CN116931170A - 一种光栅端面耦合器及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种光栅端面耦合器及其设计方法，所述光栅端面耦合器包括：埋氧层、铌酸锂层、光栅层和外包层，其中：所述埋氧层上键合设置所述铌酸锂层；所述铌酸锂层上沉积设置所述光栅层，所述铌酸锂层包括铌酸锂波导层和铌酸锂衬底层；所述光栅层包括光栅波导和输出波导；所述铌酸锂层和所述光栅层外侧镀有外包层。如此，仅需对光栅层的材料做大线宽长周期刻蚀，工艺成熟简单，可用于解决现有亚波长光栅倒锥型端面耦合器工艺复杂，导致生产成本过高的技术问题。
Description
技术领域
本申请涉及光通信器件技术领域，特别涉及一种光栅端面耦合器及其设计方法。
背景技术
随着光通信技术的急剧发展，光通信器件需要处理和传输的数据量日渐增多，这就要求光通信器件要具备集成化、低损耗、功能多样性和强抗干扰的能力。为了满足上述需求，光通信器件，尤其是高速调制器、非线性频率转换和频率梳产生等先进光子功能器件，多采用绝缘体上的铌酸锂(LithiumNiobate on Insulator，LNOI)进行制作。由于绝缘体(通常为二氧化硅)和铌酸锂之间折射率差比较大，因此光信号可以很好的限制在LNOI中的铌酸锂中传输；同时，由于铌酸锂具有高电光系数，因此LNOI也是制作电光调制器的理想材料；此外，由于铌酸锂在声光和非线性上的优势，以及LNOI的弯曲损耗小、传输损耗小和可与互补金属氧化物半导体(ComplementaryMetal Oxide Semiconductor,CMOS)工艺兼容的优势，使得利用LNOI可以实现波导器件的微型化和大规模集成。
根据光通信技术的发展现状和LNOI的优势，制作一种基于LNOI的以光纤到芯片之间低耦合损耗为特征的光学接口十分必要。目前，在铌酸锂薄膜上的光耦合技术包括光栅耦合技术和端面耦合技术。其中，光栅耦合技术利用周期性光栅结构的衍射效果，使光通过光栅从波导表面耦合输出并进入光纤，或者从光纤耦合输出并进入波导。端面耦合技术通常利用锥型光纤或者透镜聚焦光斑，与光波导端面对接实现光耦合，利用端面耦合技术的位于光芯片边缘的耦合器为端面耦合器，端面耦合的优点在于工作带宽大，耦合效率高且偏振不敏感。
如图1为现有亚波长光栅倒锥型端面耦合器的结构示意图，基于光栅耦合技术和端面耦合技术的特征，现有技术中提出了一种亚波长光栅倒锥结构和一种亚波长光栅倒锥型端面耦合器，所述亚波长光栅倒锥结构对倒锥形端面耦合器结构进行套刻，形成亚波长光栅。所述亚波长光栅倒锥型端面耦合器通过在铌酸锂晶体上刻蚀倒锥形和亚波长光栅结构，降低波导的等效折射率，使得波导模场直径(Mode FieldDiameter，MFD)变大，与细径光纤匹配，实现高效纤芯耦合。然而，铌酸锂材料的刻蚀难度大，倒锥形和亚波长结构对光刻线宽和套刻精度的要求高，因此所述亚波长光栅倒锥型端面耦合器的工艺复杂，导致生产成本过高。
发明内容
本申请提供了一种光栅端面耦合器，可用于解决现有亚波长光栅倒锥型端面耦合器工艺复杂，导致生产成本过高的技术问题。
第一方面，本申请提供一种光栅端面耦合器，所述光栅端面耦合器包括：埋氧层、铌酸锂层、光栅层和外包层，其中：
所述埋氧层上键合设置所述铌酸锂层；所述铌酸锂层上沉积设置所述光栅层，所述铌酸锂层包括铌酸锂波导层和铌酸锂衬底层，所述铌酸锂波导层设置在所述铌酸锂衬底层上；所述光栅层包括光栅波导和输出波导；所述铌酸锂层和所述光栅层外侧镀有外包层。
在第一方面的一种可实现方式中，所述埋氧层为二氧化硅。
在第一方面的一种可实现方式中，所述铌酸锂波导层为梯形结构。
在第一方面的一种可实现方式中，所述铌酸锂衬底层由铌酸锂材料刻蚀而成。
在第一方面的一种可实现方式中，所述光栅波导根据不同波长光，设置预设间距的光栅蚀刻形成。
在第一方面的一种可实现方式中，所述输出波导为矩形整体。
在第一方面的一种可实现方式中，所述光栅层的材料为折射率低于铌酸锂材料且高于所述外包层材料的介质，可以是氮氧化硅、氮化硅、氧化硅、氧化钽等材料，所述光栅层结构通过刻蚀形成。
在第一方面的一种可实现方式中，所述外包层的材料为折射率低于铌酸锂材料和所述光栅层材料的介质，可以是氮氧化硅、氮化硅、氧化硅、氧化钽等材料。
第二方面，本申请提供一种光栅端面耦合器的设计方法，用于设计第一方面及各种可实现方式中的光栅端面耦合器，所述设计方法包括：
确定所述光栅端面耦合器的横截面的第一横截面结构和第二横截面结构；
确定所述第一横截面结构的第一模式和第二模式，以及所述第二横截面结构的第三模式和第四模式；
在光栅区域，设置所述第一横截面结构和所述第二横截面结构交替出现，并根据所述第一模式和所述第三模式确定第一等效模式，以及，根据所述第二模式和所述第四模式确定第二等效模式；
根据所述第一等效模式和预设占空比确定第一有效折射率，以及，根据所述第二等效模式和所述预设占空比确定第二有效折射率；所述预设占空比为0.5；
根据所述第一有效折射率和预设光源的波长确定第一波矢，以及，根据所述第二有效折射率和所述波长确定第二波矢；
根据所述第一波矢和所述第二波矢确定波矢失配量；
根据所述光栅周期确定倒格矢。
在第二方面的一种可实现方式中，所述设计方法还包括：
判断所述波矢失配量和所述倒格矢是否相等；
如果所述波矢失配量和所述倒格矢相等，则所述倒格矢补偿所述波矢失配量，所述第一等效模式和所述第二等效模式之间的能量相互耦合转化，光场从铌酸锂层转入光栅层，模场扩大至与光纤模场匹配。
本申请提供一种光栅端面耦合器及其设计方法，所述光栅端面耦合器包括：埋氧层、铌酸锂层、光栅层和外包层，其中：所述埋氧层上键合设置所述铌酸锂层；所述铌酸锂层上沉积设置所述光栅层，所述铌酸锂层包括铌酸锂波导层和铌酸锂衬底层；所述光栅层包括光栅波导和输出波导；所述铌酸锂层和所述光栅层外侧镀有外包层。如此，仅需对光栅层的材料(例如氮氧化硅、氮化硅、氧化硅、氧化钽等)做大线宽长周期刻蚀，工艺成熟简单，可用于解决现有亚波长光栅倒锥型端面耦合器工艺复杂，导致生产成本过高的技术问题。
附图说明
图1为现有亚波长光栅倒锥型端面耦合器的结构示意图；
图2为本申请第一实施例提供的一种光栅端面耦合器的结构示意图；
图3为本申请第一实施例提供的一种光栅端面耦合器的正视结构示意图；
图4为本申请第二实施例提供的一种光栅端面耦合器的横截面及模式示意图；
图5为本申请第二实施例提供的一种光栅端面耦合器的示例一仿真结果示意图；
图6为本申请第二实施例提供的一种光栅端面耦合器的耦合效率示意图；
图7为本申请第二实施例提供的一种光栅端面耦合器的示例二仿真结果示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。
图2为本申请第一实施例提供的一种光栅端面耦合器的结构示意图，图3为本申请第一实施例提供的一种光栅端面耦合器的正视结构示意图，参见图2和图3，本申请提供一种光栅端面耦合器，所述光栅端面耦合器包括：埋氧层、铌酸锂层、光栅层和外包层，其中：
所述埋氧层上键合设置所述铌酸锂层；
具体地，所述埋氧层为二氧化硅。
所述铌酸锂层上沉积设置所述光栅层，所述铌酸锂层包括铌酸锂波导层和铌酸锂衬底层；
具体地，所述铌酸锂波导层为一种梯形结构，所述铌酸锂衬底层由一块铌酸锂材料刻蚀而成，所述铌酸锂波导层在所述铌酸锂衬底层上。
所述光栅层包括光栅波导和输出波导；
具体地，所述光栅波导根据不同波长光，设计预设间距的光栅蚀刻而成，所述输出波导为整体的矩形，所述光栅层的材料是一种介质材料，所述光栅层结构由一块整体的介质材料通过刻蚀而成。
可选的，所述光栅层的材料为折射率低于铌酸锂且高于所述外包层的光学介质材料。
具体地，所述光栅层的材料可以是氮氧化硅、氮化硅、氧化硅、氧化钽等。
所述铌酸锂层和所述光栅层外侧镀有外包层。
可选的，所述外包层的材料为折射率低于铌酸锂材料和所述光栅层材料的光学介质材料。
具体地，所述外包层的材料可以是氮氧化硅、氮化硅、氧化硅、氧化钽等。
现有LNOI耦合器技术几乎全部在铌酸锂层做刻蚀步骤，例如图1所述亚波长光栅倒锥型端面耦合器，受限于铌酸锂材料的理化性质，其刻蚀倾角难以做到垂直，刻蚀难以做深，刻蚀过程易产生固态副产物，因此工艺要求很高，需针对铌酸锂材料做大量工艺优化。本申请中，耦合器仅需对光栅层材料(例如氮氧化硅、氮化硅、氧化硅、氧化钽等光学介质材料)做大线宽长周期刻蚀，工艺成熟简单，无需针对铌酸锂材料做大量工艺优化，成本大大降低。
与本申请第一实施例提供的一种高频低损耗传输线相对应，本申请第二实施例提供了一种光栅端面耦合器的设计方法。
下面介绍本申请第二实施例的设计原理：
对于常见光通讯波段，铌酸锂波导中的模场大小约为1μm2，而一般拉锥光纤的模场大小约5μm2，二者的模场形态和有效折射率均存在巨大差异，因此直接对准耦合的效率很低。本申请中，所述铌酸锂层上镀有所述光栅层，所述铌酸锂波导层中的模场传输到该处时，即可在周期光栅的辅助下逐渐转化到光栅层模场，而该光栅层模场与光纤模场匹配，从而可通过空间对准高效耦合。
具体地，在芯片加工工艺中，尺寸1μm以上的结构可用低成本紫外光刻工艺完成。然而，现有LNOI耦合器技术大多采用倒锥形结构或亚波长光栅结构，特征尺寸显著小于1μm，例如图1所述的亚波长光栅倒锥型端面耦合器中的倒锥形端面顶宽和光栅周期均小于0.4μm，需采用投影式紫外曝光或电子束曝光设备进行加工，成本高昂。在本申请中，光栅周期长度约4μm，线宽约2μm，可轻松采用接触式或接近式紫外曝光设备完成，成本大大降低。
下面介绍本申请第二实施例的一种光栅端面耦合器的设计方法。
图4为本申请第二实施例提供的一种光栅端面耦合器的横截面及模式示意图，参见图4，所述一种光栅端面耦合器的设计方法包括：
确定所述光栅端面耦合器的横截面的第一横截面结构和第二横截面结构；
具体地，所述第一横截面结构为图4中的结构a(structure a)，所述第二结横截面构为图4中的结构b(structure b)。
确定所述第一横截面结构的第一模式和第二模式，以及所述第二横截面结构的第三模式和第四模式；
具体地，所述结构a包括所述第一模式和所述第二模式两个竖直偏振(TM)模式，其中所述第一模式为图4中的mode a1，所述第二模式为图4中的mode a2，所述结构b包括所述第三模式和所述第四模式两个TM模式，其中所述第三模式为图4中的mode b1，所述第四模式为图4中的mode b2。如图4所示，利用电磁仿真计算得到所述第一模式、所述第二模式、所述第三模式和所述第四模式的模场，其中所述第一模式和所述第三模式的模场能量主要分布在所述铌酸锂层，用于在光子芯片中进行传输。所述第二模式和所述第四模式的模场能量主要分布在所述光栅层，与光纤模场匹配，用于和光纤进行对接耦合。
在光栅区域，设置所述第一横截面结构和所述第二横截面结构交替出现，并根据所述第一模式和所述第三模式确定第一等效模式，以及，根据所述第二模式和所述第四模式确定第二等效模式；
具体地，所述光栅区域，即图3中的区域2，所述第一横截面结构和所述第二横截面结构交替出现，所述第一模式和所述第三模式形成等效模式，称为所述第一等效模式，为图4中的mode 1；所述第二模式和所述第四模式也形成等效模式，称为所述第二等效模式，为图4中的mode 2。
根据所述第一等效模式和预设占空比确定第一有效折射率，以及，根据所述第二等效模式和所述预设占空比确定第二有效折射率；所述预设占空比为0.5；
具体地，当占空比为0.5时，所述第一有效折射率n1为所述第一模式和所述第三模式的平均值；所述第二有效折射率n2为所述第二模式和所述第四模式的平均值。
根据所述第一有效折射率和预设光源的波长确定第一波矢，以及，根据所述第二有效折射率和所述波长确定第二波矢；
具体地，假设预设光源的波长为λ，则根据以下公式确定所述第一波矢：
k1＝2π/λ*n1 (1)
其中，k1为所述第一波矢，λ为所述波长，n1为所述第一有效折射率；
根据以下公式确定所述第二波矢：
k2＝2π/λ*n2 (2)
其中，k2为所述第二波矢，λ为所述波长，n2为所述第二有效折射率。
根据所述第一波矢和所述第二波矢确定波矢失配量；
具体地，根据以下公式确定所述波矢失配量：
Δk＝k1-k2 (3)
其中，Δk为所述波矢失配量，k1为所述第一波矢，k2为所述第二波矢。
根据所述光栅周期确定倒格矢。
具体地，根据以下公式确定所述倒格矢：
G＝2π/Λ (4)
其中，G为所述倒格矢，Λ为所述周期。
进一步地，判断所述波矢失配量和所述倒格矢是否相等；
如果所述波矢失配量和所述倒格矢相等，则所述倒格矢补偿所述波矢失配量，所述第一等效模式和所述第二等效模式之间的能量相互耦合转化，光场从铌酸锂层转入光栅层，模场扩大至与光纤模场匹配。
具体地，当G＝Δk时，所述倒格矢恰好能够补偿所述波矢失配量，因此可以实现所述第一等效模式和所述第二等效模式之间能量的相互耦合转化，使得光场从铌酸锂层转入光栅层，模场得以扩大，并与光纤模场匹配。
具体地，在集成波导器件中，模式的控制十分重要。现有LNOI耦合器技术大多采用宽度渐变的倒锥形结构，在宽度渐变过程中，不同模场的有效折射率也随之渐变，某些模场的有效折射率大小关系将发生交错。一些情况下，需要的模场恰好会出现这种交错，则会在耦合器中发生难以控制的模式杂化，严重影响器件使用。本申请无需渐变式结构，通过光栅衍射的方式实现了不同模式的直接耦合，因此在合理的设计下可有效避免模式杂化问题。同时，上述亚波长光栅倒锥型端面耦合器中的光栅仅起到降低有效折射率的作用，周期大小难以对波长、模式实现有效调谐，而在本申请中，通过改变光栅周期长度，可实现不同波长、不同模式的耦合，具有灵活的可调谐性。
为了更好的说明本申请提供的一种光栅端面耦合器，下面结合附图说明示例一，所述示例一中预设光源的波长为1550nm的，模式为和所述第一模式对应的竖直偏振模式和第三模式对应的竖直偏振模式。：
图5为本申请第二实施例提供的一种光栅端面耦合器的示例一仿真结果示意图，图6为本申请第二实施例提供的一种光栅端面耦合器的耦合效率示意图。参见图5和图6，在本示例中，所述铌酸锂层的总厚度为0.6μm，所述铌酸锂波导层的顶部宽度为1.4μm，所述波导层的厚度为0.35μm；所述光栅层的材料为氮氧化硅，所述光栅层的厚度3μm，所述光栅层的宽度3μm，光栅周期3.92μm，占空比0.5，光栅段长度75μm；所述外包层的材料为二氧化硅。
在所述波长λ＝1550nm情形下，根据以下公式确定所述第一有效折射率：
n1＝(1.8780+1.8597)/2＝1.8688 (5)
其中，n1为所述第一有效折射率，1.8780为所述第一模式的值，1.8597为所述第三模式的值。
根据以下公式确定所述第二有效折射率：
n2＝(1.5486+1.3992)/2＝1.4739 (6)
其中，n2为所述第二有效折射率，1.5486为所述第二模式的值，1.3992为所述第四模式的值。
根据公式(1)和公式(5)确定所述第一波矢k1为7.5755μm-1。
根据公式(2)和公式(6)确定所述第二波矢k2为5.9747μm-1。
根据公式(3)确定所述波矢失配量Δk为1.60μm-1。
所述光栅周期Λ为3.92μm，根据所述周期Λ和公式(4)确定所述倒格矢G为1.60μm-1。
此时G＝Δk，所述第一等效模式和所述第二等效模式可以充分地相互转化。用时域有限差分(FDTD)方法得到仿真结果如图5所示，光从左向右传输，经过光栅区域时，在光栅倒格矢的补偿下，模场从所述铌酸锂层高效转入到氮氧化硅光栅层，实现了模场扩大。
具体地，经计算，从所述铌酸锂层到所述氮氧化硅光栅层的转换效率可达67～70％，光栅层模场与光纤模场交叠达85％，整体耦合效率达57～60％。计算得到的1510～1570nm光谱范围耦合效率如图6所示，在1519～1565nm较宽范围内，均有超28％的耦合效率。
为了说明不同波长、不同模式的调谐性，下面结合附图说明示例二，示例二中预设光源的波长为1555nm，模式为和所述第一模式对应的水平偏振模式和第三模式对应的水平偏振模式。
根据示例一中的计算方法，可得波矢失配量Δk为1.71μm-1。此时预设光栅周期Λ为3.68μm，倒格矢G为1.71μm-1，满足G＝Δk。
图7为本申请第二实施例提供的一种光栅端面耦合器的示例二仿真结果示意图，如图7所示，用FDTD方法得到仿真结果，光从左向右传输，经过光栅区域时，在光栅倒格矢的补偿下，模场从所述铌酸锂层高效转入到氮氧化硅光栅层，实现了模场扩大。
本申请提供一种光栅端面耦合器及其设计方法，所述光栅端面耦合器包括：埋氧层、铌酸锂层、光栅层和外包层，其中：所述埋氧层上键合设置所述铌酸锂层；所述铌酸锂层上沉积设置所述光栅层，所述铌酸锂层包括铌酸锂波导层和铌酸锂衬底层；所述光栅层包括光栅波导和输出波导；所述铌酸锂层和所述光栅层外侧镀有外包层。如此，仅需对光栅层材料(例如氮氧化硅、氮化硅、氧化硅、氧化钽等)做大线宽长周期刻蚀，工艺成熟简单，可用于解决现有亚波长光栅倒锥型端面耦合器工艺复杂，导致生产成本过高的技术问题。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段；说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变；本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (10)
1.一种光栅端面耦合器，其特征在于，所述光栅端面耦合器包括：埋氧层、铌酸锂层、光栅层和外包层，其中：
所述埋氧层上键合设置所述铌酸锂层；所述铌酸锂层上沉积设置所述光栅层，所述铌酸锂层包括铌酸锂波导层和铌酸锂衬底层，所述铌酸锂波导层设置在所述铌酸锂衬底层上；所述光栅层包括光栅波导和输出波导；所述铌酸锂层和所述光栅层外侧镀有外包层。
2.根据权利要求1所述的一种光栅端面耦合器，其特征在于，所述埋氧层为二氧化硅。
3.根据权利要求1所述的一种光栅端面耦合器，其特征在于，所述铌酸锂波导层为梯形结构。
4.根据权利要求1所述的一种光栅端面耦合器，其特征在于，所述铌酸锂衬底层由铌酸锂材料刻蚀而成。
5.根据权利要求1所述的一种光栅端面耦合器，其特征在于，所述光栅波导根据不同波长光，设置预设间距的光栅蚀刻而成。
6.根据权利要求1所述的一种光栅端面耦合器，其特征在于，所述输出波导为矩形整体。
7.根据权利要求1所述的一种光栅端面耦合器，其特征在于，所述光栅层的材料为折射率低于铌酸锂材料且高于所述外包层材料的介质，所述光栅层的结构通过刻蚀形成。
8.根据权利要求1所述的一种光栅端面耦合器，其特征在于，所述外包层的材料为折射率低于铌酸锂材料和所述光栅层材料的介质。
9.一种光栅端面耦合器的设计方法，其特征在于，用于设计如权利要求1-8任一项所述的光栅端面耦合器，所述设计方法包括：
确定所述光栅端面耦合器的横截面的第一横截面结构和第二横截面结构；
确定所述第一横截面结构的第一模式和第二模式，以及所述第二横截面结构的第三模式和第四模式；
在光栅区域，设置所述第一横截面结构和所述第二横截面结构交替出现，并根据所述第一模式和所述第三模式确定第一等效模式，以及，根据所述第二模式和所述第四模式确定第二等效模式；
根据所述第一等效模式和预设占空比确定第一有效折射率，以及，根据所述第二等效模式和所述预设占空比确定第二有效折射率；所述预设占空比为0.5；
根据所述第一有效折射率和预设光源的波长确定第一波矢，以及，根据所述第二有效折射率和所述波长确定第二波矢；
根据所述第一波矢和所述第二波矢确定波矢失配量；
根据所述光栅周期确定倒格矢。
10.根据权利要求9所述的一种光栅端面耦合器的设计方法，其特征在于，所述设计方法还包括：
判断所述波矢失配量和所述倒格矢是否相等；
如果所述波矢失配量和所述倒格矢相等，则所述倒格矢补偿所述波矢失配量，所述第一等效模式和所述第二等效模式之间的能量相互耦合转化，光场从铌酸锂层转入光栅层，模场扩大至与光纤模场匹配。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210353554.4A CN116931170A (zh) | 2022-04-06 | 2022-04-06 | 一种光栅端面耦合器及其设计方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210353554.4A CN116931170A (zh) | 2022-04-06 | 2022-04-06 | 一种光栅端面耦合器及其设计方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116931170A true CN116931170A (zh) | 2023-10-24 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| CN202210353554.4A Pending CN116931170A (zh) | 2022-04-06 | 2022-04-06 | 一种光栅端面耦合器及其设计方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116931170A (zh) |
-
2022
- 2022-04-06 CN CN202210353554.4A patent/CN116931170A/zh active Pending
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