铌酸锂薄膜芯片、光学器件及光学器件的耦合方法技术

本申请提供一种铌酸锂薄膜芯片、光学器件及光学器件的耦合方法。其中，铌酸锂薄膜芯片，包括：衬底层、缓冲层以及铌酸锂层，缓冲层设置在衬底层的上方，铌酸锂层设置在缓冲层的上方；光波导，设置在铌酸锂层上，光波导与铌酸锂层为一体成形结构，光波导包括第一波导段以及与第一波导段连接的第二波导段，第二波导段具有靠近第一波导段的第一端和远离第一波导段的第二端，第二波导段的横截面积在从第二波导段的第一端至第二波导段的方向上逐渐增大，第一波导段的横截面积与第二波导段的第一端的横截面积相同。本申请的技术方案能够有效地解决相关技术中的单模光纤与铌酸锂薄膜芯片的光波导光学耦合困难的问题。光波导光学耦合困难的问题。光波导光学耦合困难的问题。

【技术实现步骤摘要】
铌酸锂薄膜芯片、光学器件及光学器件的耦合方法


[0001]本申请涉及光学器件领域，尤其涉及一种铌酸锂薄膜芯片、光学器件及光学器件的耦合方法。

技术介绍

[0002]铌酸锂晶体具有优异的电光、声光和非线性光学性质，具有宽的透光窗口和稳定的物理化学性质。
[0003]相关技术中，铌酸锂薄膜芯片一般通过铌酸锂的离子注入和晶圆键合得到，铌酸锂薄膜芯片具有折射率差大、体积小、集成度高等优势，在光通信、非线性光学、传感等领域具有重要的应用前景。
[0004]目前，铌酸锂薄膜芯片上设置有光波导，光波导的结构一般为脊型或条形。为保证铌酸锂薄膜光波导的单模传输，光波导宽度为亚微米至微米量级，而普通单模光纤的纤芯直径为10微米量级。图1示出了单模光纤截面积和光波导截面积的比对示意图，由图1可看出，单模光纤与铌酸锂薄膜光波导尺寸相差一个数量级。因此两者的光学耦合非常困难。

技术实现思路

[0005]本申请提供铌酸锂薄膜芯片、光学器件及光学器件的耦合方法，用以解决单模光纤与铌酸锂薄膜芯片的光波导光学耦合困难的问题。
[0006]一方面，本申请提供一种铌酸锂薄膜芯片，包括：衬底层、缓冲层以及铌酸锂层，缓冲层设置在衬底层的上方，铌酸锂层设置在缓冲层的上方；光波导，在第一方向上设置在铌酸锂层的上方，光波导与铌酸锂层为一体成形结构，光波导包括第一波导段以及与第一波导段连接的第二波导段，第二波导段具有靠近第一波导段的第一端和远离第一波导段的第二端，第二波导段的横截面积在从第二波导段的第一端至第二波导段的第二端方向上逐渐增大，第二波导段的第二端为铌酸锂薄膜芯片的输入端。
[0007]在一些实施例中，第二波导段与第一波导段在第一方向上的尺寸相同，第二波导段在第三方向上的尺寸在由第二波导段的第一端至第二波导段的第二端的方向上逐渐增大，第三方向与第一方向垂直，第二波导段的第一端的尺寸与第一波导段的横截面的尺寸相同。
[0008]在一些实施例中，第二波导段包括变径段和延伸段，变径段与第一波导段连接，延伸段与连接在变径段的远离第一波导段的一侧，变径段的横截面积在从第二波导段的第一端至第二波导段的第二端方向上逐渐增大，延伸段的横截面积与变径段的最大横截面积尺寸相同。
[0009]在一些实施例中，铌酸锂薄膜芯片具有靠近第二波导段的第一端的第一芯片端面和靠近第二波导段的第二端的第二芯片端面，第二芯片端面相对于第一方向和第三方向形成的平面倾斜设置。
[0010]在一些实施例中，第二芯片端面在第三方向上倾斜设置；或者，第二芯片端面在第
一方向上倾斜设置。
[0011]另一方面，本申请提供一种光学器件，包括：光纤；铌酸锂薄膜芯片，光纤与铌酸锂薄膜芯片耦合设置，其中铌酸锂薄膜芯片为上述的铌酸锂薄膜芯片。
[0012]在一些实施例中，光纤包括单模光纤以及与单模光纤连接的超高数值孔径光纤，超高数值孔径光纤的端部与铌酸锂薄膜芯片耦合设置。
[0013]另一方面，本申请提供一种光学器件的耦合方法，光学器件的耦合方法用于耦合上述的光学器件，光学器件的耦合方法包括：将多跟光纤制作成的光纤阵列装夹在第一位置调节装置上，将铌酸锂薄膜芯片装夹在第二位置调节装置上；调节光纤阵列的位置，使光纤阵列的端面和铌酸锂薄膜芯片的第二芯片端面在第一方向上位于第一显微镜的视野范围内；使光纤阵列的端面和第二芯片端面在第三方向上位于第二显微镜的视野范围内；对光纤阵列的位置进行初步调节，初步调节包括：先调节光纤阵列与铌酸锂薄膜芯片之间的夹角，再调节光纤阵列与光纤阵列与铌酸锂薄膜芯片之间的同轴度；对光纤阵列的位置进行二次调节，二次调节的幅度小于初步调节的调节幅度；固定二次调节后的光纤阵列和铌酸锂薄膜芯片。
[0014]在一些实施例中，调节光纤阵列与铌酸锂薄膜芯片之间的夹角的步骤包括：打开第一显微镜上的同轴点光源，并调节第一显微镜的焦距，使第一显微镜对焦到第二波导段上；通过第一显微镜观察光纤阵列，调节光纤阵列和铌酸锂薄膜芯片，以使光纤阵列与铌酸锂薄膜芯片均平行于所述第二方向和所述第三方向形成的平面，第三方向、第二方向以及第一方向互相垂直设置；通过第二显微镜观察光纤阵列，调节光纤阵列和铌酸锂薄膜芯片，以使光纤阵列与铌酸锂薄膜芯片均平行于所述第一方向和所述第二方向形成的平面。
[0015]在一些实施例中，调节光纤阵列与光纤阵列与铌酸锂薄膜芯片之间的同轴度的步骤包括：关闭第一显微镜的同轴点光源并打开第一显微镜的环形光源，然后使用通光笔照射光纤的尾纤；通过第一显微镜观察光纤阵列，沿第三方向调节光纤阵列，使光纤阵列中射出的光路照射到铌酸锂薄膜芯片的光波导的端面上；沿第二方向调节光纤阵列，当光纤阵列的端面与第二芯片端面之间形成明亮光路时，停止沿第二方向调节光纤阵列；关闭第一显微镜的环形光源以及打开第一显微镜的同轴点光源，然后在第一显微镜的最大放大倍数下调节第一显微镜的焦距，以使第一显微镜对焦到第二波导段上；通过第一显微镜观察光纤阵列，沿第一方向和第三方向调节光纤阵列，当光波导内射入的光路的亮度最大时停止调节。
[0016]在一些实施例中，对光纤阵列的位置进行二次调节的步骤包括：通过光学器件所应用的光源照射光纤的尾纤，并用光功率计测量光波导输出端的功率；沿第一方向和第三方向调节光纤阵列，当光功率计的读数最大时停止调节；沿第二方向调节光纤阵列，使光纤阵列的端面与第二芯片端面接触配合；沿第一方向和第三方向调节光纤阵列，当光功率计的读数最大时停止调节。
[0017]在一些实施例中，固定光纤阵列和铌酸锂薄膜芯片的步骤包括：使第一显微镜的点光源处于打开状态，使第一显微镜的环形光源处于关闭状态，通过第一显微镜观察光纤阵列，将光纤粘合剂点涂在光纤阵列与第二芯片端面之间；使用紫外灯照射光纤粘合剂，使光纤粘合剂固化。
[0018]本申请提供的铌酸锂薄膜芯片包括在第一方向上从下到上依次设置的衬底层、缓
冲层、铌酸锂层以及光波导，光波导为单层结构并且与铌酸锂层为一体成形结构。光波导包括第一波导段以及与第一波导段连接的第二波导段，第二波导段具有靠近第一波导段的第一端和远离第一波导段的第二端，第二波导段的横截面积在从第二波导段的第一端至第二波导段的方向上逐渐增大。第二波导段的第二端可以与光纤进行耦合，由于第二波导段的第二端的横截面积较大，因此能够降低光纤与光波导光耦合的难度，提升光纤与光波导光耦合的效率。另外，相关技术中的双层的脊形光波导结构相比，本实施例铌酸锂薄膜芯片的光波导加工方式更加简单，且无需在光波导上方增加覆盖层，进一步简化了铌酸锂薄膜芯片的加工工艺。
附图说明
[0019]此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
[0020]图1为单模光纤截面积和光波导截面积的比对示意图；
[0021]图2为相关技术中的芯片的模斑转换器的结构示意图；
[0022]图3为图2的模斑转换器的A
‑
A向的剖视图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铌酸锂薄膜芯片，其特征在于，包括：在第一方向上从下到上依次设置的衬底层、缓冲层以及铌酸锂层；光波导，在第一方向上设置在所述铌酸锂层的上方，所述光波导与所述铌酸锂层为一体成形结构，所述光波导包括第一波导段以及与所述第一波导段连接的第二波导段，所述第二波导段具有靠近所述第一波导段的第一端和远离所述第一波导段的第二端，所述第二波导段的横截面积在从所述第二波导段的第一端至所述第二波导段的第二端方向上逐渐增大，所述第二波导段的第二端为所述铌酸锂薄膜芯片的输入端。2.根据权利要求1所述的铌酸锂薄膜芯片，其特征在于，所述第二波导段与所述第一波导段在第一方向上的尺寸相同，所述第二波导段在第三方向上的尺寸在由所述第二波导段的第一端至所述第二波导段的第二端的方向上逐渐增大，所述第三方向与所述第一方向垂直，所述第二波导段的第一端的尺寸与所述第一波导段的横截面的尺寸相同。3.根据权利要求1所述的铌酸锂薄膜芯片，其特征在于，所述第二波导段包括变径段和延伸段，所述变径段与所述第一波导段连接，所述延伸段连接在所述变径段的远离所述第一波导段的一侧，所述变径段的横截面积在从所述第二波导段的第一端至所述第二波导段的第二端方向上逐渐增大，所述延伸段的横截面积与所述变径段的最大横截面积尺寸相同。4.根据权利要求2所述的铌酸锂薄膜芯片，其特征在于，所述铌酸锂薄膜芯片具有靠近所述第二波导段的第一端的第一芯片端面和靠近所述第二波导段的第二端的第二芯片端面，所述第二芯片端面相对于所述第一方向和所述第三方向形成的平面倾斜设置。5.根据权利要求4所述的铌酸锂薄膜芯片，其特征在于，所述第二芯片端面在第三方向上倾斜设置；或者，所述第二芯片端面在第一方向上倾斜设置。6.一种光学器件，其特征在于，包括：光纤；铌酸锂薄膜芯片，所述光纤与所述铌酸锂薄膜芯片的第二波导段耦合设置，其中所述铌酸锂薄膜芯片为权利要求1至5中任一项所述的铌酸锂薄膜芯片。7.根据权利要求6所述的光学器件，其特征在于，所述光纤包括单模光纤以及与所述单模光纤连接的超高数值孔径光纤，所述超高数值孔径光纤的端部与所述铌酸锂薄膜芯片耦合设置。8.一种光学器件的耦合方法，其特征在于，所述光学器件的耦合方法用于耦合权利要求6或7所述的光学器件，所述光学器件的耦合方法包括：将多根光纤制作成的光纤阵列装夹在第一位置调节装置上，将所述铌酸锂薄膜芯片装夹在第二位置调节装置上；调节光纤阵列的位置，使所述光纤阵列的端面和所述铌酸锂薄膜芯片的第二芯片端面在第一方向上位于第一显微镜的视野范围内；使所述光纤阵列的端面和所述第二芯片端面在第三方向上位于第二显微镜的视野范围内；对所述光纤阵列的位置进行初步调节，所述初步调节包括：先调节所述光纤阵列与所述铌酸锂薄膜芯片之...

【专利技术属性】
技术研发人员：庄池杰，马昕雨，曾嵘，刘向东，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：