[发明专利]一种高效宽带光栅耦合器

说明书

本发明提出了一种高效宽带光栅耦合器设计，该设计将光从硅波导中耦合进入顶层介质层，在光栅耦合区域刻蚀顶层介质层波导形成光栅结构，中间多层介质膜及刻蚀区形成的布拉格反射镜共同降低泄露损耗。与此同时，由于光在顶层介质层的光栅图形中出射，使得该设计具有氮化硅光栅的宽带特性。实现了高效宽带的光纤与光芯片耦合，同时实现方法能够与CMOS工艺兼容，无需较小的线宽即可完成制造。

技术领域

本发明涉及硅基光电子集成器件领域，特别涉及一种高效宽带光栅耦合器。

背景技术

相较于传统电互连，光互连以光作为信息载体，具有传播延迟小、干扰性小、带宽大、损耗低的优点，使得光互连具有广阔的发展空间。实现光波导与光纤的高效耦合是光互连发展的重点之一。光栅耦合器实现波导与光纤耦合的同时，具有结构简单，制作工艺成熟以及可以垂直芯片输出光能量，无需切片得到端面，从而能够实现晶圆级测试。因此光栅耦合器被广泛应用在光互连领域。

减少光栅耦合器损耗的传统方法包括底部金属反射镜，DBR反射结构，闪耀光栅结构，而这三种结构虽然能够有效提高光栅耦合效率，但是不能通过标准硅光CMOS工艺在SOI晶圆上制造。另外由于光栅方程与波长直接相关，故光栅耦合器的带宽受限，一般设计的光栅耦合器的3dB带宽都在40-50nm区间。本发明能够通过标准硅光CMOS工艺制造，同时兼顾光栅耦合器的带宽和损耗问题，在较大的带宽范围内实现高效光栅耦合；或者在铌酸锂平台制造，无需进行铌酸锂刻蚀，实现光栅耦合器的制造。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效宽带光栅耦合器，它具有能够与其他硅器件/铌酸锂器件设计兼容，相较于一般光栅耦合器，增加了工作带宽，降低了损耗，有利于高效的波导与光纤耦合。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本申请公开了一种高效宽带光栅耦合器，包括耦合器本体，所述耦合器本体包括倏逝波耦合区域、模式转换区域和光栅耦合区域，所述倏逝波耦合区域位于所述耦合器本体的前部，所述模式转换区域位于所述耦合器本体的中部，所述光栅耦合区域位于所述耦合器本体的后部，所述耦合器本体还包括器件层、顶部介质层和二氧化硅包层，所述顶部介质层位于器件层的上方，所述二氧化硅包层位于器件层和顶部介质层之间，位于光栅耦合区域内的器件层顶部设有多层介质膜，位于光栅耦合区域内的顶部介质层上设有光栅图形，所述光栅图形位于多层介质膜的正上方。

作为优选，所述器件层包括顶层器件层、二氧化硅埋氧层和衬底层，所述衬底层位于器件层的底部，所述二氧化硅埋氧层位于衬底层的上方，所述顶层器件层位于所述二氧化硅埋氧层的上方。

作为优选，光栅耦合区域内的顶层器件层上设有刻蚀区，所述多层介质膜位于所述刻蚀区的上方。

作为优选，所述器件层的材料包括硅、铌酸锂。

作为优选，所述顶部介质层的材料包括氮化硅、氮氧化硅。

作为优选，所述多层介质膜的材料包括氮化硅、多晶硅、氮氧化硅。

本发明的有益效果：

1、设计了器件层和顶部介质层，在倏逝波耦合区域，顶层器件层的光波导与顶部介质层波导进行倏逝波耦合，该区域尺寸由光波导与顶部介质层之间间距决定，通过控制器件层和顶部介质层在倏逝波耦合区域的耦合长度，实现器件层光到顶部介质层光的高效传输；

2、在器件层与顶部介质层距离较远时，可以通过多层介质膜进行一个层间耦合过渡，实现最终的层间耦合，通过调整顶部介质层波导在进入光栅耦合区域前的长度，使得光从顶层器件层耦合进入顶部介质层。

3、在顶部介质层与器件层之间设计多层介质膜，形成布拉格反射镜结构，有效反射氮化硅层向下发射的光能量，提高光栅耦合器的效率，降低光栅的衬底泄露损耗；