CN115373082A - 一种基于硅和铌酸锂复合薄膜的端面耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于硅和铌酸锂复合薄膜的端面耦合器。本发明的端面耦合器采用倒锥形的波导结构来扩大波导的模式直径，同时采用透镜光纤(将单模光纤的模式直径缩小到2.5μm左右)来实现与光波导的耦合。本发明的耦合器具有低插入损耗，对偏振不敏感，大的操作带宽和结构稳定的特点。有助于Si‑LNOI平台在集成光学中的广泛应用。
Description
技术领域
本发明属于集成光学领域，具体涉及一种基于硅和铌酸锂复合薄膜的端面耦合器及其制备方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
单晶铌酸锂薄膜(lithium niobate on insulator,LNOI)具有卓越的电光，声光和非线性光学等性质，并且具有大的折射率对比度，广泛应用于集成光学领域。基于其上的光子器件在性能和集成度上都大大提高。但是铌酸锂材料本身化学惰性较强，不易刻蚀，进行微加工比较困难，因此对其进行微纳结构的制备比较困难。此外，铌酸锂是一种绝缘体，电学特性不突出，电泵浦光源和探测器等功能比较难以实现，这些都影响了铌酸锂在集成光学中的应用。硅是应用最广泛的半导体材料，其具有卓越的电学性质和成熟的微纳制备技术。基于硅薄膜(Silicon on insulator,SOI)上的光子器件已经非常成熟。但是硅薄膜不具有电光和非线性光学等效应，影响了其在集成光学中的应用。采用离子注入和直接键合技术制备的硅和铌酸锂的复合薄膜(Si-LNOI)，结合了铌酸锂卓越的光学性能与硅优秀的电学性质和成熟的微纳制备技术。材料从上到下依次为：硅薄膜，铌酸锂薄膜，二氧化硅缓冲层和硅衬底。基于Si-LNOI上许多高性能的光子器件被展示，该材料有望成为一个极具前景的集成光学平台。
在Si-LNOI上制备的光波导横截面在亚微米量级，其与单模光纤模式(模式直径约10μm)的严重失配导致耦合效率低。为实现基于该材料平台上高性能的光子器件和实际的应用，光纤与Si-LNOI波导间的高效耦合是必要的。光栅耦合和端面耦合是实现光纤与集成光子芯片耦合最常用的方式。光栅耦合器有利于实现晶圆上的器件评测,但是具有小的操作带宽和对偏振比较敏感。端面耦合通常通过展宽波导模式尺寸并且缩小光纤中光斑模式尺寸来提高耦合效率。利用端面耦合可以实现光纤与芯片的直接耦合,并且具有大的操作带宽与偏振不敏感。目前，基于Si-LNOI上的端面耦合器还无报道。
发明内容
为了解决以上问题，本发明提供了一种基于Si-LNOI平台的高效端面耦合器。本发明的端面耦合器采用倒锥形的波导结构来扩大波导的模式直径，同时采用透镜光纤(将单模光纤的模式直径缩小到2.5μm左右)来实现与光波导的耦合。
为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案。
本发明的第一方面，提供一种基于Si-LNOI平台的高效端面耦合器，所述高效端面耦合器，从上到下依次为：耦合结构，单晶铌酸锂(LN)薄膜层，二氧化硅(SiO2)缓冲层和硅(Si)衬底；
所述耦合结构主要由两部分波导芯层组成，沿光的传输方向，依次为富硅氮化硅(SRN)波导芯层和倒锥形硅(Inverted-tapered Si)波导芯层，沿光传输方向，倒锥形硅波导宽度逐渐变大，倒锥形硅波导高度不变。
进一步的，所述单晶铌酸锂(LN)薄膜层的厚度为300-900nm。
进一步的，为了防止光泄露到硅衬底，二氧化硅缓冲层厚度2-4μm。硅衬底厚度为500-1000μm。
进一步的，耦合结构包括倒锥形硅波导和覆盖在其上的富硅氮化硅波导。倒锥形硅波导为单晶结构，为实现单模条件，倒锥形硅波导高度不高于300nm，最大宽度处不大于500nm。
进一步的，富硅氮化硅的折射率为2.2-2.3。富硅氮化硅波导的宽度为2.5-3.0μm，高度为2.0-2.5μm。
进一步的，倒锥形硅波导的尖端宽度为30-50nm。倒锥形硅波导末端与硅波导(Siwaveguide)连接，倒锥形硅波导末端宽度与硅波导一致。
进一步的，倒锥形硅波导的长度应不小于100μm。
本发明的第二方面，提供上述高效端面耦合器的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备硅与铌酸锂复合薄膜材料本体，从上到下依次为：硅薄膜，铌酸锂薄膜，二氧化硅缓冲层和硅衬底；
(2)在样品表面旋涂光刻胶，利用电子束曝光和电感耦合等离子体刻蚀技术将硅波导和倒锥形硅波导刻蚀成型；
(3)利用等离子体增强化学气相沉积技术沉积富硅氮化硅薄膜；
(4)在富硅氮化硅薄膜表面旋涂光刻胶，利用电子束曝光技术制备与富硅氮化硅波导结构相反的掩膜图形；
(5)溅射金属铬，然后去除残留的光刻胶，在预制备的富硅氮化硅波导上方制备了金属铬硬掩膜；
(6)利用等离子体刻蚀技术将富硅氮化硅波导刻蚀成型；
(7)去除残留的铬，样品端面抛光。
本发明的第三方面，提供上述高效端面耦合器在集成光学领域中的应用。
本发明的有益效果是：
本发明实现了透镜光纤与Si-LNOI芯片的端面耦合。其制备工艺为标准的半导体工艺。本发明的耦合器具有低插入损耗，对偏振不敏感，大的操作带宽和结构稳定的特点。有助于Si-LNOI平台在集成光学中的广泛应用。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明侧面结构示意图；
图2是本发明结构俯视示意图以及对应截面的示意图。例如：CS1—cross section1(表示横截面1)。
图3是本发明的制备流程图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
本发明公开了一种基于Si-LNOI平台的高效端面耦合器。端面耦合器采用倒锥形的波导结构来扩大波导的模式直径，同时采用透镜光纤(将单模光纤的模式直径缩小到2.5μm左右)来实现与光波导的耦合。
端面耦合器的示意结构如图1所示。从上到下依次为：耦合结构，单晶铌酸锂(LN)薄膜层，二氧化硅(SiO2)缓冲层和硅(Si)衬底。铌酸锂厚度为300-900nm。为了防止光泄露到硅衬底，二氧化硅缓冲层厚度2-4μm。硅衬底厚度为500-1000μm。硅薄膜为单晶结构，为实现单模条件，硅薄膜厚度不高于300nm，硅波导(Si waveguide)的宽度不大于500nm。耦合结构主要由两部分波导芯层组成，沿光的传输方向(从右到左)，依次为富硅氮化硅(SRN)波导芯层和倒锥形硅(Inverted-tapered Si)波导芯层(沿光传输方向，倒锥硅波导宽度逐渐变大，波导高度不变)。富硅氮化硅波导芯层用来实现与透镜光纤的耦合。为实现与透镜光纤模式的匹配，富硅氮化硅的折射率(折射率可以通过控制氮硅比来调整)为2.2-2.3，其宽度为2.5-3.0μm，高度为2.0-2.5μm。经透镜光纤发出的光首先经富硅氮化硅波导耦合进入耦合结构。然后，耦合进来的光会被倒锥形硅波导芯层吸引，最后进入硅波导(Si waveguide)实现光纤与硅波导的耦合。倒锥形硅波导的尖端宽度为30-50nm，其小的波导截面对光的限制能力弱，可以达到扩大光模式的目的来实现与富硅氮化硅波导的光模式匹配。倒锥形硅波导的长度应不小于100μm，以满足绝热近似条件来实现模式转换过程中低的光传输损耗。
端面耦合器包括横截面1，横截面2和横截面3。制备端面耦合器的目的是使光经端面耦合器转换到达横截面4，如图2所示。其中，横截面1(CS1)处，从上到下依次为：富硅氮化硅(SRN)波导芯层、单晶铌酸锂(LN)薄膜层，二氧化硅(SiO2)缓冲层和硅(Si)衬底；横截面2(CS2)处，从上到下依次为：富硅氮化硅波导芯层、倒锥形硅波导芯层、单晶铌酸锂薄膜层，二氧化硅缓冲层和衬底，此处的倒锥形硅波导芯层为尖端(Tip)，倒锥形硅波导芯层位于富硅氮化硅波导芯层下方的中间位置，沿光传输方向，倒锥硅波导宽度逐渐变大；横截面3(CS3)处，从上到下依次为：富硅氮化硅波导芯层、倒锥形硅波导芯层、单晶铌酸锂薄膜层，二氧化硅缓冲层和衬底，此处的倒锥形硅波导芯层宽度增加到最大，随后至横截面4(CS4)处，宽度保持不变。横截面4(CS4)处，从上到下依次为：单模硅波导芯层、单晶铌酸锂薄膜层，二氧化硅缓冲层和衬底。
该耦合器的工作原理为：透镜光纤将单模光纤中传输的信号光的模式直径由10μm缩小为2.5μm左右。后经透镜光纤发出的信号光激发富硅氮化硅和铌酸锂构成的复合波导的本征模式。随后本征模式经过倒锥形硅波导进行转换，模式面积逐渐减小，最终完全进入硅波导。
实施例1
在本实施例，硅薄膜厚度为300nm，<100>切向，硅波导宽度为500nm。铌酸锂薄膜为X切，厚度600nm。二氧化硅缓冲层为2μm，硅衬底为500μm。波导方向平行于铌酸锂的Y轴。富硅氮化硅折射率为2.200，富硅氮化硅波导高度和宽度分别为2.2和2.5μm。倒锥形硅波导长度为100μm，沿光传输方向，波导宽度从30nm逐渐增大到500nm。
端面耦合器的制备流程如图3。
1：制备硅与铌酸锂复合薄膜材料本体，从上到下依次为：硅薄膜，铌酸锂薄膜，二氧化硅缓冲层和硅衬底。
2：在样品表面旋涂光刻胶，利用电子束曝光和电感耦合等离子体刻蚀技术将硅波导和倒锥形硅波导刻蚀成型。
3：利用等离子体增强化学气相沉积技术沉积富硅氮化硅薄膜。
4：在富硅氮化硅薄膜表面旋涂光刻胶，利用电子束曝光技术制备与富硅氮化硅波导结构相反的掩膜图形。
5：溅射金属铬，然后去除残留的光刻胶。就在预制备的富硅氮化硅波导上方制备了金属铬硬掩膜。
6：利用等离子体刻蚀技术将富硅氮化硅波导刻蚀成型。
7：去除残留的铬，样品端面抛光等待测试。
在波长1550nm，TE模式的光实现了耦合损耗1.9dB/facet，对应耦合效率65％。TE模式的光实现了耦合损耗2.2dB/facet，对应耦合效率60％。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于Si-LNOI平台的高效端面耦合器，其特征在于，所述高效端面耦合器，从上到下依次为：耦合结构，单晶铌酸锂(LN)薄膜层，二氧化硅(SiO2)缓冲层和硅(Si)衬底；
所述耦合结构主要由两部分波导芯层组成，沿光的传输方向，依次为富硅氮化硅(SRN)波导芯层和倒锥形硅(Inverted-tapered Si)波导芯层，沿光传输方向，倒锥硅波导宽度逐渐变大，波导高度不变。
2.根据权利要求1所述高效端面耦合器，其特征在于，所述单晶铌酸锂(LN)薄膜层的厚度为300-900nm。
3.根据权利要求1所述高效端面耦合器，其特征在于，二氧化硅缓冲层厚度2-4μm。
4.根据权利要求1所述高效端面耦合器，其特征在于，硅衬底为500-1000μm。
5.根据权利要求1所述高效端面耦合器，其特征在于，倒锥形硅波导为单晶结构，为实现单模条件，倒锥形硅波导高度不高于300nm，最大宽度处不大于500nm。
6.根据权利要求1所述高效端面耦合器，其特征在于，富硅氮化硅的折射率为2.2-2.3，其宽度为2.5-3.0μm，高度为2.0-2.5μm。
7.根据权利要求1所述高效端面耦合器，其特征在于，倒锥形硅波导的尖端宽度为30-50nm。
8.根据权利要求1所述高效端面耦合器，其特征在于，倒锥形硅波导的长度应不小于100μm。
9.根据权利要求1-8任一项所述高效端面耦合器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制备硅与铌酸锂复合薄膜材料本体，从上到下依次为：硅薄膜，铌酸锂薄膜，二氧化硅缓冲层和硅衬底；
(2)在样品表面旋涂光刻胶，利用电子束曝光和电感耦合等离子体刻蚀技术将硅波导和倒锥形硅波导刻蚀成型；
(3)利用等离子体增强化学气相沉积技术沉积富硅氮化硅薄膜；
(4)在富硅氮化硅薄膜表面旋涂光刻胶，利用电子束曝光技术制备与富硅氮化硅波导结构相反的掩膜图形；
(5)溅射金属铬，然后去除残留的光刻胶，在预制备的富硅氮化硅波导上方制备了金属铬硬掩膜；
(6)利用等离子体刻蚀技术将富硅氮化硅波导刻蚀成型；
(7)去除残留的铬，样品端面抛光。
10.根据权利要求1-8任一项所述高效端面耦合器在中集成光学领域的应用。
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115373082B (zh) | 2024-10-11 |
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