CN114594547A - 光波导耦合器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种光波导耦合器及其制备方法。一种光波导耦合器，包括基片、高折射率波导以及低折射率波导。高折射率波导形成于基片上；高折射率波导包括依次连接且沿第一方向延伸的第一导波段和第二导波段；其中，在第一方向上，第二导波段的厚度逐渐减小。低折射率波导形成于基片上，且覆盖高折射率波导。其中，低折射率波导的折射率介于基片的隔离层和高折射率波导的折射率之间，且被配置为用于将光束从光纤传输至高折射率波导，第二导波段沿第二方向的尺寸大于预设值。第二导波段和低折射率波导的对准容差较高，可有效提高光波导耦合器的制作容差，降低光波导耦合器的制造成本，有利于光波导耦合器的批量制造。
Description
技术领域
本申请涉及耦合器技术领域，特别是涉及一种光波导耦合器及其制备方法。
背景技术
光波导是光学芯片的基础。对于硅、氮化硅、铌酸锂薄膜等基于间接带隙材料的集成光学芯片来说，难以实现电泵浦激光器，需要通过光波导或者光栅耦合器与光纤、激光芯片、探测器相连接，以实现具体应用。由于光纤的模场与芯片上的脊波导(或者线波导)的模场之间存在显著差异，导致二者模式交叠度低，直接耦合存在3dB以上的损耗。
相关技术中，将芯片上的波导顶端设计为在其纵长方向上的宽度渐变的结构，并在其上覆盖一大尺寸低折射率波导，以将能量耦合到与光纤模场匹配的尺寸较大的波导中，再与光纤进行端面耦合。然而，此类光波导结构的耦合器存在制作成本高、制作容差较小的缺点，不利于批量制造。
发明内容
基于此，有必要针对以上问题，提供一种成本低、制备难度小的光波导耦合器及其制备方法。
根据本申请的一个方面，提供了一种光波导耦合器，包括：
基片；
高折射率波导，形成于所述基片上；所述高折射率波导包括依次连接且沿第一方向延伸的第一导波段和第二导波段；其中，在所述第一方向上，所述第二导波段的厚度逐渐减小；以及
低折射率波导，形成于所述基片上，且覆盖所述高折射率波导；
其中，所述低折射率波导的折射率介于所述基片的隔离层和所述高折射率波导的折射率之间，且被配置为用于将光束从光纤传输至所述高折射率波导；
所述第二导波段沿第二方向的尺寸大于预设值；
所述第一方向与所述第二方向彼此垂直且均平行于所述基片。
在其中一个实施例中，所述预设值大于500nm。
在其中一个实施例中，所述第一导波段沿所述第二方向的尺寸为0.6-3μm。
在其中一个实施例中，所述低折射率波导包括依次相连的第三导波段和第四导波段；
所述第三导波段耦接于所述第二导波段，所述第四导波段与所述基片直接接触。
在其中一个实施例中，所述第四导波段的厚度为2-10μm。
在其中一个实施例中，所述第四导波段沿所述第二方向的尺寸为2-10μm。
在其中一个实施例中，所述第二导波段沿所述第一方向的尺寸为20-2000μm。
根据本申请的另一个方面，提供了一种光波导耦合器的制备方法，包括以下步骤：
提供基片；
在所述基片上形成高折射率波导；其中，所述高折射率波导包括依次连接且沿第一方向延伸的第一导波段和第二导波段；在所述第一方向上，所述第二导波段的厚度逐渐减小；
在所述基片上形成覆盖于所述高折射率波导的低折射率波导；
其中，所述低折射率波导的折射率介于所述基片的隔离层和所述高折射率波导的折射率之间，且被配置为用于将光束从光纤传输至所述高折射率波导；
所述第二导波段沿第二方向的尺寸大于预设值；
所述第一方向与所述第二方向彼此垂直且均平行于所述基片。
在其中一个实施例中，所述基片包括依次层叠设置的基底、隔离层和高折射率波导层，所述在所述基片上形成高折射率波导的步骤包括：
对所述高折射率波导层的表面进行减薄加工，以使所述高折射率波导层的厚度在所述第一方向上逐渐减小；
对所述高折射率波导层进行刻蚀，以将所述高折射率波导层刻蚀成具有脊型结构或线型结构的所述高折射率波导。
在其中一个实施例中，所述在所述基片上形成覆盖于所述高折射率波导的低折射率波导之后还包括：
在所述低折射率波导上形成覆盖于所述高折射率波导和所述低折射率波导的介质层。
上述光波导耦合器及其制备方法，在光波导耦合器使用时，光束从光纤传输至低折射率波导，通过第二导波段和低折射率波导形成锥面配合的结构设计，使得低折射率波导的模斑尺寸与高折射率波导的模斑能够逐渐匹配，增大低折射率波导和高折射率波导的模场交叠度，进而可提高耦合效率，可使光束能从低折射率波导依次传输至第二导波段和第一导波段。此外，第二导波段沿第二方向的尺寸大于预设值，可根据制作工艺需要将预设值设计为适于第二导波段和第三导波段对准的宽度值，使得第二导波段的宽度较大，可通过紫外光刻直接制备，也能提高第二导波段和低折射率波导的对准容差较高，可有效提高光波导耦合器的制作容差，降低光波导耦合器的制造成本，有利于光波导耦合器的批量制造。
附图说明
图1为本申请一实施例的光波导耦合器的结构示意图；
图2为本申请一实施例的光波导耦合器的侧剖图；
图3a-e为光纤在CS1截面和本申请一实施例的光波导耦合器在CS2截面、CS3截面、CS4截面和CS5截面上的剖视图；
图4为光纤在CS1截面和本申请一实施例的光波导耦合器在CS2截面、CS3截面、CS4截面和CS5截面上的模场图；
图5为本申请一实施例中的光波导耦合器在TE0模式下光纤与第四导波段的耦合效率随第四导波段的宽度和厚度的分布图；
图6为本申请一实施例中的光波导耦合器在TE0模式下第三导波段和第二导波段的耦合效率达95％时需要的第二导波段长度随第四导波段的宽度和厚度的分布图；
图7为本申请一实施例中的光波导耦合器在TE0模式下且在第二导波段的长度为200μm时第三导波段至第二导波段的耦合效率随第四导波段的宽度和厚度的分布图；
图8为本申请一实施例中的光波导耦合器在TE0模式下的总耦合损耗随第四导波段的宽度和厚度的分布图；
图9为本申请一实施例中的光波导耦合器在TE0模式下第三导波段和第二导波段耦合的侧视图和俯视图；
图10为本申请一实施例中的光波导耦合器中光纤的纤芯中心相对于低折射率波导的中心的偏移量对耦合损耗的影响图；
图11为本申请一实施例中的光波导耦合器的制备方法的流程示意图；
图12a-d为本申请一实施例中的光波导耦合器的制备过程示意图。
图中：10、光波导耦合器；110、基片；a、第一端；b、第二端；111、基底；112、隔离层；113、高折射率波导层；120、高折射率波导；121、第一导波段；122、第二导波段；1221、第一斜面；130、低折射率波导；131、第三导波段；1311、第二斜面；132、第四导波段；140、介质层；20、光纤；21、纤芯。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
可以理解，将芯片上的波导顶端设计为在其纵长方向上的宽度渐变的结构，存在制作成本高、制作容差较小的缺点，不利于批量制造。本申请的发明人经过研究发现，传统的光波导结构的耦合器制作容差较小的原因在于：传统的光波导结构的耦合器存在100nm左右的最小线宽，需要采用电子束光刻或者深紫外光刻技术制备掩膜和高精度套刻，然而，如此小的宽度对制备工艺要求极高，导致耦合过程中双层结构对准容差较低，且制作成本高。
为了解决传统的光波导结构的耦合器存在制作成本高、制作容差较小这一技术问题，本申请的发明人经过深入研究，设计了一种高折射率波导，该高折射率波导包括依次连接且沿第一方向延伸的第一导波段和第二导波段，在第一方向上，第二导波段的厚度呈逐渐减小，且第二导波段的宽度大于预设值，低折射率波导包括耦接于第二导波段的第三导波段，如此，一方面，能保证传输至第三导波段的光束能很好地传输至第二导波段，另一方面，可根据制作工艺需要将预设值设计为适于第二导波段和第三导波段对准的宽度值，使得第二导波段的宽度较大，第二导波段和第三导波段的对准容差较高，可有效提高光波导耦合器的制作容差，也有利于光波导耦合器的批量制造。
下面将以具体实施例对本申请中的光波导耦合器10进行详细说明。图1示出了本申请一实施例中的光波导耦合器10的结构示意图。
请参阅图1-图3，本申请一实施例提供的光波导耦合器10，包括基片110、形成于基片110上的高折射率波导120，以及形成于基片110上的低折射率波导130。
基片110具有沿第一方向F1相对设置的第一端a和第二端b。
高折射率波导120包括依次连接且沿第一方向F1延伸的第一导波段121和第二导波段122，在第一方向F1上，第二导波段122的厚度逐渐减小，以在第二导波段122上形成有背向基片110的第一斜面1221。低折射率波导130覆盖高折射率波导120，可以理解，第二导波段122和低折射率波导130能够形成锥面配合。
低折射率波导130的折射率介于基片110的隔离层112和高折射率波导120的折射率之间，且被配置为用于将光束从光纤20传输至高折射率波导120。如此，在光波导耦合器10使用时，光束从光纤20传输至低折射率波导130，通过第二导波段122和低折射率波导130形成锥面配合的结构设计，使得低折射率波导130的模斑尺寸与高折射率波导120的模斑能够逐渐匹配，增大低折射率波导130和高折射率波导120的模场交叠度，进而可提高耦合效率，可使光束能从低折射率波导130依次传输至第二导波段122和第一导波段121。此外，第二导波段122沿第二方向F2的尺寸大于预设值，可根据制作工艺需要将预设值设计为适于第二导波段122和低折射率波导130的第三导波段131对准的宽度值，使得第二导波段122的宽度较大，可通过紫外光刻直接制备，也能提高第二导波段122和低折射率波导130的对准容差，进而有效提高光波导耦合器10的制作容差，降低光波导耦合器的制造成本，有利于光波导耦合器10的批量制造。
值得说明的是，第二导波段122的宽度较大，可摒弃费时、高成本的电子束曝光工艺，可采用光刻机实现高折射率波导120的制备，大大降低了制备的成本和时间。
第一方向F1与第二方向F2彼此垂直且均平行于基片110。具体到如图1所示的实施例中，第二导波段122的沿第一方向F1的尺寸为第二导波段122沿其长度方向的尺寸，第二导波段122沿第二方向F2的尺寸为第二导波段122沿其宽度方向的尺寸，第二导波段122的厚度为第二导波段122沿第三方向F3的尺寸。
在一些实施例中，预设值大于500nm。可通过紫外光刻直接制备具有该宽度的第二导波段122。
当然，在另一些实施例中，第二导波段122沿第二方向的尺寸也可设计为100nm，不影响本申请的光波导耦合器及其制备方法的拓宽应用。
可选地，高折射率波导120的材质包括铌酸锂波导、硅、氮化硅或InP等光波导介质，高折射率波导120可以为线波导，也可以为脊波导，在此不作具体限制。
低折射率波导130可选用氮氧化硅波导，可将光纤20中的TE0基模和TM0基模分别耦合至第四导波段132对应的波导基模中，以保证第四导波段132能够将光束从光纤传输至高折射率波导120。
具体到如图3及图4所示实施例中，低折射率波导130为氮氧化硅波导，高折射率波导120为铌酸锂脊波导，将光纤20中的TE0基模耦合至第四导波段132对应的波导基模中，可使光纤20中的TE0模式耦合至模式体积相近的低折射率波导130中，低折射率波导130借助于厚度渐变的第二导波段122与高折射率波导120进行能量交换。结合图3和图4，图3中，图3a-e分别为光纤20在CS1截面和光波导耦合器10在CS2截面、CS3截面、CS4截面和CS5截面上的剖视图(CS1截面、CS2截面、CS3截面、CS4截面和CS5截面均垂直于基片110的纵长方向)，图4中的(a)-(e)分别为光纤20在CS1截面和光波导耦合器10在CS2截面、CS3截面、CS4截面和CS5截面上的模场图，从图3和图4中可以看出，低折射率波导130中的TE0模式逐渐耦合至高折射率波导120的TE0模式，这也说明通过第二导波段122和低折射率波导130形成锥面配合的结构设计，使得低折射率波导130的模斑尺寸与高折射率波导120的模斑能够逐渐匹配。另外，利用模拟光学仿真软件(如lumerical)模拟该光波导耦合器10上的TE0耦合和TM0耦合，可得知，TE0耦合损耗低至0.30dB；TM0耦合损耗低至0.19dB。这也说明利用本申请的光波导耦合器10能够很好地增大低折射率波导130和高折射率波导120的模场交叠度，，从而实现高折射率波导130和光纤20之间低损耗的能量传输。
可选地，光纤20可选用高折射率光纤(UHNA7)，高折射率光纤的数值孔径NA＝0.41，高折射率光纤的纤芯的折射率为1.519172，而氮氧化硅的折射率为1.56，高折射率光纤的纤芯的折射率与氮氧化硅的折射率相近，使得两者的模斑能很好地相互配合，以利于光束从光纤20传输至第四导波段132。
在一些实施例中，第二导波段122沿第二方向F2的尺寸为600nm-800nm。也就是说，第二导波段122的宽度为600nm-800nm。便于利于光刻机等设备获得具有该宽度的第二导波段122。
在一些实施例中，第一导波段121沿第二方向F2的尺寸为0.6-3μm，也就是说，第一导波段121的宽度为0.6-3μm，可保证该光波导耦合器10获得更佳的耦合效果。
在一些实施例中，低折射率波导130包括依次相连的第三导波段131和第四导波段132，第三导波段131耦接于第二导波段122，第四导波段132与基片110直接接触，可以理解，第三导波段131上形成有与第一斜面1221相配合的第二斜面1311，在从第一端a至第二端b的第一方向F1上，第三导波段131的厚度逐渐增大。那么，低折射率波导130和高折射率波导120借助于厚度渐变的第二导波段122和第三导波段131进行能量交换，以实现低折射率波导130和高折射率波导120的光学耦合。
在一些实施例中，第四导波段132的厚度为2-10μm。第四导波段132的厚度最好控制在2-10μm，以保证该光波导耦合器10获得更佳的耦合效果。
在一些实施例中，第四导波段132沿第二方向F2的尺寸为2-10μm，也就是说，第四导波段132的宽度为2-10μm。第四导波段132的宽度最好控制在2-10μm，以保证该光波导耦合器10获得更佳的耦合效果。
具体到如图5所示的实施例中，低折射率波导130为氮氧化硅波导，高折射率波导120为铌酸锂脊波导，将光纤20中的TE0基模耦合至第四导波段132对应的波导基模中，图5给出了TE0模式下光纤20与第四导波段132的耦合效率随第四导波段132的厚度的变化趋势，图5的左图中，横向坐标对应的是第四导波段132的厚度，纵向坐标对应的是第四导波段132的宽度，图5的右图对应的图5的左图的不同耦合效率的色卡图，结合图5的左图和右图，可以看出，随着第四导波段132选取不同的厚度和宽度尺寸，其与光纤的耦合效率随之变化。第四导波段132的厚度为3.4μm、宽度为3.5μm时，第四导波段132与光纤20的耦合效率达97％。
在一些实施例中，第二导波段122沿第一方向F1的尺寸为20-2000μm，也就是说，第二导波段122的长度为20-2000μm。第二导波段122的长度过短，为了保证第三导波段131和第二导波段122之间进行能量交换而实现较好的耦合，所需的低折射率波导130的横截面积较小，导致低折射率波导130不足以与光纤实现高效的耦合，不利于提高总耦合效率，第二导波段122的长度过长，不利于加工制造。为此，第二导波段122的长度最好控制在60-200μm范围内，既利于加工制造，又能提高总耦合效率。
具体到如图6所示的实施例中，低折射率波导130为氮氧化硅波导，高折射率波导120为铌酸锂脊波导，将第三导波段131中的TE0基模耦合至第二导波段122对应的波导基模中，图6中的左图给出了第四导波段132的不同厚度和宽度下，能量从耦合至第二导波段122时需要的第二导波段122长度的对照图，右图给出了第二导波段122的不同长度对应的色卡图，第四导波段132的厚度和宽度均为3μm时，需要的第二导波段122的长度最短，此时，第二导波段122的长度小于200μm，最易于制备，且可获得95％的耦合效率。
具体到如图7所示的实施例中，低折射率波导130为氮氧化硅波导，高折射率波导120为铌酸锂脊波导，第二导波段122的长度为200μm，将光纤20中的TE0基模耦合至第三导波段131对应的波导基模中，第四导波段132的厚度和宽度选用的范围值均为3-4μm，图7给出了TE0模式下第三导波段131至第二导波段122的耦合效率随第四导波段132的厚度和宽度的变化趋势，从图7可以看出，第四导波段132的厚度和宽度越小，TE0模式下第三导波段131至第二导波段122的耦合效率越大，但当第四导波段132的宽度和厚度均为3μm时，TE0模式下第三导波段131至第二导波段122的耦合效率可达95％以上，可在综合考虑制造工艺的便利性和总耦合效率的前提下，选用合适尺寸的第四导波段132，即选择合适尺寸的低折射率波导130。
需要说明的是，总耦合效率等于光纤与低折射率波导130的耦合效率以及低折射率波导130与和高折射率波导120的耦合效率之积。
具体到如图8所示的实施例中，将光纤20中的TE0基模耦合至第二导波段122对应的波导基模中，图8给出了TE0模式下的总耦合损耗随第四导波段132的厚度和宽度的对照图，从图8可以看出，第四导波段132的宽度为3.3μm且第四导波段132的厚度为3μm时，耦合损耗最小。
具体到如图9所示的实施例中，低折射率波导130为氮氧化硅波导，高折射率波导120为铌酸锂波导，第二导波段122的长度为200μm，图9中的(a)图和(b)分别给出了TE0模式下第三导波段131和第二导波段122耦合的侧视图和俯视图，可以看到，氮氧化硅波导中TE0的能量几乎全部转移至高折射率波导120中。
需要补充的是，TM0基模的耦合情况与TE0基模的耦合情况类似。
在一些实施例中，第二导波段122沿第一方向F1的尺寸为60-80μm，也就是说，第二导波段122的长度为60-80μm，此时考虑耦合效率和制备难易折中选择。
图10给出了光波导耦合器中光纤20的纤芯21中心相对于低折射率波导130的中心的偏移量与耦合损耗的关系图，可见，光纤20的纤芯21中心相对于低折射率波导130的中心的偏移量越大，耦合损耗越大。如此，最好将低折射率波导130与光纤20的纤芯21对中设置。
图11示出了本申请一实施例中的光波导耦合器10的制备方法的流程示意图。
请参阅图11及图12，本申请一实施例提供的光波导耦合器10的制备方法，包括以下步骤：
S310、提供基片110。
S320、在基片110上形成高折射率波导120。高折射率波导120包括依次连接且沿第一方向F1延伸的第一导波段121和第二导波段122，在第一方向F1上，第二导波段122的厚度逐渐减小，以在第二导波段122上形成有背向基片110的第一斜面1221。
S330、在基片110上形成覆盖于高折射率波导120的低折射率波导130。低折射率波导130包括依次连接的第三导波段131和第四导波段132，第三导波段131耦接于第二导波段122，且第三导波段131具有与第一斜面1221相配合的第二斜面1311。
其中，低折射率波导130的折射率介于基片110的隔离层112和高折射率波导120的折射率之间，且被配置为用于将光束从光纤20传输至高折射率波导120，第二导波段122沿第二方向F2的尺寸大于500nm，即第二导波段122的宽度大于500nm。如此，在光波导耦合器10使用时，光束从光纤20传输至第四导波段132，光束能从第四导波段132传输至第二导波段122，通过第二导波段122和第四导波段132形成锥面配合的结构设计，使得低折射率波导130的模斑尺寸与高折射率波导120的模斑能够逐渐匹配，增大低折射率波导130和高折射率波导120的模场交叠度，进而提高耦合效率，使得光束能从低折射率波导130依次传输至第二导波段122和第一导波段121，以便该光波导耦合器10应用于用于硅、氮化硅、氮化铝等薄膜光子芯片。因此，该光波导耦合器10的制备方法既能提高低折射率波导130和高折射率波导120的模场交叠度，进而提高耦合效率，又能使第二导波段122和第三导波段131的对准容差较高，可有效提高光波导耦合器10的制作容差，也有利于光波导耦合器10的批量制造。
在一些实施例中，请参阅图3及图12，基片110包括依次层叠设置的基底111、隔离层112和高折射率波导层113，在基片110上形成高折射率波导120的步骤包括：
请参阅图12b，对高折射率波导层113的表面进行减薄加工，以使高折射率波导层113的厚度在第一方向F1上逐渐减小，可使高折射率波导层113的表面不均匀地减薄。可选地，可采用抛光或光刻蚀等方式对高折射率波导层113的表面进行减薄加工。
请参阅图12c，在高折射率波导层113上制备光刻图案，对高折射率波导层113进行光刻蚀，以将高折射率波导层113刻蚀成具有脊型结构或线型结构的高折射率波导120。
因第二导波段122的宽度较大，可选用stepper光刻机对高折射率波导层113进行光刻蚀，以得到高折射率波导120，如此，可摒弃费时、高成本的电子束曝光工艺，而选用stepper光刻机进行I线(365nm)紫外光刻工艺，可节约制备时间和成本，且可重复性高，适用大批量生产，在保证耦合效率的前提下，为集成铌酸锂平台端面耦合和封装提供了新的可能性。
需要说明的是，利用光刻机对高折射率波导层113进行光刻蚀的过程中，通常会使高折射率波导120沿其宽度方向的两侧壁与水平面呈锐角设置，这是由光刻蚀的掩膜版形成的。
请参阅图12d，在高折射率波导120上形成低折射率波导130。
可选地，基底111的材质可以为硅或蓝宝石，隔离层112的材质可以为二氧化硅，高折射率波导层113材质包括铌酸锂波导、硅、氮化硅或InP等光波导介质，在此不作具体限制。
在一些实施例中，请参阅图3，在基片110上形成覆盖于高折射率波导120的低折射率波导130之后还包括：
在低折射率波导130上形成覆盖于高折射率波导120和低折射率波导130的介质层140。介质层140构成高折射率波导120和低折射率波导130的包层，减小了光在高折射率波导120和低折射率波导130传输时的损耗。
可选地，介质层140的折射率小于低折射率波导130的折射率。介质层140的材质可以为二氧化硅或具有第一折射率的其他材质(第一折射率指小于低折射率波导130的折射率)等。介质层140可经由化学气相沉积(CVD)、高密度化学气相沉积(HPCVD)、旋转式玻璃法(SOG)、物理气相沉积(PVD)或者其他合适的方法形成。在此不作具体限制。
在另一些实施例中，也可不设置介质层140，低折射率波导130的顶面可与空气直接接触。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种光波导耦合器，其特征在于，包括：
基片(110)；
高折射率波导(120)，形成于所述基片(110)上；所述高折射率波导(120)包括依次连接且沿第一方向延伸的第一导波段(121)和第二导波段(122)；其中，在所述第一方向上，所述第二导波段(122)的厚度逐渐减小；以及
低折射率波导(130)，形成于所述基片(110)上，且覆盖所述高折射率波导(120)；
其中，所述低折射率波导(130)的折射率介于所述基片(110)的隔离层(112)和所述高折射率波导(120)的折射率之间，且被配置为用于将光束从光纤传输至所述高折射率波导(120)；
所述第二导波段(122)沿第二方向的尺寸大于预设值；
所述第一方向与所述第二方向彼此垂直且均平行于所述基片(110)。
2.根据权利要求1所述的光波导耦合器，其特征在于，所述预设值大于500nm。
3.根据权利要求1所述的光波导耦合器，其特征在于，所述第一导波段(121)沿所述第二方向的尺寸为0.6-3μm。
4.根据权利要求1所述的光波导耦合器，其特征在于，所述低折射率波导(130)包括依次相连的第三导波段(131)和第四导波段(132)；
所述第三导波段(131)耦接于所述第二导波段(122)，所述第四导波段(132)与所述基片(110)直接接触。
5.根据权利要求4所述的光波导耦合器，其特征在于，其中，所述第四导波段(132)的厚度为2-10μm。
6.根据权利要求4所述的光波导耦合器，其特征在于，所述第四导波段(132)沿所述第二方向的尺寸为2-10μm。
7.根据权利要求1-6任一项所述的光波导耦合器，其特征在于，所述第二导波段(122)沿所述第一方向的尺寸为20-2000μm。
8.一种光波导耦合器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供基片(110)；
在所述基片(110)上形成高折射率波导(120)；其中，所述高折射率波导(120)包括依次连接且沿第一方向延伸的第一导波段(121)和第二导波段(122)；在所述第一方向上，所述第二导波段(122)的厚度逐渐减小；
在所述基片(110)上形成覆盖于所述高折射率波导(120)的低折射率波导(130)；
其中，所述低折射率波导(130)的折射率介于所述基片(110)的隔离层(112)和所述高折射率波导(120)的折射率之间，且被配置为用于将光束从光纤传输至所述高折射率波导(120)；
所述第二导波段(122)沿第二方向的尺寸大于预设值；
所述第一方向与所述第二方向彼此垂直且均平行于所述基片(110)。
9.根据权利要求8所述的光波导耦合器的制备方法，其特征在于，所述基片(110)包括依次层叠设置的基底(111)、隔离层(112)和高折射率波导层(113)，所述在所述基片(110)上形成高折射率波导(120)的步骤包括：
对所述高折射率波导层(113)的表面进行减薄加工，以使所述高折射率波导层(113)的厚度在所述第一方向上逐渐减小；
对所述高折射率波导层(113)进行刻蚀，以将所述高折射率波导层(113)刻蚀成具有脊型结构或线型结构的所述高折射率波导(120)。
10.根据权利要求8所述的光波导耦合器的制备方法，其特征在于，所述在所述基片(110)上形成覆盖于所述高折射率波导(120)的低折射率波导(130)之后还包括：
在所述低折射率波导(130)上形成覆盖于所述高折射率波导(120)和所述低折射率波导(130)的介质层(140)。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023184888A1 (zh) * | 2022-03-31 | 2023-10-05 | 南开大学 | 光波导耦合器及其制备方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20160291254A1 (en) * | 2015-03-30 | 2016-10-06 | Hisense Broadband Multimedia Technologies Co., Ltd. | Coupler and optical waveguide chip applying the coupler |
| CN108020889A (zh) * | 2017-12-05 | 2018-05-11 | 青岛海信宽带多媒体技术有限公司 | 光波导耦合器 |
| CN108508533A (zh) * | 2018-04-09 | 2018-09-07 | 清华大学 | 一种阵列激光诱导荧光波导芯片及制作工艺 |
| CN109407229A (zh) * | 2018-11-30 | 2019-03-01 | 武汉邮电科学研究院有限公司 | 一种端面耦合器 |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6580863B2 (en) * | 2001-10-31 | 2003-06-17 | Intel Corporation | System and method for providing integrated optical waveguide device |
| JP2005301301A (ja) * | 2005-05-23 | 2005-10-27 | Nec Corp | 光結合器 |
| CN111175889A (zh) * | 2018-11-09 | 2020-05-19 | 国科光芯(海宁)科技股份有限公司 | 一种集成光学分束器 |
| CN112596161B (zh) * | 2020-12-21 | 2023-03-24 | 成都市加朗星科技有限公司 | 一种多层结构的模斑转换器及其实现方法 |
| CN113568106B (zh) * | 2021-07-21 | 2022-07-26 | 中山大学 | 一种基于铌酸锂薄膜的宽带端面耦合器及其制备方法 |
| CN113885132B (zh) * | 2021-10-22 | 2022-05-13 | 清华大学 | 一种光纤与光学波导耦合的模斑变换器及其制作方法 |
| CN114594547B (zh) * | 2022-03-31 | 2023-09-01 | 南开大学 | 光波导耦合器及其制备方法 |
-
2022
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- 2022-09-16 WO PCT/CN2022/119226 patent/WO2023184888A1/zh unknown
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20160291254A1 (en) * | 2015-03-30 | 2016-10-06 | Hisense Broadband Multimedia Technologies Co., Ltd. | Coupler and optical waveguide chip applying the coupler |
| CN108020889A (zh) * | 2017-12-05 | 2018-05-11 | 青岛海信宽带多媒体技术有限公司 | 光波导耦合器 |
| CN108508533A (zh) * | 2018-04-09 | 2018-09-07 | 清华大学 | 一种阵列激光诱导荧光波导芯片及制作工艺 |
| CN109407229A (zh) * | 2018-11-30 | 2019-03-01 | 武汉邮电科学研究院有限公司 | 一种端面耦合器 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 公姿苏: "基于铌酸锂薄膜的集成光波导器件设计及在微波光子滤波器中的应用", 《CNKI》 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023184888A1 (zh) * | 2022-03-31 | 2023-10-05 | 南开大学 | 光波导耦合器及其制备方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20231211 Address after: Room 602, Building 15, Zilang Science and Technology City, No. 60 Chongzhou Avenue, Xiaohai Street, Development Zone, Nantong City, Jiangsu Province, 226000 Patentee after: Jiangsu Nanlitai Technology Co.,Ltd. Address before: 300071 Tianjin City, Nankai District Wei Jin Road No. 94 Patentee before: NANKAI University |
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| TR01 | Transfer of patent right |