单晶金刚石中的低损耗毫米波导和光栅耦合器

我们华林科纳报道了商用合成单晶金刚石中带有单片光栅耦合器的毫米长条形波导的设计、制造和表征。为了最大限度地减少单晶金刚石薄板的器件占地面积和晶片楔的影响，我们采用了卷曲波导布局。这些器件是使用电子束光刻和反应离子蚀刻制造的。为了提高光栅蚀刻掩模的电子束图案化精度，我们对光栅和锥形进行了邻近效应补偿。线性表征结果表明，在光纤通信C波段，波导衰减为6.5dB/mm，光栅传输为-6.3dB。这些结果证明了用单晶金刚石制作长波导和集成光栅耦合器的可行性。我们的研究结果将有助于进一步探索集成单晶金刚石器件中的量子和非线性光学。

集成光子器件已经在单晶、多晶和纳米金刚石材料中得到了证明。世界各地的几个研究小组已经使用了不同的制造方法，要么依靠具有电感耦合等离子体反应离子蚀刻（ICP RIE）的电子束光刻（EBL），要么依靠聚焦离子束（FIB）铣削。与FIB铣削相比，EBL和ICP RIE的结合具有实现更高精度的优势，并提供了实现更复杂器件设计的可能性。迄今为止实现的大多数器件都是在绝缘体上的分层金刚石（DOI）衬底中制造的，该衬底在埋入氧化物（SiO2）层的顶部具有金刚石膜。

到目前为止，用于将光耦合到单晶DOI光子器件中和从单晶DOI光器件耦合出的方法主要基于边缘耦合、光纤锥形耦合或光栅辅助显微镜-物镜耦合。在各种光耦合方法中，光栅光纤芯片耦合方法提供了相对较高的效率和器件布局灵活性，以及自动化晶圆级测试的可能性。另一个优点是，通过在器件中集成单片光栅耦合器，避免了用边缘耦合所需的聚合物波导延伸覆盖金刚石波导的额外光刻步骤。然而，据我们所知，为电信波长的平裂光纤耦合而优化的光栅耦合器很少在单晶DOI光子器件中得到证明。此外，最近在上述SCDMW样本上展示的光栅耦合器具有−15dB的相对较低的耦合效率，为了实现实际应用，应该进一步提高耦合效率。

与单晶DOI衬底相比，在聚/纳米晶体DOI衬底中制造集成器件的挑战性较小，因为前者可以通过在现有晶圆级SiO2衬底上通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）直接生长金刚石层来制备。以这种方式制造的聚/纳米晶体DOI衬底不会受到晶片楔的影响。在多晶硅DOI衬底上实现了各种高质量的片上器件，包括Q因子高达11000的环形谐振器、传输损耗为5.3dB/mm的长达4.6mm的波导以及耦合效率为−5dB的单片光栅耦合器。

我们华林科纳使用光栅耦合器在片上金刚石波导和G.652标准电信单模光纤之间耦合1550nm的TE偏振光。由于楔形金刚石晶片不适合实现精确的部分蚀刻光栅轮廓，我们设计了一种二元光栅耦合器，在整个金刚石层中完全蚀刻光栅沟槽。

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审核编辑：汤梓红