高效率薄膜铌酸锂锥形亚波长光栅端面耦合器及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种高效率薄膜铌酸锂锥形亚波长光栅端面耦合器及其制备方法，涉及集成光学领域，该高效率薄膜铌酸锂锥形亚波长光栅端面耦合器包括由下至上依次设置的衬底层

【技术实现步骤摘要】
高效率薄膜铌酸锂锥形亚波长光栅端面耦合器及其制备方法


[0001]本申请涉及集成光学领域，特别是涉及一种高效率薄膜铌酸锂锥形亚波长光栅端面耦合器及其制备方法
。

技术介绍

[0002]薄膜铌酸锂是一种集电光效应
、
非线性效应
、
声光效应
、
压电效应于一体的多功能光学材料，被广泛应用于光纤通信
、
微波光子学等领域，基于薄膜铌酸锂的集成器件具有出色的性能，例如超低损耗谐振器
、
光学频率梳
、
电光调制器
、
变频器等
。
然而，薄膜铌酸锂波导与光纤耦合时，若直接进行耦合，二者由于模式失配会产生较大的插入损耗
。
解决方案之一是采用端面耦合器，其基本原理是通过降低波导的折射率，最终与光纤折射率匹配，波导的模场直径
(MFD)
与光纤模场相匹配，从而降低耦合损耗
。
[0003]目前，双层反向锥形端面耦合器具有较低的耦合损耗，通过将锥形波导宽度做到足够小，使得光模场从薄膜铌酸锂波导中发散到包层中
。
这种方法可以使薄膜铌酸锂波导与小模场直径的光纤进行较好的耦合，但其模场直径不够大，无法与大模场直径的单模光纤或激光器进行低损耗耦合
。
此外，由于铌酸锂波导宽度很小，因此几何尺寸的微小改变都会影响与光纤的耦合效率，存在工艺容差小
、
耦合效率低的问题
。

技术实现思路

>[0004]本公开提供一种高效率薄膜铌酸锂锥形亚波长光栅端面耦合器及其制备方法，能够将薄膜铌酸锂脊波导模场扩大，实现波导与光纤之间的高效耦合
。
[0005]根据本公开的一个方面，提供了一种高效率薄膜铌酸锂锥形亚波长光栅端面耦合器，包括：
[0006]由下至上依次设置的衬底层
、
绝缘层
、
第一波导
、
第二波导和包层；
[0007]所述第一波导包括输入脊波导
、
输入平板层
、
第一锥形脊波导和第一锥形平板波导；
[0008]其中，所述输入脊波导的一个侧边与所述第一锥形脊波导的一个侧边相连，所述输入脊波导设置在所述输入平板层之上，所述第一锥形脊波导设置在所述第一锥形平板波导之上，所述第一锥形脊波导的长度小于所述第一锥形平板波导的长度，所述第一锥形脊波导和所述第一锥形平板波导宽度均逐渐减小，所述第一波导的材质为薄膜铌酸锂；
[0009]所述第二波导包括中心锥形波导
、
中心过渡波导
、
两个对称直波导
、
三个亚波长光栅波导衔接区和三个锥形渐变亚波长光栅波导；
[0010]其中，所述第一锥形平板波导与所述中心锥形波导相互反向设置，所述中心锥形波导尖端在水平面上的投影位于所述第一锥形脊波导尖端和所述第一锥形平板波导尖端之间，所述中心锥形波导的一个侧边与所述中心过渡波导的一个侧边相连，所述两个对称直波导与所述中心过渡波导结构相同，所述两个对称直波导与所述中心过渡波导沿着光传输的方向垂直排列，所述中心过渡波导与所述两个对称直波导之间的间距相同
。
[0011]可选地，所述亚波长光栅波导衔接区包括宽度渐变的亚波长光栅和锥形波导，所述三个亚波长光栅波导衔接区结构相同，所述三个亚波长光栅波导衔接区沿着光传输的方向垂直排列，所述三个锥形渐变亚波长光栅波导结构相同，所述三个锥形渐变亚波长光栅波导沿着光传输的方向垂直排列
。
[0012]可选地，所述第一锥形平板波导使用两个线性锥度进行波导的锥形渐变延伸
。
[0013]可选地，所述第一波导为脊型波导结构，其刻蚀侧壁角大于或等于
70
°
。
[0014]可选地，所述亚波长光栅波导衔接区与所述锥形渐变亚波长光栅波导周期相同
、
占空比相同
。
[0015]可选地，所述第一波导
、
所述第二波导长度应保证模场在波导中绝热传输
。
[0016]可选地，所述第一波导与所述第二波导之间以及所述第二波导上方覆盖有氮氧化硅包层
。
[0017]可选地，所述包层的折射率可调，调节所述包层的折射率，便所述包层的折射率小于所述第二波导的折射率，配合所述亚波长光栅达到与对接光纤模式匹配的折射率
。
[0018]可选地，所述第一锥形脊波导的尖端宽度小于或等于
350nm
，所述中心锥形波导的尖端宽度小于或等于
350nm
，所述锥形渐变亚波长光栅波导的尖端宽度小于或等于
200nm。
[0019]本公开的另一个方面提供了一种高效率薄膜铌酸锂锥形亚波长光栅端面耦合器的制备方法，包括：
[0020]S1
，在薄膜铌酸锂晶圆片上通过光刻写出输入平板层以及第一锥形平板波导的掩膜，进行刻蚀，制得输入平板层以及第一锥形平板波导；
[0021]S2
，在所述
S1
所制备的样品中，通过光刻写出输入脊波导以及第一锥形脊波导的掩膜，进行刻蚀，制得输入脊波导以及第一锥形脊波导；
[0022]S3
，在所述
S2
所制备的样品上沉积氮氧化硅包层，厚度为第一波导和第二波导之间的间隔尺寸；
[0023]S4
，在所述
S3
所制备的样品上沉积第二波导材料，厚度为第二波导厚度；
[0024]S5
，在所述
S4
所制备的样品上通过光刻和刻蚀工艺对第二波导进行刻蚀加工，制得第二波导；
[0025]S6
，在所述
S5
所制备的样品上沉积氮氧化硅包层；
[0026]S7
，对所述
S6
所制备的样品进行芯片切片和端面抛光，完成端面耦合器的制备
。
[0027]本公开提供的一种高效率薄膜铌酸锂锥形亚波长光栅端面耦合器设计了三根锥形亚波长光栅结构，亚波长光栅紧凑度高，能够加速光场耦合，减小器件尺寸，同时可以使模式折射率逐渐向对接光纤模式匹配率过渡而不产生折射率突变，增加耦合效率
。
另外，三根耦合波导有效增加了模场直径，可与常规单模光纤耦合，极大降低耦合损耗
。
包层选择氮氧化硅材料，折射率可调，与亚波长光栅结构结合，可以根据实际应用进行动态调谐，结构更灵活，且与基本工艺兼容，制作简单
。
本专利技术降低了对铌酸锂波导尖端宽度的要求，制备简单，工艺容差大，有利于大规模量产
。
附图说明
[0028]为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
[0029]图1示意性示出了根据本公开实施例的高效率薄膜铌酸锂锥形亚波长光栅端面耦
合器的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种高效率薄膜铌酸锂锥形亚波长光栅端面耦合器，其特征在于，包括：由下至上依次设置的衬底层
、
绝缘层
、
第一波导
、
第二波导和包层；所述第一波导包括输入脊波导
、
输入平板层
、
第一锥形脊波导和第一锥形平板波导；其中，所述输入脊波导的一个侧边与所述第一锥形脊波导的一个侧边相连，所述输入脊波导设置在所述输入平板层之上，所述第一锥形脊波导设置在所述第一锥形平板波导之上，所述第一锥形脊波导的长度小于所述第一锥形平板波导的长度，所述第一锥形脊波导和所述第一锥形平板波导宽度均逐渐减小，所述第一波导的材质为薄膜铌酸锂；所述第二波导包括中心锥形波导
、
中心过渡波导
、
两个对称直波导
、
三个亚波长光栅波导衔接区和三个锥形渐变亚波长光栅波导；其中，所述第一锥形平板波导与所述中心锥形波导相互反向设置，所述中心锥形波导尖端在水平面上的投影位于所述第一锥形脊波导尖端和所述第一锥形平板波导尖端之间，所述中心锥形波导的一个侧边与所述中心过渡波导的一个侧边相连，所述两个对称直波导与所述中心过渡波导结构相同，所述两个对称直波导与所述中心过渡波导沿着光传输的方向垂直排列，所述中心过渡波导与所述两个对称直波导之间的间距相同
。2.
根据权利要求1所述的高效率薄膜铌酸锂锥形亚波长光栅端面耦合器，其特征在于，所述亚波长光栅波导衔接区包括宽度渐变的亚波长光栅和锥形波导，所述三个亚波长光栅波导衔接区结构相同，所述三个亚波长光栅波导衔接区沿着光传输的方向垂直排列，所述三个锥形渐变亚波长光栅波导结构相同，所述三个锥形渐变亚波长光栅波导沿着光传输的方向垂直排列
。3.
根据权利要求1所述的高效率薄膜铌酸锂锥形亚波长光栅端面耦合器，其特征在于，所述第一锥形平板波导使用两个线性锥度进行波导的锥形渐变延伸
。4.
根据权利要求1所述的高效率薄膜铌酸锂锥形亚波长光栅端面耦合器，其特征在于，所述第一波导为脊型波导结构，其刻蚀侧壁角大于或等于
70
°
。5.
根据权利要求1所述的高效率薄膜铌酸锂锥形亚波长光栅端面耦合器，其特征在于，所述亚波长光栅波导衔接区与所述锥形渐变亚波长光栅...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘建国，张田，李金野，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：