一种基于玻璃基板的单模光纤与锆钛酸铅波导的耦合方式制造技术

本发明专利技术公开了一种基于玻璃基板的光纤与PZT波导的耦合方式。在单模光纤与PZT波导的中间加入玻璃波导，在玻璃波导与PZT波导重合的绝热耦合区，设计反锥形PZT波导来实现低损耗功率传输，两者之间利用光学透明粘合剂提供机械接触并控制波导分离。玻璃波导的传输损耗低，耐受功率高，作为接口添加在波导和光纤之间，在一端与单模光纤直接耦合，另一端与所述锥形PZT波导倏逝耦合，可以提高光纤与PZT波导的耦合效率，降低接口处的光学功率损耗。降低接口处的光学功率损耗。降低接口处的光学功率损耗。

【技术实现步骤摘要】
一种基于玻璃基板的单模光纤与锆钛酸铅波导的耦合方式


[0001]本专利技术涉及单模光纤与锆钛酸铅波导的耦合方式领域，特别涉及一种基于玻璃基板的单模光纤与锆钛酸铅波导的耦合方式。

技术介绍

[0002]压电陶瓷是一种能将机械能和电能相互转换的功能陶瓷，在谐振器、传感器、超声换能器、驱动器、滤波器、电子点火器等方面有着广泛的应用。其中，锆钛酸铅(Pb(Zr1
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xTiO3)，PZT)陶瓷具有优良的压电、介电性能。由于其稳定性好，精度高，能量转换效率高，响应速度快，机械品质因子、压电系数、机电耦合常数明显优于无铅压电陶瓷，被广泛应用于压电传感及驱动领域。
[0003]随着硅光技术的逐渐成熟，PZT也开始被用于制作光子器件，主要有光开关、调制器等，未来，PZT也将被用于制作各类波导。然而，PZT波导与光纤组件的兼容性有限，因为光纤与PZT波导模态分布之间尺寸不匹配。光纤通常具有大约10微米(μm)的模场尺寸(MFD)。PZT波导中的光传播模式和光纤之间的大幅MFD失配称为耦合失配，其在接口处会造成显著的光学功率损耗。针对以上问题，以下提出一种解决方案。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种基于玻璃基板的单模光纤与锆钛酸铅波导的耦合方式，具有提高光纤与PZT波导的耦合效率，降低接口处的光学功率损耗的优点。
[0005]本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
[0006]一种基于玻璃基板的单模光纤与锆钛酸铅波导的耦合方式，包括玻璃基板，所述玻璃基板为玻璃波导，所述玻璃基板上设有PZT波导，所述PZT波导的耦合区设有反锥形结构，所述反锥形结构用于实现玻璃波导与PZT波导之间的低损耗功率传输，所述玻璃波导和PZT波导通过光学透明粘合剂固定，所述光学透明粘合剂用于控制波导分离，其中离子交换波导与PZT波导对齐。
[0007]作为优选，所述PZT波导制作包括以下步骤：使用PZT材料在二氧化硅材料上沉积刻蚀，并用掩埋氧化层进行覆盖，制得PZT波导。作为优选，所述玻璃波导制作包括以下步骤：
[0008]S1：在玻璃基板上覆盖掩膜，并在玻璃基板上进行光刻；
[0009]S2：在玻璃基板上覆盖第一熔盐，进行初级银离子交换；
[0010]S3：去除第一熔盐和掩膜，在玻璃基板上覆盖第二熔盐，进行二次钠离子交换，完成后去除玻璃基板表面的第二熔盐；
[0011]S4：通过激光对玻璃基板进行分离；
[0012]通过以上步骤，在玻璃基板顶部制成折射率渐变的光波导。
[0013]作为优选，所述反锥形结构为PZT部分在水平方向上扩展，且朝着玻璃波导方向的宽度逐渐减小，呈现出一个倒锥形。
[0014]作为优选，通过计算反锥形结构沿锥度的连续超模重叠积分，作为MFD失配损耗变化的度量，以设计倏逝耦合区域；所述反锥形结构锥度形状通过沿锥度长度施加恒定的模式失配损耗获得；锥度设计需考虑TE和TM模式的超模重叠积分。
[0015]作为优选，所述PZT波导的掩埋氧化层材料为二氧化硅。
[0016]作为优选，所述PZT波导具有矩形横截面轮廓。
[0017]作为优选，所述玻璃波导中，电场集中于折射率渐变区域的高折射率处。
[0018]作为优选，所述玻璃波导可直接与光纤耦合，并在与PZT波导的重合边缘部分，和PZT波导倏逝耦合。
[0019]作为优选，需要严格控制的粘合剂粘合线厚度，还需要固化粘合剂折射率在时间和温度变化方面的稳定性，以保持高耦合效率。
[0020]作为优选，需对该玻璃波导的折射率对比度(波导中心最大折射率与外围最小折射率之差)进行设计，较高的折射率对比度可降低弯曲损耗，最小弯曲半径较小，也就可以实现更密集的波导排布。
[0021]本专利技术的有益效果为：
[0022]本申请由玻璃波导和锥形的PZT波导倏逝耦合构成。
[0023]第一部分是玻璃波导，玻璃波导制造工艺包括多个工艺步骤，主要有四步：光刻；初级银离子交换；基准保护，掩模去除和二次离子交换；激光分离。通过以上步骤，在玻璃顶部制成折射率渐变的光波导。承载离子交换(IOX)波导的玻璃基板顶面的光学质量非常适合与PZT波导的倏逝模式耦合。
[0024]第二部分是PZT波导，PZT材料在二氧化硅材料上沉积刻蚀，并由薄二氧化硅层覆盖，形成PZT波导，并在耦合区设计反锥形结构。
[0025]玻璃波导和PZT波导之间利用光学透明粘合剂提供机械接触并控制波导分离，其中离子交换波导和PZT波导对齐。
[0026]PZT和玻璃波导之间的低损耗功率传输是通过绝热将PZT波导宽度减小来实现的。计算沿锥度的连续超模重叠积分，作为MFD失配损耗变化的度量，从而设计倏逝耦合区域。锥度形状是通过沿锥度长度施加恒定的模式失配损耗而获得的。锥度设计需考虑TE和TM模式的超模重叠积分。
[0027]该结构的优点在于，PZT波导直接与光纤耦合损耗过高，玻璃波导作为中介层，可以与PZT波导倏逝耦合，也可以直接与单模光纤耦合，且耐受功率更高。
附图说明
[0028]图1为实施例PZT波导与光纤之间的耦合失配示意图；
[0029]图2为实施例基于玻璃基板的单模光纤与PZT波导耦合方式的立体概念图；
[0030]图3为图2中绝热耦合区域的横截面图；
[0031]图4为实施例制造玻璃波导的具体流程工艺图。
[0032]附图标记：201、光纤接口；202、玻璃波导；204、PZT波导；203、绝热耦合；301、掩埋氧化层；302、二氧化硅材料；303、PZT材料；304、粘合剂；305、离子交换玻璃波导；306、核心。
具体实施方式
[0033]以下所述仅是本专利技术的优选实施方式，保护范围并不仅局限于该实施例，凡属于本专利技术思路下的技术方案应当属于本专利技术的保护范围。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。
[0034]如图1所示，是用于将PZT波导204与光纤耦合的典型光子芯片设计。所述设计包括用作芯片边缘耦合器的倒锥形波导，其能够满足更低损耗、独立于偏振、宽带和更低成本的要求。由于制造限制或设计要求，芯片内锥形波导(锥尖部)的边缘通常与光纤接口201处的芯片边缘距离几微米。所述设计还包括锥形波导下方和上方的包层，例如，SiO2层，作为沿着锥形波导或者在锥形波导端的传播介质。沿着所述SiO2中的锥形波导的传播放大了波导模式，其在锥形尖部处继续在SiO2介质中传播，然后到达光纤。然而，由于SiO2层中缺乏横向限制，使得来自锥形尖部的输出光杂散在包层中。Si基板的高折射率导致很大一部分来自锥形尖部的输出光渗透到基板中，这会大大降低芯片到光纤的耦合效率。。
[0035]本文中所提供的实施例用以提高PZT波导204和光纤(或其它具有与光纤可比的MFD的适当光学波导)之间的耦合效率，减少耦合失配。所述实施例包括添加玻璃波导202以降低PZT波导204和光纤之间的接口处的耦合损耗。玻璃波本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于玻璃基板的单模光纤与锆钛酸铅波导的耦合方式，其特征在于，包括玻璃基板，所述玻璃基板为玻璃波导，所述玻璃基板上设有PZT波导，所述PZT波导的耦合区设有反锥形结构，所述反锥形结构用于实现玻璃波导与PZT波导之间的低损耗功率传输，所述玻璃波导和PZT波导通过光学透明粘合剂固定，所述光学透明粘合剂用于控制波导分离，其中离子交换波导与PZT波导对齐。2.根据权利要求1所述的一种基于玻璃基板的单模光纤与锆钛酸铅波导的耦合方式，其特征在于，所述PZT波导制作包括以下步骤：使用PZT材料在二氧化硅材料上沉积刻蚀，并用掩埋氧化层进行覆盖，制得PZT波导。3.根据权利要求1所述的一种基于玻璃基板的单模光纤与锆钛酸铅波导的耦合方式，其特征在于，所述玻璃波导制作包括以下步骤：S1：在玻璃基板上覆盖掩膜，并在玻璃基板上进行光刻；S2：在玻璃基板上覆盖第一熔盐，进行初级银离子交换；S3：去除第一熔盐和掩膜，在玻璃基板上覆盖第二熔盐，进行二次钠离子交换，完成后去除玻璃基板表面的第二熔盐；S4：通过激光对玻璃基板进行分离；通过以上步骤，在玻璃基板顶部制成折射率渐变的光波导。4.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：王曰海，傅子怡，杨建义，
申请(专利权)人：浙江大学绍兴研究院，
类型：发明
国别省市：