本發(fā)明涉及集成光學(xué)，具體地，涉及一種基于隨機(jī)結(jié)構(gòu)光柵的垂直入射鈮酸鋰光柵耦合器及制備方法。

背景技術(shù)：

1、隨著電子芯片逐漸達(dá)到摩爾定律極限，光芯片在通信與計(jì)算機(jī)領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。而光互連與光耦合作為光纖與光芯片連接的關(guān)鍵部位，其耦合效率深深制約與影響著光芯片的發(fā)展。由于鈮酸鋰具有優(yōu)異的電光響應(yīng)，并且在可見光到近紅外波段具有較低損耗的窗口，鈮酸鋰平臺(tái)成為了光芯片極具應(yīng)用前景的平臺(tái)，因此鈮酸鋰表面光柵耦合器的研究則至關(guān)重要。

2、楊登才等人(專利號(hào)：202110691342.2)設(shè)計(jì)了一種基于鈮酸鋰薄膜波導(dǎo)的高耦合效率分段均勻光柵耦合器，通過將幾段周期和占空比不同的均勻光柵連接在一起，并添加au反射層提高鈮酸鋰光柵耦合器的耦合效率。高士明等人(專利號(hào)：202311273374.6)提出了一種偏振不敏感的薄膜鈮酸鋰變跡光柵耦合器設(shè)計(jì)方法，使用粒子群算法優(yōu)化光柵參數(shù)，確定占空比、占空比變化率、刻蝕深度等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，使得te模和tm模均滿足布拉格條件，從而同時(shí)提高兩個(gè)模式的耦合效率。

3、上述兩種方案中均采用了以周期和占空比為調(diào)控手段的傳統(tǒng)光柵結(jié)構(gòu)，由于設(shè)計(jì)自由度較低，無法大幅度提升鈮酸鋰光柵耦合器的耦合效率?；谝陨辖Y(jié)構(gòu)光柵的鈮酸鋰光柵耦合器的耦合效率較低，且一般需要傾斜入射以提高其耦合效率，會(huì)影響后道的封裝和測試。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于隨機(jī)結(jié)構(gòu)光柵的垂直入射鈮酸鋰光柵耦合器及制備方法。

2、根據(jù)本發(fā)明提供的基于隨機(jī)結(jié)構(gòu)光柵的垂直入射鈮酸鋰光柵耦合器，包括：鈮酸鋰層、埋氧層、硅襯底、光纖外包層、光纖內(nèi)核層和二氧化硅上包層；

3、所述鈮酸鋰層由入射端隨機(jī)結(jié)構(gòu)光柵、出射端隨機(jī)結(jié)構(gòu)光柵、直波導(dǎo)、錐形波導(dǎo)共同組成；入射端隨機(jī)結(jié)構(gòu)光柵和出射端隨機(jī)結(jié)構(gòu)光柵與錐形波導(dǎo)相連，錐形波導(dǎo)和直波導(dǎo)相連；

4、鈮酸鋰層位于埋氧層之上，埋氧層位于硅襯底之上，二氧化硅上包層位于鈮酸鋰層之上；光纖外包層直接包圍在光纖內(nèi)核層上面，光纖外包層和光纖內(nèi)核層直接與二氧化硅上包層連接。

5、優(yōu)選地，出射端隨機(jī)結(jié)構(gòu)光柵與入射端隨機(jī)結(jié)構(gòu)光柵關(guān)于直波導(dǎo)對(duì)稱。

6、根據(jù)本發(fā)明提供的基于隨機(jī)結(jié)構(gòu)光柵的垂直入射鈮酸鋰光柵耦合器的制備方法，包括：

7、步驟s1：選取鈮酸鋰層厚度為600nm的x-cut?lnoi基片，對(duì)lnoi基片先后進(jìn)行丙酮與異丙醇的濕法清洗，再使用微波等離子體去膠機(jī)通入氧氣和氮?dú)鈱?duì)其鈮酸鋰層表面進(jìn)行表面氧等離子體改性處理；

8、步驟s2：在鈮酸鋰層上表面沉積一層非晶硅用作后續(xù)刻蝕鈮酸鋰的硬掩模；

9、步驟s3：在非晶硅表面旋涂一層電子束光刻膠，并對(duì)電子束光刻膠作烘烤處理；

10、步驟s4：在電子束光刻設(shè)備中進(jìn)行電子束曝光，然后用mibk溶液顯影，異丙醇溶液定影，將設(shè)計(jì)好的光柵耦合器版圖轉(zhuǎn)移到電子束光刻膠薄膜上；

11、步驟s5：在刻蝕設(shè)備中對(duì)基片進(jìn)行反應(yīng)離子束刻蝕，將曝光出來的圖形轉(zhuǎn)移到非晶硅硬掩模中；

12、步驟s6：使用氬離子轟擊基片表面，將結(jié)構(gòu)圖形從非晶硅硬掩模轉(zhuǎn)移到鈮酸鋰薄膜中，通過控制刻蝕時(shí)間來控制鈮酸鋰層的刻蝕深度；

13、步驟s7：使用水浴濕法去除殘留的非晶硅硬掩模；

14、步驟s8：在基片上表面沉積一層二氧化硅上包層，得到基于隨機(jī)結(jié)構(gòu)光柵的垂直入射鈮酸鋰光柵耦合器。

15、優(yōu)選地，在步驟s2中，在鈮酸鋰層上表面沉積的一層非晶硅的厚度為600nm。

16、優(yōu)選地，在步驟s3中，對(duì)電子束光刻膠作烘烤處理的條件為：在150℃下加熱基片一分鐘。

17、優(yōu)選地，在步驟s5中，采用反應(yīng)離子束刻蝕非晶硅的刻蝕速率為1.62nm/s，刻蝕時(shí)間為370s，刻蝕深度為600nm。

18、優(yōu)選地，在步驟s6中，采用氬離子刻蝕鈮酸鋰的刻蝕速率為1.48nm/s，刻蝕時(shí)間為270s，刻蝕深度為400nm。

19、優(yōu)選地，在步驟s7中，采用濃度為30％的氫氧化鉀溶液，稀釋到15％后，在80℃的溫度下水浴處理5分鐘，然后采用步驟s1中的方法對(duì)基片表面進(jìn)行表面改性處理。

20、優(yōu)選地，在步驟s8中，二氧化硅上包層的厚度為2μm。

21、優(yōu)選地，在步驟s8之后還包括測試步驟9，使用1500nm-1600nm波段激光器、光纖、基片放置臺(tái)與光電探測器，測試得到透射率，計(jì)算得出耦合效率曲線，從而評(píng)估耦合器性能。

22、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

23、(1)本發(fā)明基于隨機(jī)初始條件的梯度下降算法設(shè)計(jì)了一種基于隨機(jī)結(jié)構(gòu)光柵的垂直入射鈮酸鋰光柵耦合器，大幅度降低了入射光的背散射，顯著提高了耦合效率，可以提升至-3.18db；

24、(2)本發(fā)明采用完全垂直耦合的方式，易于后期封裝與測試，且耦合效率在目前可以查閱到的文獻(xiàn)和專利中最高；

25、(3)本發(fā)明中設(shè)計(jì)的使用梯度下降算法設(shè)計(jì)基于隨機(jī)結(jié)構(gòu)光柵的垂直入射鈮酸鋰光柵耦合器的方法具有很好的可拓展性，可以推廣到任意光學(xué)平臺(tái)(鉭酸鋰平臺(tái)等)的其它無源光學(xué)器件的設(shè)計(jì)；

26、(4)本發(fā)明中光柵耦合器的制備方法與cmos工藝兼容，且不需要引入底部金屬反射鏡，可以大規(guī)模批量生產(chǎn)。

技術(shù)特征：

1.一種基于隨機(jī)結(jié)構(gòu)光柵的垂直入射鈮酸鋰光柵耦合器，其特征在于，包括：鈮酸鋰層(5)、埋氧層(6)、硅襯底(7)、光纖外包層(8)、光纖內(nèi)核層(9)和二氧化硅上包層(10)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于隨機(jī)結(jié)構(gòu)光柵的垂直入射鈮酸鋰光柵耦合器，其特征在于，入射端隨機(jī)結(jié)構(gòu)光柵(1)與出射端隨機(jī)結(jié)構(gòu)光柵(2)關(guān)于直波導(dǎo)(3)對(duì)稱。

3.一種如權(quán)利要求1或2所述的基于隨機(jī)結(jié)構(gòu)光柵的垂直入射鈮酸鋰光柵耦合器的制備方法，其特征在于，包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于隨機(jī)結(jié)構(gòu)光柵的垂直入射鈮酸鋰光柵耦合器的制備方法，其特征在于，在步驟s2中，在鈮酸鋰層上表面沉積的一層非晶硅的厚度為600nm。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于隨機(jī)結(jié)構(gòu)光柵的垂直入射鈮酸鋰光柵耦合器的制備方法，其特征在于，在步驟s3中，對(duì)電子束光刻膠作烘烤處理的條件為：在150℃下對(duì)基片加熱一分鐘。

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于隨機(jī)結(jié)構(gòu)光柵的垂直入射鈮酸鋰光柵耦合器的制備方法，其特征在于，在步驟s5中，采用反應(yīng)離子束刻蝕非晶硅的刻蝕速率為1.62nm/s，刻蝕時(shí)間為370s，刻蝕深度為600nm。

7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于隨機(jī)結(jié)構(gòu)光柵的垂直入射鈮酸鋰光柵耦合器的制備方法，其特征在于，在步驟s6中，采用氬離子刻蝕鈮酸鋰的刻蝕速率為1.48nm/s，刻蝕時(shí)間為270s，刻蝕深度為400nm。

8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于隨機(jī)結(jié)構(gòu)光柵的垂直入射鈮酸鋰光柵耦合器的制備方法，其特征在于，在步驟s7中，采用濃度為30％的氫氧化鉀溶液，稀釋到15％后，在80℃的溫度下水浴處理5分鐘，然后采用步驟s1中的方法對(duì)基片進(jìn)行表面改性處理。

9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于隨機(jī)結(jié)構(gòu)光柵的垂直入射鈮酸鋰光柵耦合器的制備方法，其特征在于，在步驟s8中，二氧化硅上包層的厚度為2μm。

10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于隨機(jī)結(jié)構(gòu)光柵的垂直入射鈮酸鋰光柵耦合器的制備方法，其特征在于，在步驟s8之后還包括測試步驟9，使用1500nm-1600nm波段激光器、光纖、基片放置臺(tái)與光電探測器，測試得到透射率，計(jì)算得出耦合效率曲線，從而評(píng)估耦合器性能。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種基于隨機(jī)結(jié)構(gòu)光柵的垂直入射鈮酸鋰光柵耦合器及制備方法，包括：硅襯底、埋氧層、鈮酸鋰層以及二氧化硅上包層；埋氧層一側(cè)連接硅襯底，另一側(cè)連接鈮酸鋰層；鈮酸鋰層包括隨機(jī)結(jié)構(gòu)光柵、錐形體以及直波導(dǎo)；直波導(dǎo)通過兩側(cè)錐形體連接兩側(cè)對(duì)稱的隨機(jī)結(jié)構(gòu)光柵。本發(fā)明在不引入額外金屬反射鏡的條件下設(shè)計(jì)出了一種基于隨機(jī)結(jié)構(gòu)光柵的垂直入射鈮酸鋰光柵耦合器，極大降低了背反射從而提升了耦合效率，并且垂直耦合更易于芯片后道的封裝。

技術(shù)研發(fā)人員：薛崔偉,程秀蘭,廖汝俊,段華南,金鑫,瞿敏妮
受保護(hù)的技術(shù)使用者：上海交通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/26