)的寬帶氮化硅波導(dǎo)耦合器，波長為1550納米的TE偏振光（振動方向垂直于傳播方向）沿波導(dǎo)入射時(shí),可以實(shí)現(xiàn)50:50的耦合比，從1500到1620納米波段的TE偏振光沿光柵波導(dǎo)入射時(shí)，可實(shí)現(xiàn)分束光功率差值在0.2 分貝以內(nèi)。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種基于亞波長光柵結(jié)構(gòu)的寬帶氮化硅波導(dǎo)耦合器，由兩個(gè)完全左右前后對稱的結(jié)構(gòu)相同的氮化硅波導(dǎo)耦合組成，輸入端為分離的直波導(dǎo)，經(jīng)過彎曲的錐形波導(dǎo)進(jìn)入耦合區(qū)，到周期光柵結(jié)構(gòu)，再到彎曲的錐形波導(dǎo)到輸出端分離的直波導(dǎo)，錐形波導(dǎo)中間為從直波導(dǎo)寬度漸變小的錐形，兩邊為等寬的鋸齒形，鋸齒形的間隔結(jié)構(gòu)與光柵結(jié)構(gòu)相同，該波導(dǎo)耦合器從頭到尾寬度和高度完全相等。

所述彎曲的錐形波導(dǎo)為S形的錐形波導(dǎo)，入射端兩直波導(dǎo)間距是光柵結(jié)構(gòu)波導(dǎo)間距的十倍以上。

所述兩個(gè)完全左右前后對稱的結(jié)構(gòu)相同的氮化硅波導(dǎo)外由微米厚的二氧化硅層包裹。

所述光柵結(jié)構(gòu)波導(dǎo)導(dǎo)寬為1800納米,高度為330納米，光柵周期為350納米，占空比為0.315，占空比即為硅條紋寬度和周期的比值，耦合長度25.2微米，波長為1550納米的TE偏振光從輸入端直波導(dǎo)沿波導(dǎo)入射時(shí),實(shí)現(xiàn)50:50的耦合比，光柵結(jié)構(gòu)波導(dǎo)間距450納米時(shí)實(shí)現(xiàn)從1500納米到1620納米波段耦合器出射端光功率差值在0.2分貝以內(nèi)。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明基于亞波長光柵結(jié)構(gòu)的寬帶氮化硅波導(dǎo)耦合器，設(shè)計(jì)的光柵結(jié)構(gòu)的氮化硅寬帶耦合器較傳統(tǒng)意義上的耦合器而言能夠極大地拓寬了傳輸帶寬，傳輸損耗低，耦合效率高，性能穩(wěn)定，在1550納米光通信波段具有重要的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于亞波長光柵結(jié)構(gòu)的寬帶氮化硅波導(dǎo)耦合器三維結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明光柵結(jié)構(gòu)耦合器的耦合效果圖；

圖3為本發(fā)明基于亞波長光柵結(jié)構(gòu)的寬帶氮化硅波導(dǎo)耦合器制備過程示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示基于亞波長光柵結(jié)構(gòu)的寬帶氮化硅波導(dǎo)耦合器三維結(jié)構(gòu)圖，它包含兩個(gè)完全左右前后對稱的結(jié)構(gòu)相同的氮化硅波導(dǎo)1和2耦合組成,該波導(dǎo)耦合器從頭到尾寬度和高度完全相等，輸入端為分離的直波導(dǎo)，經(jīng)過彎曲的錐形波導(dǎo)進(jìn)入耦合區(qū)，到周期光柵結(jié)構(gòu)波導(dǎo)，再到彎曲的錐形波導(dǎo)到輸出端分離的直波導(dǎo)，錐形波導(dǎo)中間為從直波導(dǎo)寬度漸變小的錐形，兩邊為等寬的鋸齒形，鋸齒形的間隔結(jié)構(gòu)與光柵結(jié)構(gòu)相同，從氮化硅波導(dǎo)1中入射的TE偏振光先后經(jīng)由彎曲的錐形波導(dǎo)和光柵結(jié)構(gòu)后會迅速耦合到氮化硅波導(dǎo)2中，這是因?yàn)楣鈻沤Y(jié)構(gòu)對于入射光的限制作用較矩形波導(dǎo)弱，通過控制耦合距離,光柵周期和占空比可以保證在輸出端和交叉端耦合比為50:50，即為3dB耦合,其中耦合比表示由輸入信道耦合到指定輸信道功率的百分比。對于該結(jié)構(gòu)為避免在輸入端不必要的耦合對于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，這里用到了一種S形的錐形波導(dǎo)，入射端兩直波導(dǎo)間距遠(yuǎn)大于光柵結(jié)構(gòu)波導(dǎo)間隔，所謂遠(yuǎn)大于即在10倍以上，最好在40-50倍。同時(shí)錐形結(jié)構(gòu)能使光從直波導(dǎo)順利過渡到光柵結(jié)構(gòu)波導(dǎo)中，減少不必要的損耗。

該光柵耦合器由3微米厚的二氧化硅層包裹，由矩形氮化硅條紋和入射端和出射端彎曲的錐形波導(dǎo)構(gòu)成，特別在光柵結(jié)構(gòu)波導(dǎo)寬為1800納米,高度為330納米，光柵周期為350納米，占空比為（硅條紋寬度和周期的比值）0.315，耦合長度25.2微米，波長為1550納米的TE偏振光（振動方向垂直于入射面）沿波導(dǎo)入射時(shí),可以實(shí)現(xiàn)50:50的耦合比（即為3dB耦合），光柵結(jié)構(gòu)波導(dǎo)間距間距450納米時(shí)可實(shí)現(xiàn)從1500納米到1620納米波段耦合器出射端光功率差值在0.2分貝以內(nèi)，圖2表示所述結(jié)構(gòu)參數(shù)下入射波長變化時(shí)光柵耦合器的歸一化透過率圖，其中實(shí)線和虛線分別表示出射端和交叉端的歸一化透過率變化趨勢，實(shí)現(xiàn)和虛線關(guān)于3分貝的水平虛線對稱，由圖可以看出盡管兩線變化有或大或小的震蕩，但在同一波長下，出射端和交叉端的歸一化透過率差值始終在0.2個(gè)分貝內(nèi)。

基于亞波長光柵結(jié)構(gòu)的寬帶氮化硅波導(dǎo)耦合器通常采用電子束光刻技術(shù)和反應(yīng)離子刻蝕。與其他亞波長結(jié)構(gòu)光柵只需要采用電子束光刻技術(shù)刻蝕一次不同的是，這里的光柵結(jié)構(gòu)與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是分開制作的，如果將光柵和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)同時(shí)制作的話，狹窄的光柵脊很容易在模具成型的過程中發(fā)生位置的偏移和形變，因此，光柵結(jié)構(gòu)和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)應(yīng)該分別先后制作。

如圖3所示基于亞波長光柵結(jié)構(gòu)的寬帶氮化硅波導(dǎo)耦合器制備過程示意圖，圖3中除了有說明以外，其他圖形都為側(cè)視圖，首先1通過剝離技術(shù)制備方法在硅材料表面制作一組用于后續(xù)結(jié)構(gòu)制備的全局標(biāo)記，然后2首先利用等離子體化學(xué)氣相沉積得到一個(gè)4微米厚的二氧化硅緩沖層，然后通過在二氧化硅緩沖層上低溫化學(xué)氣相沉積得到250納米厚的氮化硅層，3采用電子束光刻技術(shù)和反應(yīng)離子刻蝕法使得氮化硅光柵成型，光柵結(jié)構(gòu)被深度刻蝕，正性電子束抗蝕劑（大約400納米厚）直接用作刻蝕掩模，氮化硅基片經(jīng)過干法和濕法化學(xué)清潔后，在氮化硅基片上包裹一層電子束抗蝕劑后，4先利用全局標(biāo)記進(jìn)行光柵結(jié)構(gòu)位置的檢出，再采用電子束光刻技術(shù)和反應(yīng)離子刻蝕法制備定向耦合器結(jié)構(gòu)，當(dāng)樣品被濕法化學(xué)清潔后，5在上面利用等離子體化學(xué)氣相沉積生長出一個(gè)3微米厚的二氧化硅層，最后進(jìn)行切割封裝，以進(jìn)行最終的器件測試。