本公開涉及光電，具體涉及一種垂直光柵耦合器及光子芯片。

背景技術(shù)：

1、近年來，基于絕緣體上硅(silicon-on-insulator，soi)平臺的光子集成技術(shù)發(fā)展迅速，可以將傳統(tǒng)獨立的光學(xué)器件集成在同一個硅光子芯片上。為了實現(xiàn)其他光學(xué)器件和光子芯片的光互聯(lián)，通常采用垂直光柵耦合器來實現(xiàn)單模光纖和片上波導(dǎo)的光互聯(lián)。然而，部分光會在垂直光柵耦合器發(fā)生背向反射，產(chǎn)生反向傳輸?shù)墓?。?dāng)光子芯片被用于集成光子陀螺等高精度傳感器時，反向傳輸?shù)墓鈺?dǎo)致噪聲，從而影響傳感器的精度。

2、現(xiàn)有的硅基垂直光柵耦合器大多存在背向反射的問題，這主要是由于光從條形波導(dǎo)射入垂直光柵耦合器的布拉格光柵后，部分光會在光柵的硅——二氧化硅界面發(fā)生背向反射原路返回條形波導(dǎo)。根據(jù)仿真結(jié)果，1550nm波長te模光射入標(biāo)準(zhǔn)的硅基垂直光柵耦合器，會有14.1％的功率發(fā)生背向反射，為﹣8.5db。若將布拉格光柵重新設(shè)計為亞波長階梯狀光柵，則可以將背向反射功率降低到1％，為﹣20db。若是將布拉格光柵結(jié)構(gòu)調(diào)整為亞波長鋸齒結(jié)構(gòu)，則可以將背向反射功率進一步降低到0.316％，為﹣25db。然而，上述兩種方案均有較高的工藝精度要求：亞波長階梯狀光柵寬度為87nm，間距為81nm；亞波長鋸齒結(jié)構(gòu)的齒寬度更是需要精確達到168.8nm。因此，上述兩種結(jié)構(gòu)必須采用電子束光刻的方法制造，極大地提升了生產(chǎn)成本。

3、而若是采用端面耦合技術(shù)來代替垂直光柵耦合器連接光纖和片上波導(dǎo)，還會面對耦合效率低、難以對齊等問題。因此，需要一種適配標(biāo)準(zhǔn)soi工藝且工藝容差較大的抗背向反射垂直光柵耦合器，用于實現(xiàn)單模光纖和片上波導(dǎo)的光互聯(lián)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本申請的目的是提供一種垂直光柵耦合器及光子芯片。

2、本申請第一方面提供一種垂直光柵耦合器，包括：

3、襯底；

4、入射波導(dǎo)，設(shè)置在所述襯底上，所述入射波導(dǎo)具有第一端和第二端，所述第一端用于接收光波，所述第二端用于輸出光波；

5、二維光柵，設(shè)置在所述襯底上入射波導(dǎo)的所述第二端處，所述二維光柵包括變化弧度二維光柵和等弧度二維光柵，所述第二端輸出的光波依次經(jīng)過所述變化弧度二維光柵和所述等弧度二維光柵，所述光波進入所述二維光柵產(chǎn)生的背光反射至少部分在所述變化弧度二維光柵處改變了傳播方向而在所述二維光柵邊緣發(fā)散。

6、一種可能的實現(xiàn)方式中，所述二維光柵還包括：

7、光柵基底，所述光柵基底覆蓋所述二維光柵中去除所述變化弧度二維光柵和所述等弧度二維光柵的光柵齒后剩余的部分，所述光柵基底的高度低于所述光柵齒的高度。

8、一種可能的實現(xiàn)方式中，所述變化弧度二維光柵包括從靠近所述第二端的內(nèi)側(cè)向外側(cè)弧度依次均勻增加的多個光柵齒。

9、一種可能的實現(xiàn)方式中，所述二維光柵還包括：

10、抗反射薄膜，所述抗反射薄膜設(shè)置在所述變化弧度二維光柵的光柵齒朝向所述第二端的突出側(cè)面上，所述突出側(cè)面是指當(dāng)前光柵齒去除內(nèi)側(cè)光柵齒在當(dāng)前光柵齒側(cè)面上投影后剩余的弧度部分。

11、一種可能的實現(xiàn)方式中，所述抗反射薄膜的上端與所述光柵齒的上端平齊，所述抗反射薄膜的下端與所述光柵基底接觸。

12、一種可能的實現(xiàn)方式中，所述抗反射薄膜的制作材料為二氧化鈦。

13、一種可能的實現(xiàn)方式中，所述變化弧度二維光柵和所述等弧度二維光柵的周期相同。

14、一種可能的實現(xiàn)方式中，所述入射波導(dǎo)包括：依次連接的入射直波導(dǎo)和入射扇形波導(dǎo)，所述第一端為所述入射直波導(dǎo)的輸入端，所述第二端為所述入射扇形波導(dǎo)的圓弧端。

15、一種可能的實現(xiàn)方式中，所述垂直光柵耦合器的整體形狀呈扇形。

16、本申請第二方面提供一種光子芯片，包括上述第一方面中所述的垂直光柵耦合器。

17、相較于現(xiàn)有技術(shù)，本申請?zhí)峁┑拇怪惫鈻篷詈掀?，包括襯底；入射波導(dǎo)，設(shè)置在所述襯底上，所述入射波導(dǎo)具有第一端和第二端，所述第一端用于接收光波，所述第二端用于輸出光波；二維光柵，設(shè)置在所述襯底上入射波導(dǎo)的所述第二端處，所述二維光柵包括變化弧度二維光柵和等弧度二維光柵，所述第二端輸出的光波依次經(jīng)過所述變化弧度二維光柵和所述等弧度二維光柵，所述光波進入所述二維光柵產(chǎn)生的背光反射至少部分在所述變化弧度二維光柵處改變了傳播方向而在所述二維光柵邊緣發(fā)散。可見，本申請?zhí)峁┑拇怪惫鈻篷詈掀鲗崿F(xiàn)了抗背向反射的功能，且其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、工藝容差大。

技術(shù)特征：

1.一種垂直光柵耦合器，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直光柵耦合器，其特征在于，所述二維光柵還包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的垂直光柵耦合器，其特征在于，所述變化弧度二維光柵包括從靠近所述第二端的內(nèi)側(cè)向外側(cè)弧度依次均勻增加的多個光柵齒。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的垂直光柵耦合器，其特征在于，所述二維光柵還包括：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的垂直光柵耦合器，其特征在于，所述抗反射薄膜的上端與所述光柵齒的上端平齊，所述抗反射薄膜的下端與所述光柵基底接觸。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的垂直光柵耦合器，其特征在于，所述抗反射薄膜的制作材料為二氧化鈦。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直光柵耦合器，其特征在于，所述變化弧度二維光柵和所述等弧度二維光柵的周期相同。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直光柵耦合器，其特征在于，所述入射波導(dǎo)包括：依次連接的入射直波導(dǎo)和入射扇形波導(dǎo)，所述第一端為所述入射直波導(dǎo)的輸入端，所述第二端為所述入射扇形波導(dǎo)的圓弧端。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直光柵耦合器，其特征在于，所述垂直光柵耦合器的整體形狀呈扇形。

10.一種光子芯片，其特征在于，包括：根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項所述的垂直

技術(shù)總結(jié)
本公開提供一種垂直光柵耦合器及光子芯片，垂直光柵耦合器包括：襯底；入射波導(dǎo)，設(shè)置在所述襯底上，所述入射波導(dǎo)具有第一端和第二端，所述第一端用于接收光波，所述第二端用于輸出光波；二維光柵，設(shè)置在所述襯底上入射波導(dǎo)的所述第二端處，所述二維光柵包括變化弧度二維光柵和等弧度二維光柵，所述第二端輸出的光波依次經(jīng)過所述變化弧度二維光柵和所述等弧度二維光柵，所述光波進入所述二維光柵產(chǎn)生的背光反射至少部分在所述變化弧度二維光柵處改變了傳播方向而在所述二維光柵邊緣發(fā)散。可見，本申請?zhí)峁┑拇怪惫鈻篷詈掀鲗崿F(xiàn)了抗背向反射的功能，且其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、工藝容差大。

技術(shù)研發(fā)人員：陶鵬宇,顏博霞,周密,亓巖,王延偉,孫晨曦,韓哲
受保護的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院微電子研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/14