CN113820801A - 一种基于铌酸锂薄膜的脊形波导端面耦合器 - Google Patents

一种基于铌酸锂薄膜的脊形波导端面耦合器 Download PDF

Info

Publication number
CN113820801A
CN113820801A CN202111125945.2A CN202111125945A CN113820801A CN 113820801 A CN113820801 A CN 113820801A CN 202111125945 A CN202111125945 A CN 202111125945A CN 113820801 A CN113820801 A CN 113820801A
Authority
CN
China
Prior art keywords
layer
waveguide
ridge
width
lithium niobate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202111125945.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113820801B (zh
Inventor
尹志军
汤济
崔国新
许志城
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing Nanzhi Institute Of Advanced Optoelectronic Integration
Original Assignee
Nanjing Nanzhi Institute Of Advanced Optoelectronic Integration
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing Nanzhi Institute Of Advanced Optoelectronic Integration filed Critical Nanjing Nanzhi Institute Of Advanced Optoelectronic Integration
Priority to CN202111125945.2A priority Critical patent/CN113820801B/zh
Publication of CN113820801A publication Critical patent/CN113820801A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113820801B publication Critical patent/CN113820801B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4202—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details for coupling an active element with fibres without intermediate optical elements, e.g. fibres with plane ends, fibres with shaped ends, bundles
    • G02B6/4203—Optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4201—Packages, e.g. shape, construction, internal or external details
    • G02B6/4219—Mechanical fixtures for holding or positioning the elements relative to each other in the couplings; Alignment methods for the elements, e.g. measuring or observing methods especially used therefor
    • G02B6/4236—Fixing or mounting methods of the aligned elements
    • G02B6/424—Mounting of the optical light guide

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

本申请涉及半导体集成光电子器件技术领域，提供一种基于铌酸锂薄膜的脊形波导端面耦合器，该端面耦合器具有异质两步倒锥形波导的耦合结构，应用于将光纤中的光耦合进入薄膜铌酸锂芯片上的波导。该端面耦合器自下而上包括衬底层、绝缘层和耦合结构，其中，耦合结构包括顺序相接的覆盖波导、由氮化硅制成的第一步倒锥形波导、由LION薄膜材料制成的第二步倒锥形波导和器件波导。本申请首先将光纤与覆盖波导端面对接，光纤模场尺寸与覆盖波导匹配，光能量高效地进入覆盖波导传播；随后，覆盖波导中的模场又通过两步倒锥形波导结构，依次且有效地转换为条形波导模场和脊形波导模场，最终进入功能器件，从而实现高效率的纤芯耦合。

Description

一种基于铌酸锂薄膜的脊形波导端面耦合器
技术领域
本申请涉及半导体集成光电子器件技术领域，尤其涉及一种基于铌酸锂薄膜的脊形波导端面耦合器。
背景技术
铌酸锂晶体(LiNbO3，简称LN)材料目前已发展成熟，被广泛应用于调制器、光纤陀螺、光纤传感等领域。在此基础上，专家学者又进一步研发出一种新型薄膜材料，即采用离子注入和晶圆键合技术制备的绝缘体上铌酸锂(Lithium-Niobate-on-Insulator，LNOI)薄膜材料。LNOI薄膜材料具有优异的电光效应和声光效应，单晶性能高，波导芯层与包层折射率对比差较大，限光能力强，且能做到微纳尺寸，因此是开发大规模集成光电子器件的理想平台。
在光电子器件的实际应用中，如何实现光纤与芯片器件之间的高效耦合一直是研究人员在不断突破和攻克的技术难点。目前，常用的纤芯耦合手段主要有光栅耦合和端面耦合两种方式。光栅耦合方式采用光栅耦合器，可在芯片任意位置垂直耦合，对准公差相对较大，还可实现晶圆级测试，但光栅耦合方式的工作带宽较窄，且对偏振和波长较为敏感；而端面耦合器，由于带宽较大，对偏振不敏感(即适用于任何偏振)，因此，端面耦合方式在实际封装和应用中更具有价值。
现有的端面耦合方式中，由于芯片上的波导尺寸较小，导致波导模斑的大小与光纤尺寸不匹配，进而造成光纤与芯片的耦合效率较低。现有技术提出采用倒锥形的模式转换器来扩展端面上的波导模场，用以提高LNOI波导与光纤的模场匹配度，因为倒锥形的尖部尺寸越小，波导模场越大，与光纤模场越匹配，耦合效率越高。对于典型的LNOI脊形波导，由于波导下面有一层铌酸锂平板结构，故而需要两步倒锥形来扩展脊形波导模场。首先使用与平板结构厚度相同的第一步倒锥形波导将光纤(或大尺寸的过渡波导)中的光耦入，接着第二步倒锥形波导将第一步倒锥形波导中的模场转换到脊形波导，最后与芯片的器件波导连接。然而，在上述工艺操作中，由于铌酸锂刻蚀技术的限制，造成铌酸锂波导具有一定的侧壁倾角，导致倒锥形的尖部线宽受限，从而制约了端面耦合器耦合效率的进一步提高。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本申请旨在提供一种基于铌酸锂薄膜的脊形波导端面耦合器，以解决倒锥形端面耦合器中，在刻蚀铌酸锂波导时，由于存在侧壁倾角而导致耦合效率受限的技术问题，进而深入推动集成光学技术的进一步发展及光电子器件的更广泛应用。
为了实现上述目的，本申请提供一种基于铌酸锂薄膜的脊形波导端面耦合器，具体包括：耦合结构，沿着光传播方向，所述耦合结构包括顺序相接的覆盖波导、第一步倒锥形波导、第二步倒锥形波导和器件波导。
所述覆盖波导包括具有固定宽度的第一波导芯层，所述第一波导芯层的前端置于所述耦合结构的一端面处，用于连接光纤。
所述第一步倒锥形波导，包括第二波导芯层，所述第二波导芯层为氮化硅层，所述氮化硅层的尖端与所述第一波导芯层的尾端相接，所述氮化硅层的尖端宽度至尾端宽度呈线性增大。
所述第二步倒锥形波导，包括采用LION薄膜材料制成的第三波导芯层，所述第三波导芯层自下而上包括第一平板层和第一脊形层，所述第一平板层的尖端与所述氮化硅层的尾端相接，所述第一平板层的尖端宽度为所述氮化硅层的尾端宽度，所述第一平板层的尖端宽度至尾端宽度呈线性增大；所述第一脊形层的尖端置于所述氮化硅层与所述第一平板层的交接端面处，所述第一脊形层的尖端宽度远小于所述第一平板层的尖端宽度，所述第一脊形层的尖端宽度至尾端宽度呈线性增大。
所述器件波导，包括采用LION薄膜材料制成的第四波导芯层，所述第四波导芯层自下而上包括第二平板层和第二脊形层，所述第二平板层的前端与所述第一平板层的尾端相接；所述第二脊形层的前端与所述第一脊形层的尾端相接，所述第二脊形层的前端宽度为所述第一脊形层的尾端宽度；所述第二脊形层的前端与所述第一脊形层的尾端相接，所述第二脊形层的尾端置于所述耦合结构的另一端面处，用于连接器件功能区域。
所述氮化硅层的厚度、所述第一平板层的厚度和所述第二平板层的厚度一致。
进一步的，所述耦合结构还包括包层。
所述包层覆盖在所述第一倒锥形波导、所述第二倒锥形波导和所述器件波导上。
所述包层为氧化硅层。
进一步的，所述包层的厚度小于所述第一波导芯层的厚度，取值为600～1500nm。
进一步的，所述端面耦合器自下而上包括衬底层、绝缘层和所述耦合结构。
所述衬底层为铌酸锂层或硅层，厚度为300～800μm。
所述绝缘层为氧化硅层，厚度为2～5μm，用于防止光泄露至所述衬底层。
进一步的，所述第一波导芯层为聚合物SiON层或聚合物SU-8层，折射率为1.5～1.6。
进一步的，所述第一波导芯层的厚度与所述固定宽度一致，取值为3～4μm。
进一步的，所述氮化硅层的尖端宽度为50～150nm，所述氮化硅层的尾端宽度为0.8～1.5μm。
进一步的，所述第三波导芯层的厚度与所述第四波导芯层的厚度一致，取值为300～700nm。
进一步的，所述第一脊形层的厚度与所述第二脊形层的厚度一致，取值为100～700nm。
进一步的，所述第二平板层的宽度是固定的，大于或者等于所述第一平板层的尾端宽度；所述第二脊形层的宽度是固定的，为所述第一脊形层的尾端宽度。
本申请提供一种基于铌酸锂薄膜的脊形波导端面耦合器，具有异质两步倒锥形波导的耦合结构，应用于将光纤中的光耦合进入薄膜铌酸锂芯片上的波导。该端面耦合器自下而上包括衬底层、绝缘层和耦合结构，其中，耦合结构包括顺序相接的覆盖波导、由氮化硅制成的第一步倒锥形波导、由LION薄膜材料制成的第二步倒锥形波导和器件波导。本申请首先将光纤与覆盖波导端面对接，光纤模场尺寸与覆盖波导匹配，光能量高效地进入覆盖波导传播；随后，覆盖波导中的模场又通过两步倒锥形波导结构，依次且有效地转换为条形波导模场和脊形波导模场，最终进入功能器件，从而实现高效率的纤芯耦合。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种基于铌酸锂薄膜的脊形波导端面耦合器立体结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种基于铌酸锂薄膜的脊形波导端面耦合器平面结构示意图；
图3为本申请具体实施例提供的端面耦合器中光场强度分布示意图；
图4为本申请具体实施例提供的传输谱对比示意图。
图中：1-覆盖波导，2-第一步倒锥形波导，3-第二步倒锥形波导，31-第一脊形层，32-第一平板层，4-器件波导，41-第二脊形层，42-第二平板层，5-包层，6-绝缘层，7-衬底层。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行完整、清楚的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为便于理解本申请实施例的技术方案，以下首先对本申请实施例所涉及到的一些概念进行说明。
本申请实施例中采用的波导为薄膜型波导，是因为与扩散型波导相比，薄膜波导折射率对比大。具体的，薄膜型波导一般以氧化硅为基质，而扩散型波导由扩散层与非扩散层构成，并且，扩散层与非扩散层均为铌酸锂材质，然而，铌酸锂与氧化硅的折射率之差为0.7左右，铌酸锂扩散波导的扩散层与非扩散层折射率差为0.01左右，可见，薄膜型波导中两层的折射率之差远大于扩散型波导两层的折射率之差，由于折射率之差越大波导的效果越好，并且，薄膜型波导的体积小于扩散型波导的体积，更便于光电子芯片集成。
另外，通过两步倒锥形结构可以将大尺寸的波导模场高效率地耦合到小尺寸的脊形波导模场，倒锥形尖部尺寸越小，耦合效率越高。而铌酸锂波导由于刻蚀工艺限制，波导侧壁存在一定倾角，难以实现极小线宽的波导，以倾角为60度、厚度为300nm的波导为例，极限情况下，最细的波导是一个横截面为三角形的脊形波导，此时，该脊形波导的底宽为(2×300)/tan60°＝346nm，这个底宽较大地限制了耦合效率。本申请实施例提出一种异质两步倒锥形的结构，将第一步的倒锥形采用氮化硅材料，这是出于两点考虑：一是氮化硅可以刻蚀得到侧壁垂直的波导结构，避免了侧壁对波导线宽的限制；二是氮化硅与铌酸锂的折射率接近，减小了二者结合处因折射率差导致的耦合损耗。
参见图1，为本申请实施例提供的一种基于铌酸锂薄膜的脊形波导端面耦合器立体结构示意图。本申请实施例提供一种基于铌酸锂薄膜的脊形波导端面耦合器，该端面耦合器自下而上具体包括：衬底层7、绝缘层6和耦合结构。
图2示出本申请实施例提供的一种基于铌酸锂薄膜的脊形波导端面耦合器平面结构示意图，参照图1和图2可以看出，本申请实施例中，沿着光传播方向，耦合结构包括顺序相接的覆盖波导1、第一步倒锥形波导2、第二步倒锥形波导3和器件波导4，还包括覆盖在第一倒锥形波导2、第二倒锥形波导3和器件波导4上的包层5。
本申请实施例中，衬底层7的材质为铌酸锂或者硅，厚度为300～800μm；绝缘层6的材质为氧化硅，厚度为2～5μm，用于防止光泄露至衬底层7；包层5的材质为氧化硅。
本申请实施例中，覆盖波导1包括具有固定宽度的第一波导芯层，其中，第一波导芯层的前端置于耦合结构的一端面处，用于连接光纤。进一步的，本申请实施例中，第一波导芯层的材质为聚合物SiON层或聚合物SU-8，折射率为1.5～1.6，第一波导芯层的厚度与宽度相同，取值在3～4μm范围内，上述设置条件下的覆盖波导1模场尺寸与光纤模场尺寸接近，因此光纤中的光能高效地耦入；并且，覆盖波导顶部未设置包层，而是直接与空气接触。
本申请实施例中，包层5的厚度小于第一波导芯层的厚度，包层5的厚度取值范围为600～1500nm。
本申请实施例中，第一步倒锥形波导2包括第二波导芯层，第二波导芯层为氮化硅层，其中，氮化硅层的尖端与第一波导芯层的尾端相接，且氮化硅层的尖端宽度至尾端宽度随氮化硅层长度呈线性增大，进一步的，氮化硅层的尖端宽度取值范围为50～150nm，最优取值为100nm，尾端宽度取值范围为0.8～1.5μm，最优取值为1μm。此处需要说明的是，氮化硅层的尖端宽度至尾端宽度并不仅限定为线性增大，可以根据具体的实际需要，按照指数函数、圆锥曲线等进行渐变设置，此处不再做详细介绍。
具体的，本申请实施例的第一步倒锥形波导采用氮化硅为材料，主要是基于氮化硅刻蚀工艺允许波导侧壁垂直，可以使锥形的尖部尺寸很小，从而提高覆盖波导1模场向第一步倒锥形波导2的转换效率；同时，氮化硅折射率与铌酸锂接近，能够有效减少第一步倒锥形波导2向第二步倒锥形波导3耦合的反射损耗。
本申请实施例中，第二步倒锥形波导3包括采用LION薄膜材料制成的第三波导芯层，该第三波导芯层自下而上包括第一平板层32和第一脊形层31。其中，第一平板层32的尖端与氮化硅层的尾端相接，第一平板层32的尖端宽度为氮化硅层的尾端宽度，第一平板层32的尖端宽度至尾端宽度呈线性增大；此外，第一脊形层31的尖端置于氮化硅层与第一平板层32的交接端面处，第一脊形层31的尖端宽度远小于第一平板层32的尖端宽度，第一脊形层31的尖端宽度至尾端宽度呈线性增大。
本申请实施例中，器件波导4包括采用LION薄膜材料制成的第四波导芯层，该第四波导芯层自下而上包括第二平板层42和第二脊形层41。其中，第二平板层42的前端与第一平板层32的尾端相接；第二脊形层41的前端与第一脊形层31的尾端相接，第二脊形层41的前端宽度为第一脊形层31的尾端宽度；此外，第二脊形层41的前端与第一脊形层31的尾端相接，第二脊形层41的尾端置于耦合结构的另一端面处，用于连接器件功能区域。进一步的，第二平板层42的宽度是固定的，其值大于或者等于第一平板层32的尾端宽度；同样的，第二脊形层41的宽度也是固定的，其宽度等于第一脊形层31的尾端宽度。
进一步的，本申请实施例中，第三波导芯层的厚度与第四波导芯层的厚度一致，取值为300～700nm；第一脊形层的厚度与第二脊形层的厚度一致，且第一脊形层和第二脊形层的厚度需小于或者等于第三波导芯层或者第四波导芯层的总厚度，具体取值为100～700nm。具体的，本申请人发现，第一脊形层与第二脊形层的厚度在上述取值范围内，可对波导信号进行有效束缚，防止波导信号泄露。
具体的，参考图2，器件波导4的平板层和脊形层实则为一个整体，由绝缘体上铌酸锂(LNOI)薄膜材料制成，具体是将LNOI薄膜材料刻蚀一定厚度，刻蚀厚度在100～700nm范围内，且刻蚀厚度不能超过LNOI薄膜材料总厚度，就可以形成由上层的脊形层和下层的平板层构成的波导结构。
本申请实施例中，氮化硅层的厚度、第一平板层32的厚度和第二平板层42的厚度一致。具体的，氮化硅层、第一平板层32和第二平板层42设置为同样的厚度，是为了保证厚度的连续性，使波导模场能高速且有效地从第一步倒锥形波导依次传播到第二步倒锥形波导和器件波导，而不会因为界面突变带来反射和散射等损耗。
本申请实施例中，光纤通过与覆盖波导1端面对接，光纤模场尺寸与覆盖波导匹配，光能量高效地进入覆盖波导1传播。覆盖波导1中的模场又通过倒锥形有效地依次转换为第一倒锥形波导2的条形波导模场和第一倒锥形波导3的脊形波导模场，最终进入器件波导4的功能器件，从而实现高效率的纤芯耦合。
本申请实施例提供一种具有高耦合效率的端面耦合器，应用于将光纤中的光耦合进入薄膜铌酸锂芯片上的波导。由于主流的铌酸锂波导是脊形波导，端面耦合器一般为双层倒锥形结构，而现有的端面耦合器的两层倒锥形波导均为铌酸锂薄膜材料，但是，铌酸锂薄膜在刻蚀过程中存在侧壁倾角，使得倒锥形的尖部尺寸不够小，从而限制了耦合效率的进一步提升。本申请实施例将第一层倒锥形材料改为可加工出垂直侧壁的氮化硅，从而能够得到很细的锥尖，进而大幅度提高耦合效率。
为进一步验证本申请实施例的有效性和优越性，下面将通过具体实施例，对本申请实施例所提供的一种基于铌酸锂薄膜的脊形波导端面耦合器进行具体阐述。
本申请具体实施例采用时域有限差分法进行相关计算和分析。在仿真计算中，主要参数设置如下：覆盖波导1宽度何高度均为3.5μm；第一步倒锥形波导2高度为350nm，宽度从100nm线性渐变至1μm，长度为200μm；第二步倒锥形波导3的平板层高度为350nm，宽度从1μm线性渐变至3.5μm，第二步倒锥形波导3的脊形层高度为250nm，宽度从150nm线性渐变至1μm，第二步倒锥形波导区长度为200μm；器件波导4的平板层高度为350nm，脊形层高度为250nm，脊形波导宽度为1um；氧化硅包层的厚度为1μm。其中，上述所有的波导宽度均为顶部宽度，铌酸锂波导的侧壁倾角为60度，光纤模场直径为3.2μm，输入光模场为TE偏振。
参见图3，为本申请具体实施例提供的端面耦合器中光场强度分布示意图，其中图3(a)为平行于基底的切面示意图，图3(b)为垂直于基底的切面示意图，图3(c)为器件波导的横截面示意图。从图3(a)和图3(b)可以看出，光从左至右由覆盖波导、第一步倒锥形波导、第二步倒锥形波导传输至器件波导，光能量主要集中在波导芯层结构中，泄漏较小。而图3(c)的光场分布与脊形铌酸锂波导中的TE基模一致，说明光纤中的TE模最终耦合成了器件波导中的TE基模，即器件的工作模式。由图3的结果可以证明得出以下结论：由于氮化硅与铌酸锂的折射率接近，因此光可以顺利从氮化硅进入铌酸锂波导，进一步论证了本申请实施例提出的异质两步倒锥形波导结构可以将光纤中的光耦入到芯片上的器件波导中。
更进一步的，参见图4，为本申请具体实施例提供的传输谱对比示意图。图4中方形点线图是计算得到的异质两步倒锥形波导结构的传输谱，从方形点线图可以看出，本申请实施例提供的端面耦合器在1500～1600nm范围内都具有较高的耦合效率，平均耦合损耗仅约1dB；进一步还能看出，在此范围内耦合效率的变化波动很小，由此说明本申请具有带宽大和稳定性高的特性。为了更形象说明本申请实施例的优势，本申请具体实施例通过计算具有相同尺寸参数，仅将第一步倒锥形波导的材料由氮化硅换成铌酸锂，从而得到图4中圆形点线图所示的传输谱。通过对比两种材质的传输谱可以看出，本申请实施例提出的异质两步倒锥形耦合器，比仅用铌酸锂的两步倒锥形耦合器，其耦合效率高了4到5个dB，大幅度提高了耦合效率，充分展示了本申请实施例的优点。
本申请提供一种基于铌酸锂薄膜的脊形波导端面耦合器，具体包括：耦合结构，沿着光传播方向，所述耦合结构包括顺序相接的覆盖波导、第一步倒锥形波导、第二步倒锥形波导和器件波导。
所述覆盖波导包括具有固定宽度的第一波导芯层，所述第一波导芯层的前端置于所述耦合结构的一端面处，用于连接光纤。
所述第一步倒锥形波导，包括第二波导芯层，所述第二波导芯层为氮化硅层，所述氮化硅层的尖端与所述第一波导芯层的尾端相接，所述氮化硅层的尖端宽度至尾端宽度呈线性增大。
所述第二步倒锥形波导，包括采用LION薄膜材料制成的第三波导芯层，所述波导芯层自下而上包括第一平板层和第一脊形层，所述第一平板层的尖端与所述氮化硅层的尾端相接，所述第一平板层的尖端宽度为所述氮化硅层的尾端宽度，所述第一平板层的尖端宽度至尾端宽度呈线性增大；所述第一脊形层的尖端置于所述氮化硅层与所述第一平板层的交接端面处，所述第一脊形层的尖端宽度远小于所述第一平板层的尖端宽度，所述第一脊形层的尖端宽度至尾端宽度呈线性增大。
所述器件波导，包括采用LION薄膜材料制成的第四波导芯层，所述第四波导芯层自下而上包括第二平板层和第二脊形层，所述第二平板层的前端与所述第一平板层的尾端相接；所述第二脊形层的前端与所述第一脊形层的尾端相接，所述第二脊形层的前端宽度为所述第一脊形层的尾端宽度；所述第二脊形层的前端与所述第一脊形层的尾端相接，所述第二脊形层的尾端置于所述耦合结构的另一端面处，用于连接器件功能区域。
所述氮化硅层的厚度、所述第一平板层的厚度和所述第二平板层的厚度一致。
由以上技术方案可知，本申请提供一种基于铌酸锂薄膜的脊形波导端面耦合器，该端面耦合器具有异质两步倒锥形波导的耦合结构，应用于将光纤中的光耦合进入薄膜铌酸锂芯片上的波导。该端面耦合器自下而上包括衬底层、绝缘层和耦合结构，其中，耦合结构包括顺序相接的覆盖波导、由氮化硅制成的第一步倒锥形波导、由LION薄膜材料制成的第二步倒锥形波导和器件波导。本申请首先将光纤与覆盖波导端面对接，光纤模场尺寸与覆盖波导匹配，光能量高效地进入覆盖波导传播；随后，覆盖波导中的模场又通过两步倒锥形波导结构，依次且有效地转换为条形波导模场和脊形波导模场，最终进入功能器件，从而实现高效率的纤芯耦合。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，使本领域技术人员能够理解或实现本申请，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种基于铌酸锂薄膜的脊形波导端面耦合器，其特征在于，包括：耦合结构，沿着光传播方向，所述耦合结构包括顺序相接的覆盖波导、第一步倒锥形波导、第二步倒锥形波导和器件波导；
所述覆盖波导包括具有固定宽度的第一波导芯层，所述第一波导芯层的前端置于所述耦合结构的一端面处，用于连接光纤；
所述第一步倒锥形波导包括第二波导芯层，所述第二波导芯层为氮化硅层，所述氮化硅层的尖端与所述第一波导芯层的尾端相接，所述氮化硅层的尖端宽度至尾端宽度呈线性增大；
所述第二步倒锥形波导包括采用LION薄膜材料制成的第三波导芯层，所述第三波导芯层自下而上包括第一平板层和第一脊形层，所述第一平板层的尖端与所述氮化硅层的尾端相接，所述第一平板层的尖端宽度为所述氮化硅层的尾端宽度，所述第一平板层的尖端宽度至尾端宽度呈线性增大；所述第一脊形层的尖端置于所述氮化硅层与所述第一平板层的交接端面处，所述第一脊形层的尖端宽度远小于所述第一平板层的尖端宽度，所述第一脊形层的尖端宽度至尾端宽度呈线性增大；
所述器件波导包括采用LION薄膜材料制成的第四波导芯层，所述第四波导芯层自下而上包括第二平板层和第二脊形层，所述第二平板层的前端与所述第一平板层的尾端相接；所述第二脊形层的前端与所述第一脊形层的尾端相接，所述第二脊形层的前端宽度为所述第一脊形层的尾端宽度；所述第二脊形层的前端与所述第一脊形层的尾端相接，所述第二脊形层的尾端置于所述耦合结构的另一端面处，用于连接器件功能区域；
所述氮化硅层的厚度、所述第一平板层的厚度和所述第二平板层的厚度一致。
2.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜的脊形波导端面耦合器，其特征在于，所述耦合结构还包括包层；
所述包层覆盖在所述第一倒锥形波导、所述第二倒锥形波导和所述器件波导上；
所述包层为氧化硅层。
3.根据权利要求2所述的一种基于铌酸锂薄膜的脊形波导端面耦合器，其特征在于，所述包层的厚度小于所述第一波导芯层的厚度，取值为600～1500nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜的脊形波导端面耦合器，其特征在于，所述端面耦合器自下而上包括衬底层、绝缘层和所述耦合结构；
所述衬底层为铌酸锂层或硅层，厚度为300～800μm；
所述绝缘层为氧化硅层，厚度为2～5μm，用于防止光泄露至所述衬底层。
5.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜的脊形波导端面耦合器，其特征在于，所述第一波导芯层为聚合物SiON层或聚合物SU-8层，折射率为1.5～1.6。
6.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜的脊形波导端面耦合器，其特征在于，所述第一波导芯层的厚度与所述固定宽度一致，取值为3～4μm。
7.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜的脊形波导端面耦合器，其特征在于，所述氮化硅层的尖端宽度为50～150nm，所述氮化硅层的尾端宽度为0.8～1.5μm。
8.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜的脊形波导端面耦合器，其特征在于，所述第三波导芯层的厚度与所述第四波导芯层的厚度一致，取值为300～700nm。
9.根据权利要求8所述的一种基于铌酸锂薄膜的脊形波导端面耦合器，其特征在于，所述第一脊形层的厚度与所述第二脊形层的厚度一致，取值为100～700nm。
10.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜的脊形波导端面耦合器，其特征在于，所述第二平板层的宽度是固定的，大于或者等于所述第一平板层的尾端宽度；所述第二脊形层的宽度是固定的，为所述第一脊形层的尾端宽度。
CN202111125945.2A 2021-09-24 2021-09-24 一种基于铌酸锂薄膜的脊形波导端面耦合器 Active CN113820801B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111125945.2A CN113820801B (zh) 2021-09-24 2021-09-24 一种基于铌酸锂薄膜的脊形波导端面耦合器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111125945.2A CN113820801B (zh) 2021-09-24 2021-09-24 一种基于铌酸锂薄膜的脊形波导端面耦合器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113820801A true CN113820801A (zh) 2021-12-21
CN113820801B CN113820801B (zh) 2022-07-08

Family

ID=78915488

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111125945.2A Active CN113820801B (zh) 2021-09-24 2021-09-24 一种基于铌酸锂薄膜的脊形波导端面耦合器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113820801B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114935794A (zh) * 2022-06-16 2022-08-23 珠海光库科技股份有限公司 模斑转换器、光芯片和光通信器件
CN115373082A (zh) * 2022-09-20 2022-11-22 山东大学 一种基于硅和铌酸锂复合薄膜的端面耦合器
CN116381852A (zh) * 2023-02-22 2023-07-04 武汉安湃光电有限公司 一种可承受大功率光输入的铌酸锂水平端面耦合器

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011102891A (ja) * 2009-11-11 2011-05-26 Keio Gijuku 光機能導波路
CN111458793A (zh) * 2020-04-17 2020-07-28 中国科学院半导体研究所 Lnoi基脊型光波导端面耦合结构及其应用
CN111487715A (zh) * 2020-04-17 2020-08-04 中国科学院半导体研究所 基于lnoi的光波导端面耦合结构及其应用
CN111585166A (zh) * 2020-02-13 2020-08-25 南京中电芯谷高频器件产业技术研究院有限公司 一种半导体激光器芯片与lnoi光芯片的异构集成结构
CN112130352A (zh) * 2020-09-28 2020-12-25 联合微电子中心有限责任公司 一种光开关
CN112444912A (zh) * 2020-10-22 2021-03-05 中国电子科技集团公司第五十五研究所 一种高速集成可调光延时线与制备方法
CN112782805A (zh) * 2020-12-30 2021-05-11 中国电子科技集团公司第五十五研究所 一种基于亚波长光栅的lnoi模斑转换器和制备方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011102891A (ja) * 2009-11-11 2011-05-26 Keio Gijuku 光機能導波路
CN111585166A (zh) * 2020-02-13 2020-08-25 南京中电芯谷高频器件产业技术研究院有限公司 一种半导体激光器芯片与lnoi光芯片的异构集成结构
CN111458793A (zh) * 2020-04-17 2020-07-28 中国科学院半导体研究所 Lnoi基脊型光波导端面耦合结构及其应用
CN111487715A (zh) * 2020-04-17 2020-08-04 中国科学院半导体研究所 基于lnoi的光波导端面耦合结构及其应用
CN112130352A (zh) * 2020-09-28 2020-12-25 联合微电子中心有限责任公司 一种光开关
CN112444912A (zh) * 2020-10-22 2021-03-05 中国电子科技集团公司第五十五研究所 一种高速集成可调光延时线与制备方法
CN112782805A (zh) * 2020-12-30 2021-05-11 中国电子科技集团公司第五十五研究所 一种基于亚波长光栅的lnoi模斑转换器和制备方法

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114935794A (zh) * 2022-06-16 2022-08-23 珠海光库科技股份有限公司 模斑转换器、光芯片和光通信器件
CN114935794B (zh) * 2022-06-16 2023-03-07 珠海光库科技股份有限公司 模斑转换器、光芯片和光通信器件
CN115373082A (zh) * 2022-09-20 2022-11-22 山东大学 一种基于硅和铌酸锂复合薄膜的端面耦合器
CN116381852A (zh) * 2023-02-22 2023-07-04 武汉安湃光电有限公司 一种可承受大功率光输入的铌酸锂水平端面耦合器
CN116381852B (zh) * 2023-02-22 2023-10-17 武汉安湃光电有限公司 一种可承受大功率光输入的铌酸锂水平端面耦合器

Also Published As

Publication number Publication date
CN113820801B (zh) 2022-07-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113820801B (zh) 一种基于铌酸锂薄膜的脊形波导端面耦合器
US6396984B1 (en) Mode shape converter, method for fabricating the mode shape converter and integrated optical device using the mode shape converter
US8774569B2 (en) High confinement waveguide on an electro-optic substrate
CN108983352B (zh) 一种端面耦合器及其制备方法
CN111367014B (zh) 一种用于光互联的具有模斑转换功能的片上边缘耦合器
CN111665592B (zh) 一种lnoi悬空模斑转换器及其工艺实现方法
US11520175B2 (en) Active region-less modulator and method
CN113848609A (zh) 光子集成耦合结构、光子集成器件
CN117590628B (zh) 基于薄膜铌酸锂波导的光学器件、制备方法及工作方法
CN111897146A (zh) 基于铌酸锂薄膜的光子晶体微环调制器芯片
US7660493B2 (en) Optical modulator
CN110308573A (zh) 一种基于硅/plzt混合波导的马赫曾德尔电光调制器
CN109031522A (zh) 一种低背向反射的光栅耦合器
CN115857091A (zh) 一种铌酸锂薄膜mmi起偏分束器
WO2020172585A1 (en) Low loss fiber-to-chip interfaces for lithium niobate photonic integrated circuits
CN113376743B (zh) 一种基于长周期光栅的模斑转换器
CN112596155B (zh) 一种基于lnoi材料的低插入损耗端面耦合器
CN117192686A (zh) 高效率薄膜铌酸锂锥形亚波长光栅端面耦合器及其制备方法
CN115877506B (zh) 覆盖可见光波段的薄膜铌酸锂端面耦合器及其制备方法
CN113835156A (zh) 一种边缘耦合器
CN112596254B (zh) 基于光子晶体的紧凑型偏振分束器
CN114675372B (zh) 一种基于级联波导的双阶梯结构端面耦合器
CN220526031U (zh) 分束器及量子光源
CN220526032U (zh) 分束器及量子光源
CN214845871U (zh) 高功率的ppln脊型波导器件及其光纤耦合结构

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant