CN111487715A - 基于lnoi的光波导端面耦合结构及其应用 - Google Patents

基于lnoi的光波导端面耦合结构及其应用 Download PDF

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Abstract

一种基于LNOI的光波导端面耦合结构及其应用，该光波导端面耦合结构包括衬底；绝缘层，其设置在衬底上；第一波导芯层结构，包括第一波导芯层固定宽度区和第一波导芯层反向楔形区；第二波导芯层结构，包括第二波导芯层固定宽度区和第二波导芯层反向楔形区，其折射率介于第一波导芯层结构和第三波导芯层结构之间，用于将经过第一波导芯层结构的光模场过渡传输到第三波导芯层结构中；以及第三波导芯层结构，包括第三波导芯层固定宽度区。本发明的结构中通过引入折射率介于第一波导芯层和第三波导芯层之间的第二波导芯层，有效增加了第一波导芯层楔形尖端尺寸，降低了小尺寸结构的制备工艺难度。

Description

基于LNOI的光波导端面耦合结构及其应用
技术领域
本发明属于集成光学领域，更具体地涉及一种基于LNOI的光波导端面耦合结构及其应用。
背景技术
铌酸锂晶体在常温下是一种铁电体，具备优良的电光效应、压电效应、热电效应、铁电效应以及非线性光学性质，而绝缘体上的铌酸锂(Lithium niobate on insulator，LNOI)具备铌酸锂晶体的优异性质，单晶性高，折射率对比差大，限光能力强等，被广泛应用于集成光学中的各类光电器件研究中，比如光耦合器、滤波器、频率转换器、谐振腔、电光调制器等无源和有源器件。而光纤与波导器件之间的耦合是集成光学中的一个重要研究内容，随着对单晶铌酸锂薄膜器件的研究和应用，光纤与LNOI器件之间的高效耦合成为一个重要的问题，常用耦合方式分为表面光栅耦合和端面耦合两大类，波导光栅耦合器利用波导上周期性刻蚀的光栅的衍射作用，来实现光栅衍射场的相位调制，从而实现光纤与波导表面耦合，但光栅耦合器的设计需要复杂的理论计算，在薄膜上制备困难，制作后也无法进一步调整，且垂直耦合的光路难以实现波导器件的气密性封装；而传统的对接耦合直接将光纤与波导端面对准实现耦合，对准容差小且耦合效率低，很难将光高效地耦合进入尺度相差很大的薄膜器件中。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种基于LNOI的光波导端面耦合结构及其应用，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种基于LNOI的光波导端面耦合结构，包括：
光波导端面耦合结构，包括：
衬底；
绝缘层，其设置在衬底上；
第一波导芯层结构，包括第一波导芯层固定宽度区和第一波导芯层反向楔形区；
第二波导芯层结构，包括第二波导芯层固定宽度区和第二波导芯层反向楔形区，其折射率介于第一波导芯层结构和第三波导芯层结构之间，用于将经过第一波导芯层结构的光模场过渡传输到第三波导芯层结构中；以及
第三波导芯层结构，包括第三波导芯层固定宽度区。
作为本发明的另一个方面，还提供了一种如上所述的光波导端面耦合结构在集成光学领域的应用。
基于上述技术方案可知，本发明的基于LNOI的光波导端面耦合结构及其应用相对于现有技术至少具有以下优势之一：
1、本发明的结构中制备有反向楔形波导芯层结构，可以选择为单纯的水平方向制备为楔形，单纯的垂直方向制备为楔形，或者水平方向和垂直方向都制备为楔形，实现波导中光场在水平和垂直方向的扩展，LNOI芯片(铌酸锂薄膜厚度＜1微米)中的亚微米级光模场经过扩展实现与光纤中微米级光场的高效匹配，提高耦合效率；
2、本发明的结构中通过引入折射率介于第一波导芯层和第三波导芯层(最终需要和光纤耦合)之间的第二波导芯层，有效增加了第一波导芯层楔形尖端尺寸，降低了小尺寸结构的制备工艺难度；
3、本发明的结构中第二波导芯层的折射率可以通过调整材料组分配比进行调谐，其值影响实现高效耦合时的光模场面积和楔形尖端尺寸，有利于设计与工艺进行迭代，优化最终的耦合结构；
4、本发明的结构中在与光纤端面耦合的第三波导芯层的端面镀了增透膜，减小了光场的反射损耗，进一步提高耦合效率；
5、本发明的结构能够实现LNOI芯片与光纤的高效率耦合，有利于实现大规模光子集成。
附图说明
图1是本发明一实施例的基于LNOI的光波导端面耦合结构的结构示意图；
图2是图1的俯视图。
上图中，附图标记含义如下：
1-衬底；2-绝缘层；3-第一波导芯层固定宽度区；4-第一波导芯层反向楔形区；5-第二波导芯层固定宽度区；6-第二波导芯层反向楔形区；7-第三波导芯层；8-增透膜。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种基于LNOI的光波导端面耦合结构，包括：
衬底；
绝缘层，其设置在衬底上；
第一波导芯层结构，包括第一波导芯层固定宽度区和第一波导芯层反向楔形区；
第二波导芯层结构，包括第二波导芯层固定宽度区和第二波导芯层反向楔形区，其折射率介于第一波导芯层结构和第三波导芯层结构之间，用于将经过第一波导芯层结构的光模场过渡传输到第三波导芯层结构中；以及
第三波导芯层结构，包括第三波导芯层固定宽度区。
在本发明的一些实施例中，所述衬底采用的材料包括铌酸锂、石英或硅中的任一种；
在本发明的一些实施例中，所述绝缘层采用的材料包括二氧化硅，厚度为1至5微米。
在本发明的一些实施例中，所述第一波导芯层结构采用的材料包括铌酸锂；
在本发明的一些实施例中，所述第一波导芯层结构的厚度小于1微米。
在本发明的一些实施例中，所述第二波导芯层结构采用的材料包括SiOxNy或SixNy，通过改变材料组分的配比x和v调谐第二波导芯层的折射率。
在本发明的一些实施例中，所述第三波导芯层结构采用的材料包括二氧化硅。
在本发明的一些实施例中，所述第一波导芯层反向楔形区和第二波导芯层反向楔形区的反向楔形部分的尖端方向均指向LNOI芯片与光纤的耦合端。
在本发明的一些实施例中，所述第一波导芯层反向楔形区和第二波导芯层反向楔形区的楔形部分的减小方向包括宽度方向、高度方向中的任一种或两种结合。
在本发明的一些实施例中，所述第一波导芯层固定宽度区的光模场面积小于1平方微米；
在本发明的一些实施例中，所述第三波导芯层固定宽度区的端面光模场直径为2.5微米至6微米之间。
在本发明的一些实施例中，所述铌酸锂基光波导端面耦合结构还包括用于减少光场的反射增透膜，所述增透膜设置在第三波导芯层固定宽度区的耦合端端面上。
本发明还公开了如上所述的光波导端面耦合结构在集成光学领域的应用。
在一个示例性实施例中，本发明公开了一种基于LNOI的光波导端面耦合结构，包括：
衬底，用于支撑整体薄膜结构；
绝缘层，通常作为衬底和最上层铌酸锂之间的应力缓冲层，同时作为上层铌酸锂波导芯层的波导下包层。
第一波导芯层结构，其材料属性为LNOI体系最上层的铌酸锂，包含固定宽度和反向楔形部分；
第二波导芯层结构，其折射率介于第一波导芯层和第三波导芯层之间，包含固定宽度和反向楔形部分；
第三波导芯层结构，其折射率介于第二波导芯层和空气之间，包含固定宽度部分；
增透膜，用于减少光场的反射；
其中，绝缘层粘附于衬底上，铌酸锂薄膜层粘附于绝缘层上，增透膜镀于第三波导芯层耦合端端面；
其中，所述衬底通常为铌酸锂，石英或者硅材料；
其中，绝缘层通常为二氧化硅材料，厚度通常在1-5微米之间；
其中，LNOI最上层制备超薄薄膜器件的铌酸锂层厚度＜1微米；
其中，所述第二波导芯层可以为SiOxNy(氮氧化硅)或者SixNy(氮化硅)折射率可调谐的材料；
其中，所述第三波导芯层可以为SiO2材料。
其中，所述反向楔形部分的尖端方向指向LNOI芯片与光纤的耦合端；
其中，所述第一波导芯层固定宽度区的光模场面积小于1平方微米；
其中，所述第三波导芯层固定宽度区端面光模场直径(Mode Field Diameter，MFD)为2.5微米-6微米之间；
其中，单模光纤可以为透镜/拉锥光纤，模场直径在2.5-6微米之间。
其中，所述第一波导芯层中的固定宽度部分为LNOI片上无源或有源器件中的正常的光传输波导部分；
其中，所述第一波导芯层中的反向楔形部分可以在水平(即宽度)和垂直(即高度)方向都减小形成楔形，以实现楔形尖端的光场在两个方向的扩展；
其中，所述第二波导芯层中的反向楔形部分可以在水平和垂直方向都减小形成楔形，以实现楔形尖端的光场在两个方向的扩展；
其中，所述第三波导芯层中的光模场与单模光纤的光模场实现匹配耦合。
其中，所述第三波导芯层中的光模场与单模光纤的光模场匹配度增加，耦合效率增加，而且第三波导芯层耦合端面镀了增透膜，减小了光场反射，进一步提高了耦合效率。
其中，所述第二波导芯层的加入增加了第一波导楔形尖端的几何尺寸，降低了工艺制备难度；
如果没有第二过渡波导，只要第一波导芯层和第三波导芯层的话，为了实现同样的模场变换，第一波导的反向楔形尖端需要做到尺寸非常小(根据情况选择单纯的水平方向制备为楔形，单纯的垂直方向制备为楔形，或者水平方向和垂直方向都制备为楔形，文中所有楔形结构都是这个意思)才能使尖端光模场泄漏到第三波导中形成和光纤匹配的光场；
所述的楔形结构尖端的尺寸受限于图形制备精度，尺寸越小，制备工艺难度越大，成品率越低；
所述结构增加了第二波导芯层，其折射率介于第一和第三部分之间，所述第一波导楔形尖端只需要做到一般小就可以将尖端光场泄漏到第二波导芯层进行传输；第二波导芯层的折射率可以通过调整材料组分配比进行调谐，其值影响实现高效耦合时的光模场面积和楔形尖端尺寸，有利于设计与工艺进行迭代，优化最终的耦合结构；
同理，所述第二波导芯层尖端模场泄漏到第三波导芯层中，实现了在水平和垂直方向的扩展，最终和单模光纤的光场匹配；
上述LNOI上制备有反向楔形波导芯层结构，可以选择为单纯的水平方向制备为楔形，单纯的垂直方向制备为楔形，或者水平方向和垂直方向都制备为楔形，实现波导中光场在水平和垂直方向的扩展，LNOI芯片(LN薄膜厚度＜1微米)中的亚微米级光模场经过扩展实现与光纤中微米级光场的高效匹配，提高耦合效率。
以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
如图1和图2所示，本实施例提供了一种LNOI基光波导端面耦合结构，包括衬底1、绝缘层2、第一波导芯层固定宽度区3、第一波导芯层反向楔形区4、第二波导芯层固定宽度区5、第二波导芯层反向楔形区6、第三波导芯层7和增透膜8。
衬底1上面是绝缘层2，绝缘层2上面是LN薄膜层，通常超薄薄膜层的厚度小于1微米，在最上层铌酸锂上制备得到第一波导芯层，包括固定宽度区3和反向楔形区4，第二波导芯层结构包括固定宽度区5和反向楔形区6，反向楔形部分朝向LNOI芯片与单模光纤耦合端，光模场从3传输到4的尖端时，由于尖端尺寸小，光场泄漏到4中继续传输，并跟随楔形的形式(上述单纯水平楔形，单纯垂直楔形和水平+垂直楔形)进行了光模场的扩展，同理，光场从5继续传输到6，然后在尖端进行再次扩展进入到第三波导芯层7中传输，反向楔形结构实现了光模场的扩展，从而实现LNOI芯片中的亚微米级光模场到光纤中微米级光场的转换，实现高效率耦合；第二波导芯层的折射率介于第一波导芯层和第三波导芯层之间，其引入有效增加了第一波导芯层楔形尖端的几何尺寸，降低了芯片小尺寸结构的制备工艺难度；除此之外，为了进一步提高芯片与光纤的耦合效率，在第三波导芯层7与光纤耦合端端面镀了增透膜，减小光模场的反射损耗，有利于实现大规模光子集成。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于LNOI的光波导端面耦合结构，包括：
衬底；
绝缘层，其设置在衬底上；
第一波导芯层结构，包括第一波导芯层固定宽度区和第一波导芯层反向楔形区；
第二波导芯层结构，包括第二波导芯层固定宽度区和第二波导芯层反向楔形区，其折射率介于第一波导芯层结构和第三波导芯层结构之间，用于将经过第一波导芯层结构的光模场过渡传输到第三波导芯层结构中；以及
第三波导芯层结构，包括第三波导芯层固定宽度区。
2.根据权利要求1所述的光波导端面耦合结构，其特征在于，
所述衬底采用的材料包括铌酸锂、石英或硅中的任一种；
所述绝缘层采用的材料包括二氧化硅，厚度为1至5微米。
3.根据权利要求1所述的光波导端面耦合结构，其特征在于，
所述第一波导芯层结构采用的材料包括铌酸锂；
所述第一波导芯层结构的厚度小于1微米。
4.根据权利要求1所述的光波导端面耦合结构，其特征在于，
所述第二波导芯层结构采用的材料包括SiOxNy或SixNv，通过改变材料组分的配比x和y调谐第二波导芯层的折射率。
5.根据权利要求1所述的光波导端面耦合结构，其特征在于，
所述第三波导芯层结构采用的材料包括二氧化硅。
6.根据权利要求1所述的光波导端面耦合结构，其特征在于，
所述第一波导芯层反向楔形区和第二波导芯层反向楔形区的反向楔形部分的尖端方向均指向LNOI芯片与光纤的耦合端。
7.根据权利要求1所述的光波导端面耦合结构，其特征在于，
所述第一波导芯层反向楔形区和第二波导芯层反向楔形区的楔形部分的减小方向包括宽度方向、高度方向中的任一种或两种结合。
8.根据权利要求1所述的光波导端面耦合结构，其特征在于，
所述第一波导芯层固定宽度区的光模场面积小于1平方微米；
所述第三波导芯层固定宽度区的端面光模场直径为2.5微米至6微米之间。
9.根据权利要求1所述的光波导端面耦合结构，其特征在于，
所述铌酸锂基光波导端面耦合结构还包括用于减少光场的反射增透膜，所述增透膜设置在第三波导芯层固定宽度区的耦合端端面上。
10.如权利要求1至9任一项所述的光波导端面耦合结构在集成光学领域的应用。
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