CN115877506A - 覆盖可见光波段的薄膜铌酸锂端面耦合器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种覆盖可见光波段的薄膜铌酸锂端面耦合器及其制备方法，包括：衬底层；设置在衬底层上的绝缘层；设置在绝缘层上且依次连接的第一倒锥波导、第二倒锥波导、第三倒锥波导、第四倒锥波导和器件波导；其中，第一倒锥波导的厚度为20‑60nm；以及设置在绝缘层上并覆盖第一倒锥波导、第二倒锥波导、第三倒锥波导、第四倒锥波导和器件波导的覆盖层。本发明通过设置较薄的第一倒锥波导，突破横向线宽的限制，解决可见光强束缚难题，放大模场直径，实现与单模光纤的模场匹配；通过设置四级倒锥波导结构，并采用剪刀状倒锥结构，解决不同层级之间的因强束缚导致的模式失配问题，实现耦合器对可见光的高效耦合且工作带宽覆盖完整的可见光波段。

Description

覆盖可见光波段的薄膜铌酸锂端面耦合器及其制备方法

技术领域

本发明涉及集成光电子器件技术领域，更具体地，涉及一种覆盖可见光波段的薄膜铌酸锂端面耦合器及其制备方法。

背景技术

铌酸锂是一种集电光效应、二阶、三阶非线性效应、光折变效应、声光效应、压电效应于一体的多功能光学材料，被广泛应用于光纤通信、微波光子学、量子光学等领域，为信息技术的发展提供了多方位、高性能的解决方案。其中，最具代表性的器件之一铌酸锂电光调制器已经产业化发展并广泛应用于大容量高速率的光通信行业。

传统的铌酸锂光子器件通常采用钛扩散或者质子交换的方式获得光波导，其波导芯层与波导包层的折射率差比较小，对光的限制能力较小，造成器件尺寸教大，不利于铌酸锂光子器件的集成化发展。近年来，随着基于离子切片和晶圆键合工艺的薄膜铌酸锂晶圆的商业化生产，以及刻蚀工艺的进步，光场限制能力强、传输损耗低的光波导得以实现，也涌现了一大批基于薄膜铌酸锂的高性能光子器件及应用，如电光、声光调制器、光频梳、量子光源、二次谐波产生等等。

解决光纤与芯片之间的耦合问题是实现集成光子器件应用的首要问题。薄膜铌酸锂上的耦合技术主要包括表面光栅耦合和端面耦合。表面光栅耦合器因其制备工艺简单、可在晶圆任意位置布置等优点而得到广泛应用，但其仍存在耦合效率低、工作带宽小、偏振相关性强等缺点。端面耦合器则可以很好地弥补上述的缺点。目前，针对通信波段（O波段、C+L波段）的表面光栅耦合器和端面耦合器均有广泛报道。

铌酸锂具有很宽的透明传输窗口（350-5200nm），涵盖了380-780nm的可见光波段，可支持该波段的光子低损传输，在量子技术、生物传感、海洋光学等可见光应用领域具有极大潜能。然而，薄膜铌酸锂光子器件在可见光波段的研究尚且甚少，究其原因，主要是可见光波段单模光纤与薄膜铌酸锂芯片的耦合机制问题尚未完全解决。

可见光波段耦合器的技术难点在于：一是现有的铌酸锂刻蚀技术，造成铌酸锂波导的侧壁具有一定的倾角，造成波导的最小线宽受限，模式折射率不能进一步降低。二是不同于通信波段，可见光的波长更小，其模场更容易被束缚在更小的波导结构中，难以与单模光纤实现很好的模斑匹配，限制了耦合效率。

发明内容

本发明为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种覆盖可见光波段的薄膜铌酸锂端面耦合器及其制备方法。

为了实现上述目的，本发明技术方案如下：

本发明实施例的第一方面提供了一种覆盖可见光波段的薄膜铌酸锂端面耦合器，包括：

衬底层；设置在衬底层上的绝缘层；设置在绝缘层上且依次连接的第一倒锥波导、第二倒锥波导、第三倒锥波导、第四倒锥波导和器件波导；其中，第一倒锥波导的厚度为20-60nm；以及设置在绝缘层上并覆盖第一倒锥波导、第二倒锥波导、第三倒锥波导、第四倒锥波导和器件波导的覆盖层。

进一步地，所述第一倒锥波导包括顺序相接的第一倒锥第一段和第一倒锥第二段；所述第二倒锥波导包括自下而上设置的第二倒锥平板层和第二倒锥脊形层； 所述第三倒锥波导包括自下而上设置的第三倒锥平板层、第三倒锥中间层和第三倒锥脊形层； 所述第四倒锥波导包括自下而上设置的第四倒锥平板层、第四倒锥中间层和第四倒锥脊形层；所述器件波导包括自下而上设置的器件平板层和器件脊形层。

进一步地，第二倒锥平板层的首端与第一倒锥第二段的尾端连接；第三倒锥平板层的首端与第二倒锥平板层的尾端连接，第三倒锥中间层的首端与第二倒锥脊形层的尾端连接；第四倒锥平板层的首端与第三倒锥平板层、第三倒锥中间层的尾端连接，第四倒锥中间层的首端与第三倒锥脊形层的尾端连接；器件平板层的首端与第四倒锥平板层、第四倒锥中间层的尾端连接，器件脊形层的首端与第四倒锥脊形层的尾端连接。

进一步地，第一倒锥第一段的尾端宽度与第一倒锥第二段的首端宽度相等；第一倒锥第二段的尾端宽度与第二倒锥平板层的首端宽度相等；第二倒锥脊形层的尾端宽度与第三倒锥中间层的首端宽度相等；第三倒锥脊形层的尾端宽度与第四倒锥中间层的首端宽度相等；第四倒锥脊形层的尾端宽度与器件脊形层的首端宽度相等。

进一步地，第一倒锥第一段、第二倒锥脊形层、第三倒锥脊形层和第四倒锥脊形层的首端宽度为80-120nm；第一倒锥波导、第二倒锥波导、第三倒锥波导、第四倒锥波导的宽度采用线性绝热变化或抛物线型渐变，使倒锥波导首端至尾端的模式折射率逐渐变大；前一级倒锥波导尾端的模式折射率与后一级倒锥波导首端的模式折射率匹配。

进一步地，第一倒锥波导、第二倒锥平板层与第三倒锥平板层厚度相等；第二倒锥脊形层与第三倒锥中间层厚度相等；第三倒锥脊形层与第四倒锥中间层厚度相等；第四倒锥脊形层与器件脊形层的厚度相等；第四倒锥平板层厚度等于第三倒锥平板层与第三倒锥中间层厚度之和；器件平板层厚度等于第四倒锥平板层与第四倒锥中间层厚度之和。

进一步地，第二倒锥波导、第三倒锥波导、第四倒锥波导、器件波导均为脊形波导，其中，第二倒锥脊形层、第三倒锥脊形层、第四倒锥脊形层与器件脊形层的厚度分别为第二倒锥波导、第三倒锥波导、第四倒锥波导、器件波导厚度的一半，以满足相邻层级之间的模式匹配。

进一步地，所述第二倒锥脊形层为单条倒锥结构；第三倒锥脊形层和第四倒锥脊形层皆采用剪刀状倒锥结构。

进一步地，所述衬底层选自硅、铌酸锂或石英；所述绝缘层为二氧化硅；所述第一倒锥波导、第二倒锥波导、第三倒锥波导、第四倒锥波导和器件波导均为X切Z传的铌酸锂波导结构；所述覆盖层为二氧化硅。

本发明实施例的第二方面提供了一种覆盖可见光波段的薄膜铌酸锂端面耦合器的制备方法，所述制备方法具体包括以下步骤：

步骤S1，在薄膜铌酸锂晶圆上通过电子束曝光写出器件脊形层和第四倒锥脊形层的掩膜，然后进行刻蚀，制得器件脊形层和第四倒锥脊形层；

步骤S2，通过电子束曝光写出第四倒锥中间层和第三倒锥脊形层的掩膜，再用紫外光刻写出用于保护器件波导的掩膜，最后进行刻蚀，制得第四倒锥中间层和第三倒锥脊形层；

步骤S3，通过电子束曝光写出第三倒锥中间层和第二倒锥脊形层的掩膜，再用紫外光刻写出用于保护器件波导和第四倒锥波导的掩膜，最后进行刻蚀，制得第三倒锥中间层和第二倒锥脊形层；

步骤S4，通过电子束曝光写出第二倒锥平板层和第一倒锥波导的掩膜，再用紫外光刻写出用于保护器件波导、第四倒锥波导和第三倒锥波导的掩膜，最后进行刻蚀，制得第二倒锥平板层和第一倒锥波导；

步骤S5，对步骤S4得到的样品清洗，并在样品上表面沉积二氧化硅薄膜，形成覆盖层；

步骤S6，在第一倒锥波导的首端处进行芯片解理和端面抛光，完成端面耦合器的制备。

与现有技术相比，本发明技术方案具有以下收益效果：

（1）本发明通过设置较薄的第一倒锥波导，突破横向线宽的限制，解决可见光强束缚难题，并放大了模场直径，能高效地与单模光纤进行模斑匹配和耦合。具体地，本发明使用厚度为20-60nm的第一倒锥波导，解决了短波长的可见光在铌酸锂波导中的强束缚问题，使耦合端面的模场不能束缚在铌酸锂芯层中，而是局域在铌酸锂附近的二氧化硅包层中，进而解决了强束缚导致的传统常用的低折射率覆盖波导（如聚合物、氮氧化硅、氮化硅、二氧化硅等）的有效折射率不能与铌酸锂倒锥波导相匹配的问题，避免了使用低折射率覆盖波导与单模光纤做模斑匹配。

（2）本发明使用四级倒锥波导结构，降低层级厚度差，避免了传统的一级、二级、三级倒锥波导结构施用于可见光波段时，因厚度差太大导致的相邻层级交界处模式不匹配的问题。

（3）本发明使用剪刀状倒锥波导结构，解决强束缚带来的模场失配问题，增大了前一级倒锥波导尾端模场与后一级倒锥波导首端模场的重叠积分，提高了耦合器的耦合效率。

（4）本发明解决了薄膜铌酸锂光子器件在整个可见光波段的耦合问题，为薄膜铌酸锂在可见光波段的应用奠定了基础。

附图说明

下面对说明书附图作简要说明：

图1为本发明实施例的立体结构示意图。

图2为本发明实施例的俯视图。

图3为本发明实施例的侧视图。

图4为本发明实施例的不同位置处的模场图。

图5为本发明实施例的薄膜铌酸锂端面耦合器的制备流程图。

图6为本发明实施例的光场传输分布图。

图7为本发明实施例的可见光波段的耦合效率图。

图中：1-衬底层，2-绝缘层，3-第一倒锥波导，31-第一倒锥第一段，32-第一倒锥第二段，4-第二倒锥波导，41-第二倒锥平板层，42-第二倒锥脊形层，5-第三倒锥波导，51-第三倒锥平板层，52-第三倒锥中间层，53-第三倒锥脊形层，6-第四倒锥波导，61-第四倒锥平板层，62-第四倒锥中间层，63-第四倒锥脊形层，7-器件波导，71-器件平板层，72-器件脊形层，8-覆盖层。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

下面结合说明书附图和示范性实施例对本发明中的技术方案进行完整、清楚的描述。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

本实施例提出一种覆盖可见光波段的薄膜铌酸锂端面耦合器，解决当前薄膜铌酸锂平台可见光耦合困难的问题，为铌酸锂集成光子器件在可见光波段的应用提供一种高效的耦合机制。

本实施例提出一种覆盖可见光波段的薄膜铌酸锂端面耦合器，通过采用较薄的第一倒锥波导，减小倒锥波导首端的尺寸，在降低倒锥波导首端的有效折射率的同时，也降低对可见光的束缚，使光场泄露到二氧化硅包层中并局域在首端周围，达到扩大模斑的效果；此外，通过设置四级倒锥波导结构，降低层级厚度差，并采用剪刀状倒锥结构，解决相邻层级之间的因强束缚导致的模式失配问题，实现耦合器对可见光的高效耦合。

本实施例提出一种覆盖可见光波段的薄膜铌酸锂端面耦合器，其立体结构示意图如图1所示，其俯视图如图2所示，其侧视图如图3所示；该耦合器的结构包括：

衬底层1；

设置在衬底层1上的绝缘层2；

设置在绝缘层2上且依次连接的第一倒锥波导3、第二倒锥波导4、第三倒锥波导5、第四倒锥波导6和器件波导7；

设置在绝缘层2上并覆盖第一倒锥波导3、第二倒锥波导4、第三倒锥波导5、第四倒锥波导6和器件波导7的覆盖层8。

本实施例提供的一种覆盖可见光波段的薄膜铌酸锂端面耦合器的工作过程如下：信号光通过光纤入射到耦合器的端面，并耦合进第一倒锥波导3，进而自下而上依次耦合进第二倒锥波导4、第三倒锥波导5和第四倒锥波导6，最终耦合进器件波导7，实现光场从光纤至芯片的耦合输入；该端面耦合器遵循光的互易原理，同样适用于芯片到光纤的耦合输出。

本实施例中，第一倒锥波导3为两段结构，包括顺序相接的第一倒锥第一段31和第一倒锥第二段32；第二倒锥波导4为两层结构，包括自下而上设置的第二倒锥平板层41和第二倒锥脊形层42；第三倒锥波导5为三层结构，包括自下而上设置的第三倒锥平板层51、第三倒锥中间层52和第三倒锥脊形层53；第四倒锥波导6为三层结构，包括自下而上设置的第四倒锥平板层61、第四倒锥中间层62和第四倒锥脊形层63；器件波导7为两层结构，包括自下而上设置的器件平板层71和器件脊形层72。

其中，第一倒锥第一段31的尾端宽度与第一倒锥第二段32的首端宽度相等；第一倒锥第二段32的尾端宽度与第二倒锥平板层41的首端宽度相等；第二倒锥脊形层42的尾端宽度与第三倒锥中间层52的首端宽度相等；第三倒锥脊形层53的尾端宽度与第四倒锥中间层62的首端宽度相等；第四倒锥脊形层63的尾端宽度与器件脊形层72的首端宽度相等。

本实施例中，为实现芯片与光纤的高效耦合，还考虑到电子束曝光的加工能力，同时为避免各级倒锥波导首端的横向尺寸过大造成光场强束缚，设置第一倒锥第一段31、所述第二倒锥脊形层42、所述第三倒锥脊形层53和所述第四倒锥脊形层63的首端宽度为80-120nm。

本实施例中，设置各级倒锥波导的宽度呈线性绝热变化，致使倒锥波导首端至尾端的折射率逐渐变大；前一级倒锥波导尾端的折射率与后一级倒锥波导首端的折射率匹配。需要指出的是，本实施例的倒锥波导宽度采用的是线性变化设置，也可依据实际需要，设置为抛物线等其他线型的渐变。

进一步地，第一倒锥波导3、第二倒锥平板层41与第三倒锥平板层51厚度相等，第一倒锥波导3的厚度为20-60nm，使首端的模场能更好地与可见光的单模光纤相匹配；第二倒锥脊形层42与第三倒锥中间层52厚度相等；第四倒锥平板层61厚度等于第三倒锥平板层51与第三倒锥中间层52厚度之和；第三倒锥脊形层53与第四倒锥中间层62厚度相等；器件平板层71厚度等于第四倒锥平板层61与第四倒锥中间层62厚度之和；第四倒锥脊形层63与器件脊形层72厚度相等。

进一步地，第二倒锥波导4、第三倒锥波导5、第四倒锥波导6、器件波导7均为脊形波导，其中，第二倒锥脊形层42、第三倒锥脊形层53、第四倒锥脊形层63与器件脊形层72的厚度分别为第二倒锥波导4、第三倒锥波导5、第四倒锥波导6、器件波导7厚度的一半，以降低层级之间的厚度差，满足不同层级之间的模式匹配。

本实施例中，薄膜铌酸锂的总厚度为300nm，第一倒锥波导3厚度设置为40nm；第二倒锥脊形层42厚度与第一倒锥波导3厚度相等，为40nm；第三倒锥脊形层53厚度等于第一倒锥波导3、第二倒锥脊形层42厚度之和，即80nm；第四倒锥脊形层63厚度为140nm，与第一倒锥波导3、第二倒锥脊形层42、第三倒锥脊形层53厚度之和（160nm）相近。

进一步地，所述第一倒锥波导3采用了两段式倒锥设计，包含第一倒锥第一段31和第一倒锥第二段32；如此设计是因为：光纤入射的可见光的耦合主要发生在100nm-330nm的渐变区，此外，为了实现第一倒锥波导3与第二倒锥波导4的高效耦合与准确套刻，第一倒锥波导3的尾端的宽度需要设置在500nm及以上，如果直接采用100nm-500nm的一段式倒锥波导，经计算，以780nm红光为例，则需要远大于2000μm的倒锥长度才能实现光场的全部耦合，故本实施例将第一倒锥波导3分为第一倒锥第一段31和第一倒锥第二段32，其中，第一段较长，宽度变化缓慢，第二段较短，宽度变化陡峭，从而在保持高耦合效率的同时尽可能降低第一倒锥波导3的总长度，进一步降低端面耦合器的尺寸。

进一步地，在本实施例中，并未设置传统的低折射率大尺寸的耦合波导作为中间媒介。低折射率耦合波导的作用是将光纤的模式转换为耦合波导的模式，再由耦合波导模式绝热转换为铌酸锂器件波导的模式。而在本实施例中，直接通过将第一倒锥波导3的厚度做薄，使首端的模式泄露到上下包层中并局域在首端周围，形成一个较大的模场。通过合理设置首端的宽度和厚度，可以实现首端的模场与光纤有较高的模式重叠积分，进而实现较高的耦合效率。本实施例中第一倒锥波导3首端的宽度和厚度分别为100nm和40nm。

进一步地，所述第二倒锥波导4的脊形层仍采用传统的单条倒锥波导形式，是因为其厚度比较薄，在首端处不会对模场分布和模式折射率大小造成明显的变化，如图4所示，可以保证光场从第一倒锥波导3到第二倒锥波导4的高效耦合。

进一步地，所述第三倒锥波导5和第四倒锥波导6的脊形层采用剪刀状倒锥波导，因为其脊形层的厚度比较厚，可见光被完全束缚在铌酸锂波导中。若采用传统的单条倒锥波导形式，会对首端前后的模场分布和模式折射率大小产生明显的突变，造成耦合效率的降低。若采用剪刀状倒锥波导，可以拓宽倒锥波导首端的模式面积，使得与前一级的倒锥波导尾端的模式相匹配，降低耦合器的损耗，且首端前后的模场分布则可以几乎保持不变，模式重叠积分均在0.95以上，如图4所示。

本实施例中，所述衬底层1选自硅、铌酸锂或石英；所述绝缘层2为二氧化硅；所述第一倒锥波导3、第二倒锥波导4、第三倒锥波导5、第四倒锥波导6和器件波导7均为X切Z传的铌酸锂波导结构；所述覆盖层8为二氧化硅。

进一步地，采用X切的薄膜铌酸锂晶圆来设计端面耦合器，可以更好地与薄膜铌酸锂电光调制器集成并应用。端面耦合器的光场传输方向设置为铌酸锂的Z晶向，如此设计是为了让倒锥波导的横截面处的折射率分布为各项同性，避免引起模式杂化，进而避免引起耦合效率的降低。

：本发明还提出的一种覆盖可见光波段的薄膜铌酸锂端面耦合器的制备方法，用于制备上述的覆盖可见光波段的薄膜铌酸锂端面耦合器，如图5所述，所述制备方法步骤如下：

步骤S1，在薄膜铌酸锂晶圆上通过电子束曝光写出器件脊形层72和第四倒锥脊形层63的掩膜，然后进行刻蚀，制得器件脊形层72和第四倒锥脊形层63；

步骤S2，通过电子束曝光写出第四倒锥中间层62和第三倒锥脊形层53的掩膜，再用紫外光刻写出用于保护器件波导7的掩膜，最后进行刻蚀，制得第四倒锥中间层62和第三倒锥脊形层53；

步骤S3，通过电子束曝光写出第三倒锥中间层52和第二倒锥脊形层42的掩膜，再用紫外光刻写出用于保护器件波导7和第四倒锥波导6的掩膜，最后进行刻蚀，制得第三倒锥中间层52和第二倒锥脊形层42；

步骤S4，通过电子束曝光写出第二倒锥平板层41和第一倒锥波导3的掩膜，再用紫外光刻写出用于保护器件波导7、第四倒锥波导6和第三倒锥波导5的掩膜，最后进行刻蚀，制得第二倒锥平板层41和第一倒锥波导3；

步骤S5，对步骤S4得到的样品清洗，并在样品上表面沉积二氧化硅薄膜，形成覆盖层8；

步骤S6，在第一倒锥波导3的首端处进行芯片解理和端面抛光，完成端面耦合器的制备。

下面结合具体的结构参数及其计算结果验证本发明的有效性。

薄膜铌酸锂器件的膜层结构如下：衬底层1的材料为硅，厚度为500μm；绝缘层的材料为是二氧化硅，厚度为4.7μm，构成铌酸锂波导的下包层；器件层是X切铌酸锂，厚度为300nm；覆盖层是覆盖在铌酸锂波导上的二氧化硅，厚度为4μm。

进一步地，该耦合器的器件层，即铌酸锂波导部分，其结构为：第一倒锥波导3分为两段，第一倒锥第一段31的宽度从100nm线性渐变至330nm，长度为500μm，第一倒锥第二段32的宽度从330nm线性渐变至500nm，长度为50μm，两者厚度均为40nm。

第二倒锥波导4长度为50μm，总厚度为80nm，其中第二倒锥平板层41的厚度为40nm，宽度从500nm线性渐变至2500nm，第二倒锥脊形层42的厚度为40nm，宽度从100nm线性渐变至1000nm。

第三倒锥波导5长度为50μm，总厚度为160nm，其中第三倒锥平板层51的厚度为40nm，宽度为2500nm，第三倒锥中间层52的厚度为40nm，宽度从1000nm线性渐变至2500nm，第三倒锥脊形层53为剪刀状的倒锥波导，其厚度为80nm，两个首端的宽度为100nm，中心间距为370nm，尾端宽度为1000nm。

第四倒锥波导6长度为50μm，总厚度为300nm，其中第四倒锥平板层61的厚度为80nm，宽度为3000nm，第四倒锥中间层62的厚度为80nm，宽度从1000nm线性渐变至2500nm，第四倒锥脊形层63为剪刀状的倒锥波导，其厚度为140nm，两个首端的宽度为100nm，中心间距为410nm，尾端宽度为1000nm。

器件波导7的总厚度为300nm，其中器件平板层71的厚度为160nm，器件脊形层72的厚度为140nm。

上述波导均为梯形波导，侧壁倾角为65度，所指宽度均为顶宽。

光场传输分布如图6所示，其中图6中的（a）为YZ平面的光场分布图（俯视图），图6中的（b）为ZX平面的光场分布图（侧视图）。从图中可以看出，即使铌酸锂的折射率较高，对短波长的可见光产生很强的束缚，由于第一倒锥波导3比较薄，可以实现模场主要分布在铌酸锂周围的上下包层中，在首端处，模场可与光纤相匹配的。随着模场在第一倒锥波导3、第二倒锥波导4、第三倒锥波导5、第四倒锥波导6中传输和演化，其模式逐渐由包层的大模场转化为铌酸锂波导的小模场，在整个可见光范围内都有较高的转化效率。

该覆盖可见光波段的薄膜铌酸锂端面耦合器的耦合效率如图7所示，可以看出，本实施例在整个可见光波段（380-780nm）的耦合效率均超过0.80，即耦合损耗低于1dB。

综上所述，本发明提供的一种覆盖可见光波段的薄膜铌酸锂端面耦合器，通过第一倒锥波导突破横向线宽的限制，解决可见光强束缚难题，放大模场直径，实现与单模光纤的模场匹配；通过设置四级倒锥波导结构，降低层级间的厚度差，并采用剪刀状倒锥结构，解决不同层级之间的因强束缚导致的模式失配问题，实现耦合器对可见光的高效耦合。该耦合器工作带宽覆盖完整的可见光波段，为薄膜铌酸锂在可见光波段的应用奠定基础。

以上结合具体实施方式对本发明进行了详细说明，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。显然，本发明所述实施例仅仅是为清楚地说明本发明而所作的举例，而非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种覆盖可见光波段的薄膜铌酸锂端面耦合器，其特征在于，包括：

衬底层（1）；

设置在衬底层（1）上的绝缘层（2）；

设置在绝缘层（2）上且依次连接的第一倒锥波导（3）、第二倒锥波导（4）、第三倒锥波导（5）、第四倒锥波导（6）和器件波导（7）；其中，第一倒锥波导（3）的厚度为20-60nm；

以及设置在绝缘层（2）上并覆盖第一倒锥波导（3）、第二倒锥波导（4）、第三倒锥波导（5）、第四倒锥波导（6）和器件波导（7）的覆盖层（8）。

2.根据权利要求1所述的一种覆盖可见光波段的薄膜铌酸锂端面耦合器，其特征在于，

所述第一倒锥波导（3）包括顺序相接的第一倒锥第一段（31）和第一倒锥第二段（32）；

所述第二倒锥波导（4）包括自下而上设置的第二倒锥平板层（41）和第二倒锥脊形层（42）；

所述第三倒锥波导（5）包括自下而上设置的第三倒锥平板层（51）、第三倒锥中间层（52）和第三倒锥脊形层（53）；

所述第四倒锥波导（6）包括自下而上设置的第四倒锥平板层（61）、第四倒锥中间层（62）和第四倒锥脊形层（63）；

所述器件波导（7）包括自下而上设置的器件平板层（71）和器件脊形层（72）。

3.根据权利要求2所述的一种覆盖可见光波段的薄膜铌酸锂端面耦合器，其特征在于，第二倒锥平板层（41）的首端与第一倒锥第二段（32）的尾端连接；第三倒锥平板层（51）的首端与第二倒锥平板层（41）的尾端连接，第三倒锥中间层（52）的首端与第二倒锥脊形层（42）的尾端连接；第四倒锥平板层（61）的首端与第三倒锥平板层（51）、第三倒锥中间层（52）的尾端连接，第四倒锥中间层（62）的首端与第三倒锥脊形层（53）的尾端连接；器件平板层（71）的首端与第四倒锥平板层（61）、第四倒锥中间层（62）的尾端连接，器件脊形层（72）的首端与第四倒锥脊形层（63）的尾端连接。

4.根据权利要求2所述的一种覆盖可见光波段的薄膜铌酸锂端面耦合器，其特征在于，第一倒锥第一段（31）的尾端宽度与第一倒锥第二段（32）的首端宽度相等；第一倒锥第二段（32）的尾端宽度与第二倒锥平板层（41）的首端宽度相等；第二倒锥脊形层（42）的尾端宽度与第三倒锥中间层（52）的首端宽度相等；第三倒锥脊形层（53）的尾端宽度与第四倒锥中间层（62）的首端宽度相等；第四倒锥脊形层（63）的尾端宽度与器件脊形层（72）的首端宽度相等。

5.根据权利要求2或4所述的一种覆盖可见光波段的薄膜铌酸锂端面耦合器，其特征在于，第一倒锥第一段（31）、第二倒锥脊形层（42）、第三倒锥脊形层（53）和第四倒锥脊形层（63）的首端宽度为80-120nm；第一倒锥波导（3）、第二倒锥波导（4）、第三倒锥波导（5）、第四倒锥波导（6）的宽度采用线性绝热变化或抛物线型渐变，使倒锥波导首端至尾端的模式折射率逐渐变大；前一级倒锥波导尾端的模式折射率与后一级倒锥波导首端的模式折射率匹配。

6.根据权利要求2所述的一种覆盖可见光波段的薄膜铌酸锂端面耦合器，其特征在于，第一倒锥波导（3）、第二倒锥平板层（41）与第三倒锥平板层（51）厚度相等；第二倒锥脊形层（42）与第三倒锥中间层（52）厚度相等；第三倒锥脊形层（53）与第四倒锥中间层（62）厚度相等；第四倒锥脊形层（63）与器件脊形层（72）的厚度相等；第四倒锥平板层（61）厚度等于第三倒锥平板层（51）与第三倒锥中间层（52）厚度之和；器件平板层（71）厚度等于第四倒锥平板层（61）与第四倒锥中间层（62）厚度之和。

7.根据权利要求2或6所述的一种覆盖可见光波段的薄膜铌酸锂端面耦合器，其特征在于，

第二倒锥波导（4）、第三倒锥波导（5）、第四倒锥波导（6）、器件波导（7）均为脊形波导，其中，第二倒锥脊形层（42）、第三倒锥脊形层（53）、第四倒锥脊形层（63）与器件脊形层（72）的厚度分别为第二倒锥波导（4）、第三倒锥波导（5）、第四倒锥波导（6）、器件波导（7）厚度的一半，以满足相邻层级之间的模式匹配。

8.根据权利要求2所述的一种覆盖可见光波段的薄膜铌酸锂端面耦合器，其特征在于，所述第二倒锥脊形层（42）为单条倒锥结构；第三倒锥脊形层（53）和第四倒锥脊形层（63）皆采用剪刀状倒锥结构。

9.根据权利要求1所述的一种覆盖可见光波段的薄膜铌酸锂端面耦合器，其特征在于，所述衬底层（1）选自硅、铌酸锂或石英；所述绝缘层（2）为二氧化硅；所述第一倒锥波导（3）、第二倒锥波导（4）、第三倒锥波导（5）、第四倒锥波导（6）和器件波导（7）均为X切Z传的铌酸锂波导结构；所述覆盖层（8）为二氧化硅。

10.一种权利要求1~9任一项所述的一种覆盖可见光波段的薄膜铌酸锂端面耦合器的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体包括以下步骤：

步骤S1，在薄膜铌酸锂晶圆上通过电子束曝光写出器件脊形层（72）和第四倒锥脊形层（63）的掩膜，然后进行刻蚀，制得器件脊形层（72）和第四倒锥脊形层（63）；

步骤S2，通过电子束曝光写出第四倒锥中间层（62）和第三倒锥脊形层（53）的掩膜，再用紫外光刻写出用于保护器件波导（7）的掩膜，最后进行刻蚀，制得第四倒锥中间层（62）和第三倒锥脊形层（53）；

步骤S3，通过电子束曝光写出第三倒锥中间层（52）和第二倒锥脊形层（42）的掩膜，再用紫外光刻写出用于保护器件波导（7）和第四倒锥波导（6）的掩膜，最后进行刻蚀，制得第三倒锥中间层（52）和第二倒锥脊形层（42）；

步骤S4，通过电子束曝光写出第二倒锥平板层（41）和第一倒锥波导（3）的掩膜，再用紫外光刻写出用于保护器件波导（7）、第四倒锥波导（6）和第三倒锥波导（5）的掩膜，最后进行刻蚀，制得第二倒锥平板层（41）和第一倒锥波导（3）；

步骤S5，对步骤S4得到的样品清洗，并在样品上表面沉积二氧化硅薄膜，形成覆盖层（8）；

步骤S6，在第一倒锥波导（3）的首端处进行芯片解理和端面抛光，完成端面耦合器的制备。

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