一种基于超表面结构的定向耦合器及制备方法

技术领域

本发明涉及光学元件技术领域，具体而言，涉及一种基于超表面结构的定向耦合器及制备方法。

背景技术

光学分束器是光子系统中非常重要的元器件之一，可以用于光的分束和耦合。在光子集成电路中，人们对紧凑型、大带宽分束器的需求十分迫切，特别是在数据通信应用中，如波分复用和信号转换系统。目前，常用的2×2硅基分束器主要有3-dB定向耦合器(Directional coupler,DC)和多模干涉器(Multimode interference,MMI)两种。MMI工艺容差大、带宽大、对偏振不敏感，然而，其尺寸通常较大，不利于小型化。DC结构简单、尺寸小，然而其带宽小、且对偏振比较敏感。Zeqin Lu等人通过采用基于非对称波导结构的相位控制获得了尺寸小、带宽大的硅基定向耦合器。然而，该定向耦合器依然是偏振依赖的。

发明内容

本发明旨在提供一种基于超表面结构的定向耦合器及制备方法，以解决现有技术中定向耦合器不能兼顾小型化和对偏振不敏感的问题。

本发明是采用以下的技术方案实现的：

本发明提供一种基于超表面结构的定向耦合器，包括定向耦合器本体，所述定向耦合器本体中构建有超表面结构，所述超表面结构用于对不同波长、不同偏振的光进行调控。

本发明的定向耦合器带宽大、且对偏振不敏感。

作为优选的技术方案：

所述超表面结构为一维亚波长光栅结构或二维光子晶体结构。

作为优选的技术方案：

所述超表面结构的形状为长方体、圆柱、椭圆柱中的一种或多种。

作为优选的技术方案：

所述超表面结构为周期性结构或非周期性结构。

作为优选的技术方案：

所述定向耦合器本体的材料为硅、氮化硅、氮氧化硅、或锗。

作为优选的技术方案：

所述定向耦合器本体包括从下至上依次设置的基底层、埋氧层和包层，所述超表面结构位于所述埋氧层的顶面，包裹于所述包层中。

本发明进一步提供一种基于超表面结构的定向耦合器的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：清洗晶圆，晶圆包括基底层、埋氧层和顶层；

步骤二：在晶圆的顶层上旋涂一层光刻胶，然后对光刻胶进行曝光、显影，将掩膜版上的图形转移到光刻胶上；

步骤三：进行干法刻蚀，将光刻胶上的图形转移到晶圆的顶层上；

步骤四：在晶圆上进行包层沉积并抛光；

步骤五：进行晶圆耦合槽深刻蚀。

作为优选的技术方案：

所述晶圆采用SOI晶圆，所述SOI晶圆包括从下至上依次设置的硅基底、埋氧层和顶层硅。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明通过在传统定向耦合器中构建超表面结构，增加了定向耦合器中可调控的自由度，由此来实现对不同波长、不同偏振的光进行调控，来补偿传统定向耦合器波长相关、偏振相关的耦合比，以获得尺寸小、带宽大、偏振不敏感的定向耦合器。

2、本发明的定向耦合器可以在硅光工艺平台上进行制备，其制备工艺与CMOS兼容，具有成本低、可批量生产的优点。

附图说明

图1为本发明所述的基于超表面结构的定向耦合器的三维结构示意图。

图2为本发明所述的基于超表面结构的定向耦合器的俯视图(未示出包层)。

图3为本发明所述的基于超表面结构的定向耦合器的制备流程示意图。

图标：1-基底层，2-埋氧层，3-定向耦合器本体，4-超表面结构，5-包层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例中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。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例提出一种基于超表面结构的定向耦合器，包括定向耦合器本体3，所述定向耦合器本体3中构建有超表面结构4，所述超表面结构4用于对不同波长、不同偏振的光进行调控。

其中，所述超表面结构4可以为一维亚波长光栅结构或二维光子晶体结构。所述超表面结构4的形状可以为长方体、圆柱、椭圆柱中的一种或多种。所述超表面结构4可以为周期性结构或非周期性结构。所述定向耦合器本体3的材料可以为硅、氮化硅、氮氧化硅、或锗。

所述定向耦合器本体3包括从下至上依次设置的基底层1、埋氧层2和包层5，所述超表面结构4位于所述埋氧层2的顶面，包裹于所述包层5中。

本发明通过在传统定向耦合器中构建超表面结构4，利用微纳结构对光场的调控作用，增加了定向耦合器中可调控的自由度，由此来实现对不同波长、不同偏振的光进行调控，来补偿传统定向耦合器波长相关、偏振相关的耦合比，以获得尺寸小、带宽大、偏振不敏感的定向耦合器。

在本实施例中，所述基于超表面结构的定向耦合器采用硅基定向耦合器，厚度为220nm，基底层1的材料为硅，埋氧层2的材料为二氧化硅，其厚度为3μm，包层5的材料为二氧化硅。所述基于超表面结构的定向耦合器工作的中心波长为1550nm。超表面结构4选定为周期性一维亚波长光栅结构，其周期范围为500nm～800nm，占空比为50％，刻蚀深度为70nm～220nm。

如图3所示，上述基于超表面结构的定向耦合器的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：清洗SOI晶圆，SOI晶圆包括硅基底、埋氧层和顶层硅；

步骤二：在SOI晶圆的顶层硅上旋涂一层光刻胶，然后对光刻胶进行曝光、显影，将掩膜版上的图形转移到光刻胶上；

步骤三：进行干法刻蚀，将光刻胶上的图形转移到SOI晶圆的顶层硅上；

步骤四：进行二氧化硅包层沉积并抛光；

步骤五：进行耦合槽深刻蚀。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。