CN115728867B - 一种非对称性光栅耦合器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非对称性光栅耦合器及其制备方法，制备方法包括步骤：提供衬底，并在衬底上形成光栅材料层；对所述光栅材料层进行刻蚀形成光栅层；其中，所述光栅层上具有一维光栅结构，所述一维光栅结构具有180度面内旋转对称性；在所述光栅层上刻蚀形成通孔；其中，所述通孔位于所述一维光栅结构的侧面；自所述通孔处对所述衬底进行刻蚀形成凹槽；其中，所述凹槽覆盖所述一维光栅结构和所述通孔所在的位置。本申请可在保持180度面内旋转对称性的前提下实现了上下辐射的不对称，因此可以避免相对较复杂的倾斜刻蚀工艺，简化了工艺流程，由于本申请的非对称性光栅耦合器的制备工艺更简单，从而可以确保良品率更高。
Description
技术领域
本发明涉及光子集成器件领域，尤其涉及的是一种非对称性光栅耦合器及其制备方法。
背景技术
为了实现光电集成芯片和光纤之间的高效光耦合，通常需要耦合部分的光栅具有较高的非对称单向辐射特性，因此不同的制作工艺被用来增强光栅的非对称单向辐射特性，比如使用闪耀光栅或者在耦合器底部增加金属反射镜或者在底部增加布拉格多层反射薄膜，但是这些工艺与传统的CMOS加工技术不兼容，并且工艺容差较小，良品率不高。对于闪耀光栅而言，其单向辐射特性极度依赖于光栅的几何形状特别是倾斜角，对于布拉格多层反射薄膜而言，其单向辐射特性极度依赖于多层薄膜的厚度和位置，而实际工艺很难达到上述要求的精度，导致良品率不高。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种非对称性光栅耦合器及其制备方法，旨在解决现有技术中非对称性光栅耦合器制备的耦合效率低和良品率低的问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种非对称性光栅耦合器的制备方法，其中，包括步骤：
提供衬底，并在衬底上形成光栅材料层；
对所述光栅材料层进行刻蚀形成光栅层；其中，所述光栅层上具有一维光栅结构，所述一维光栅结构具有180度面内旋转对称性；
在所述光栅层上刻蚀形成通孔；其中，所述通孔位于所述一维光栅结构的侧面；
自所述通孔处对所述衬底进行刻蚀形成凹槽；其中，所述凹槽覆盖所述一维光栅结构和所述通孔所在的位置。
所述的非对称性光栅耦合器的制备方法，其中，所述光栅层为硅光栅层；
所述对所述光栅材料层进行刻蚀形成一维光栅结构和光栅层，包括：
在所述光栅材料层上形成光刻胶，并对所述光刻胶进行曝光和显影；
对所述光栅材料层进行刻蚀后去除光刻胶，形成一维光栅结构和光栅层。
所述的非对称性光栅耦合器的制备方法，其中，所述在所述光栅层上刻蚀形成通孔，包括：
在所述一维光栅结构和所述光栅层上形成光刻胶，并对所述光刻胶进行曝光和显影；
对所述光栅层进行刻蚀后去除光刻胶，形成通孔。
所述的非对称性光栅耦合器的制备方法，其中，所述衬底为二氧化硅衬底；
所述自所述通孔处对所述衬底进行刻蚀形成凹槽，包括：
在所述通孔处注入氢氟酸溶液对所述衬底进行刻蚀形成凹槽。
一种非对称性光栅耦合器，其中，包括：
衬底；
光栅层，设置于所述衬底上；
其中，所述光栅层背离所述衬底一侧具有一维光栅结构，所述一维光栅结构具有180度面内旋转对称性；
所述光栅层上所述一维光栅结构的侧面设置有通孔；
所述衬底朝向所述光栅层的一侧设置有凹槽，所述凹槽覆盖所述一维光栅结构和所述通孔所在的位置。
所述的非对称性光栅耦合器，其中，所述一维光栅结构包括：
依次排列的宽度渐变光栅和均匀光栅；
其中，所述宽度渐变光栅中的光栅间隔逐渐增大至所述均匀光栅中的光栅间距。
所述的非对称性光栅耦合器，其中，所述光栅层的厚度为600nm，所述均匀光栅的光栅周期为925nm，所述均匀光栅的光栅间隔为767nm，所述均匀光栅的光栅高度为342nm，所述一维光栅结构的长度为27mm。
所述的非对称性光栅耦合器，其中，所述一维光栅结构在归一化波矢为0.26耦合处实现单向辐射，上下非对称辐射能量比达40dB。
所述的非对称性光栅耦合器，其中，所述衬底为二氧化硅衬底，所述光栅层为硅光栅层。
所述的非对称性光栅耦合器，其中，所述通孔有至少两个，分别位于所述一维光栅结构的两侧。
有益效果：本申请可在保持180度面内旋转对称性的前提下实现了上下辐射的不对称，因此可以避免相对较复杂的倾斜刻蚀工艺，简化了工艺流程，由于本申请的非对称性光栅耦合器的制备工艺更简单，从而可以在较高耦合效率的情况下确保良品率更高。
附图说明
图1是本发明中非对称性光栅耦合器的制备方法的流程图(选取其中部分四个光栅为示例进行举例说明)。
图2是本发明中非对称性光栅耦合器的部分光栅示意图。
图3是本发明中一维光栅结构单元格的结构图和本征模场的电场实部。
图4是本发明中一维光栅结构的能带图。
图5是本发明中一维光栅结构的TE-4能带的上下辐射比随波矢的变化图。
图6是本发明中光栅耦合器反向耦合工作模式的示意图。
图7是本发明中光栅耦合器正向耦合工作模式的示意图。
图8是本发明中光栅耦合器的一维完整结构图以及在1550nm处反向耦合时的电场实部和电场强度。
图9是本发明中光栅耦合器的能量分布图。
附图标记说明：
10、衬底；11、凹槽；20、光栅层；21、一维光栅结构；22、通孔；31、光刻胶；32、光刻胶。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请同时参阅图1-图9，本发明提供了一种非对称性光栅耦合器的制备方法的一些实施例。
如图1所示，本发明实施例的非对称性光栅耦合器的制备方法，包括以下步骤：
步骤S100、提供衬底，并在衬底上形成光栅材料层。
步骤S200、对所述光栅材料层进行刻蚀形成光栅层；其中，所述光栅层上具有一维光栅结构，所述一维光栅结构具有180度面内旋转对称性。
步骤S300、在所述光栅层上刻蚀形成通孔；其中，所述通孔位于所述一维光栅结构的侧面。
步骤S400、自所述通孔处对所述衬底进行刻蚀形成凹槽；其中，所述凹槽覆盖所述一维光栅结构和所述通孔所在的位置。
具体地，通过对光栅材料层进行刻蚀，在光栅材料层上半部分形成一维光栅结构21，而光栅材料层的下半部分作为光栅层20。一维光栅结构21具有180度面内旋转对称性，也就是说，以竖直方向为旋转中心，将光栅层20转动180度，转动后的一维光栅结构21与转动之前的一维光栅结构21重合。由于在光栅层20的上表面形成一维光栅结构21，且一维光栅结构上为空气层，一维光栅结构21与衬底10的凹槽11对应，即在光栅层20的下表面形成空气层。则光栅层20的上下表面具有上下镜面非对称性。
具体地，光栅耦合器可工作在两种状态，一种是由波导注入能量耦合到光纤的反向耦合，另一种是由光纤注入能量耦合到波导的正向耦合。如图6和图7所示，当波导中的光传播至光栅层20时，会自一维光栅结构21向上辐射至光纤中，而不会向下辐射至凹槽11中，实现反向耦合。光纤中的光自一维光栅结构21辐射至光栅层20内时，会经过光栅层20传播至波导中，不会辐射至凹槽11中，实现正向耦合。
本申请提出的一种非对称性光栅耦合器不借助任何的材料和结构构造反射镜，便实现了单向辐射的特性，极大提高耦合器的效率，简化了工艺流程。本申请可在保持180度面内旋转对称性的前提下实现了上下辐射的不对称，因此可以避免相对较复杂的倾斜刻蚀工艺，简化了工艺流程。由上可知，本申请的非对称性光栅耦合器的制备工艺更简单，从而可以在较高耦合效率的情况下确保高良品率。
所述光栅层20为硅光栅层；步骤S200具体包括：
步骤S210、在所述光栅材料层上形成光刻胶，并对所述光刻胶进行曝光和显影。
步骤S220、对所述光栅材料层进行刻蚀后去除光刻胶，形成一维光栅结构和光栅层。
具体地，一维光栅结构21包括若干个依次排列的条状光栅。采用光刻的方式制备一维光栅结构21，先在光栅材料层上形成光刻胶31，具体可以采用旋涂、喷涂、沉积、涂覆等方式在光栅材料层上形成光刻胶31。然后对光刻胶31进行曝光，在曝光时对光刻胶31的部分区域进行曝光(具体可以采用电子束曝光)，曝光完成后进行显影，去除部分光刻胶31(可以是去除曝光的部分区域，也可以是去除未曝光的部分区域，这与光刻胶31采用正胶或负胶有关)形成光栅图样。接着对光栅材料层进行刻蚀(具体可以采用电感耦合等离子体刻蚀机干法刻蚀)，由于部分光刻胶31的遮挡，一部分光栅材料层未被刻蚀，得以保留形成一维光栅结构21，其余部分被刻蚀掉一定厚度，在光栅材料层的下部分形成光栅层20，最后可以去除剩余的光刻胶31(具体可以采用缓冲氧化物刻蚀液冲洗掉光刻胶31)。
步骤S300具体包括：
步骤S310、在所述一维光栅结构和所述光栅层上形成光刻胶，并对所述光刻胶进行曝光和显影。
步骤S320、对所述光栅层进行刻蚀后去除光刻胶，形成通孔。
具体地，采用光刻的方式制备通孔22，先在光栅层20上形成光刻胶32，具体可以采用旋涂、喷涂、沉积、涂覆等方式在光栅层20上形成光刻胶32。然后对光刻胶32进行曝光，在曝光时利用模板对光刻胶32的部分区域进行曝光(具体可以采用电子束曝光)，曝光完成后进行显影，去除部分光刻胶32(可以是去除曝光的部分区域，也可以是去除未曝光的部分区域，这与光刻胶32采用正胶或负胶有关)形成通孔图样。接着对光栅层20进行刻蚀(具体可以采用电感耦合等离子体刻蚀机干法刻蚀)，由于部分光刻胶32的遮挡，一部分光栅层20未被刻蚀得以保留，其余部分被刻蚀并贯穿光栅层20，形成通孔22，最后可以去除剩余的光刻胶32(具体可以采用缓冲氧化物刻蚀液冲洗掉光刻胶32)。
所述衬底10为二氧化硅衬底；步骤S400具体包括：
步骤S410、在所述通孔处注入氢氟酸溶液对所述衬底进行刻蚀形成凹槽。
具体地，由于衬底10采用二氧化硅材料制成，则可以采用氢氟酸溶液对衬底10进行刻蚀形成凹槽11。
基于上述任意一实施例所述的非对称性光栅耦合器的制备方法，本发明还提供了一种非对称性光栅耦合器的较佳实施例：
如图1-图2所示，本发明的一种非对称性光栅耦合器，包括：
衬底10；
光栅层20，设置于所述衬底10上；
其中，所述光栅层20背离所述衬底10一侧具有一维光栅结构21，所述一维光栅结构21具有180度面内旋转对称性；
所述光栅层20上所述一维光栅结构21的侧面设置有通孔22；
所述衬底10朝向所述光栅层20的一侧设置有凹槽11，所述凹槽11覆盖所述一维光栅结构21和所述通孔22所在的位置。
具体地，光栅层20的上表面具有一维光栅结构21，光栅层20的下表面为凹槽11。凹槽11的四周具有凹槽壁，通过凹槽壁对光栅层20进行支撑。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1-图2所示，所述一维光栅结构21包括：
依次排列的宽度渐变光栅和均匀光栅；
其中，所述宽度渐变光栅中的光栅间隔逐渐增大至所述均匀光栅中的光栅间距。
具体地，为了对一维光栅结构21的辐射场的电场强度进行调控，以匹配光纤本征模场的电场强度，需要对一维光栅结构21中均匀光栅进行切趾，宽度渐变光栅的刻蚀槽的宽度(即光栅间距)逐渐增大并过渡到均匀光栅。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图2-图3所示，所述光栅层20的厚度为600nm，所述均匀光栅的光栅周期为925nm，所述均匀光栅的光栅间隔为767nm，所述均匀光栅的光栅高度为342nm，所述一维光栅结构的长度为27mm。具体地，根据需要设置光栅层20的尺寸以及一维光栅结构21的尺寸。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，所述一维光栅结构21在归一化波矢为0.26耦合处实现单向辐射，上下非对称辐射能量比达40dB。
具体地，本申请的光栅层20的上下的镜面对称性被破坏，形成非对称性光栅耦合器。如图4和图5所示，引入了原本两条独立能带之间的带间耦合，最终在归一化波矢kx＝0.26耦合处附近实现了单向辐射的效果，其上下非对称辐射能量比高达40dB。经过电磁仿真计算可得到该结构在1550nm处反向耦合时的电场分布以及电场的实部和强度，此时波导注入能量至光栅，大部分能量由光栅调控辐射至左上方。同时，可对能量进行观测，一维光栅结构下反向耦合时波导注入能量由光栅调控辐射至左上方的效率为98.68％，正向耦合时光纤注入光源进波导的效率在22.5度入射角下为93.27％。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1-图2所示，所述衬底10为二氧化硅衬底，所述光栅层20为硅光栅层。具体地，根据需要调整衬底10的材料以及光栅层20的材料。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中，如图1-图2所示，所述通孔22有至少两个，分别位于所述一维光栅结构21的两侧。
具体地，通孔22的数量可以根据需要进行调整，设置有至少两个通孔22时，便于提高凹槽11的刻蚀效率，也能更均匀地形成凹槽11，避免腐蚀掏空衬底10，增强结构稳定性。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种非对称性光栅耦合器的制备方法，其特征在于，包括步骤：
提供衬底，并在衬底上形成光栅材料层；
对所述光栅材料层进行刻蚀形成光栅层；其中，所述光栅层上具有一维光栅结构，所述一维光栅结构具有180度面内旋转对称性；
在所述光栅层上刻蚀形成通孔；其中，所述通孔位于所述一维光栅结构的侧面；
自所述通孔处对所述衬底进行刻蚀形成凹槽；其中，所述凹槽覆盖所述一维光栅结构和所述通孔所在的位置。
2.根据权利要求1所述的非对称性光栅耦合器的制备方法，其特征在于，所述光栅层为硅光栅层；
所述对所述光栅材料层进行刻蚀形成光栅层，包括：
在所述光栅材料层上形成光刻胶，并对所述光刻胶进行曝光和显影；
对所述光栅材料层进行刻蚀后去除光刻胶，形成一维光栅结构和光栅层。
3.根据权利要求2所述的非对称性光栅耦合器的制备方法，其特征在于，所述在所述光栅层上刻蚀形成通孔，包括：
在所述一维光栅结构和所述光栅层上形成光刻胶，并对所述光刻胶进行曝光和显影；
对所述光栅层进行刻蚀后去除光刻胶，形成通孔。
4.根据权利要求1所述的非对称性光栅耦合器的制备方法，其特征在于，所述衬底为二氧化硅衬底；
所述自所述通孔处对所述衬底进行刻蚀形成凹槽，包括：
在所述通孔处注入氢氟酸溶液对所述衬底进行刻蚀形成凹槽。
5.一种非对称性光栅耦合器，其特征在于，包括：
衬底；
光栅层，设置于所述衬底上；
其中，所述光栅层背离所述衬底一侧具有一维光栅结构，所述一维光栅结构具有180度面内旋转对称性；
所述光栅层上所述一维光栅结构的侧面设置有通孔；
所述衬底朝向所述光栅层的一侧设置有凹槽，所述凹槽覆盖所述一维光栅结构和所述通孔所在的位置。
6.根据权利要求5所述的非对称性光栅耦合器，其特征在于，所述一维光栅结构包括：
依次排列的宽度渐变光栅和均匀光栅；
其中，所述宽度渐变光栅中的光栅间隔逐渐增大至所述均匀光栅中的光栅间距。
7.根据权利要求6所述的非对称性光栅耦合器，其特征在于，所述光栅层的厚度为600nm，所述均匀光栅的光栅周期为925nm，所述均匀光栅的光栅间隔为767nm，所述均匀光栅的光栅高度为342nm，所述一维光栅结构的长度为27mm。
8. 根据权利要求7所述的非对称性光栅耦合器，其特征在于，所述一维光栅结构在归一化波矢为0.26耦合处实现单向辐射，上下非对称辐射能量比达40 dB。
9.根据权利要求5所述的非对称性光栅耦合器，其特征在于，所述衬底为二氧化硅衬底，所述光栅层为硅光栅层。
10.根据权利要求5所述的非对称性光栅耦合器，其特征在于，所述通孔有至少两个，分别位于所述一维光栅结构的两侧。
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| CN114740572A (zh) * | 2022-04-07 | 2022-07-12 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 一种用于平板集成光学***的宽带垂直耦合的多脊光栅耦合器 |
| CN115128733A (zh) * | 2022-06-24 | 2022-09-30 | 吉林大学 | 一种双光栅结构及制作方法、光学相控阵、激光雷达 |
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| CN115728867A (zh) | 2023-03-03 |
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