CN116381852A - 一种可承受大功率光输入的铌酸锂水平端面耦合器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种可承受大功率光输入的铌酸锂水平端面耦合器,包括:铌酸锂倒锥形结构、散热层、包层波导和低折射率隔离层;所述散热层结构位于所述铌酸锂倒锥形结构的尖端处,并覆盖在所述低折射率隔离层上;所述包层波导覆盖于所述铌酸锂倒锥形结构上;所述低折射率隔离层覆盖于所述包层波导上。本申请在不降低水平端面耦合器的耦合效率前提下,能够满足水平端面耦合器在大功率光输入的条件下工作。
Description
技术领域
本申请涉及集成光器件技术领域,具体涉及一种可承受大功率光输入的铌酸锂水平端面耦合器。
背景技术
铌酸锂不溶于水且无色透明,属于三方晶系,钛铁矿型(畸变钙钛矿型),表现出铁电性、一阶、二阶电光效应、压电性、光弹效应、光致双折射效应,光生伏特效应(禁带宽度约4eV)等。铌酸锂晶体具有负双折射效应,no=2.30,ne=2.21(受到化学组分的影响),且对波长从350nm到5200nm的电磁波透明。铌酸锂晶体具有很大的线形电光系数,适合用于制备低驱动电压、高速电光调制器和光开关。此外,铌酸锂晶体还具有很大的非线形电光系数,适合用于制备周期极化铌酸锂波导等非线性器件。
绝缘层上的铌酸锂薄膜(LNOI,Lithium Niobate on Insulator)引得了学术界和工业界的大量关注。由于其在超高速应用中的潜力,这一平台被视为新一代光子集成平台的重要候选者之一。近期,有大量的基于LNOI的器件被报道,且展现出了优异的性能。例如,低损耗波导和高品质因数的光学微环谐振腔,可调谐滤波器,高速电光调制器,光学频率梳,二次谐波发生,波长转换器,片上集成光谱仪,等等。
基于LNOI的集成波导中支持的模式尺寸一般小于1μm,与标准单模光纤(SSMF,standard-single-mode-fiber)——模斑尺寸约等于10μm——差距过大,导致直接的光纤到集成波导的耦合方案耦合损耗过大。为了实现高效的光纤到芯片的光耦合,需利用光耦合器。水平端面耦合器因为具有高效,宽带,偏振无关的优势,以及高稳定性和易于封装的特点,可以更好的满足实际器件的应用需求。
近年来,各种基于LNOI的水平端面耦合器受到了重视。2021年,Changran Hu等人报告了一种由双层铌酸锂倒锥和氮氧化硅包层波导组成的水平端面耦合器,每个端面耦合损耗小于0.6dB。但耦合器中双层倒锥的尖端处尺寸较小,当输入较大光功率时,尖端处的光功率密度较大,容易造成热量聚集在尖端处引起材料的物理损伤,在一定程度上限制了其应用场景,在非线性光学以及微波光子学中光-电-光转换等需要大功率光输入的场景下存在着明显的不足。
发明内容
本申请旨在解决现有技术的不足,提出了一种可承受大功率光输入的铌酸锂水平端面耦合器,在耦合器中光功率密度最高的铌酸锂倒锥尖端处制备散热器结构,在不影响耦合器耦合效率的前提下,实现能够承受大功率光输入薄膜铌酸锂水平端面耦合器。
为实现上述目的,本申请提供了如下方案:
一种可承受大功率光输入的铌酸锂水平端面耦合器,包括:铌酸锂倒锥形结构、散热层、包层波导和低折射率隔离层;
所述散热层结构位于所述铌酸锂倒锥形结构的尖端处,并覆盖在所述低折射率隔离层上;
所述包层波导覆盖于所述铌酸锂倒锥形结构上;
所述低折射率隔离层覆盖于所述包层波导上。
优选的,所述铌酸锂倒锥形结构下方为低折射率埋氧层;
所述铌酸锂倒锥形结构的材料选用氧化硅,所述铌酸锂倒锥形结构用于限制光在所述包层波导中传输。
优选的,所述低折射率埋氧层的材料选用硅,所述低折射率埋氧层用于提供支撑。
优选的,所述散热层用于对所述铌酸锂倒锥形结构进行散热。
优选的,所述散热层与所述铌酸锂倒锥形结构的锥尖的垂直距离大于2微米。
优选的,所述散热层的宽度大于210微米,所述散热层的长度大于10微米,所述散热层的厚度大于2微米;
所述散热层形状选择多竖直鳍片结构。
优选的,所述包层波导的材料选用氮氧化硅;
所述包层波导的厚度大于2微米。
优选的,所述低折射率隔离层的材料选用氧化硅;
所述低折射率隔离层的折射率低于所述包层波导的折射率;
所述低折射率隔离层的厚度大于500纳米。
与现有技术相比,本申请的有益效果为:
(1)本申请通过在光功率密度最大的铌酸锂倒锥尖端上方制备散热层结构,大功率光输入情况下倒锥尖端产生的热量通过散热层传导释放,避免热量聚集在尖端处引起材料的物理损伤,较大程度上提升了水平端面耦合器的输入光功率工作范围;
(2)在包层波导和散热层结构之间制备一层低折射率隔离层结构,对热量从铌酸锂倒锥尖端传导到散热层的过程影响较小,同时也能较大程度上减少散热层对于光模场的吸收损耗;
(3)耦合器制备上仅需要在原有的耦合器结构上增加一次lift-off步骤,并且散热层的引入不会影响耦合器的光波导设计,具有一定的普适性;
(4)本申请在不降低水平端面耦合器的耦合效率前提下,能够满足水平端面耦合器在大功率光输入的条件下工作。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案,下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例二的结构三视图,其中,a为剖面俯视图,b为侧视图,c为正视图;
图2为本申请实施例三的散热导热效果示意图,其中,a为未添加散热层的耦合器温度分布,b为添加散热层的耦合器温度分布;
图3为本申请实施例三的铌酸锂上层倒锥尖端的光模场分布示意图。
附图标记说明:
1、散热层;2、包层波导;3、铌酸锂上层倒锥;4、铌酸锂下层倒锥;5、低折射率隔离层;6、埋氧层。
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清楚、完整地描述,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,下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
实施例一
在本实施例一中,一种可承受大功率光输入的铌酸锂水平端面耦合器,包括:铌酸锂倒锥形结构、散热层1、包层波导2和低折射率隔离层5。
铌酸锂倒锥形结构下方为低折射率埋氧层;低折射率埋氧层的材料选用硅,厚度一般为几百微米,用于为整个器件的物理结构提供支撑;铌酸锂倒锥形结构的材料选用氧化硅,铌酸锂倒锥形结构用于限制光在包层波导2中传输。
散热层1结构位于铌酸锂倒锥形结构的尖端处,并覆盖在低折射率隔离层5上;散热层1用于对铌酸锂倒锥形结构进行散热,大功率光输入情况下铌酸锂倒锥形结构的尖端产生的热量通过散热层1传导释放,避免热量聚集在尖端处引起材料的物理损伤。散热层1与铌酸锂倒锥形结构的锥尖的垂直距离大于2微米,宽度大于210微米,长度大于10微米厚度大于2微米;散热层1材料可选择金、铝、铜、石墨烯等散热系数大的材料,形状可选择立方实体或者多竖直鳍片结构。在本实施例中,散热层1的制备方法可采用电子束蒸发或者等离子增强化学气相沉积,多竖直鳍片结构可以通过材料沉积与剥离结合的方法制备。
包层波导2的材料选用氮氧化硅,覆盖于铌酸锂倒锥形结构上;包层波导2的厚度大于2微米,截面呈现凸字形。
低折射率隔离层5材料选用氧化硅,覆盖于包层波导2上;低折射率隔离层5的折射率低于包层波导2的折射率,厚度大于500纳米,截面呈现凸字形。
实施例二
在本实施例二中,如图1所示,一种可承受大功率光输入的铌酸锂水平端面耦合器的三视图,图1a为剖面俯视图、图1b为侧视图、图1c为正视图,包含了以下部分:散热层1、包层波导2、铌酸锂上层倒锥3、铌酸锂下层倒锥4、低折射率隔离层5以及埋氧层6。
通过增加散热层1的长度、宽度以及厚度可以提升水平端面耦合器的散热能力,散热层1结构宽度一般大于2微米,长度一般大于10微米,本实施例不做唯一性限定。通过调控倒锥的层数、结构等条件可以实现不同应用场景下的水平端面耦合,本实施例不做唯一性限定。在保证散热层1对光场吸收较小的前提下,通过减小散热层1与铌酸锂倒锥尖端的垂直距离可以提升水平端面耦合器的散热能力,垂直距离一般大于2微米,本实施例不做唯一性限定。散热层1的材料应当具备良好的导热特性,本实施例不做唯一性限定。散热层1形状可以是立方实体或者多竖直鳍片等利于散热的结构,本实施例不做唯一性限定。通过同时调控铌酸锂上层倒锥3、铌酸锂下层倒锥4以及埋氧层6倒锥的各分段的长度、宽度和厚度以保证倒锥具有绝热性,实现高效的模斑变换,各分段的长度、宽度以及厚度根据所需传输的光的波长和模式进行调整,本实施例不做唯一性限定。低折射率隔离层5的厚度应当足够厚以保证散热层对光场吸收较小,本实施例不做唯一性限定。
本实施例选用薄膜铌酸锂厚度为500纳米的X切铌酸锂,埋氧层6总厚度为4.7微米,埋氧层6之下的衬底选用硅。本实施例选用双层铌酸锂倒锥结构用于水平端面耦合。
实施例三
在本实施例三中,本实施例包括:硅衬底、二氧化硅埋氧层、铌酸锂下层倒锥4、铌酸锂上层倒锥3、氮氧化硅包层波导、氧化硅低折射率隔离层以及散热层1。其中,氮氧化硅包层厚度(铌酸锂上层倒锥到低折射率隔离层的垂直距离)为4微米,氧化硅低折射率隔离层的厚度为0.5微米,散热层1形状为立方实体,材料为金,厚度为2微米。
本实施例中,水平端面耦合器的输入光为1550nm波长TE偏振光,其光功率大小为2W。如图2所示,给出了仿真结果。图2a中,铌酸锂芯层上除了覆盖氮氧化硅包层波导和氧化硅包层之外并无其他材料覆盖,直接接触空气;在输入光功率为2W的条件下,铌酸锂芯层的理论温度可达1247度,超过了铌酸锂晶体材料的熔点1240℃,一定会发射“烧坏”现象。图2b中,铌酸锂芯层上除了覆盖氮氧化硅包层波导和氧化硅包层之外还覆盖了2微米的金散热层1作为热传导层,在相同的输入光功率2W条件下,铌酸锂芯层的理论温度达837度,并未达到材料熔点。通过对比,本实施例中铌酸锂芯层的温度相较于传统的水平端面耦合器降低了约50%。
本实施例中,散热层1对于光在包层波导2中的传输几乎无影响,图3为本实施例中铌酸锂上层倒锥尖端的光模场分布,包层波导2结构能够对于光场的传输有很强的束缚能力,散热层1结构的加入对于光的吸收损耗极其小。
本实施例还提供了一种上述耦合器的制备方法,该方法包括以下步骤:
清洗衬底后,利用铬作为硬掩模,通过ICP或RIE刻蚀铌酸锂形成铌酸锂上层倒锥3与包层波导2;重复以上步骤形成铌酸锂下层倒锥4;继续利用ICP或RIE,刻蚀二氧化硅形成埋氧层二氧化硅倒锥;通过PECVD生长氮氧化硅包层波导与二氧化硅低折射率隔离层;通过EBE生长低折射率隔离层上方的散热层1。以上所有的图形制作,可以通过EBL曝光或者光刻机曝光完成。
以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述,并非对本申请的范围进行限定,在不脱离本申请设计精神的前提下,本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进,均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种可承受大功率光输入的铌酸锂水平端面耦合器,其特征在于,包括:铌酸锂倒锥形结构、散热层、包层波导和低折射率隔离层;
所述散热层结构位于所述铌酸锂倒锥形结构的尖端处,并覆盖在所述低折射率隔离层上;
所述包层波导覆盖于所述铌酸锂倒锥形结构上;
所述低折射率隔离层覆盖于所述包层波导上。
2.根据权利要求1所述一种可承受大功率光输入的铌酸锂水平端面耦合器,其特征在于,所述铌酸锂倒锥形结构下方为低折射率埋氧层;
所述铌酸锂倒锥形结构的材料选用氧化硅,所述铌酸锂倒锥形结构用于限制光在所述包层波导中传输。
3.根据权利要求2所述一种可承受大功率光输入的铌酸锂水平端面耦合器,其特征在于,所述低折射率埋氧层的材料选用硅,所述低折射率埋氧层用于提供支撑。
4.根据权利要求1所述一种可承受大功率光输入的铌酸锂水平端面耦合器,其特征在于,所述散热层用于对所述铌酸锂倒锥形结构进行散热。
5.根据权利要求1所述一种可承受大功率光输入的铌酸锂水平端面耦合器,其特征在于,所述散热层与所述铌酸锂倒锥形结构的锥尖的垂直距离大于2微米。
6.根据权利要求1所述一种可承受大功率光输入的铌酸锂水平端面耦合器,其特征在于,
所述散热层的宽度大于210微米,所述散热层的长度大于10微米,所述散热层的厚度大于2微米;
所述散热层形状选择多竖直鳍片结构。
7.根据权利要求1所述一种可承受大功率光输入的铌酸锂水平端面耦合器,其特征在于,所述包层波导的材料选用氮氧化硅;
所述包层波导的厚度大于2微米。
8.根据权利要求1所述一种可承受大功率光输入的铌酸锂水平端面耦合器,其特征在于,所述低折射率隔离层的材料选用氧化硅;
所述低折射率隔离层的折射率低于所述包层波导的折射率;
所述低折射率隔离层的厚度大于500纳米。
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- 2023-02-22 CN CN202310163241.7A patent/CN116381852B/zh active Active
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CN116381852B (zh) | 2023-10-17 |
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