CN113534342B - 一种基于铌酸锂薄膜波导的高耦合效率分段均匀光栅耦合器 - Google Patents
一种基于铌酸锂薄膜波导的高耦合效率分段均匀光栅耦合器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及集成光学领域和半导体领域，具体是一种基于铌酸锂薄膜平台的高耦合效率分段均匀光栅耦合器。该光栅耦合器包括：绝缘铌酸锂薄膜上的光子芯片以及设置于其上方的光纤。绝缘铌酸锂薄膜上的光子芯片自上而下依次包括：分段均匀波导耦合光栅、铌酸锂薄膜层、SiO2埋氧层、Au反射层以及LN衬底。本发明中采用几段周期和占空比相异的均匀光栅拼接，可以通过逐段设计各段均匀光栅，其设计和仿真、工艺制备难度相对小；该分段均匀光栅耦合结构，优化了向上衍射场和光纤的模式匹配，提升了通光带宽，从而达到宽光谱输入波导的高效耦合；此外，本发明通过增添Au反射层，可以极大地减少光功率向衬底的泄露损失，进一步提高光耦合效率。
Description
技术领域
本发明涉及集成光学领域和半导体领域，具体是一种基于LNOI平台的高耦合效率的分段均匀光栅耦合器。
背景技术
铌酸锂(LN)材料具有优越的光学性能，在光开关、电光调制器等高速电光器件中已有大量应用。其中，基于铌酸锂材料的电光调制器是目前发展最成熟的电光调制器类型，在高速光通信、微波光子技术中已得到广泛应用。但在传统铌酸锂光子器件中，由于波导的光模场面积大、电光重叠度较低，导致铌酸锂光子芯片集成度低、尺寸大，不满足光电子芯片小型化、集成化发展需求。
利用光纤与铌酸锂光波导之间的高效耦合，有利于进一步实现铌酸锂器件的集成应用化。当前光栅耦合器存在以下几个方面的缺点：(1)由于LNOI的对称性，使得光经过光栅衍射之后，会形成对称的两部分，其中有一部分光功率向衬底泄露，这就直接导致传统的光栅耦合器的耦合效率很低，大部分很难超过50％。(2)传统的均匀周期光栅耦合器向上衍射光的光场分布呈指数型衰减，必然导致了传统的光栅耦合器衍射效率的低下。(3)传统的分段均匀光栅耦合器要求每个栅齿周期都是变动的，填充因子也是变动的，因此在设计和仿真过程中计算难度较大；在制备过程中，由于工艺误差的影响，使得渐变周期和填充因子难以遵循设计值，以影响耦合效率，特别是难以加工的铌酸锂薄膜材料，其制备工艺难度更大。
发明内容
针对基于LNOI平台的传统均匀光栅耦合器耦合效率偏低的问题，本发明的目的在于提供一种基于LNOI平台的带Au反射层的分段均匀光栅耦合器，能够提高光栅耦合器的耦合效率。
为了解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明涉及一种基于铌酸锂薄膜波导的高耦合效率的分段均匀光栅耦合器，包括绝缘铌酸锂薄膜上的光子芯片以及设置于其上方的光纤。绝缘铌酸锂薄膜上的光子芯片自上而下依次包括：波导耦合光栅、铌酸锂薄膜层、SiO2埋氧层、Au反射层以及LN衬底。
所述的光纤具体放置于铌酸锂薄膜层上方1-10μm处，且光纤与铌酸锂薄膜层的垂直方向成8°角。
所述的铌酸锂薄膜层的厚度为400nm。
所述的铌酸锂薄膜层上设置有分段均匀波导耦合光栅。
所述的分段均匀波导耦合光栅由三个具有相异周期和占空比的均匀光栅结构组成，且三个均匀光栅之间存在间隙，从左至右依次是光栅Λ1、光栅Λ2和光栅Λ3。
所述的三个均匀光栅结构之间存在间隙gap，光栅Λ1与光栅Λ2之间的间隙为gap1，间隙的大小范围在1.1μm-1.5μm内；光栅Λ2与光栅Λ3之间的间隙为gap2,间隙的大小范围在1.1μm-1.5μm内。
所述的三个均匀光栅结构分别具有不同的光栅周期，其中光栅Λ1为短周期光栅，且周期范围在1μm-1.02μm内，光栅Λ2、光栅Λ3为长周期光栅，且周期范围在1.02μm-1.06μm内。
所述的三个均匀光栅结构分别具有不同的占空比，其中光栅Λ1占空比为FF1，占空比FF1的大小范围在0.4-0.5；光栅Λ2、光栅Λ3占空比分别为FF2、FF3，占空比FF2、FF3的大小范围也在0.4-0.5。
所述的三个均匀光栅结构分别具有相同的刻蚀深度d，刻蚀深度d大小为225nm。
所述的SiO2埋氧层厚度为1.8μm、Au反射层厚度为100nm以及LN衬底厚度为500μm。
由于上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明中分段均匀光栅耦合器为几段周期和占空比相异的均匀光栅拼接，其优点是可以逐段设计光栅，使其达到周期、填充因子分段变换的效果，其设计和仿真、工艺制备难度相较传统分段均匀光栅小；通过设计构造该分段均匀光栅耦合结构，优化了向上衍射场和光纤的模式匹配，从而达到宽光谱光和波导的高效耦合。
(2)本发明的带金属衬底的分段均匀光栅耦合器通过增添Au反射层，减小了向衬底泄露的光功率损失，进一步提高了基于绝缘铌酸锂平台的光栅耦合器的耦合效率。
附图说明
图1为本发明所述一种基于铌酸锂薄膜波导的高耦合效率的分段均匀光栅耦合器的结构示意图；
图2为本发明所述分段均匀光栅耦合器与带有锥形模斑变化配合使用的俯视图；
图3为本发明的分段均匀光栅耦合器内部衍射场的仿真结果图；
图4为本发明的分段均匀光栅耦合器的耦合效率随gap1变化的仿真结果图；
图5为本发明的锥形模斑变化器长度Lt对基模转换效率影响的仿真结果图；
图6为本发明的分段均匀光栅耦合器的光衍射向上效率随波长变化的仿真结果图；
图7为本发明的分段均匀光栅耦合器的耦合效率随波长变化的仿真结果图；
图中，1-LN衬底，2-Au反射层，3-SiO2层，4-铌酸锂薄膜层，5-分段均匀波导耦合光栅，6-纤芯，7-锥形模斑变化器，8-铌酸锂光波导。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较优实施例进行清楚、完整地描述。
结合现有技术，本发明利用锥形模斑变化器7的模斑转换作用和铌酸锂光波导8的光传输作用，将光导入到分段均匀波导耦合光栅5中。然后通过分段均匀波导耦合光栅5的光衍射作用，将来自铌酸锂光波导8的光耦合到光纤6内，实现铌酸锂光波导8与光纤6中的模场的匹配。
参考说明书附图1至图2，所述的分段均匀波导耦合光栅5，将它与锥形模斑变化器7以及铌酸锂光波导8相连。由于铌酸锂光波导8与分段均匀波导耦合光栅5之间的宽度尺寸差别较大，若直接将铌酸锂光波导8与分段均匀波导耦合光栅5相连会产生较大的模式失配，所以利用一个锥形模斑变化器7以实现两者之间的基模转换。
参考说明书附图1至图2，其示出了一种基于铌酸锂薄膜波导的高耦合效率的分段均匀光栅耦合器的结构，包括绝缘铌酸锂薄膜上的光子芯片以及设置于其上方的光纤6。绝缘铌酸锂薄膜上的光子芯片自上而下依次包括：分段均匀波导耦合光栅5、铌酸锂薄膜层4、SiO2埋氧层3、Au反射层2以及LN衬底1。
如图1所示，所述的光纤6与铌酸锂薄膜4的垂直方向设置成8°角，光纤6具体放置于波导铌酸锂薄膜4上方1-10μm处，可通过软件仿真优化可得到最佳的放置位置为2μm处。
如图1所示，所述的铌酸锂薄膜层4的厚度设置为400nm，其上设置有分段均匀波导耦合光栅5。
如图1所示，所述的分段均匀波导耦合光栅5由三个均匀光栅结构设置组成，从左至右依次是光栅Λ1、光栅Λ2和光栅Λ3。
具体地，对所述的三个均匀光栅结构之间设置有间隙gap，光栅Λ1与周期为光栅Λ2之间的间隙为gap1，间隙范围在1.1μm-1.5μm内；光栅Λ2与光栅Λ3之间的间隙为gap2,间隙范围在1.1μm-1.5μm内。通过仿真可知，gap的变化对耦合效率会产生较大的影响，因此探究了gap对耦合效率的影响，仿真后的最优值为gap1＝gap2＝1.4μm。
具体地，对所述的三个均匀光栅结构分别设置不同的光栅周期，光栅Λ1为短周期光栅，且周期范围在1μm-1.02μm内，通过仿真优化后取最优值1.02μm；光栅Λ2、光栅Λ3为长周期光栅，且周期范围在1.02μm-1.06μm内。通过仿真优化后，光栅Λ2、Λ3取最优值Λ2＝Λ3＝1.04μm；通过优化光栅周期改善了向上衍射场与光纤内模场失配的问题，耦合效率得以提高。
具体地，对所述的三个均匀光栅结构分别设置不同的占空比，其中光栅Λ1占空比为FF1，占空比FF1的大小范围在0.4-0.5；光栅Λ2、光栅Λ3占空比分别为FF2、FF3，占空比FF2、FF3的大小范围也在0.4-0.5。通过仿真优化后，最优值分别为FF1＝0.4，FF2＝FF3＝0.45。
具体地，对所述的三个均匀光栅结构分别设置相同的刻蚀深度d，刻蚀深度d大小为225nm。
进一步地，将所述的SiO2埋氧层3厚度设置为1.8μm、Au反射层2厚度设置为100nm以及LN衬底1厚度设置为500μm。Au反射层2的加入极大地减少了光功率向衬底泄露的损耗。
进一步地，如图2所示，将与分段均匀波导耦合光栅5相连的锥形模斑变化器7的长度设置为Lt，它的作用是实现铌酸锂光波导8与分段均匀波导耦合光栅5之间的模式转换，尽量保证进入光栅区域的模式为基模。
如图3所示，在铌酸锂光波导8中通TM基模后，得到了分段均匀光栅耦合器内部的衍射场图，可以发现来自铌酸锂光波导8中的TM基模经过光栅区域时会发生强烈的衍射作用，其中很大一部分的光通过光栅的衍射向上的作用进入到纤芯中，从而被耦合到光纤当中。
如图4至图5所示，通过仿真分别探究了gap1对光栅耦合器耦合效率的影响，得到了gap1的最优值为1.4μm，以及锥形模斑变化器7的长度Lt对基模转换效率的影响，得到了Lt最优值为300μm。
如图6至图7所示，在本发明实施例中，通过对光栅周期，光栅占空比，间隙gap等参数的优化仿真，理论上得到了较高的耦合效率。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明中分段均匀光栅耦合器采用几段周期和占空比相异的均匀光栅拼接，可以通过逐段设计各段均匀光栅，因此耦合光栅的周期与填充因子是分段变换的，其设计和仿真、制备工艺难度相对小；设计构造分段均匀光栅耦合结构，优化了向上衍射场和光纤的模式匹配，从而达到宽光谱光和波导的高效耦合。
(2)本发明的带Au反射层的分段均匀光栅耦合器通过增添Au反射层，减小了向衬底泄露的光功率损失，进一步提高了基于绝缘铌酸锂平台的光栅耦合器的耦合效率。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于铌酸锂薄膜波导的高耦合效率分段均匀光栅耦合器，其特征在于，包括绝缘铌酸锂薄膜上的光子芯片以及设置于其上方的光纤(6)；所述绝缘铌酸锂薄膜上的光子芯片自上而下依次包括：分段均匀波导耦合光栅(5)、铌酸锂薄膜层(4)、SiO2埋氧层(3)、Au反射层(2)以及LN衬底(1)；
将所述的分段均匀波导耦合光栅(5)，与锥形模斑变化器(7)以及铌酸锂光波导(8)相连，通过锥形模斑变化器(7)的模斑转换作用和铌酸锂光波导(8)的光传输作用，将光导入到分段均匀波导耦合光栅(5)中；
所述的SiO2埋氧层厚度为1.8μm、Au反射层厚度为100nm以及LN衬底厚度为500μm；
所述的分段均匀波导耦合光栅(5)由三个具有相异周期与占空比的均匀光栅结构组成，且三个均匀光栅之间存在间隙，从左至右依次是光栅Λ1、光栅Λ2和光栅Λ3；
所述的三个均匀光栅结构之间存在间隙gap，光栅Λ1与光栅Λ2之间的间隙为gap1，间隙的大小范围在1.1μm-1.5μm内；光栅Λ2与光栅Λ3之间的间隙为gap2，间隙的大小范围在1.1μm-1.5μm内；
所述的三个均匀光栅结构分别具有不同的光栅周期，其中光栅Λ1为短周期光栅，且周期范围在1μm-1.02μm内，光栅Λ2、光栅Λ3为长周期光栅，且周期范围在1.02μm-1.06μm内；
所述的三个均匀光栅结构分别具有不同的占空比，其中光栅Λ1占空比为FF1，占空比FF1的大小范围在0.4-0.5；光栅Λ2、光栅Λ3占空比分别为FF2、FF3，占空比FF2、FF3的大小范围也在0.4-0.5；
所述的三个均匀光栅结构分别具有相同的刻蚀深度d，刻蚀深度d大小为225nm。
2.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜波导的高耦合效率分段均匀光栅耦合器，其特征在于，所述的光纤(6)具体放置于铌酸锂薄膜层(4)上方1-10μm处，且光纤(6)与铌酸锂薄膜层(4)的垂直方向成8°角；
所述的铌酸锂薄膜层(4)的厚度为400nm；
所述的铌酸锂薄膜层(4)上设置有分段均匀波导耦合光栅(5)。
3.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜波导的高耦合效率分段均匀光栅耦合器，其特征在于，短周期光栅Λ1，周期取值1.02μm；长周期光栅Λ2、光栅Λ3，周期取值Λ2＝Λ3＝1.04μm；光栅Λ1占空比FF1＝0.4；光栅Λ2、光栅Λ3占空比FF2＝FF3＝0.45。
4.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜波导的高耦合效率分段均匀光栅耦合器，其特征在于，光栅Λ1与光栅Λ2、光栅Λ2与光栅Λ3之间的间隙gap1、gap2取值为1.4μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜波导的高耦合效率分段均匀光栅耦合器，其特征在于，所述的锥形模斑变化器(7)的长度Lt取值为300μm。
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