CN112596155B - 一种基于lnoi材料的低插入损耗端面耦合器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于LNOI材料的低插入损耗端面耦合器，包括基于LNOI材料的锥形渐变周期亚波长光栅波导、亚波长光栅填充缓冲区域、锥形拉锥、倒锥型耦合区域、脊型输出波导；其中倒锥型耦合区域位于上述其他结构的上方。本发明可实现光纤模式与LN脊型波导传输模式间的模式转换功能，实现低损耗光纤与芯片端面对接，适用于电光调制器、波导阵列光栅、微环谐振器等铌酸锂集成光路光学器件的端面接口，具有尺寸紧凑、耦合效率高、宽带宽等优点。

Description

一种基于LNOI材料的低插入损耗端面耦合器
技术领域
本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种基于LNOI材料的低插入损耗端面耦合器。
背景技术
随着光通信技术的急剧发展，对于信息传输和处理的要求也越来越高。集成化、低损耗、功能多样性、强抗干扰能力成了光通信器件研发者的追求目标。选用什么样的材料设计制作光通信器件不仅关系到器件的性能参数，还关乎制作成本、加工可行性、是否与现有系统兼容等问题。
LNOI(Integrated lithium on Insulator，绝缘体上的铌酸锂)受益于铌酸锂和二氧化硅之间大的折射率差，使得光信号可以很好的限制在铌酸锂中传输，且铌酸锂具有高电光系数，是制作电光调制器的理想材料，同时，它在声光、非线性等方面也更具有优势，LNOI还具有弯曲损耗小、传输损耗小、可与CMOS工艺兼容等优势，有利于将波导器件微型化、用于大规模集成方面。目前，LNOI光子集成电路在制作高速调制器、非线性频率转换和频率梳产生等先进光子功能器件方面是一个极有前景的平台。
对于实际应用来说，制作一种以光纤到芯片之间低耦合损耗为特征的光学接口是必不可少的。到目前为止，典型的LNOI光子集成电路光纤到芯片之间的损耗通常为10dB，其中芯片上的损耗较小，通常可以低至0.03-0.1dB/cm，绝大多数的损耗存在于光纤与端面之间的接口处。目前已论证的端面耦合器通常为倒锥型、光栅耦合器型，但这些方案存在耦合效率不高、尺寸大等问题，还需要进行进一步优化，目前设计一种耦合效率更高、紧凑度更好的LNOI端面耦合器具有很大的实际意义。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种基于LNOI材料的低插入损耗端面耦合器，该模式转换器实现了将LN纳米线波导的对称导向模式转换为常用的LN脊型波导模式，光纤接口使用细径光纤或定制的锥形透镜光纤。与现有的模式转换器相比，具有更低的插入损耗以及更紧凑的尺寸，适用于电光调制器、波导阵列光栅等光学器件的端面接口处。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于LNOI材料的低插入损耗端面耦合器，包括LiNO3波导，SiO2包层和SiO2衬底。其中输入波导依次经锥形渐变周期亚波长光栅波导、亚波长光栅填充缓冲区域、锥形拉锥、倒锥型耦合区域、脊型输出波导；倒锥形耦合区域位于锥形拉锥上方，并与脊型输出波导相连。所述锥形渐变周期亚波长光栅波导端面TE模式有效折射率和对接光纤模式有效折射率一致，可以以低损耗发生耦合；亚波长光栅填充缓冲区域末端与倒锥形耦合区域端面TE模式有效折射率匹配，可以以低损耗发生耦合。当光以TE模式输入时，光能量在经过锥形渐变周期亚波长光栅波导、亚波长光栅填充缓冲区域后，光传输模式高效率的由纳米线对称导向模式转变为LN矩形波导模式，所述倒锥型耦合区域位于亚波长光栅填充缓冲区域纵向维度的上方，在纵向方向上产生模式转变、光传输模式转变为LN脊型波导模式传输，低损耗端面耦合功能得以实现。
作为本发明的一种优选技术方案：所述锥形拉锥、倒锥型耦合区域采用圆锥曲线、指数函数线形函数进行波导的锥形渐变延伸，以减少光传输时的损耗。所述锥形渐变周期亚波长光栅波导(1)与亚波长光栅填充缓冲区域光栅周期相同，占空比相同。所述亚波长光栅填充缓冲区域(2)是由宽度渐变的亚波长光栅和三角形波导组合形成，以减少模式变化引入的损耗。所述锥形拉锥的长度较锥形渐变周期亚波长光栅波导、亚波长光栅填充缓冲区域更长，以尽可能减小传输损耗。所述锥形拉锥、倒锥型耦合区域弧度为指数函数曲线，以减小耦合和传输带来的损耗。
作为本发明的一种优选技术方案：所述锥形渐变周期亚波长光栅波导采用不同周期及占空比的亚波长光栅结构、优化器件输出光的波长无关特性，以实现器件宽带宽的特性。
作为本发明的一种优选技术方案：所述锥形渐变周期亚波长光栅波导采用不同周期及占空比的亚波长光栅结构、在保证耦合效率的前提下，便于加工。
作为本发明的一种优选技术方案：所述锥形渐变周期亚波长光栅波导渐变延伸的过程中，精心设计亚波长光栅到具有部分填充间隙的相邻段的波导的体积分数，匹配在具有不同光栅几何形状的两个部分的有效模式指数，降低结处的耦合损耗。
作为本发明的一种优选技术方案：所述波导层的刻蚀深度可进行改变，调节脊型平板层尖端的宽度，选取最优值，可适应不同铌酸锂刻蚀深度的设计需求。
本发明的有益效果是：
本发明提供一种基于LNOI材料的低插入损耗端面耦合器，通过两个倒锥结构构建模式尺寸转换器，结合亚波长光栅高耦合效率、紧凑度高的特点，实现将LN纳米线波导的对称导向模式转换为常用的LN脊型波导模式的功能，并且具有高耦合效率。
本发明相比于常见的LNOI平台脊型波导的直接光纤耦合，具有更高的耦合效率，它最主要的优势在于与光纤对接处，可以匹配空气中模式直径(MDF)为4um的细径光纤的光学模式，并且加入了亚波长光栅，使得匹配的模式折射率逐渐向直波导对应的折射率过渡而不产生折射率突变，进一步增加了耦合效率，该结构可以应用在电光调制器、开光阵列、波导阵列光栅等光学器件中。
本发明可作为低损耗模式尺寸转换器，应用在LNOI平台上的输入输出端面使用，如电光调制器、波导阵列光栅等，亚波长光栅区域的制作由于加工工艺的不同，可更改周期数而不显著影响耦合效率，只需满足亚波长光栅传输条件即可，并且，本发明制作工艺可与CMOS相兼容，其具有耦合效率高，传输损耗低，尺寸紧凑，宽带宽等潜在优势。
附图说明
图1为本发明的波导俯视结构示意图。
图2为本发明的波导截面示意图。
图3为本发明的光场传输模式示意图。
图4为本发明无亚波长光栅结构的光场传输模式示意图。
图5为普通脊型端面耦合的光场传输模式示意图。
图6为本发明各结界处的模式转换图。
图7为本发明与其他耦合方式进行对比的结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例：如图1和图2所示，本发明设计了一种基于LNOI材料的低插入损耗端面耦合器，其波导层为内嵌在SiO2里的条形LiNO3和脊型LiNO3波导，所述的LiNO3波导包括锥形渐变周期亚波长光栅波导1、亚波长光栅填充缓冲区域2、锥形拉锥3、倒锥型耦合区域4、脊型输出波导5；倒锥形耦合区域位于锥形拉锥上方，并与脊型输出波导相连。所述锥形渐变周期亚波长光栅波导端面TE模式有效折射率和对接光纤模式有效折射率一致，可以以低损耗发生耦合；亚波长光栅填充缓冲区域末端与倒锥形耦合区域端面TE模式有效折射率匹配，可以以低损耗发生耦合。当光以TE模式输入时，光能量在经过锥形渐变周期亚波长光栅波导、亚波长光栅填充缓冲区域后，光传输高效率的由纳米线对称导向模式转变为LN矩形波导模式，所述倒锥型耦合区域位于亚波长光栅填充缓冲区域纵向维度的上方，在纵向方向上产生模式转变、光传输模式转变为LN脊型波导模式传输，低损耗端面耦合功能得以实现。
本发明结构的耦合原理是：
当TE模式的光(Y方向偏振)输入时，锥形渐变周期亚波长光栅波导对应的对接端面经过精心设计，其模式有效折射率与光纤端面的模式有效折射率相同，进而进行端面对接的损耗可以降到最低，由于此时光传输模式为LN纳米线的对称导向模式，需经模式转换为LN脊型波导模式，传输光经锥形渐变周期亚波长光栅波导(1)，可将亚波长光栅看成均匀的各项异性材料，经过亚波长光栅填充缓冲区域(2)，传输光的模式有效折射率产生渐变，以低损耗耦合至锥形拉锥(3)中，倒锥型耦合区域(4)位于锥形拉锥的上方，其作用为将光能量的矩形波导传输模式转换为脊型波导模式传输，至此，低损耗端面耦合功能得以实现。
为了验证本发明能够实现该功能，特列举验证例进行说明。
本验证例所采用的时域有限差分法进行计算分析，仿真计算中用到的主要参数有：锥形渐变周期亚波长光栅波导以及亚波长光栅填充缓冲区域的亚波长光栅尖端的高度250nm、宽度350nm，末端宽度1.2um，长度为80um；光栅周期为320um；倒锥型耦合区域波导尖端的高度350nm、宽度100nm，长度220um，末端宽度1.2um；二氧化硅上包层厚度为1um，下包层的厚度为2um，对接的光纤为细径光纤，其模式直径(MDF)为4um。
以光以TE模式从输入波导输入时，计算得到光场传输如图3所示。可以看出光能量从输入波导输入，经渐变周期亚波长光栅波导、亚波长光栅填充缓冲区域，光模式耦合进波导中进行传输，且光能量没有发生大规模泄露。当光以TE模式输入普通的LN脊型波导端面时，计算得到光场传输如图4所示。可以看出光能量在输入端发生大规模泄露，耦合效率较低。当光以TE入射时传输光谱如图5所示，其显示了本发明的功效：其中With SWG指具有亚波长光栅波导结构，Without SWG指将亚波长光栅波导部分替换为实心倒锥，WithoutTaper指脊型波导与光纤直接对接。可以看出在1500nm至1600nm范围内，透射率变化范围为67.9％-72.6％，对应的插损为1.68dB-1.39dB，1550nm通信波段对应的器件插入损耗约为1.52dB，该模式尺寸转换器相较于传统的LN脊型波导端面而言，耦合效率显著提升，提升了4.7个dB，相较于不采用亚波长光栅结构，耦合效率也有较大提升，提升了0.3个dB。
综上，本发明提供的基于LNOI材料的低插入损耗端面耦合器，可实现将LN纳米线波导的对称导向模式转换为常用的LN脊型波导模式的功能，并且具有高耦合效率。在100nm工作带宽内器件插入损耗小，作为基于LNOI材料的端面耦合器，比已有的解决方案器件更小，可更好的用于LNOI平台上的输入输出端面使用，在和其他LNOI片上集成光系统中有重要作用。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所形成的技术方案。

Claims (5)

1.一种基于LNOI材料的低插入损耗端面耦合器，其特征在于：包括SiO2衬底、LiNO3波导以及SiO2包层；
所述LiNO3波导包括锥形渐变周期亚波长光栅波导（1）、亚波长光栅填充缓冲区域（2）、锥形拉锥（3）、倒锥形耦合区域（4）、脊型输出波导；输入波导依次经锥形渐变周期亚波长光栅波导、亚波长光栅填充缓冲区域、锥形拉锥、倒锥形耦合区域、脊型输出波导；所述倒锥形耦合区域（4）位于锥形拉锥（3）上方，并与脊型输出波导相连，亚波长光栅填充缓冲区域末端与倒锥形耦合区域端面TE模式有效折射率匹配， 所述锥形拉锥（3）、倒锥形耦合区域（4）采用指数函数线形函数进行波导的锥形渐变延伸，以减少光传输时的损耗，所述亚波长光栅填充缓冲区域（2）是由宽度渐变的亚波长光栅和三角形波导组合形成，当光以TE模式输入时，光能量在经过锥形渐变周期亚波长光栅波导、亚波长光栅填充缓冲区域后，光传输模式的由纳米线对称导向模式转变为LN矩形波导模式，所述倒锥形耦合区域位于亚波长光栅填充缓冲区域纵向维度的上方，在纵向方向上产生模式转变、光传输模式转变为LN脊型波导模式传输，低损耗端面耦合功能得以实现。
2.根据权利要求1所述的一种基于LNOI材料的低插入损耗端面耦合器，其特征在于：所述锥形渐变周期亚波长光栅波导的宽度随传输逐渐变宽。
3.根据权利要求1所述的一种基于LNOI材料的低插入损耗端面耦合器，其特征在于：所述锥形渐变周期亚波长光栅波导（1）与亚波长光栅填充缓冲区域光栅周期相同，占空比相同。
4.根据权利要求1所述的一种基于LNOI材料的低插入损耗端面耦合器，其特征在于：所述锥形拉锥的长度较锥形渐变周期亚波长光栅波导、亚波长光栅填充缓冲区域更长。
5.根据权利要求1所述的一种基于LNOI材料的低插入损耗端面耦合器，其特征在于：所述锥形拉锥、倒锥形耦合区域弧度为指数函数曲线。
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