CN113640913B - 一种与单模光纤直接耦合的lnoi基模斑转换器 - Google Patents

一种与单模光纤直接耦合的lnoi基模斑转换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种与单模光纤直接耦合的LNOI基模斑转换器及方法，涉及集成光学领域，用于解决光纤与LNOI芯片间的高效耦合问题。本发明结构自下而上由衬底、缓冲层和波导层三部分组成，其中波导层沿光场传输方向可分为两部分，第一部分为由低折射率波导制成的双层正向锥形区，用于输入光场与反向锥形区之间的模场变换，第二部分为由顶层铌酸锂刻蚀而成的反向锥形区，用于与LNOI芯片波导最终的模场变换。本发明双层正向锥形区的设计，不仅起到反向锥形区与外界输入光场的过渡作用，可实现与更大输入模场间的耦合，进一步提升了转换效率，还使整个结构更为紧凑、高效，更有利于实现大规模光路集成。

Description

一种与单模光纤直接耦合的LNOI基模斑转换器
技术领域：
本发明属于集成光学领域，尤其是涉及一种与单模光纤直接耦合的LNOI基模斑转换器及方法，可用于光纤与LNOI芯片之间的高效耦合。
背景技术
铌酸锂(LN)作为一种新型材料具有诸多优良的光学特性，包括电光系数大、非线性光学效应、宽光学透明窗口、温度稳定性好，热光系数低等等，因此，在过去的十几年中，铌酸锂在集成光学领域得到迅速发展。为进一步满足集成光子器件小型化的发展要求，通过将铌酸锂薄膜化至几百纳米，基于离子注入和晶圆键合技术制造出绝缘体上铌酸锂(lithium niobate on insulator，LNOI)。LNOI不仅保留了传统铌酸锂体材料一系列优良的光学特性，还具有比传统铌酸锂体材料更低的传输损耗和更高的电光调控效率，已经成为最有前景的集成光学平台之一，并用于实现电光调制、二次谐波产生、克尔频率梳产生等多种片上功能。但是，如何实现LNOI波导与光纤之间的高效耦合，一直是LNOI光子器件在实际应用中亟需解决的关键问题之一，亚微米级的LNOI波导与光纤直接耦合，插入损耗往往超过10dB。因此，很有必要设计出一种耦合结构，用以实现LNOI芯片与光纤之间的高效耦合。
通常情况下，根据输入光源与光学芯片是否处于同一平面，可以将耦合方案分为平面内耦合和平面外耦合。平面外耦合也可以称为垂直耦合，其中光栅耦合器最具代表性，光栅耦合器具有对准公差大、耦合位置灵活、结构紧凑等诸多优点，因此普遍适用于光学芯片的测试，但是受限于衍射原理，光栅耦合对波长和偏振都比较敏感，很难实现高耦合带宽和偏振无关，并且光栅耦合在实际应用中缺乏合理的封装方案；平面内耦合也可以称为端面耦合，传统的端面耦合是将光纤尾纤端面与芯片波导端面直接对接耦合，这种耦合方式要求光纤与波导需要严格对准，对准容差十分有限，并且光纤与波导之间存在的模场失配问题，导致耦合效率低下。
发明内容：
为解决上述技术问题，本发明提供了一种与单模光纤直接耦合的LNOI基模斑转换器，不仅能够实现光纤与LNOI芯片间的高效耦合，还可以适用于大输入模场的标准单模光纤，无需使用小模场特种光纤。
本发明采用的具体方案：一种与单模光纤直接耦合的LNOI基模斑转换器方案，结构基于顶层400纳米厚X切铌酸锂的LNOI晶圆，包括衬底(1)，位于衬底之上的缓冲层(2)，位于缓冲层之上的波导层，波导层由双层正向锥形区(Ⅰ)和反向锥形区(Ⅱ)两部分组成，双层正向锥形区(Ⅰ)包括双层正向锥形波导(3)，双层正向锥形波导(3)由上下两层锥形波导在垂直方向叠加而成，上层锥形波导尖端宽度不超过1微米，下层锥形波导尖端宽度与外包层波导(4)宽度一致，反向锥形区(Ⅱ)包括输入铌酸锂波导(5)、锥形铌酸锂波导(6)、输出铌酸锂波导(7)和外包层波导(4)，其中外包层波导(4)与双层正向锥形波导(3)的下层锥形波导尖端相连接，外包层波导(4)覆盖输入铌酸锂波导(5)和锥形铌酸锂波导(6)，反向锥形区(Ⅱ)中输入铌酸锂波导(5)、锥形铌酸锂波导(6)和输出铌酸锂波导(7)由顶层铌酸锂层刻蚀而成，输入铌酸锂波导(5)和输出铌酸锂波导(7)宽度保持不变，输入铌酸锂波导(5)宽度与锥形铌酸锂波导(6)尖端宽度一致，要求不超过120纳米，输出铌酸锂波导(7)宽度与锥形铌酸锂波导(6)宽端宽度一致，要求满足单模条件尺寸，双层正向锥形区(Ⅰ)中双层正向锥形波导(3)和反向锥形区(Ⅱ)中外包层波导(4)材料采用低折射率材料，低折射率材料指折射率不超过铌酸锂材料折射率，包括SiOxNy和SU8，双层正向锥形区(Ⅰ)中双层正向锥形波导(3)左侧端面与光纤对接，反向锥形区(Ⅱ)中输出铌酸锂波导(7)右侧端面与LNOI光子芯片对接。
所述LNOI基模斑转换器结构中双层正向锥形区(Ⅰ)和反向锥形区(Ⅱ)是整个结构核心区域，用于实现来自光纤的大模场与LNOI芯片小模场之间的转换，转换分两步完成，双层正向锥形区(Ⅰ)完成外界输入光场与反向锥形区间的模场转换，反向锥形区(Ⅱ)完成与LNOI芯片间的最终模式变换。
所述LNOI基模斑转换器的具体工作过程如下：输入光纤与双层正向锥形区(Ⅰ)左侧端面对接，传输光场首先进入双层正向锥形区(Ⅰ)中双层正向锥形波导(3)，在传输过程中可以将双层正向锥形波导(3)的上层锥形波导理解为下层锥形波导的脊，上层锥形波导左端宽度与下层锥形波导左端宽度一致，上层锥形波导右端宽度小于下层锥形波导右端宽度，上下两层锥形波导长度一致，因此上层锥形波导对光场的限制作用会逐渐小于下层锥形波导对光场的限制作用，光场会从起初分布在上下锥形区域，逐渐被压缩至只分布在下层锥形区域，通过这样双层锥形的结构设计，主要在垂直方向上完成了初步的模式变换，随后，下层锥形波导末端与反向锥形区(Ⅱ)外包层波导(4)相连接，光场向右继续传入反向锥形区(Ⅱ)之中，反向锥形区(Ⅱ)中输入铌酸锂波导(5)宽度保持的设计目的是获得稳定的传输光场，此时大部分光场应分布在反向锥形区(Ⅱ)外包层波导(4)之中，只有小部分被限制在输入铌酸锂波导(5)之中，由于铌酸锂折射率高于外包层材料折射率，通过锥形铌酸锂波导(6)宽度逐渐变宽的设计，传输光场趋于由外包层波导(4)逐渐进入到锥形铌酸锂波导(6)之中，实现限制光场由包层到芯层的转换，最终，经输出铌酸锂波导(7)传向LNOI芯片。本发明中双层正向锥形区(Ⅰ)的设计作为外界输入光场与反向锥形区(Ⅱ)间的过渡，不仅能实现与更大输入光场间的耦合，还能使整体结构更为紧凑，更利于大规模光路集成。
所述LNOI基模斑转换器结构中衬底(1)起支撑作用；缓冲层(2)起隔绝光场向衬底泄漏作用。
所述的LNOI晶圆为顶层铌酸锂厚度400nm。
所述的外包层材料采用低折射率材料，低折射率材料可通过等离子体增强化学气相沉积SiOxNy和旋涂SU8获得。
结构的制作大体可分为两部分，一部分为反向锥形区(Ⅱ)中输入铌酸锂波导(5)、锥形铌酸锂波导(6)和输出铌酸锂波导(7)的制作，首先利用电子束曝光(EBL)技术在LNOI晶圆顶层铌酸锂上定义出输入铌酸锂波导(5)、锥形铌酸锂波导(6)和输出铌酸锂波导(7)的图案，再利用电感耦合等离子体(ICP)蚀刻技术向下转移定义图案，完成反向锥形区(Ⅱ)中输入铌酸锂波导(5)、锥形铌酸锂波导(6)和输出铌酸锂波导(7)的制作。
另一部分为双层正向锥形区(Ⅰ)和反向锥形区(Ⅱ)中外包层波导(4)的制作，双层正向锥形区(Ⅰ)中双层正向锥形波导(3)材料选取低折射率材料，如果选用SiOxNy，可利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术在晶圆缓冲层上沉积获得，沉积原理为SiH4+N2O+NH3→SiOxNy+N2+H2，通过控制反应气体SiH4和N2O比例实现折射率可控，利用电子束曝光(EBL)技术在沉积的SiOxNy层定义上层锥形波导图案，利用电感耦合等离子体(ICP)蚀刻技术向下转移定义图案，获得双层正向锥形波导(3)的上层锥形波导，然后同样利用电子束曝光(EBL)技术和电感耦合等离子体(ICP)蚀刻技术套刻双层正向锥形波导(3)的下层锥形波导和反向锥形区(Ⅱ)中外包层波导(4)，最终完成双层正向锥形区(Ⅰ)和反向锥形区(Ⅱ)中外包层波导(4)的制作；如果选用SU-8，通过旋涂工艺在晶圆缓冲层上两次旋涂SU-8层，一次旋涂作为双层正向锥形波导(3)的下层锥形波导和反向锥形区(Ⅱ)中外包层波导(4)的基材，第二次旋涂作为双层正向锥形波导(3)的上层锥形波导的基材，利用紫外光刻技术直接成型，完成双层正向锥形区(Ⅰ)和反向锥形区(Ⅱ)中外包层波导(4)的制作。
本发明的有益效果为：(1)与现有技术相比，LNOI芯片与光纤间的耦合效率得到了进一步提升，并且对TE、TM两种偏振模式不敏感，基本可以实现偏振无关，其中双层正向锥形区的设计，不仅能实现与更大输入光场间的耦合，还能使整体结构更为紧凑，更利于大规模光路集成；(2)制作工艺基于现阶段成熟的半导体工艺技术，工艺技术层面便于实现，具有潜在的经济与应用价值，能够在集成光学领域得到广泛应用
附图说明：
图1(a)为本发明一种与单模光纤直接耦合的LNOI基模斑转换器的一个实施例结构示意图，图1(b)、(c)、(d)分别为该实施例的俯视图、侧视图和主视图；
图2(a)为图1所示意的结构在TM偏振模式下双层正向锥形区(Ⅰ)输入端面处模场分布与输入光纤端面处模场分布对比示意图；
图2(b)为图1所示意的结构在TE偏振模式下双层正向锥形区(Ⅰ)输入端面处模场分布与输入光纤端面处模场分布对比示意图；
图3为图1所示意的结构在TM和TE两种偏振模式下模场转换示意图；
图4(a)为图1所示意的结构反向锥形区(Ⅱ)中输入铌酸锂波导(5)、锥形铌酸锂波导(6)和输出铌酸锂波导(7)的制作工艺流程；
图4(b)为图1所示意的结构双层正向锥形区(Ⅰ)和反向锥形区(Ⅱ)中外包层波导(4)的制作工艺流程；
图中：1、衬底，2、缓冲层，3、双层正向锥形波导，4、外包层波导，5、输入铌酸锂波导，6、锥形铌酸锂波导，7、输出铌酸锂波导
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步说明，但本发明不限于此实施例，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本实施例的一种与单模光纤直接耦合的LNOI基模斑转换器示意图如图1所示。
本实施例用于单模光纤与LNOI芯片之间耦合，双层正向锥形区(Ⅰ)中双层正向锥形波导(3)左端面与单模光纤对接，反向锥形区(Ⅱ)中输出铌酸锂波导(7)与LNOI芯片波导对接，目的是实现单模光纤的大模场与LNOI芯片的小模场间的模场变换。单模光纤选取模场直径10μm标准单模光纤，光经单模光纤进入双层正向锥形区(Ⅰ)中双层正向锥形波导(3)，起初光场分布在双层正向锥形波导(3)的上下锥形波导区域，从左至右在相同长度下，上层锥形波导宽度变窄速度大于下层锥形波导，直至上层锥形波导右端宽度小于下层锥形波导右端宽度，在此过程中光场被逐渐压缩到只分布在下层锥形波导区域，双层正向锥形波导(3)的下层锥形波导右端与反向锥形区(Ⅱ)的外包层波导(4)相连接，并通过反向锥形区(Ⅱ)中输入铌酸锂波导(5)宽度保持的设计在结构中实现稳定传输，此时光场大部分分布在反向锥形区(Ⅱ)的外包层波导(4)，随后进入锥形铌酸锂波导(6)，由于铌酸锂折射率高于外包层材料折射率，因而随着锥形铌酸锂波导(6)宽度逐渐变宽，光场限制完成由包层向芯层的转换；最终光场不再泄漏在反向锥形区外包层波导(4)之中，光场完全被限制在锥形铌酸锂波导(6)之中，传输到与输出铌酸锂波导(7)相连接的LNOI芯片波导之中，至此完成光纤到LNOI芯片的耦合。
整体耦合损耗主要由以下三个方面组成：
(1)光纤端面与耦合器结构端面的菲涅尔反射损耗和光纤输入模场与耦合器结构端面模场的模式适配损耗。菲涅尔反射损耗形成的原因是光纤端面与耦合器结构端面存在折射率差，在耦合器结构端面镀一定折射率的增透膜或者滴加一定折射率的匹配液都可以有效消除菲涅尔反射，以TE模式为例加以简要说明，假定光纤端面折射率为n1，耦合器结构端面折射率为n2，入射角为θ1，折射角为θ2，根据菲涅尔反射定律计算反射系数为根据斯涅耳公式和能量反射率R＝r2，得到能量反射率为/> 考虑到理论上垂直入射，因此/>假定增透膜或匹配液折射率为nar，此时/> 不难发现当/>时，菲涅尔反射损耗理论上完全被消除。模式失配损耗理论上不能被完全消除，只能被尽量降低，图2(a)、(b)分别反映了TM和TE两种偏振模式下，输入光纤端面处与实施例双层正向锥形区(3)端面处光场分布情况，显然两者匹配度越高引入的损耗就越小，匹配度η可以用公式/>表征，其中Ei表示光纤端面模场振幅分布，Ej表示输入区端面模场振幅分布，计算得TM和TE两种偏振模式下匹配度。
(2)传输损耗，传输损耗理论上是由模式转换过程中引入的，但是在实际上受限于制造工艺，波导结构表面通常不是绝对光滑的，因此在传输过程中会因波导侧壁粗糙度引入散射损耗，散射损耗不能被完全消除，只能通过完善刻蚀工艺以及通过例如CMP抛光工艺尽量降低。图3分别反映了TM和TE两种偏振模式下模式转换示意图，假设光束沿X方向传播，反映出结构不同位置处的截面(XY)模式分布情况，可以非常直观的观察到模场由大到小的转换过程。
(3)对准公差损耗，主要是由于光纤端面与耦合器结构端面之间的错位造成的，主要可以从X、Y、Z三个水平方向，以及绕X、绕Y、绕Z三个轴向，共计六个方向描述这种错位，可以采用精密六维位移系统完成光纤与耦合器结构之间的纳米级对准，同时采用光纤定位槽、点焊固化等方式加以辅助优化，基本可以消除对准公差损耗。
本发明的制作工艺相对简单、完全可行，主要可以分为反向锥形区(Ⅱ)中输入铌酸锂波导(5)、锥形铌酸锂波导(6)、输出铌酸锂波导(7)的制作和双层正向锥形区(Ⅰ)、反向锥形区(Ⅱ)中外包层波导(4)的制作。
首先介绍反向锥形区(Ⅱ)中输入铌酸锂波导(5)、锥形铌酸锂波导(6)、输出铌酸锂波导(7)的制作，工艺流程图如图4(a)所示，在LNOI晶圆顶层铌酸锂表面旋涂负性电子束曝光胶，通过光刻版图对输入铌酸锂波导(5)、锥形铌酸锂波导(6)、输出铌酸锂波导(7)图案定义，进行电子束曝光，显影后进行掩膜的溅射，随后去胶并带走多余部分掩膜，至此掩膜版的制作完成，随后利用电感耦合等离子体(ICP)蚀刻技术对顶层铌酸锂进行蚀刻，蚀刻完成获得输入铌酸锂波导(5)、锥形铌酸锂波导(6)、输出铌酸锂波导(7)，最后去除掩膜。
随后进行双层正向锥形区(Ⅰ)、反向锥形区(Ⅱ)中外包层波导(4)的制作，工艺流程图如图4(b)所示，本实施例中双层正向锥形区(Ⅰ)、反向锥形区(Ⅱ)中外包层波导(4)的材料选取SU-8，并通过两次旋涂获得，在前一步的晶圆片上直接旋涂第一层SU-8，通过光刻版图在第一层SU-8上定义双层正向锥形波导(3)的下层锥形波导和反向锥形区(Ⅱ)中外包层波导(4)图案，利用紫外光刻技术进行曝光，但不显影，随后在第一层SU-8涂层上再旋涂一层SU-8，通过光刻版图在第二层SU-8上定义双层正向锥形波导(3)的上层锥形波导，利用紫外光刻技术进行曝光，显影并同时获得上下两层波导结构，完成双层正向锥形区(Ⅰ)、反向锥形区(Ⅱ)中外包层波导(4)的制作。
加工中需要注意的是反向锥形区(Ⅱ)中输入铌酸锂波导(5)宽度和锥形铌酸锂波导(6)尖端宽度不超过120nm，双层正向锥形区(Ⅰ)中双层正向锥形波导(3)的上层锥形波导右端刻蚀宽度不应超过1微米。
综上所述，本发明提出的一种与单模光纤直接耦合的LNOI基模斑转换器，原理上正确可行，制作工艺上与现阶段成熟的CMOS工艺兼容可行，具有潜在的经济与应用价值，有望在集成光学领域得到广泛应用。

Claims (9)

1.一种与单模光纤直接耦合的LNOI基模斑转换器，其特征在于包括：衬底(1)，位于衬底之上的缓冲层(2)，位于缓冲层之上的波导层；波导层由双层正向锥形区(Ⅰ)和反向锥形区(Ⅱ)两部分组成，双层正向锥形区(Ⅰ)用于完成外界输入光场与反向锥形区间的模场转换，反向锥形区(Ⅱ)用于完成与LNOI芯片间的最终模式变换；双层正向锥形区(Ⅰ)包括双层正向锥形波导(3)，双层正向锥形波导(3)由上下两层锥形波导在垂直方向叠加而成，上层锥形波导尖端宽度远小于下层锥形波导尖端宽度，下层锥形波导尖端宽度与外包层波导(4)宽度一致，反向锥形区(Ⅱ)包括输入铌酸锂波导(5)、锥形铌酸锂波导(6)、输出铌酸锂波导(7)和外包层波导(4)，其中外包层波导(4)与双层正向锥形波导(3)的下层锥形波导尖端相连接，输入铌酸锂波导(5)和锥形铌酸锂波导(6)被外包层波导(4)覆盖，输入铌酸锂波导(5)和输出铌酸锂波导(7)宽度保持不变，输入铌酸锂波导(5)宽度与锥形铌酸锂波导(6)尖端宽度一致，输出铌酸锂波导(7)宽度与锥形铌酸锂波导(6)宽端宽度一致；输入光纤与双层正向锥形区(Ⅰ)左侧端面对接，传输光场首先进入双层正向锥形区(Ⅰ)中双层正向锥形波导(3)，上层锥形波导左端宽度与下层锥形波导左端宽度一致，上层锥形波导右端宽度小于下层锥形波导右端宽度，上下两层锥形波导长度一致，因此上层锥形波导对光场的限制作用会逐渐小于下层锥形波导对光场的限制作用，光场会从起初分布在上下锥形区域，逐渐被压缩至只分布在下层锥形区域，通过这样双层锥形的结构设计，在垂直方向上完成了初步的模式变换，随后，下层锥形波导末端与反向锥形区(Ⅱ)外包层波导(4)相连接，光场向右继续传入反向锥形区(Ⅱ)之中，反向锥形区(Ⅱ)中输入铌酸锂波导(5)宽度保持的设计目的是获得稳定的传输光场，此时大部分光场分布在反向锥形区(Ⅱ)外包层波导(4)之中，只有小部分被限制在输入铌酸锂波导(5)之中，由于铌酸锂折射率高于外包层材料折射率，通过锥形铌酸锂波导(6)宽度逐渐变宽的设计，传输光场趋于由外包层波导(4)逐渐进入到锥形铌酸锂波导(6)之中，实现限制光场由包层到芯层的转换，最终，经输出铌酸锂波导(7)传向LNOI芯片。
2.根据权利要求1所述的一种与单模光纤直接耦合的LNOI基模斑转换器，其特征在于：衬底材料采用硅，厚度为500至600微米，起支撑作用；缓冲层材料采用二氧化硅，厚度为2至3微米。
3.根据权利要求1所述的一种与单模光纤直接耦合的LNOI基模斑转换器，其特征在于：基底LNOI晶圆顶层铌酸锂层厚度为400纳米，切向为X切，反向锥形区(Ⅱ)中输入铌酸锂波导(5)、锥形铌酸锂波导(6)和输出铌酸锂波导(7)由顶层铌酸锂层刻蚀而成。
4.根据权利要求1所述的一种与单模光纤直接耦合的LNOI基模斑转换器，其特征在于：双层正向锥形区(Ⅰ)中双层正向锥形波导(3)和反向锥形区(Ⅱ)中外包层波导(4)材料采用低折射率材料。
5.根据权利要求1所述的一种与单模光纤直接耦合的LNOI基模斑转换器，其特征在于：双层正向锥形区(Ⅰ)中双层正向锥形波导(3)上层锥形波导尖端宽度要求不超过1微米。
6.根据权利要求1所述的一种与单模光纤直接耦合的LNOI基模斑转换器，其特征在于：双层正向锥形区(Ⅰ)中双层正向锥形波导(3)左侧端面与光纤对接，反向锥形区(Ⅱ)中输出铌酸锂波导(7)右侧端面与LNOI光子芯片对接。
7.根据权利要求1所述的一种与单模光纤直接耦合的LNOI基模斑转换器，其特征在于：缓冲层起隔绝衬底的作用，用于防止双层正向锥形区(Ⅰ)和反向锥形区(Ⅱ)波导中的光向下泄漏到衬底中。
8.根据权利要求1所述的一种与单模光纤直接耦合的LNOI基模斑转换器，其特征在于：所述的反向锥形区(Ⅱ)中输入铌酸锂波导(5)和锥形铌酸锂波导(6)尖端宽度要求低于120纳米。
9.根据权利要求4所述的一种与单模光纤直接耦合的LNOI基模斑转换器，其特征在于：所述的低折射率指不超过铌酸锂材料的折射率，低折射率材料包括SiOxNy和SU-8。
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