CN101833138B - 一种偏振无关光栅耦合器的制作方法 - Google Patents
一种偏振无关光栅耦合器的制作方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种T型槽光栅结构的设计方法，对两种模式采取不同的耦合原理来实现输出耦合器，从而实现了采用同一结构对TE、TM模式同时高效率耦合输出。本发明实现了在1480-1580nm波长范围内TE、TM模式的耦合效率均高于50％，两种模式的耦合效率都在1550nm波长处达到了58％；而在1510-1580nm波长范围内耦合器的偏振相关损耗(PDL)小于0.05dB，在1550nm波长处仅为3.6×10-3dB，所设计的光栅耦合器实现了高耦合效率、低偏振相关损耗、宽带宽的耦合输出功能。器件结构简单、制作方便、体积小，且与标准的CMOS工艺兼容，将为偏振无关器件的设计与制造提供技术支持。
Description
技术领域
本发明涉及光耦合领域，特别是一种集成光栅耦合器，具有偏振无关的特性。
背景技术
集成硅基光学***，由于其小的器件尺寸，以及与传统集成电路CMOS工艺良好的兼容性，成为目前研究的一个热点。许多微纳器件已经在硅基上实现集成，如激光器、调制器、滤波器、耦合器、缓存器等等。而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，从而被广泛应用在平面光学***中。
但是光栅和其他光学微纳器件一样，由于尺寸小使得器件对于TE、TM模式的有效折射率存在较大差异，从而导致了器件偏振相关的问题。通过光诱导双折射现象可以解决器件偏振相关的问题(D.A.Peyrot，T.V.Galstian，and R.A.Lessard，“Polarization independentgrating coupling in planar wave-guide using photo-inducedbirefringence，”Proc.SPIE 4833，719(2002).)，但是它采用了特殊的偏振光敏感材料，且涉及到偏振曝光技术，实用性和普遍性不大。通过生长应力层的方法将TE、TM模式的有效折射率差调节为零(D.-X.Xu，P.Cheben，D.Dalacu，A.S.Janz，B.Lamontagne，M.-J.Picard，and W. N.Ye，“Eliminating the birefringence insilicon-on-insulator ridge waveguides by use of cladding stress，”Opt.Lett.29，2384(2004).)，也可以解决偏振相关的问题，但是增加了后处理工艺步骤和额外的材料，而其增加应力层所引入的额外厚度也限制了器件尺寸向更小发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种T型槽光栅结构的设计方法，对两种模式采取不同的耦合原理来实现输出耦合器，从而实现了采用同一结构对TE、TM模式同时高效率耦合输出，在1550nm光通信波段附近实现了高效率、宽带宽、低偏振相关损耗(PDL)的偏振无关光栅耦合器。采用的具体技术方案如下：
一种偏振无关光栅耦合器的制作方法，包括如下步骤：
(1)根据光栅耦合布拉格条件计算TM模式的周期TTM；
(2)根据光栅谐振条件计算TE模式的周期TTE；
(3)令TTM＝TTE，求得所述偏振无关光栅耦合器的上层材料厚度，将此时的TTM或TTE设置为该偏振无关光栅耦合器的周期；
(4)利用上述求得的上层材料厚度和周期制作竖直Slot光栅；
(5)在上述竖直slot光栅的凹槽上部刻蚀一组浅刻蚀光栅，使得上述竖直Slot光栅变为T型槽光栅，调节所述浅刻蚀光栅的刻蚀宽度与刻蚀深度，使得TE模式耦合输出效率最大，TM模式耦合效率不受影响，此时形成的T型槽光栅即为所求的偏振无关光栅耦合器。
本发明所述的周期TTM为λ/neff TM，其中，λ为耦合波长，neff TM为TM模式的有效折射率。
本发明在计算TE模式的周期TTE中，首先将光场束缚在一个布拉格光栅谐振器之中，此时，TE模式光栅耦合器的工作是遵循光栅谐振条件，从而光栅周期TTE在(2a±1)λ/4neff TE到aλ/2neff TE范围内，其中，neff TE为TE模式的有效折射率，λ为耦合波长，a为正整数。
本发明所述的偏振无关光栅耦合器的材料可以是任何对TE和TM模式存在有效折射率差的材料。
本发明实现了在1480-1580nm波长范围内TE、TM模式的耦合效率均高于50％，两种模式的耦合效率都在1550nm波长处达到了58％；而在1510-1580nm波长范围内耦合器的偏振相关损耗(PDL)小于0.05dB，在1550nm波长处仅为3.6×10-3dB，所设计的光栅耦合器实现了高耦合效率、低偏振相关损耗、宽带宽的耦合输出功能。
本发明提供了一种新型偏振无关光栅耦合器的设计方法，相比较于以往的偏振无关器件，其器件结构简单、制作方便、体积小，且与标准的CMOS工艺兼容，将为偏振无关器件的设计与制造提供技术支持。
附图说明
图1本发明的原理图及结构图，图中上下深灰色部分为硅，中间白色部分为二氧化硅，图(a)为针对TM模式的竖直Slot光栅，图(b)为针对TE模式的布拉格光栅谐振器，图(c)为TM模式的T型槽光栅，图(d)为TE模式的T型槽光栅。图(a)、(b)到(c)、(d)箭头的变化示意了光在耦合器中路径的变化，图(c)、(d)为所发明的光栅耦合器结构。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种结构简单、易制作的新型偏振无关光栅耦合器的设计方法。具体实施方式分以下五个步骤：
1.根据光栅耦合布拉格条件求得TM模式的周期TTM；
通常基于光栅布拉格条件的针对同一波长的TE、TM模式的光栅耦合器，由于二者大的有效折射率差，其光栅周期会有很大的不同。而这里我们考虑TM模式仍遵循光栅布拉格条件进行耦合，则其光栅周期TTM应为λ/neff TM(λ为耦合波长，neff TM为TM模式的有效折射率)左右，针对TM模式的Slot效应，TM光栅的刻槽采用竖直Slot刻槽结构导出能量来实现高效率耦合。
2.根据光栅谐振条件求得TE模式的周期TTE；
针对TE模式，首先将光场束缚在一个布拉格光栅谐振器之中。此时，TE模式光栅耦合器的工作是遵循光栅谐振条件，从而光栅周期TTE应在(2a±1)λ/4neff TE到aλ/2neff TE范围内，其中，neff TE为TE模式的有效折射率，λ为耦合波长，a为正整数。
3.令周期TTM与周期TTE相等，求得的上硅层厚度作为耦合器的上硅层厚度，此时的周期为耦合器的周期；
由于步骤1、2中光栅周期的表达式并不相同，这样即使TE模式和TM模式的有效折射率(与上硅层厚度等参数有关)不相同，通过适当设计光栅参数，就可以让同一光栅结构同时满足TM模式的布拉格条件和TE模式的谐振条件。
我们通过调节SOI硅基光栅上硅层的厚度，使得以上针对TE模式的谐振光栅的周期与TM模式的常规耦合光栅的周期相同。具体实现则可通过计算出不同上硅层厚度对应的TM模式最大耦合效率时的周期与TE模式的光栅谐振点处的周期，连成两条曲线，曲线交点处即为所求上硅层厚度和光栅周期。
4.利用上述的上硅层厚度和光栅周期制作竖直Slot光栅；
5.在上述制作的竖直slot光栅的凹槽上部刻蚀一组浅刻蚀光栅，形成T型槽光栅，使得TE模式耦合输出效率最大，TM模式耦合效率不受影响，此时的光栅即为所设计的偏振无关耦合器。
针对TE模式，在谐振器光栅结构(即步骤4中得到的竖直Slot光栅结构)的上部加刻一组浅刻蚀光栅来将束缚在谐振器中的光能攫取出来，从而实现TE模式高效率的耦合，而加刻的浅刻蚀光栅对TM模式耦合几乎没有影响。通过调节调节上部浅刻蚀光栅的刻蚀宽度与刻蚀深度，进一步优化T型光栅的性能，即可实现偏振无关光栅耦合器。
为了取得更好的效果，还可以调节竖直Slot光栅的刻蚀深度和刻蚀宽度。
该偏振无关耦合器的制作可以采用电子束光刻技术进行套刻制作，也可以采用灰度光刻技术进行制作。采用电子束光刻进行套刻时，分别进行两次电子束光刻与刻蚀，来制作出Slot光栅结构和浅刻蚀光栅结构，从而实现T型光栅结构，即使套刻的对准误差使得光栅凹槽在Г型-T型-
型之间变化，耦合器仍然能实现高效率偏振无关耦合性能。而采用灰度光刻技术进行制作时，则只需要在程序设计时对凹槽进行相应的曝光量设置，得到T型掩模层，再进行刻蚀，即可以实现器件结构。
此外，此结构不只限制在硅基材料中使用，对于TE、TM模式存在有效折射率差的材料中均可以使用。
对该耦合器检验时，首先将1550nm波长附近的光源接到偏振控制器的输入端，然后将偏振控制器输出的光如图1(c)、(d)左边波导中箭头所示，通入到耦合器中，耦合器的光栅面上方输出的光接收到光探测器中，然后调节偏振控制器，观察探测器接收到的光能大小，若调节过程中探测器所接收到的光能大小不变，则该光栅耦合器实现了偏振无关耦合功能。
Claims (2)
1.一种偏振无关光栅耦合器的制作方法，包括如下步骤：
(1)根据光栅耦合布拉格条件计算TM模式的周期TTM；
(2)根据光栅谐振条件计算TE模式的周期TTE；
(3)令TTM＝TTE，求得所述偏振无关光栅耦合器的上层材料厚度，将此时的TTM或TTE设置为该偏振无关光栅耦合器的周期；
(4)利用上述求得的上层材料厚度和设置的周期制作竖直Slot光栅；
(5)在上述竖直slot光栅的凹槽上部刻蚀一组浅刻蚀光栅，使得上述竖直Slot光栅变为T型槽光栅，调节所述浅刻蚀光栅的刻蚀宽度与刻蚀深度，使得当其在TE模式耦合输出效率最大、TM模式耦合效率不受影响时，此时刻蚀形成的T型槽光栅即为所求的偏振无关光栅耦合器；
所述的周期TTM为λ/neff TM，其中，λ为耦合波长，neff TM为TM模式的有效折射率；
所述在计算TE模式的周期TTE中，首先将光场束缚在一个布拉格光栅谐振器之中，此时，TE模式光栅耦合器的工作是遵循光栅谐振条件，从而光栅周期TTE在(2a±1)λ/4neff TE到aλ/2neff TE范围内，其中，neff TE为TE模式的有效折射率，λ为耦合波长，a为正整数。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述的偏振无关光栅耦合器的材料可以是任何对TE和TM模式存在有效折射率差的材料。
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