【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光通信、光传感及光集成领域，具体涉及一种背面出光石英衬底的薄膜铌酸锂光栅耦合器。
技术介绍
1、目前，全球通信量正以每年50％的速度飞速增长，数据中心的交换速率也将以每两年翻一番的速率快速发展，这推动着光互联技术向着集成度更高、传输速度更快、成本更明显的光电集成平台上发展。
2、近年来，由于其优越的电光效应、高的二阶非线性系数、热稳定性以及宽的透明窗口(从紫外到中红外)，薄膜铌酸锂(thin film lithium niobate，tfln)受到了国内外研究者广泛的关注并被认为是实现下一代800g，甚至1.6t光模块、高速光互连、光计算最具潜力的平台之一。相比于传统的ln材料，tfln波导具有更强的模场限制能力，可以在更小的尺寸实现高性能的电光调制器。然而，为满足下一代光通信、光互联和光计算等重大需求，目前tfln平台无源器件的发展尚不成熟，包括核心器件：光纤-芯片耦合结构。目前常用的两种耦合方式包括：
3、1)端面耦合，具有相对较低的损耗，但只能在芯片的端面位置进行耦合并且需要对端面做特殊的工艺处理，因此，所需的工艺相对较为复杂；
4、2)垂直光栅耦合，该方法具有制备简单且不受限于芯片位置的优势而广泛获得应用，但其高的耦合损耗限制了其在光通信、光传感等领域的应用。
5、因此现有技术的问题如下：
6、薄膜铌酸锂平台的折射率差相对较小，导致光栅衍射强度较弱，因此在有限的尺寸(单模光纤芯径尺寸～10μm)内不能实现高效率的耦合光栅。
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1、针对现有技术的不足之处，本专利技术公开了一种背面出光石英衬底的薄膜铌酸锂光栅耦合器。本专利技术创新性的采用衍射光栅，扩大光栅的尺寸，采用以长的光栅长度换取衍射效率的方式，在更大的范围内实现更高的衍射效率。另外均匀光栅其衍射光场强度分布与光纤的模式(高斯分布)不能够很好的匹配，因此本专利技术创新性的通过调节局部的衍射强度以及衍射角度来实现与高斯光束波前的匹配，以达到高耦合效率的聚焦光栅。
2、本专利技术的技术方案如下：
3、所述光栅耦合器的底面连接有光纤，所述光纤用于入射/出射光；所述光栅耦合器包括自下而上的：
4、石英衬底层：所述石英衬底层的下表面与光纤相连；
5、埋氧层；
6、聚焦光栅层：聚焦光栅层的顶面经刻蚀处理形成出器件结构，所述器件结构包括光路相连通的衍射光栅区域及直波导，所述衍射光栅区域设于圆形区域的一侧半圆区域内，所述直波导为线状，布设另一侧半圆区域内；所述器件结构由下至上包括由全刻蚀处理形成的第一层浅刻蚀层以及由浅刻蚀处理形成的第二层浅刻蚀层，所述全刻蚀的刻蚀深度大于浅刻蚀的刻蚀深度；
7、包层；
8、金属反射镜层：用于将光反射至聚焦光栅层，金属反射镜层设在所述包层上方或嵌入在所述包层的顶部。
9、所述衍射光栅区域设于聚焦光栅层顶面的一侧，包括多个布置于同一半圆内的沿径向依次紧密连接的衍射单元，各个衍射单元整体呈半圆弧形，主要由均为半圆弧形的光栅齿和刻蚀槽同心紧密连接构成；所述衍射光栅区域的圆心处与直波导的一端连通，直波导布置于自身所在半圆区域的中心径向方向上，直波导的另一端输入或输出光信号。
10、具体地，所述衍射光栅区域为切趾光栅结构；
11、具体地，和/或，所述直波导为脊型薄膜铌酸锂波导。
12、所述器件结构还包括长度不同的第一锥形波导、第二锥形波导，第一锥形波导、第二锥形波导用于连通光栅衍射区与直波导；第一锥形波导为与光栅衍射区域同心布置的半圆结构且其圆弧端与光栅衍射区域相连，第一锥形波导的直边与光栅衍射区域所在半圆区域的直边在一条直线上，第一锥形波导的直边与第二锥形波导的宽端相连，第二锥形波导的窄端与所述直波导的一端相连且宽度相同。
13、具体地，第一锥形波导的长度(半径)大于第二锥形波导的长度。
14、具体地，所述包层的材质为二氧化硅，所述金属反射镜层是由金蒸镀形成的。
15、具体地，所述埋氧层的材质为二氧化硅，所述石英衬底层的材质为石英。
16、具体地，所述石英衬底层的厚度为500μm，该厚度为铌酸锂晶圆的衬底厚度，因此不需要对晶圆进行减薄的后续工艺，所需要的加工工艺较为简单。
17、具体地，所述衍射光栅区域的各个衍射单元的周期、占空比随着衍射单元与其圆心之间的径向距离变化，可提供随位置变化的衍射强度与角度，进而实现衍射光场分布与高斯光束匹配。
18、所述的石英衬底光栅耦合结构的工艺与目前基于石英衬底的高速薄膜铌酸锂调制器相兼容，所述的石英衬底光栅耦合器的金属反射镜层可以集成到基于石英衬底的高速薄膜铌酸锂调制器的电极层，可以同时实现超高耦合效率、超低驱动电压、超大电光调制带宽的高性能电光调制器。
19、本专利技术中的光栅结构采用双层铌酸锂波导光栅结构，通过优化聚焦切趾光栅的结构，并利用集成于顶部的金属反射镜层作为光栅的反射镜和电光调制的电极层，将光栅衍射、具有高斯光束的波前强度和相位分布的光以角度θ出射，经由衬底传播，在底部界面处耦合到外部的光纤中，背面出光，有利于铌酸锂芯片的倒装封装。本专利技术首次以简单的工艺在薄膜铌酸锂平台实现高的耦合效率，该专利技术有利于在未来光通信、光传感、光集成等领域实现高效的光纤和铌酸锂薄膜超低损耗的耦合。
20、由于采用了以上结构，本专利技术的有益效果如下：
21、(1)本专利技术采用背面出光，薄膜铌酸锂的芯片采用倒装的形式封装，将正常金丝键合的寄生参数最小化，从而带来功耗与性能的提升。
22、(2)本专利技术采用正面金属作为反射镜，相比于背面镀金属反射镜，极大的简化了工艺。
23、(3)本专利技术通过优化光栅的局部周期、占空比、局部衍射强度和方向，进而找到光栅的耦合效率的局部最优解。
24、(4)该石英衬底光栅耦合结构的工艺与目前基于石英衬底的高速薄膜铌酸锂调制器相兼容，可以同时实现超高耦合效率、超低驱动电压、超大电光调制带宽的高性能电光调制器，有利于广泛应用于大规模铌酸锂光子芯片中，如光通信、光传感等领域。
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1.一种背面出光石英衬底的薄膜铌酸锂光栅耦合器，其特征在于：所述光栅耦合器的底面连接有光纤(10)，所述光纤(10)用于入射/出射光；所述光栅耦合器包括自下而上的：
2.根据权利要求1所述的一种背面出光石英衬底的薄膜铌酸锂光栅耦合器，其特征在于：所述衍射光栅区域(2)设于聚焦光栅层(1)顶面的一侧，包括多个布置于同一半圆内的沿径向依次紧密连接的衍射单元(12)，各个衍射单元(12)整体呈半圆弧形，主要由均为半圆弧形的光栅齿和刻蚀槽同心紧密连接构成；所述衍射光栅区域(2)的圆心处与直波导(11)的一端连通，直波导(11)布置于自身所在半圆区域的中心径向方向上，直波导(11)的另一端输入或输出光信号。
3.根据权利要求2所述的一种背面出光石英衬底的薄膜铌酸锂光栅耦合器，其特征在于：所述衍射光栅区域(2)为切趾光栅结构；和/或，所述直波导(11)为脊型薄膜铌酸锂波导。
4.根据权利要求2所述的一种背面出光石英衬底的薄膜铌酸锂光栅耦合器，其特征在于：所述器件结构还包括长度不同的第一锥形波导、第二锥形波导，第一锥形波导、第二锥形波导用于连通光栅衍射区(2
5.根据权利要求1所述的一种背面出光石英衬底的薄膜铌酸锂光栅耦合器，其特征在于：所述包层(4)的材质为二氧化硅。
6.根据权利要求1所述的一种背面出光石英衬底的薄膜铌酸锂光栅耦合器，其特征在于：所述金属反射镜层(5)是由金蒸镀形成的。
7.根据权利要求1所述的一种背面出光石英衬底的薄膜铌酸锂光栅耦合器，其特征在于：所述埋氧层(8)的材质为二氧化硅。
8.根据权利要求1所述的一种背面出光石英衬底的薄膜铌酸锂光栅耦合器，其特征在于：所述石英衬底层(9)的材质为石英。
9.根据权利要求1所述的一种背面出光石英衬底的薄膜铌酸锂光栅耦合器，其特征在于：所述衍射光栅区域(2)的各个衍射单元(12)的周期、占空比随着衍射单元(12)与其圆心之间的径向距离变化。
...【技术特征摘要】
1.一种背面出光石英衬底的薄膜铌酸锂光栅耦合器，其特征在于：所述光栅耦合器的底面连接有光纤(10)，所述光纤(10)用于入射/出射光；所述光栅耦合器包括自下而上的：
2.根据权利要求1所述的一种背面出光石英衬底的薄膜铌酸锂光栅耦合器，其特征在于：所述衍射光栅区域(2)设于聚焦光栅层(1)顶面的一侧，包括多个布置于同一半圆内的沿径向依次紧密连接的衍射单元(12)，各个衍射单元(12)整体呈半圆弧形，主要由均为半圆弧形的光栅齿和刻蚀槽同心紧密连接构成；所述衍射光栅区域(2)的圆心处与直波导(11)的一端连通，直波导(11)布置于自身所在半圆区域的中心径向方向上，直波导(11)的另一端输入或输出光信号。
3.根据权利要求2所述的一种背面出光石英衬底的薄膜铌酸锂光栅耦合器，其特征在于：所述衍射光栅区域(2)为切趾光栅结构；和/或，所述直波导(11)为脊型薄膜铌酸锂波导。
4.根据权利要求2所述的一种背面出光石英衬底的薄膜铌酸锂光栅耦合器，其特征在于：所述器件结构还包括长度不同的第一锥形波导、第二锥形波导，第一锥形波导、第二锥形波导用于连通光...
【专利技术属性】
技术研发人员：张国务，刘柳，戴道锌，洪晓建，费超，陈楷旋，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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