光栅耦合器及其制备方法与流程

本申请涉及硅基光电子芯片，尤其涉及一种光栅耦合器及其制备方法。

背景技术：

1、从pc+（personal computer，个人电脑）互联网时代发展至移动+社交媒体时代，到将来的ai+（artificial intelligence，人工智能）大数据时代，不断增长和多样化的系统需求推动着许多技术的发展。在摩尔定律步伐放缓的大背景下，应用于光子计算的光子芯片被提出用于替代传统的电子芯片。光子芯片具有低损耗、高带宽等优势。受限于设备以及制作工艺，直接对芯片上的光学端口以及电学端口进行封装已逐渐难以实现，必须使用外部激光源并与pic（photonic integrated circuit，光子集成电路）进行间接耦合或者直接耦合。耦合方式有光栅耦合、边缘耦合、倏逝耦合等。而光栅耦合器因为其在片上设计位置的自由性以及成熟的技术，被广泛应用。然而，简单结构的光栅耦合器的耦合损耗较高，为了降低耦合损耗，有的人设计了新颖的复杂的光栅结构，有的人设计了底层反射金属，这些方法均可降低耦合损耗。

技术实现思路

1、本申请的目的在于提供一种光栅耦合器及其制备方法，能够同时兼顾对偏振的不敏感性以及高耦合效率。

2、本申请的一个方面提供一种光栅耦合器。所述光栅耦合器包括硅基衬底、形成于所述硅基衬底上的第一反射层、形成于所述第一反射层上的下埋层、形成于所述下埋层上的波导层、形成于所述波导层上的上包层、以及形成于所述上包层上的第二反射层，所述波导层包括多个二维光栅，所述多个二维光栅沿着光路传播路径方向设置。其中，沿着所述光路传播路径方向，从一个二维光栅进入的入射光中的部分光透过该二维光栅后会在所述第一反射层和所述第二反射层的反射作用下进入到下一个二维光栅。

3、进一步地，所述波导层还包括多个第一波导和多个第二波导，所述多个第一波导位于所述多个二维光栅的第一侧，所述多个第二波导位于所述多个二维光栅的与所述第一侧相对的第二侧，从一个二维光栅进入的入射光中的部分光衍射，其中，所述入射光中的横向电场模式的光被耦合到位于所述第一侧的所述第一波导，所述入射光中的横向磁场模式的光被耦合到位于所述第二侧的所述第二波导。

4、进一步地，所述波导层还包括第一合束器和第二合束器，所述第一合束器用于将所述多个第一波导中的光进行合束，所述第二合束器用于将所述多个第二波导中的光进行合束。

5、进一步地，所述波导层还包括第一模斑转换器和第二模斑转换器，每一个所述二维光栅的所述第一侧通过所述第一模斑转换器耦合器至所述第一波导，每一个所述二维光栅的所述第二侧通过所述第二模斑转换器耦合器至所述第二波导。

6、进一步地，所述第二反射层比所述第一反射层短，以留出位置用于耦合光纤，所述第一反射层和所述第二反射层的材料包括金。

7、进一步地，所述入射光的入射角度大于30度。

8、进一步地，所述二维光栅包括孔状阵列，所述二维光栅的栅区为正方形，并且，所述正方形倾斜于所述光路传输路径方向45度设置。

9、进一步地，所述下埋层包括下层二氧化硅层，所述上包层包括上层二氧化硅层，所述多个二维光栅的材料包括氮化硅。

10、本申请的另一个方面提供一种光栅耦合器的制备方法。所述制备方法包括：在所述硅基衬底上形成第一反射层；在所述第一反射层上形成下埋层；在所述下埋层上形成波导层，其包括：在所述下埋层上沿着光路传播路径方向设置多个二维光栅；在所述波导层上形成上包层；以及在所述上包层上形成第二反射层。其中，沿着所述光路传播路径方向，从一个二维光栅进入的入射光中的部分光透过该二维光栅后会在所述第一反射层和所述第二反射层的反射作用下进入到下一个二维光栅。

11、进一步地，所述在所述下埋层上形成波导层还包括：在所述下埋层上位于所述多个二维光栅的第一侧设置多个第一波导；及在所述下埋层上位于所述多个二维光栅的与所述第一侧相对的第二侧设置多个第二波导，其中，从一个二维光栅进入的入射光中的部分光衍射，其中，所述入射光中的横向电场模式的光被耦合到位于所述第一侧的所述第一波导，所述入射光中的横向磁场模式的光被耦合到位于所述第二侧的所述第二波导。

12、进一步地，所述在所述下埋层上形成波导层还包括：在所述下埋层上设有用于将所述多个第一波导中的光进行合束的第一合束器；及在所述下埋层上设有用于将所述多个第二波导中的光进行合束的第二合束器。

13、进一步地，所述制备方法还包括：通过仿真预先确定单个二维光栅耦合器；及基于该单个二维光栅耦合器来仿真确定单个所述二维光栅的最佳工作参数，其中，根据单个所述二维光栅的所述最佳工作参数在所述下埋层上沿着所述光路传播路径方向形成多个所述二维光栅。

14、进一步地，该单个二维光栅耦合器具有周期排列的孔状阵列的二维光栅，所述基于该单个二维光栅耦合器来仿真确定单个所述二维光栅的最佳工作参数包括：建立该单个二维光栅耦合器及光纤耦合的模型；在所述光纤处设置模式光源，用于发出具有预定输入功率的模式光；在该单个二维光栅耦合器的相邻两侧边分别设置功率监视器，分别用于监测相邻两侧边模式光的输出功率；及以相邻两侧边所述模式光的输出功率为优化目标，通过仿真优化方法来对所述二维光栅中内孔的半径及周期不断地进行迭代优化以得到单个所述二维光栅的最佳工作参数。

15、进一步地，在时域有限差分法仿真软件中设计仿真所述单个二维光栅耦合器。

16、进一步地，通过粒子群仿真优化方法来对所述二维光栅中内孔的半径及周期不断地进行迭代优化。

17、本申请实施例的光栅耦合器及通过本申请实施例的制备方法制造出来的光栅耦合器至少能够取得以下有益技术效果：

18、（1）本申请通过采用二维光栅，二维光栅对入射光的偏振不敏感性可以将入射光分别导入到多个二维光栅的相对两侧，从而实现了入射光的偏振不敏感性。

19、（2）本申请通过在下埋层的下方和上包层的上方分别添加第一反射层和第二反射层，通过在波导层中沿着光路传播路径方向设置级联的多个二维光栅，加长了光栅栅区，从而可以使得入射光在第一反射层和第二反射层之间多次反射并通过级联的多个二维光栅的光栅栅区，增加了整体的耦合效率。

技术特征：

1.一种光栅耦合器，其特征在于：包括硅基衬底、形成于所述硅基衬底上的第一反射层、形成于所述第一反射层上的下埋层、形成于所述下埋层上的波导层、形成于所述波导层上的上包层、以及形成于所述上包层上的第二反射层，所述波导层包括多个二维光栅，所述多个二维光栅沿着光路传播路径方向设置，其中，沿着所述光路传播路径方向，从一个二维光栅进入的入射光中的部分光透过该二维光栅后会在所述第一反射层和所述第二反射层的反射作用下进入到下一个二维光栅。

2.如权利要求1所述的光栅耦合器，其特征在于：所述波导层还包括多个第一波导和多个第二波导，所述多个第一波导位于所述多个二维光栅的第一侧，所述多个第二波导位于所述多个二维光栅的与所述第一侧相对的第二侧，从一个二维光栅进入的入射光中的部分光衍射，其中，所述入射光中的横向电场模式的光被耦合到位于所述第一侧的所述第一波导，所述入射光中的横向磁场模式的光被耦合到位于所述第二侧的所述第二波导。

3.如权利要求2所述的光栅耦合器，其特征在于：所述波导层还包括第一合束器和第二合束器，所述第一合束器用于将所述多个第一波导中的光进行合束，所述第二合束器用于将所述多个第二波导中的光进行合束。

4.如权利要求2所述的光栅耦合器，其特征在于：所述波导层还包括第一模斑转换器和第二模斑转换器，每一个所述二维光栅的所述第一侧通过所述第一模斑转换器耦合器至所述第一波导，每一个所述二维光栅的所述第二侧通过所述第二模斑转换器耦合器至所述第二波导。

5.如权利要求1所述的光栅耦合器，其特征在于：所述第二反射层比所述第一反射层短，以留出位置用于耦合光纤，所述第一反射层和所述第二反射层的材料包括金。

6.如权利要求1所述的光栅耦合器，其特征在于：所述入射光的入射角度大于30度。

7.如权利要求1所述的光栅耦合器，其特征在于：所述二维光栅包括孔状阵列，所述二维光栅的栅区为正方形，并且，所述正方形倾斜于所述光路传输路径方向45度设置。

8.如权利要求1所述的光栅耦合器，其特征在于：所述下埋层包括下层二氧化硅层，所述上包层包括上层二氧化硅层，所述多个二维光栅的材料包括氮化硅。

9.一种光栅耦合器的制备方法，其特征在于：包括：

10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述在所述下埋层上形成波导层还包括：

11.如权利要求10所述的制备方法，其特征在于：所述在所述下埋层上形成波导层还包括：

12.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于：还包括：

13.如权利要求12所述的制备方法，其特征在于：该单个二维光栅耦合器具有周期排列的孔状阵列的二维光栅，所述基于该单个二维光栅耦合器来仿真确定单个所述二维光栅的最佳工作参数包括：

14.如权利要求13所述的制备方法，其特征在于：在时域有限差分法仿真软件中设计仿真所述单个二维光栅耦合器。

15.如权利要求13所述的制备方法，其特征在于：通过粒子群仿真优化方法来对所述二维光栅中内孔的半径及周期不断地进行迭代优化。

技术总结
本申请提供一种光栅耦合器及其制备方法。该光栅耦合器包括硅基衬底、形成于硅基衬底上的第一反射层、形成于第一反射层上的下埋层、形成于下埋层上的波导层、形成于波导层上的上包层、以及形成于上包层上的第二反射层，波导层包括多个二维光栅，多个二维光栅沿着光路传播路径方向设置。其中，沿着光路传播路径方向，从一个二维光栅进入的入射光中的部分光透过该二维光栅后会在第一反射层和第二反射层的反射作用下进入到下一个二维光栅。本申请能够同时兼顾对偏振的不敏感性以及高耦合效率。

技术研发人员：胡辰,王震,王敬好,张欢,李佳,尹坤,吉晨
受保护的技术使用者：之江实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15