CN113900180A - 一种三维楔形铌酸锂薄膜波导装置 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及半导体集成光电子器件技术领域，提供一种三维楔形铌酸锂薄膜波导装置。该三维楔形铌酸锂薄膜波导装置，自下而上包括依次层叠设置的衬底层、绝缘层和铌酸锂层，铌酸锂层包括楔形层和平板层，楔形层包括楔形尖端和楔形尾端，楔形尖端用于匹配光纤模场，楔形尾端用于连接器件功能区域。其中，楔形尖端的厚度小于楔形尾端的厚度，楔形尖端的宽度远小于楔形尾端的宽度和平板层的宽度。本申请在实现水平方向波导模场扩展的基础上，进一步实现了垂直方向波导模场的扩展，从而实现与光纤模场的更进一步匹配，获得更高的纤芯耦合效率。

Description

一种三维楔形铌酸锂薄膜波导装置
技术领域
本申请涉及半导体集成光电子器件技术领域，尤其涉及一种三维楔形铌酸锂薄膜波导装置。
背景技术
铌酸锂晶体(LiNbO3，简称LN)材料已被广泛应用于调制器、光纤陀螺、光纤传感等领域。但是，以铌酸锂晶体为基础材料，采用钛扩散或质子交换方法制备的波导结构折射率对比差小、尺寸大，且波导拐弯半径大，故而铌酸锂晶体材料无法应用于集成光电子器件领域。因此，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薄膜材料继承了铌酸锂晶体优异的材料性质，又具有优异的电光效应和声光效应，且波导芯层与包层折射率对比差较大，还能做到微纳尺寸，因此是开发大规模集成光电子器件的理想平台。
由于铌酸锂薄膜波导的模场尺寸小，仅有百纳米，而光纤的模场尺寸为几微米，二者之间尺寸不匹配，导致耦合效率极低，现有技术中通过采用倒楔形模斑转换器来解决上述问题，即利用楔形结构将铌酸锂薄膜波导的模场尺寸扩展，从而与光纤模场匹配，提高耦合效率。
目前，通过在水平方向上对楔形曲线形状和耦合长度进行控制，已能够简易地制备出二维楔形波导，进而较大地提升了耦合效率，所谓二维楔形波导，即为波导尖端与尾端宽度不同，但波导尖端与尾端厚度一致的楔形波导结构。因此，二维楔形波导只能在水平方向实现模场扩展，而无法在垂直方向上得到有效扩展，导致模场分布呈扁平的椭圆状，与光纤中的高斯模场分布不匹配，限制了耦合效率的进一步提高。加之，随着市场需求的不断纵向深入，波导器件，尤其是端面耦合器，对于能够在垂直方向上实现尺寸变化的波导结构的需求也越来越明显。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本申请旨在提供一种三维楔形铌酸锂薄膜波导装置，所述三维楔形铌酸锂薄膜波导装置不仅能在水平方向上扩展波导模场，还可以在垂直方向上扩展波导模场，从而更进一步地提高纤芯耦合效率。
为了实现上述目的，本申请提供一种三维楔形铌酸锂薄膜波导装置，所述三维楔形铌酸锂薄膜波导装置包括铌酸锂层，所述铌酸锂层包括楔形层，所述楔形层包括楔形尖端和楔形尾端，所述楔形尖端用于匹配光纤模场，所述楔形尾端用于连接器件功能区域。
所述楔形尖端的厚度小于所述楔形尾端的厚度，所述楔形尖端的宽度小于所述楔形尾端的宽度。
进一步的，所述楔形尖端的厚度至所述楔形尾端的厚度按照预设的函数规律性增大。
进一步的，所述楔形尖端的厚度至所述楔形尾端的厚度呈线性增大。
进一步的，所述楔形尖端的宽度包括楔形尖端底宽和楔形尖端顶宽，所述楔形尾端的宽度包括楔形尾端底宽和楔形尾端顶宽，所述楔形尖端底宽小于所述楔形尾端底宽，所述楔形尖端顶宽小于所述楔形尾端顶宽。
进一步的，所述楔形尖端底宽至所述楔形尾端底宽呈线性增大，所述楔形尖端顶宽至所述楔形尾端顶宽呈线性增大。
进一步的，所述楔形尖端的正视面呈三角形，即所述楔形尖端顶宽的值为零。
进一步的，所述三维楔形铌酸锂薄膜波导装置，自下而上包括依次层叠设置的衬底层、绝缘层和所述铌酸锂层。
进一步的，所述衬底层为铌酸锂层或者氧化硅层，所述绝缘层为氧化硅层；所述衬底层与所述绝缘层的厚度比为60～400，所述绝缘层与所述铌酸锂层的厚度比为3～17。
进一步的，所述铌酸锂层还包括平板层，所述平板层设置于所述楔形层底部。
进一步的，所述楔形尖端的宽度小于所述平板层的前端宽度。
本申请提供一种三维楔形铌酸锂薄膜波导装置，所述波导装置自下而上包括依次层叠设置的衬底层、绝缘层和铌酸锂层，所述铌酸锂层包括楔形层和平板层，所述楔形层包括楔形尖端和楔形尾端，所述楔形尖端用于匹配光纤模场，所述楔形尾端用于连接器件功能区域，其中，所述楔形尖端的厚度小于所述楔形尾端的厚度，所述楔形尖端的宽度远小于所述楔形尾端的宽度和所述平板层的宽度。本申请在实现水平方向的波导模场扩展基础上，进一步实现了垂直方向上的波导模场扩展，从而实现与光纤模场的更进一步匹配，获得更高的纤芯耦合效率。
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三维楔形铌酸锂薄膜波导装置的结构示意图；
图2为图1沿A、B线的立体剖面示意图；
图3为图1的后视三维立体示意图；
图4为本申请具体实施例提供的三种尺寸波导的TE基膜模场分布示意图。
图中，1-衬底层，2-绝缘层，3-铌酸锂层，31-平板层，32-楔形层，321-楔形尖端，322-楔形尾端。
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。
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。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，极限情况下，最细的波导是一个波导尖部横截面为三角形的波导结构。
参见图1，为本申请实施例提供的一种三维楔形铌酸锂薄膜波导装置的结构示意图；参见图2，为本申请实施例提供的图1沿A、B线的立体剖面示意图，其中图2(b)为图2(a)沿A线的立体剖面示意图，图2(c)为图2(a)沿B线的立体剖面示意图；参见图3，本申请实施例提供的图1的后视三维立体示意图。由图1至图3可以看出，本申请实施例提供一种三维楔形铌酸锂薄膜波导装置，该波导装置自上而下包括依次层叠设置的衬底层1、绝缘层2和铌酸锂层3，但是，本申请实施例并不限定必须采用衬底层1、绝缘层2和铌酸锂层3这样的层次设置，也可以只采用衬底层1和铌酸锂层3层叠设置，绝缘层2的设置是为了防止光泄露至衬底层1中。
具体的，衬底层1为铌酸锂层或者氧化硅层，绝缘层2为氧化硅层，衬底层1与绝缘层2的厚度比设置在60～400范围内，绝缘层2与铌酸锂层3的厚度比在3～17范围内。本申请实施例中，衬底层1厚度设置为300～800μm，绝缘层2厚度设置为2～5μm，铌酸锂层3的厚度设置为300～700nm，这是目前市面上普遍采用的商用规格，如此设置便于购买基础材料，操作更加简便。因此，本申请实施例并不限定层次组合和层次厚度的固定设置，可以根据具体需要进行相应搭配即可。
本申请实施例中，铌酸锂层包括平板层31和楔形层32，平板层31设置于楔形层32底部。其中，楔形层32又包括楔形尖端321和楔形尾端322，楔形尖端321用于匹配光纤模场，楔形尾端322用于连接器件功能区域，并且，楔形尖端321的厚度小于楔形尾端322的厚度，楔形尖端321的宽度小于楔形尾端322的宽度。
本申请实施例中，楔形尖端321的宽度小于楔形尾端322的宽度即可实现水平方向上的二维楔形结构；进一步的，楔形尖端321的厚度至楔形尾端322的厚度按照预设的函数规律性增大，即可形成垂直方向上的楔形波导结构，最优方案是楔形尖端321的厚度达到与光纤模场最匹配的极小值，对于楔形尾端322的厚度并不做太多限制，与传统的波导厚度一致也是可行的，只要能与器件功能区域实现较好的连接效果即可，本申请实施例的关键点，在于楔形尖端321的厚度要远薄于楔形尾端322的厚度。其中，楔形尖端321的厚度至楔形尾端322的厚度优选呈线性增大，因为线性关系计算简便，易于操作。但是，本申请实施例中的预设的函数关系并不限定为线性函数，还可以是任何函数关系，只要具有有据可循的变化规律，能够通过推导得到楔形尖端321厚度和楔形尾端322厚度之间的量化计算关系的函数关系均可采用，比如指数函数关系和对数函数关系。
进一步的，本申请实施例中，楔形尖端321的宽度包括尖端底宽和楔形尖端顶宽，楔形尾端322的宽度包括楔形尾端底宽和楔形尾端顶宽，其中，楔形尖端底宽最优设置为远小于楔形尾端底宽，楔形尖端顶宽最优设置为远小于楔形尾端顶宽，使得楔形尖端321的波导模场能更好地匹配光纤模场。
本申请实施例中，楔形尖端底宽至楔形尾端底宽呈线性增大，楔形尖端顶宽至楔形尾端顶宽呈线性增大。具体的，本申请实施例中优选线性增大是因为呈线性关系的三维设计图像能够清晰、形象且直观地呈现出三维立体效果，且便于操作和计算。但是，本申请实施例并不限定楔形尖端321至楔形尾端322的底宽和顶宽仅为线性增大的函数关系，也可以是任何函数关系，只要具有有据可循的变化规律，能够通过推导得到楔形尖端321厚度和楔形尾端322厚度之间的量化计算关系的函数关系均可采用，比如指数函数关系和对数函数关系。
本申请实施例中，楔形尖端321的正视面呈三角形，即楔形尖端顶宽的值为零。具体的，当楔形尖端顶宽值为零时，楔形尖端321的正视面呈现为一个等腰三角形。由于侧壁倾角的存在，波导结构尖端的正视面在现有工艺的条件下均表现为等腰梯形，当波导尖端顶宽变小至零时，已达到顶宽最小的极限，此时的等腰梯形变成等腰三角形，面积上也达到了最小值的极限。由此可以说明，在现有工艺条件下，当楔形尖端顶宽为零时，能与光纤模场实现最优匹配，使得纤芯耦合效果得到最大化体现。
本申请实施例中，楔形尖端321的宽度小于平板层31的前端宽度。具体的，平板层31和楔形层32实则为一个整体，由铌酸锂薄膜材料制成，具体是将铌酸锂薄膜材料刻蚀一定厚度，刻蚀厚度控制在100～700nm范围内，且刻蚀厚度不能超过铌酸锂层3的总厚度，就可以形成由上层的楔形层32和下层的平板层31构成的波导结构。进一步的，本申请实施例将平板层又分成平板层前端和平板层后端，其中，平板层前端与楔形尖端处于同一端面位置，平板层后端与楔形尾端处于同一端面位置。需要说明的是，本申请实施例对平板层31的宽度不做任何限制，可以与衬底层1和绝缘层2的宽度一致，也可以窄于上述两层的宽度，但是，正常情况下，平板层31的宽度要大于或者等于楔形层32的宽度。进一步的，本申请实施例对平板层的前端宽度和后端宽度也不做特殊的限定，平板层的前端宽度可以与后端宽度一致，也可以窄于后端宽度；平板层的前端宽度可以与后端宽度成函数关系变化，也可以无规律设置，但是，正常情况下，平板层31的前端宽度要大于或者等于楔形层32的楔形尖端321宽度，平板层31的后端宽度要大于或者等于楔形层32的楔形尾端322宽度。具体的，本申请实施例最优选择平板层31的宽度与衬底层1和绝缘层2宽度一致，且平板层31的前端宽度与后端宽度也一致，这样的设置简单直观，又便于波导结构的制作，省时省力。更进一步的，本申请实施例设定楔形尖端321的宽度最优是要远小于平板层31的前端宽度，以此能够最大限度地缩小楔形尖端321的底部宽度，使得光纤中的光能量能够更加顺畅且损耗最低地耦入波导结构中，从而实现波导模场与光纤模场的最佳匹配，提高耦合效率。
下面将通过具体实施例，对本申请实施例所提供的一种三维楔形铌酸锂薄膜波导装置进行具体阐述。
参见图4，为本申请具体实施例提供的三种尺寸波导的TE基膜模场分布示意图。为了进一步阐述三维楔形铌酸锂薄膜波导的优势，本申请使用本征模式分析法，模拟了具有不同横截面尺寸的铌酸锂薄膜波导的模场分布。图4(a-c)对应的是三种尺寸波导的TE基模的模场分布，设定侧壁倾角均为70度，楔形尖端顶宽分别设置为1μm、200nm和200nm，楔形尖端厚度分别设置为400nm、400nm和200nm。对比图4(a)和4(b)可以得出，当波导宽度减小时，波导模场的横向分布范围更大，即波导模场在水平方向上得到了有效扩展，因此，利用反向楔形的波导结构可以将波导模斑扩展到与光纤接近，从而提高耦合效率。但是，对比图4(a)和4(b)还可以得出，如果仅改变波导宽度，而厚度保持不变，波导模场分布在垂直方向上仍有一定压缩，与光纤模场的高斯分布失配，从而限制了耦合效率的进一步提高。进一步的，通过采用本申请实施例提供的三维楔形铌酸锂薄膜波导装置，得到图4(c)所示的效果。对比图4(a)、4(b)和4(c)中可以看出，当波导厚度减小时，波导模场不仅在水平方向上得到有效扩展，而且在垂直方向上也得到有效扩展。由此说明，本申请实施例提供的三维楔形铌酸锂薄膜波导装置能够使铌酸锂波导模场的尺寸与光纤模场的尺寸更加匹配，进而大大提高了耦合效率。
本申请提供一种三维楔形铌酸锂薄膜波导装置，所述三维楔形铌酸锂薄膜波导装置包括铌酸锂层，所述铌酸锂层包括楔形层，所述楔形层包括楔形尖端和楔形尾端，所述楔形尖端用于匹配光纤模场，所述楔形尾端用于连接器件功能区域。所述楔形尖端的厚度小于所述楔形尾端的厚度，所述楔形尖端的宽度小于所述楔形尾端的宽度。
由以上技术方案可知，本申请提供一种三维楔形铌酸锂薄膜波导装置，该波导装置自下而上包括依次层叠设置的衬底层、绝缘层和铌酸锂层，所述铌酸锂层包括楔形层和平板层，所述楔形层包括楔形尖端和楔形尾端，所述楔形尖端用于匹配光纤模场，所述楔形尾端用于连接器件功能区域。其中，所述楔形尖端的厚度小于所述楔形尾端的厚度，所述楔形尖端的宽度远小于所述楔形尾端的宽度和所述平板层的宽度。本申请在实现水平方向的波导模场扩展基础上，进一步实现了垂直方向上的波导模场扩展，从而实现与光纤模场的更进一步匹配，获得更高的纤芯耦合效率。
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)

1.一种三维楔形铌酸锂薄膜波导装置，其特征在于，所述三维楔形铌酸锂薄膜波导装置包括铌酸锂层，所述铌酸锂层包括楔形层，所述楔形层包括楔形尖端和楔形尾端，所述楔形尖端用于匹配光纤模场，所述楔形尾端用于连接器件功能区域；
所述楔形尖端的厚度小于所述楔形尾端的厚度，所述楔形尖端的宽度小于所述楔形尾端的宽度。
2.根据权利要求1所述的一种三维楔形铌酸锂薄膜波导装置，其特征在于，所述楔形尖端的厚度至所述楔形尾端的厚度按照预设的函数规律性增大。
3.根据权利要求2所述的一种三维楔形铌酸锂薄膜波导装置，其特征在于，所述楔形尖端的厚度至所述楔形尾端的厚度呈线性增大。
4.根据权利要求1所述的一种三维楔形铌酸锂薄膜波导装置，其特征在于，所述楔形尖端的宽度包括楔形尖端底宽和楔形尖端顶宽，所述楔形尾端的宽度包括楔形尾端底宽和楔形尾端顶宽，所述楔形尖端底宽小于所述楔形尾端底宽，所述楔形尖端顶宽小于所述楔形尾端顶宽。
5.根据权利要求4所述的一种三维楔形铌酸锂薄膜波导装置，其特征在于，所述楔形尖端底宽至所述楔形尾端底宽呈线性增大，所述楔形尖端顶宽至所述楔形尾端顶宽呈线性增大。
6.根据权利要求4或5所述的一种三维楔形铌酸锂薄膜波导装置，其特征在于，所述楔形尖端的正视面呈三角形，即所述楔形尖端顶宽的值为零。
7.根据权利要求1所述的一种三维楔形铌酸锂薄膜波导装置，其特征在于，所述三维楔形铌酸锂薄膜波导装置，自下而上包括依次层叠设置的衬底层、绝缘层和所述铌酸锂层。
8.根据权利要求7所述的一种三维楔形铌酸锂薄膜波导装置，其特征在于，所述衬底层为铌酸锂层或者氧化硅层，所述绝缘层为氧化硅层；所述衬底层与所述绝缘层的厚度比为60～400，所述绝缘层与所述铌酸锂层的厚度比为3～17。
9.根据权利要求1或8所述的一种三维楔形铌酸锂薄膜波导装置，其特征在于，所述铌酸锂层还包括平板层，所述平板层设置于所述楔形层底部。
10.根据权利要求9所述的一种三维楔形铌酸锂薄膜波导装置，其特征在于，所述楔形尖端的宽度小于所述平板层的前端宽度。
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