一种基于光纤与铌酸锂波导耦合的端面耦合器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及光学器件技术领域，提出一种基于光纤与铌酸锂波导耦合的端面耦合器，包括衬底、绝缘层、第一平板层、第一波导芯层和第二波导芯层。其中，第一波导芯层包括第一波导和第一锥形波导，第一波导的一侧边与第一锥形波导的一侧边连接，且第一锥形波导和第一波导相连的侧边的宽度相同；第二波导芯层包括第二波导和第二锥形波导，第二波导的一侧边与第二锥形波导的一侧边连接，且第二锥形波导和第二波导相连的侧边的宽度相同。第一锥形波导与第二锥形波导相互反向重合；第二波导远离第二锥形波导的一侧与外接光纤进行模式匹配。第一平板层、第一波导芯层为薄膜铌酸锂材料，第二波导芯层为折射率高于绝缘层的材料或高低折射率周期性分布的材料。周期性分布的材料。周期性分布的材料。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光纤与铌酸锂波导耦合的端面耦合器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及光学器件
，更具体地，涉及一种基于光纤与铌酸锂波导耦合的端面耦合器及其制备方法。

技术介绍

[0002]基于薄膜铌酸锂的电光调制器已经取得了快速的发展，其调制器带宽、片上插入损耗、线性度、调制效率等方面具有显著的优势。然而，在实现芯片与光网络连接方面，铌酸锂薄膜较大的折射率会产生严重的模式实配问题，从而形成较大的插入损耗。端面耦合器是常用的解决方式，也可称为模斑转换器。这种方式的本质是调整折射率，即将波导中的较大的模式折射率通过特定的结构逐渐变小，直到与芯片外的空间折射率相匹配，从而达到芯片与外界的模斑匹配，从而降低耦合损耗。
[0003]目前模斑匹配方案常见的有两种方式：一种是将锥形波导做到足够细，光能量分布在铌酸锂波导的周围，这种方式可以与小模场光斑进行耦合，但是这种方式的铌酸锂波导要足够细，因而其几何尺寸的微小改变即可影响与光纤的耦合效率，所以存在容差小、制备精度高、良率低的缺点。另外一种方式是采用低折射率材料过渡的方式，将铌酸锂波导中的模式光进行放大从而与光纤的模式相匹配，这种材料一般选用低折射率聚合物或者氮氧化硅。然而，由于铌酸锂波导的折射率偏大，一般地会采用两级或两级以上的铌酸锂锥形波导相互级联的方式来进行模斑过渡；从设计的角度来说，铌酸锂锥形波导的尖端需要做到足够细，才不会在锥形波导尖端拼接的位置形成明显的折射率突变，从而引起波导内的模式反射。但是在实际制备过程中，考虑到设备的分辨率极限，低于200nm的锥形波导尖端只能采用高分辨率的电子束光刻机或者100nm制程以下的高精度深紫外光刻机来制备。因此制备成本高，不利于深度推进量产与市场化。

技术实现思路

[0004]本专利技术为克服上述现有技术所述的端面耦合器容差小、制备成本高的缺陷，提供一种基于光纤与铌酸锂波导耦合的端面耦合器及其制备方法。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：
[0006]一种基于光纤与铌酸锂波导耦合的端面耦合器，包括由下至上依次设置的衬底、绝缘层、第一平板层、第一波导芯层和第二波导芯层。
[0007]其中，所述第一波导芯层包括第一波导和第一锥形波导，所述第一波导的一侧边与第一锥形波导的一侧边连接，且所述第一锥形波导和第一波导相连的侧边的宽度相同；所述第二波导芯层包括第二波导和第二锥形波导，所述第二波导的一侧边与第二锥形波导的一侧边连接，且所述第二锥形波导和第二波导相连的侧边的宽度相同。所述第一锥形波导与所述第二锥形波导相互反向重合设置；所述第二波导远离第二锥形波导的一侧与外接光纤进行模式匹配。
[0008]所述绝缘层为低折射率非金属氧化物材料或聚合物，所述第一平板层、第一波导
芯层为薄膜铌酸锂材料，所述第二波导芯层为折射率高于所述绝缘层的材料或高低折射率周期性分布的材料。
[0009]作为优选方案，所述第一平板层的厚度小于或等于250nm；所述第一波导芯层的厚度与所述第一平板层的厚度相等，或与所述第一平板层的厚度相差
±
100nm；所述第二波导芯层的厚度小于或等于8μm。
[0010]作为优选方案，所述第一锥形波导的尖端宽度小于或等于350nm，所述第一波导的宽度小于5μm；所述第二锥形波导的尖端宽度小于或等于2μm；所述第二波导的宽度小于或等于10μm。
[0011]作为优选方案，所述第一锥形波导与第二锥形波导的长度相等且长度大于或等于80μm，或，所述第一锥形波导与第二锥形波导的长度之差的绝对值小于或等于50μm。
[0012]作为优选方案，所述第二波导芯层为脊型波导结构，其刻蚀深度大于或等于第二波导层厚度的70％。
[0013]作为优选方案，所述第一波导芯层与第二波导芯层之间设置有采用低折射率介质制成的刻蚀截止层；所述刻蚀截止层的折射率低于薄膜铌酸锂的折射率。
[0014]作为优选方案，所述第二波导芯层上表面覆盖有由低折射率介质材料或聚合物材料制备的包层；所述第一波导上表面覆盖有由低折射率介质材料或聚合物材料制备的包层。
[0015]作为优选方案，所述第一波导远离第一锥形波导的一侧边覆盖设置有聚合物或者低折射率介质层。
[0016]进一步地，本专利技术还提出一种基于光纤与铌酸锂波导耦合的端面耦合器的制备方法，用于制备上述任一技术方案提出的端面耦合器。其中包括以下步骤：
[0017]S1：在薄膜铌酸锂晶圆上利用光刻与铌酸锂刻蚀技术制备第一波导和第一锥形波导；
[0018]S2：在所述S1步骤所制备的样品中，利用沉积工艺制备低折射率介质材料作为刻蚀截止层；
[0019]S3：在所述S2步骤所制备的样品上方通过旋涂高折射率聚合物或沉积高折射率介质材料或高低折射率周期性分布的介质材料，制备得到第二波导芯层；
[0020]S4：在所述S3步骤所制备的样品上利用光刻和刻蚀工艺对第二波导芯层进行刻蚀加工，制备第二波导和第二锥形波导；
[0021]S5：对所述S4步骤所制备的样品利用沉积工艺制备低折射率介质材料或利用旋涂工艺制备聚合物材料作为第二波导芯层的包层；
[0022]S6：对所述S5步骤所制备的样品进行端面解理或切片后抛光，完成端面耦合器的制备。
[0023]作为优选方案，所述S2步骤中，所述低折射率介质包括氧化硅、氮氧化硅以及聚合物。
[0024]当采用氧化硅和氮氧化硅作为低折射率介质制备刻蚀截止层时，通过PECVD或者ICP
‑
CVD沉积工艺制备；当采用聚合物作为低折射率介质制备刻蚀截止层时，通过旋涂或者喷涂工艺制备，并对其进行热固化或紫外固化。
[0025]与现有技术相比，本专利技术技术方案的有益效果是：本专利技术中的第一锥形波导与第
二锥形波导的宽度从尖端开始逐渐向与其他波导相连接的方向过渡，并逐渐变宽，即第一锥形波导尖端与第二锥形波导尺寸大，制备简单，容差大，有利于大规模量产；第一波导芯层采用薄膜铌酸锂材料，第二波导芯层采用较高折射率材料或高低折射率周期性分布的材料，薄膜铌酸锂仅需刻蚀一次即可实现高效率耦合，工艺流程简单。此外，本专利技术可实现铌酸锂波导与小模场光纤的稳定且高效的耦合，波长范围可覆盖近可见光至近红外波段，且耦合效率大于85％。
附图说明
[0026]图1为本专利技术的基于光纤与铌酸锂波导耦合的端面耦合器的结构示意图。
[0027]图2为本专利技术的端面耦合器的俯视图。
[0028]图3为本专利技术的端面耦合器的侧视图。
[0029]图4为本专利技术的端面耦合器的剖视图。
[0030]图5为本专利技术的铌酸锂波导与小模场光纤的耦合效率图。
[0031]图6为本专利技术的铌酸锂波导层与小模场光纤的耦合效率图。
[0032]图7为本专利技术的基于光纤与铌酸锂波导耦合的端面耦合器的制备方法流程图。其中，1
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衬底，2
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绝缘层，3
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤与铌酸锂波导耦合的端面耦合器，其特征在于，包括由下至上依次设置的衬底(1)、绝缘层(2)、第一平板层(3)、第一波导芯层(4)和第二波导芯层(5)；其中，所述第一波导芯层(4)包括第一波导(41)和第一锥形波导(42)，所述第一波导(41)的一侧边与第一锥形波导(42)的一侧边连接，且所述第一锥形波导(42)和第一波导(41)相连的侧边的宽度相同；所述第二波导芯层(5)包括第二波导(51)和第二锥形波导(52)，所述第二波导(51)的一侧边与第二锥形波导(52)的一侧边连接，且所述第二锥形波导(52)和第二波导(51)相连的侧边的宽度相同；所述第一锥形波导(42)与所述第二锥形波导(52)相互反向重合设置；所述第二波导(51)远离第二锥形波导(52)的一侧与外接光纤进行模式匹配；所述绝缘层(2)为低折射率非金属氧化物材料或聚合物，所述第一平板层(3)、第一波导芯层(4)为薄膜铌酸锂材料，所述第二波导芯层(5)为折射率高于所述绝缘层(2)的材料或高低折射率周期性分布的材料。2.根据权利要求1所述的基于光纤与铌酸锂波导耦合的端面耦合器，其特征在于，所述第一平板层(3)的厚度小于或等于250nm；所述第一波导芯层(4)的厚度与所述第一平板层(3)的厚度相等，或与所述第一平板层(3)的厚度相差
±
100nm；所述第二波导芯层(5)的厚度小于或等于8μm。3.根据权利要求2所述的基于光纤与铌酸锂波导耦合的端面耦合器，其特征在于，所述第一锥形波导(42)的尖端宽度小于或等于350nm，所述第一波导(41)的宽度小于5μm；所述第二锥形波导(52)的尖端宽度小于或等于2μm；所述第二波导(51)的宽度小于或等于10μm。4.根据权利要求3所述的基于光纤与铌酸锂波导耦合的端面耦合器，其特征在于，所述第一锥形波导(42)与第二锥形波导(52)的长度相等且长度大于或等于80μm，或，所述第一锥形波导(42)与第二锥形波导(52)的长度之差的绝对值小于或等于50μm。5.根据权利要求1所述的基于光纤与铌酸锂波导耦合的端面耦合器，其特征在于，所述第二波导芯层(5)为脊型波导...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡鑫伦，高升谦，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：