布拉格光栅芯片

技术领域

本发明涉及一种布拉格光栅芯片，属于光电器件领域。

背景技术

布拉格光栅结构具有反射特定波长光信号的性质，可用于制作光滤波器、激光器的谐振腔、传感器、表面耦合器等光器件。布拉格光栅作为分布式布拉格反射型(DBR)激光器中的窄带通反射器时，希望布拉格光栅反射光谱的带宽非常窄，可能为0.1-0.3nm级别，这要求布拉格光栅中前向传输光模式和后向传输光模式之间的耦合系数非常小，即要求布拉格光栅引入的有效折射率ΔNeff扰动非常小(称为微扰，在1E-4～1E-3量级)。现有技术中，制备布拉格光栅的方法一般为在波导顶部刻蚀条纹或在波导侧壁刻蚀条纹，但是，有效折射率对条纹非常敏感，即很小的波导表面起伏都会引起较大的有效率变化。如果得到期望的有效折射率微扰，则需要非常小的波导表面条纹起伏(10nm左右)，而非常小的条纹起伏的制备难度大且无法稳定控制，即难以实现稳定可控的有效折射率微扰。

因此，需要一种容易得到有效折射率微扰的布拉格光栅的方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种布拉格光栅芯片，其有效折射率扰动非常小，结构简单易得且一致性和稳定性强。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种布拉格光栅芯片，包括基板、设置在所述基板上的二氧化硅层、设置在所述二氧化硅层上的波导、以及设置在所述波导侧面且用以分布式反射光线的点阵光栅，所述点阵光栅和至少部分所述波导相离设置。

进一步地，所述波导为脊型波导，所述脊型波导包括平板层和形成在平板层上的中心脊，所述点阵光栅形成在所述平板层上且与所述中心脊相离设置。

进一步地，所述脊型波导的中心脊为矩形、梯形或两者的组合。

进一步地，所述波导为矩形波导或梯型波导，所述点阵光栅形成在所述二氧化硅层上，所述波导和所述点阵光栅相离设置。

进一步地，所述点阵光栅和所述波导平行设置。

进一步地，所述点阵光栅包括若干相离排布的光栅点，所述光栅点的形状为圆柱形、棱柱形、圆台形、及棱台形中的一种或多种。

进一步地，所述点阵光栅设置在所述波导的至少一侧面。

进一步地，所述波导和所述点阵光栅的材料为铌酸锂、硅或氮化硅材料。

进一步地，所述点阵光栅为均匀光栅或非均匀光栅。

进一步地，所述布拉格光栅芯片还包括设置在所述波导和所述点阵光栅上的包层，所述包层的材料为二氧化硅、氮化硅或二氧化钛。

进一步地，所述布拉格光栅芯片还包括设置在所述包层上的金属电极，所述金属电极通电得到中心波长可调谐的布拉格光栅芯片。

进一步地，所述波导中掺杂入P型和N型杂质，所述金属电极通电得到中心波长可调谐的布拉格光栅芯片。

进一步地，所述布拉格光栅芯片还包括设置在所述二氧化硅层或包层上的加热层，加热所述加热层得到中心波长可调谐的布拉格光栅芯片。

本发明的有益效果在于：本发明的布拉格光栅芯片包括波导和设置在波导侧面且用以分布式反射光线的点阵光栅，点阵光栅和至少部分波导相离设置，通过控制波导和点阵光栅之间的距离，可实现稳定的有效折射率微扰，得到极窄带(≤0.2nm)滤波性能，该结构简单，制备难度低且易控制，一致性和稳定性强。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明实施例一所示的布拉格光栅芯片的结构示意图；

图2为图1中AA’处的截面图；

图3为本发明实施例二所示的布拉格光栅芯片的结构示意图；

图4为图3中BB’处的截面图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明所示的布拉格光栅芯片，包括基板、设置在基板上的二氧化硅层、设置在二氧化硅层上的波导、以及设置在波导侧面且用以分布式反射光线的点阵光栅。

点阵光栅和至少部分波导相离设置，具体的，波导为脊型波导时，脊型波导包括平板层和形成在平板层上的中心脊，点阵光栅形成在平板层上且与中心脊相离设置。波导为矩形波导或梯型波导时，点阵光栅形成在二氧化硅层上，波导和点阵光栅相离设置。其中，脊型波导的中心脊为矩形、梯形或两者的组合，但中心脊还可以为其他形状，在此不再一一列举。

波导和点阵光栅的材料为铌酸锂、硅或氮化硅材料。需要说明的是，波导和点阵光栅在同一个布拉格光栅芯片上时，两者选用的材料保持一致，波导和点阵光栅从同一个材料制备得到，很显然，可简化工艺。波导的还可以为其他材料和其他类型的波导，在此不做具体限定，可根据实际需要进行选择。

点阵光栅包括若干相离排布的光栅点，光栅点的形状为圆柱形、棱柱形、圆台形、及棱台形中的一种或多种，光栅点的具体形状还可以为其他，在此不一一列举。点阵光栅设置在波导的至少一侧面，即，点阵光栅可以设置在波导的任意一侧面，或者两侧面都设置有点阵光栅。另外，为了得到所需的性能，在波导的一侧面可以设置多个点阵光栅，比如两个或三个等。

点阵光栅为均匀光栅或非均匀光栅，在此不做具体限定，点阵光栅的具体结构可根据实际需要进行选择。

点阵光栅的个数、点阵光栅和波导之间的距离的数值、光栅点的尺寸大小由所需的有效折射率扰动的大小而确定，光栅点的周期(即相邻光栅点的中心距离)由所需的中心反射波长而确定，在此不做具体限定，可根据实际需要进行选择。

通过控制波导和点阵光栅之间的距离，可实现稳定的有效折射率微扰，得到极窄带(≤0.2nm)滤波性能，该结构简单，制备难度低易控制，得到的布拉格光栅一致性和稳定性强。点阵光栅和波导平行设置，实现光线在波导内稳定传输，但波导横截面的光场分布受到点阵光栅的周期性扰动，进而实现有效折射率受到点阵光栅的周期性扰动。

基板的材料可以为单晶硅，但也不仅限于此，还可以为其他材料，在此不做具体限定。

此外，布拉格光栅芯片还包括设置在波导和点阵光栅上的包层，以此保护波导和点阵光栅，避免波导和点阵光栅裸露在外，延长布拉格光栅芯片的使用寿命。其中，包层的材料为二氧化硅、氮化硅或二氧化钛等材料，也可以是多种材料的混合，包层还可以由其他稳定性强的材料制备得到，在此不一一列举。

为了增加布拉格光栅芯片的应用场景，布拉格光栅芯片还包括设置在包层上的金属电极，对于铌酸锂等具有电光效应的晶体材料，金属电极通电所引起的电场强度变化可以改变该材料的折射率，进而可得到中心波长可调谐的布拉格光栅芯片，以此可制备波长可调谐的谐振腔或滤波器等器件。另外，由于一般材料都具有热光效应，即折射率受其温度的变化而变化，布拉格光栅芯片还可以包括设置在二氧化硅层或包层上的加热层，加热该加热层可改变该材料的折射率，得到中心波长可调谐的布拉格光栅芯片。此外，硅、铌酸锂等材料具有等离子体色散效应，即其折射率随着晶体内自由载流子浓度的变化而变化，因此还可以在脊型波导的波导脊部两侧通过离子注入或者扩散工艺分别掺入P型(例如：硼)和N型(例如：磷)杂质，构成“P-i-N”型半导体物理结，将P型和N型区域分别与金属电极相连，通过金属电极通电向波导内注入或抽取自由载流子，控制材料的折射率，实现中心波长可调谐的布拉格光栅。

关于布拉格光栅芯片的制备，其中，二氧化硅层和包层可通过等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)、化学气相沉积法(CVD)或物理气相沉积(PVD)生长。

布拉格光栅的制备：通过利用电子束光刻技术(electron beam lithography)或光学光刻技术(optical lithography)定义波导和阵列光栅的位置和形状；再采用离子束铣(iron milling)、反应离子刻蚀(RIE)、电感耦合等离子体刻蚀(ICP-RIE)、或湿法蚀刻(Wet Etch)、或晶体离子切片技术(Crystal Ion Slicing)完成波导和阵列光栅制作。

下面结合具体实施例对本发明进行进一步说明。

实施例一基于矩形波导的布拉格光栅芯片

参见图1和图2，本实施例中，该布拉格光栅芯片包括单晶硅基板11、位于单晶硅基板11上的二氧化硅层12、位于二氧化硅层12上的矩形波导13和点阵光栅14、以及包覆矩形波导13和点阵光栅14的包层15，点阵光栅14位于矩形波导13的一侧，且点阵光栅14的光栅点141为圆柱形结构。包层15为二氧化硅材料，包层15的材料和二氧化硅层12材料相同。

实施例二基于脊波导的布拉格光栅芯片

参见图3和图4，本实施例中，该布拉格光栅芯片包括单晶硅基板21、位于单晶硅基板21上的二氧化硅层22、位于二氧化硅层22上的脊型波导23和点阵光栅24、以及包覆脊型波导23和点阵光栅24的包层25。点阵光栅24位于脊型波导23的一侧，具体的，脊型波导23包括平板层231和形成在平板层231上的中心脊232，点阵光栅24位于平板层231上且位于中心脊232的一侧，点阵光栅24和中心脊232相离设置。点阵光栅24的光栅点241为圆台形结构。

请参见表1、表2和表3，以脊型波导为例，在其上刻蚀条纹式光栅和本申请实施例二得到的点阵光栅对有效折射率扰动对比分析。其中，脊型波导的平板层厚度为180nm，中心脊的脊高为180nm，中心脊的脊顶宽度为800nm。点阵光栅的光栅点的顶部直径为100nm，厚度为180nm。

表1脊型波导的侧面刻蚀条纹的布拉格光栅

表2脊型波导的顶面刻蚀条纹的布拉格光栅

表3脊型波导的一侧设置有点阵光栅的布拉格光栅

为了将有效折射率扰动的变化量控制在1E-3以内，对于直接在波导侧面刻蚀条纹的布拉格光栅，需要的表面条纹刻蚀偏差控制量级约为8nm；对于直接在波导顶面刻蚀条纹的布拉格光栅，需要的表面条纹刻蚀偏差控制量级约为1～2nm；对于本发明的点阵式光栅，需要的点阵光栅和波导间距偏差控制量级约为80～140nm。因此表面刻蚀条纹的布拉格光栅相对点阵式光栅的工艺敏感性更强。在目前的工艺加工中，波导表面10nm量级的条纹是极难以稳定控制的，这导致表面刻蚀布拉格光栅芯片性能的一致性、稳定性很差。而对于点阵光栅，50nm量级的间距的偏差控制是相对容易实现的，因此通过控制光栅点阵和波导之间的间距，可以很容易实现稳定的有效折射率微扰，满足实际需要。

综上，本发明的布拉格光栅芯片包括波导和设置在波导侧面且用以分布式反射光线的点阵光栅，点阵光栅和至少部分波导相离设置，通过控制波导和点阵光栅之间的距离，可实现稳定的有效折射率微扰，得到极窄带(≤0.2nm)滤波性能，该结构简单，制备难度低且易控制，一致性和稳定性强。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。