基于鋯鈦酸鉛薄膜波導的非對稱非均勻光柵耦合器

本發明涉及光電集成器件，更具體地，涉及一種基于鋯鈦酸鉛薄膜波導的非對稱非均勻光柵耦合器。

背景技術：

1、隨著光通信技術的快速發展，對光互連器件的性能要求越來越高。鋯鈦酸鉛(pzt)因其高電光系數和良好的光學特性，成為實現高速電光調制的理想材料。然而，現有的pzt光柵耦合器在制備工藝和性能優化方面仍存在缺陷。

2、利用光纖與鋯鈦酸鉛光波導之間的高效耦合，有利于進一步實現pzt器件的集成應用化。當前光柵耦合器存在以下幾個方面的缺點：其一，由于pzt的對稱性，使得光經過光柵衍射之后，會形成對稱的兩部分，其中有一部分光功率向襯底泄露，導致傳統的光柵耦合器的耦合效率很低；其二，傳統的均勻周期光柵耦合器向上衍射光的光場分布呈指數型衰減，導致了傳統的光柵耦合器衍射效率的低下。

技術實現思路

1、有鑒于此，本發明提供了一種基于鋯鈦酸鉛薄膜波導的非對稱非均勻光柵耦合器。

2、本發明的一個方面提供了一種基于鋯鈦酸鉛薄膜波導的非對稱非均勻光柵耦合器，包括：光子芯片及光纖；所述光子芯片從下至上依次包括襯底硅、埋氧層、硅反射層、氧化硅隔離層、鋯鈦酸鉛薄膜層、波導耦合光柵、氧化硅包埋層；所述光纖設置在所述氧化硅包埋層上方；其中，所述波導耦合光柵依次包括第一光柵、第二光柵和第三光柵，在所述鋯鈦酸鉛薄膜層上刻蝕形成，所述第一光柵、所述第二光柵和所述第三光柵均為非對稱結構且光柵周期不同，以減小背反射并使所述光子芯片的向上衍射光場與所述光纖的模場匹配。

3、根據本發明的實施例，所述第一光柵、所述第二光柵和所述第三光柵均為非對稱結構。第一光柵的初始光柵的長度為1-5um，隨后長度持續遞增，遞增長度為0.2-0.8um，持續遞增到第三光柵的終止光柵。

4、根據本發明的實施例，所述第一光柵的周期范圍為0.8um-1um，所述第二光柵和所述第三光柵的周期范圍為0.8um-0.98um。

5、根據本發明的實施例，所述第一光柵與所述第二光柵之間存在第一隔斷，所述第二光柵與所述第三光柵之間存在第二隔斷，所述第一隔斷和所述第二隔斷的寬度范圍為0.8um-1.1um。

6、根據本發明的實施例，所述第一光柵的占空比為0.4-0.5，所述第二光柵和所述第三光柵的占空比為0.4-0.6。

7、根據本發明的實施例，所述第一光柵、所述第二光柵和所述第三光柵的刻蝕深度相同，所述刻蝕深度為100-200nm。

8、根據本發明的實施例，所述光纖設于所述氧化硅包埋層上方1-10um處，且與所述鋯鈦酸鉛薄膜層的垂直方向成5°~15°夾角。

9、根據本發明的實施例，所述光子芯片還包括：錐形模斑變化器和鋯鈦酸鉛光波導；所述錐形模斑變化器設置在所述鋯鈦酸鉛光波導與所述波導耦合光柵之間，用于將所述鋯鈦酸鉛光波導導入的光進行模式轉換后輸入所述波導耦合光柵。

10、根據本發明的實施例，輸入所述波導耦合光柵的光的模式為基模。

11、根據本發明的實施例，所述的鋯鈦酸鉛薄膜層的厚度為200-400nm。

12、根據本發明的實施例，所述硅反射層的厚度為0-220nm。

13、根據本發明實施例提供的一種基于鋯鈦酸鉛薄膜波導的非對稱非均勻光柵耦合器，其至少具有以下有益效果：

14、（1）本發明提供的非對稱非均勻光柵耦合器帶硅襯底反射結構，通過使用非對稱結構并增添硅襯底反射結構，減小了向襯底泄露的光功率損失，提高了基于絕緣鋯鈦酸鉛平臺的光柵耦合器的耦合效率；

15、（2）本發明提供的非對稱非均勻光柵耦合器通過設計構造非對稱非均勻啁啾光柵耦合結構，優化了向上衍射場和光纖的模式匹配，進一步增大了基于絕緣鋯鈦酸鉛平臺的光柵耦合器的耦合效率；

16、（3）非對稱非均勻光柵耦合器硅襯底反射結構契合傳統硅光工藝流程，與絕緣體上硅工藝兼容性高，有利于推進硅基鋯鈦酸鉛異質集成工藝技術的發展。

技術特征：

1.一種基于鋯鈦酸鉛薄膜波導的非對稱非均勻光柵耦合器，其特征在于，包括：

2.根據權利要求1所述的基于鋯鈦酸鉛薄膜波導的非對稱非均勻光柵耦合器，其特征在于，所述第一光柵、所述第二光柵和所述第三光柵均為非對稱結構；

3.根據權利要求1所述的基于鋯鈦酸鉛薄膜波導的非對稱非均勻光柵耦合器，其特征在于，所述第一光柵的周期范圍為0.8um-1um，所述第二光柵和所述第三光柵的周期范圍為0.8um-0.98um；所述第一光柵的占空比為0.4-0.5，所述第二光柵和所述第三光柵的占空比為0.4-0.6。

4.根據權利要求1或2所述的基于鋯鈦酸鉛薄膜波導的非對稱非均勻光柵耦合器，其特征在于，所述第一光柵與所述第二光柵之間存在第一隔斷，所述第二光柵與所述第三光柵之間存在第二隔斷，所述第一隔斷和所述第二隔斷的寬度范圍為0.8um-1.1um。

5.根據權利要求1所述的基于鋯鈦酸鉛薄膜波導的非對稱非均勻光柵耦合器，其特征在于，所述第一光柵、所述第二光柵和所述第三光柵的刻蝕深度相同，所述刻蝕深度為100-200nm。

6.根據權利要求1所述的基于鋯鈦酸鉛薄膜波導的非對稱非均勻光柵耦合器，其特征在于，所述光纖(8)設于所述氧化硅包埋層(7)上方1-10um處，且與所述鋯鈦酸鉛薄膜層(5)的垂直方向成5°~15°夾角。

7.根據權利要求1所述的基于鋯鈦酸鉛薄膜波導的非對稱非均勻光柵耦合器，其特征在于，所述光子芯片還包括：

8.根據權利要求7所述的基于鋯鈦酸鉛薄膜波導的非對稱非均勻光柵耦合器，其特征在于，輸入所述波導耦合光柵(6)的光的模式為基模。

9.根據權利要求1所述的基于鋯鈦酸鉛薄膜波導的非對稱非均勻光柵耦合器，其特征在于，所述的鋯鈦酸鉛薄膜層(5)的厚度為200-400nm。

10.根據權利要求1所述的基于鋯鈦酸鉛薄膜波導的非對稱非均勻光柵耦合器，其特征在于，所述硅反射層(3)的厚度為0-220nm。

技術總結
本發明提供了一種基于鋯鈦酸鉛薄膜波導的非對稱非均勻光柵耦合器，涉及光電集成器件技術領域，包括：光子芯片及光纖(8)；光子芯片從下至上依次包括襯底硅(1)、埋氧層(2)、硅反射層(3)、氧化硅隔離層(4)、鋯鈦酸鉛薄膜層(5)、波導耦合光柵(6)、氧化硅包埋層(7)；光纖（8）設置在氧化硅包埋層(7)上方；其中，波導耦合光柵(6)依次包括第一光柵、第二光柵和第三光柵，在鋯鈦酸鉛薄膜層(5)上刻蝕形成，第一光柵、第二光柵和第三光柵均為非對稱結構且光柵周期不同，以減小背反射并使光子芯片的向上衍射光場與光纖（8）的模場匹配。

技術研發人員：王道發,李明,謝毓俊,王鵬
受保護的技術使用者：中國科學院半導體研究所
技術研發日：
技術公布日：2024/10/21