一种偏振无关的LNOI端面耦合结构制造技术

本实用新型专利技术公开了一种偏振无关的LNOI端面耦合结构，包括衬底、设置于衬底上的缓冲层和设置于缓冲层上的铌酸锂波导，铌酸锂波导由第一输入区、第一锥形区和第一输出区三部分组成，其中第一输入区和第一输出区宽度保持不变，第一锥形区采用反向锥形结构；在缓冲层上沉积外包层波导覆盖铌酸锂波导，外包层波导结构由第二输入区、第二锥形区和第二输出区三部分组成，其中第二输入区和第二输出区宽度保持不变，第二锥形区采用正向锥形结构。本实用新型专利技术可实现光纤与LNOI芯片之间几乎偏振无关的高效耦合。高效耦合。高效耦合。

【技术实现步骤摘要】
一种偏振无关的LNOI端面耦合结构


[0001]本技术涉及集成光学
，尤其涉及一种偏振无关的LNOI端面耦合结构。

技术介绍

[0002]铌酸锂作为一种新型材料具有诸多优良的光学特性，包括电光系数大、非线性光学效应、宽光学透明窗口、温度稳定性好，热光系数低等等，因此，在过去的十几年中，铌酸锂在集成光学领域得到迅速发展。为进一步满足集成光子器件小型化的发展要求，通过将铌酸锂薄膜化至几百纳米，基于离子注入和晶圆键合技术制造出绝缘体上铌酸锂。LNOI不仅保留了传统铌酸锂体材料一系列优良的光学特性，还具有比传统铌酸锂体材料更低的传输损耗和更高的电光调控效率，已经成为最有前景的集成光学平台之一，并用于实现电光调制、二次谐波产生、克尔频率梳产生等多种片上功能。但是，如何实现LNOI波导与光纤之间的高效耦合，一直是LNOI光子器件在实际应用中亟需解决的关键问题之一，亚微米级的LNOI波导与光纤直接耦合，插入损耗往往超过10dB。因此，很有必要设计出一种耦合结构，用以实现LNOI芯片与光纤之间的高效耦合。
[0003]通常情况下，根据输入光源与光学芯片是否处于同一平面，可以将耦合方案分为平面内耦合和平面外耦合。平面外耦合也可以称为垂直耦合，其中光栅耦合器最具代表性，光栅耦合器具有对准公差大、耦合位置灵活、结构紧凑等诸多优点，因此普遍适用于光学芯片的测试，但是受限于衍射原理，光栅耦合对波长和偏振都比较敏感，很难实现高耦合带宽和偏振无关，并且光栅耦合在实际应用中缺乏合理的封装方案；平面内耦合也可以称为端面耦合，传统的端面耦合是将光纤尾纤端面与芯片波导端面直接对接耦合，这种耦合方式要求光纤与波导需要严格对准，对准容差十分有限，并且光纤与波导之间存在的模场失配问题，导致耦合效率低下。。

技术实现思路

[0004]本技术的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种偏振无关的LNOI端面耦合结构。
[0005]为了实现上述目的，本技术采用了如下技术方案：
[0006]一种偏振无关的LNOI端面耦合结构，包括衬底、设置于衬底上的缓冲层和设置于缓冲层上的铌酸锂波导，所述铌酸锂波导由第一输入区、第一锥形区和第一输出区三部分组成，其中所述第一输入区和第一输出区宽度保持不变，所述第一锥形区采用反向锥形结构；在所述缓冲层上沉积外包层波导覆盖铌酸锂波导，所述外包层波导结构由第二输入区、第二锥形区和第二输出区三部分组成，其中所述第二输入区和所述第二输出区宽度保持不变，所述第二锥形区采用正向锥形结构。
[0007]优选地，所述衬底材料采用Z切铌酸锂，厚度在400
‑
500微米。
[0008]优选地，所述缓冲层材料采用二氧化硅，厚度为2微米的常规晶圆厚度。
[0009]优选地，所述铌酸锂波导部分材料采用Z切铌酸锂，厚度为400nm典型晶圆厚度。
[0010]优选地，所述外包层波导部分材料采用SIOxNy。
[0011]优选地，所述第一锥形区尖端宽度小于150nm。
[0012]优选地，所述第一输入区和第二输入区均与光纤对接，所述第一输出区和第二输出区均与LNOI光子芯片对接。
[0013]与现有技术相比，本技术的有益效果为：
[0014](1)与现有技术相比，LNOI芯片与光纤间的耦合效率得到了进一步提升，并且对TE、TM两种偏振模式不敏感，基本可以实现偏振无关，其中包层正向锥形的设计，进一步增强了芯层铌酸锂反向锥形波导的模式转换效果，输入区宽度保持的设计也耦合效率的提升和偏振无关的实现起到增益作用；
[0015](2)制作工艺基于现阶段成熟的半导体工艺技术，工艺技术层面便于实现，具有潜在的经济与应用价值，能够在集成光学领域得到广泛应用。
附图说明
[0016]图1为本技术一种偏振无关的LNOI端面耦合结构的结构示意图；
[0017]图2为本技术一种偏振无关的LNOI端面耦合结构的俯视结构示意图；
[0018]图3为本技术一种偏振无关的LNOI端面耦合结构的侧视结构示意图
[0019]图4为图1所示意的结构在TM、TE两种偏振模式下输入区端面处模场分布与输入光纤端面处模场分布对比示意图；
[0020]图5为图1所示意的结构在TM偏振模式下模场转换示意图；
[0021]图6为图1所示意的结构在TE偏振模式下模场转换示意图；；
[0022]图7为图1所示意的结构在TM、TE两种偏振模式下耦合效率示意图。
[0023]图中：
[0024]1、衬底，2、缓冲层，3、第一输入区，4、第一锥形区，5、第一输出区，6、第二输入区，7、第二锥形区，8、第二输出区。
具体实施方式
[0025]下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0026]本实施例的一种偏振无关的LNOI端面耦合结构示意图如图1
‑
3所示。包括衬底1、设置于衬底1上的缓冲层2和设置于缓冲层2上的铌酸锂波导，铌酸锂波导，可利用电子束曝光技术或者紫外曝光技术，对铌酸锂芯层波导形状进行定义，其中第一锥形区4尖端宽度建议不超过150nm，铌酸锂波导由第一输入区3、第一锥形区4和第一输出区5三部分组成，其中第一输入区3和第一输出区5宽度保持不变，第一锥形区4采用反向锥形结构，即沿传光方向宽度由窄到宽渐变；在缓冲层2上沉积外包层波导覆盖铌酸锂波导，外包层波导结构由第二输入区6、第二锥形区7和第二输出区8三部分组成，其中第二输入区6和第二输出区8宽度保持不变，第二锥形区7采用正向锥形结构，即沿传光方向宽度由宽到窄渐变；铌酸锂波导和外包层波导的输入区、锥形区、输出区在长度上一一对应。
[0027]衬底1材料采用Z切铌酸锂，厚度在400
‑
500微米，，主要起支撑作用。
[0028]缓冲层2材料采用二氧化硅，厚度为2微米的常规晶圆厚度。
[0029]铌酸锂波导部分材料采用Z切铌酸锂，厚度为400nm典型晶圆厚度。
[0030]外包层波导部分材料采用SIOxNy，外包层波导参数应根据对接光纤尺寸而定，其中尤其锥形区宽端部分尺寸应与对接光纤严格匹配，外包层SIOxNy波导可利用等离子体增强化学气相沉积技术或者磁控溅射技术获得，在制造工艺过程中通过控制氮氧比例，得到理想折射率的外包层波导；第一输入区3和第二输入区6均与光纤对接，第一输出区3和第二输出区8均与LNOI光子芯片对接。
[0031]结构的制作大体可分为两部分，一部分为顶层铌酸锂波导的制作，包括第一输入区3、第一锥形区4和第一输出区5，首先利用电子束曝光EBL技术在晶圆顶层铌酸锂上定义第一输入区3、第一锥形区4和第一输出区5图案，再利用电感耦合等离子体ICP刻蚀技术向下转移定义图案，完成顶层铌酸锂波导的制作；另一部分为SiOxNy外包层波导的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种偏振无关的LNOI端面耦合结构，其特征在于，包括衬底(1)、设置于衬底(1)上的缓冲层(2)和设置于缓冲层(2)上的铌酸锂波导，所述铌酸锂波导由第一输入区(3)、第一锥形区(4)和第一输出区(5)三部分组成，其中所述第一输入区(3)和第一输出区(5)宽度保持不变，所述第一锥形区(4)采用反向锥形结构；在所述缓冲层(2)上沉积外包层波导覆盖铌酸锂波导，所述外包层波导结构由第二输入区(6)、第二锥形区(7)和第二输出区(8)三部分组成，其中所述第二输入区(6)和所述第二输出区(8)宽度保持不变，所述第二锥形区(7)采用正向锥形结构。2.根据权利要求1所述的一种偏振无关的LNOI端面耦合结构，其特征在于，所述衬底(1)材料采用Z切铌酸锂，厚度在400
‑
500微米。...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨作运，曾维胜，梁进森，
申请(专利权)人：苏州康冠光电科技有限公司，
类型：新型
国别省市：