[发明专利]一种二元闪耀光栅耦合器及其在硅基混合集成光探测器上的应用

说明书

技术领域

本发明涉及光波导的耦合结构，特别是一种二元闪耀光栅耦合器，属于光电子集成领域。

背景技术

随着社会的进步和生产力的发展，集成电路的尺寸将越来越小，信息传输速度将越来越高，但传统的微电子技术的发展已经接近其极限，使得其成为阻碍集成电路继续向前发展的一个瓶颈。因此必须开发新的器件、新的互联方式以及新的集成方式以满足高密度数据通信和高速率的数据处理过程。硅基光学器件作为打破这一瓶颈的最有希望的技术之一已经逐渐被人们所重视，它使得进一步压缩器件尺寸、提高集成度成为可能。硅基光学器件的研究基础就是硅基光子学，近些年国内外对硅基光子学的研究不断取得引人注目的重要突破。硅基光子学就是研究各类硅基低维材料的制备方法、结构特征、光发射、光传输、光调制与光接收特性，并以此为物理基础设计和制备各种硅基光学器件，从而最终实现全硅光电子集成的科学。

对于一个集成光路系统来说，耦合器就是系统与外界的接口。近年来平面光波导耦合技术越来越受到普遍关注，光栅耦合器作为一种面耦合器成为这方面研究的热点。光栅耦合器是利用光栅实现光波导的输入/输出耦合的器件，它可以在系统的任何地方实现信号的上载/下载大大增强了系统的灵活性。因此，它在通信、传感、光谱分析、光互连等方面均有广泛的应用。然而高效率、宽带宽、工艺制作简单的光栅耦合器还是目前的一个难题，对其进行研制是很有研究前景和实用意义的。本发明解决阵列波导光栅解调集成微系统中的SOI硅纳米线波导与InGaAs/InP光探测器间的光耦合问题，设计出采用二元闪耀光栅耦合的硅基混合集成光探测器。本发明必将对光纤光栅传感解调领域的发展起到重要推动作用，同时对于未来光纤光栅解调系统的全硅光电集成芯片研究具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于解决阵列波导光栅解调集成微系统中的SOI硅纳米线波导与InGaAs/InP光探测器间的光耦合问题，提供一种二元闪耀光栅耦合器，特别是提供一种应用于硅基混合集成光探测器间的高耦合效率、宽带宽、工艺制作简单的二元闪耀光栅耦合器结构。

本发明通过以下技术方案实现：

(1)计算TE模式下二元闪耀光栅耦合器的周期T；

(2)计算TE模式下二元闪耀光栅耦合器占空比f和其等效折射率；

(3)构建二元闪耀光栅耦合器结构模型，并对其刻蚀深度、光栅长度、耦合效率等参数进行设计优化，其中二元闪耀光栅为一维二元闪耀光栅或二维二元闪耀光栅；

(4)构建锥形波导结构模型，并对其长度，光传输效率等参数进行设计优化；

(5)选取最优二元闪耀光栅耦合器结构，并将III-V材料的光电探测器键合在其上方；

(6)采用二元闪耀光栅耦合器将SOI波导内传播的光垂直衍射至其上方的光电探测器阵列，光电探测器以InGaAs/InP为材料，在InP衬底上连续生长3层，依次为：n-InP缓冲层、i-InGaAs本征吸收层、p-InP盖层。

在上述步骤(1)中，根据光栅耦合布拉格条件，光栅耦合器的衍射理论对TE模式下二元闪耀光栅耦合器的周期T进行计算。

在上述步骤(2)中，根据亚波长光栅的等效介质膜理论对TE模式下二元闪耀光栅耦合器占空比f和其等效折射率进行计算。

在上述步骤(3)中，以时域有限差分算法为基础，建立二元闪耀光栅耦合器结构模型，对光栅耦合器的刻蚀深度、光栅长度、耦合效率等参数进行模拟仿真。当光源入射波长在1450nm-1600nm范围内，耦合效率均高于60％，在1550nm波长时，耦合效率达到了68％。

在上述步骤(4)中，基于光束传播法对锥形波导进行仿真、优化设计，以减少其传输损耗，实现光栅耦合器与阵列波导光栅解调集成微系统中阵列波导光栅的互连。在入射波长为1550nm时光的传输效率为85％。

在上述步骤(5)中，键合用的中间层材料采用的是苯并环丁烯(Benzocyclobutene，BCB)胶。

在上述步骤(6)中，建立InP基光电探测器模型，基于时域有限差分算法对整个硅基混合集成光探测器结构进行模拟仿真，在1450-1600nm波长范围内有源层吸收效率均高于75％。在波长为1550nm时有源层吸收效率为78.5％，并在波长为1475nm时有源层吸收效率达到最大值81.8％。