CN214845885U - 一种偏振无关的lnoi端面耦合结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种偏振无关的LNOI端面耦合结构，包括衬底、设置于衬底上的缓冲层和设置于缓冲层上的铌酸锂波导，铌酸锂波导由第一输入区、第一锥形区和第一输出区三部分组成，其中第一输入区和第一输出区宽度保持不变，第一锥形区采用反向锥形结构；在缓冲层上沉积外包层波导覆盖铌酸锂波导，外包层波导结构由第二输入区、第二锥形区和第二输出区三部分组成，其中第二输入区和第二输出区宽度保持不变，第二锥形区采用正向锥形结构。本实用新型可实现光纤与LNOI芯片之间几乎偏振无关的高效耦合。

Description

一种偏振无关的LNOI端面耦合结构

技术领域

本实用新型涉及集成光学技术领域，尤其涉及一种偏振无关的LNOI端面耦合结构。

背景技术

铌酸锂作为一种新型材料具有诸多优良的光学特性，包括电光系数大、非线性光学效应、宽光学透明窗口、温度稳定性好，热光系数低等等，因此，在过去的十几年中，铌酸锂在集成光学领域得到迅速发展。为进一步满足集成光子器件小型化的发展要求，通过将铌酸锂薄膜化至几百纳米，基于离子注入和晶圆键合技术制造出绝缘体上铌酸锂。LNOI不仅保留了传统铌酸锂体材料一系列优良的光学特性，还具有比传统铌酸锂体材料更低的传输损耗和更高的电光调控效率，已经成为最有前景的集成光学平台之一，并用于实现电光调制、二次谐波产生、克尔频率梳产生等多种片上功能。但是，如何实现LNOI波导与光纤之间的高效耦合，一直是LNOI光子器件在实际应用中亟需解决的关键问题之一，亚微米级的LNOI波导与光纤直接耦合，插入损耗往往超过10dB。因此，很有必要设计出一种耦合结构，用以实现LNOI芯片与光纤之间的高效耦合。

通常情况下，根据输入光源与光学芯片是否处于同一平面，可以将耦合方案分为平面内耦合和平面外耦合。平面外耦合也可以称为垂直耦合，其中光栅耦合器最具代表性，光栅耦合器具有对准公差大、耦合位置灵活、结构紧凑等诸多优点，因此普遍适用于光学芯片的测试，但是受限于衍射原理，光栅耦合对波长和偏振都比较敏感，很难实现高耦合带宽和偏振无关，并且光栅耦合在实际应用中缺乏合理的封装方案；平面内耦合也可以称为端面耦合，传统的端面耦合是将光纤尾纤端面与芯片波导端面直接对接耦合，这种耦合方式要求光纤与波导需要严格对准，对准容差十分有限，并且光纤与波导之间存在的模场失配问题，导致耦合效率低下。。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种偏振无关的LNOI端面耦合结构。

为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：

一种偏振无关的LNOI端面耦合结构，包括衬底、设置于衬底上的缓冲层和设置于缓冲层上的铌酸锂波导，所述铌酸锂波导由第一输入区、第一锥形区和第一输出区三部分组成，其中所述第一输入区和第一输出区宽度保持不变，所述第一锥形区采用反向锥形结构；在所述缓冲层上沉积外包层波导覆盖铌酸锂波导，所述外包层波导结构由第二输入区、第二锥形区和第二输出区三部分组成，其中所述第二输入区和所述第二输出区宽度保持不变，所述第二锥形区采用正向锥形结构。

优选地，所述衬底材料采用Z切铌酸锂，厚度在400-500微米。

优选地，所述缓冲层材料采用二氧化硅，厚度为2微米的常规晶圆厚度。

优选地，所述铌酸锂波导部分材料采用Z切铌酸锂，厚度为400nm典型晶圆厚度。

优选地，所述外包层波导部分材料采用SIOxNy。

优选地，所述第一锥形区尖端宽度小于150nm。

优选地，所述第一输入区和第二输入区均与光纤对接，所述第一输出区和第二输出区均与LNOI光子芯片对接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

(1)与现有技术相比，LNOI芯片与光纤间的耦合效率得到了进一步提升，并且对TE、TM两种偏振模式不敏感，基本可以实现偏振无关，其中包层正向锥形的设计，进一步增强了芯层铌酸锂反向锥形波导的模式转换效果，输入区宽度保持的设计也耦合效率的提升和偏振无关的实现起到增益作用；

(2)制作工艺基于现阶段成熟的半导体工艺技术，工艺技术层面便于实现，具有潜在的经济与应用价值，能够在集成光学领域得到广泛应用。

附图说明

图1为本实用新型一种偏振无关的LNOI端面耦合结构的结构示意图；

图2为本实用新型一种偏振无关的LNOI端面耦合结构的俯视结构示意图；

图3为本实用新型一种偏振无关的LNOI端面耦合结构的侧视结构示意图

图4为图1所示意的结构在TM、TE两种偏振模式下输入区端面处模场分布与输入光纤端面处模场分布对比示意图；

图5为图1所示意的结构在TM偏振模式下模场转换示意图；

图6为图1所示意的结构在TE偏振模式下模场转换示意图；；

图7为图1所示意的结构在TM、TE两种偏振模式下耦合效率示意图。

图中：

1、衬底，2、缓冲层，3、第一输入区，4、第一锥形区，5、第一输出区，6、第二输入区，7、第二锥形区，8、第二输出区。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

本实施例的一种偏振无关的LNOI端面耦合结构示意图如图1-3所示。包括衬底1、设置于衬底1上的缓冲层2和设置于缓冲层2上的铌酸锂波导，铌酸锂波导，可利用电子束曝光技术或者紫外曝光技术，对铌酸锂芯层波导形状进行定义，其中第一锥形区4尖端宽度建议不超过150nm，铌酸锂波导由第一输入区3、第一锥形区4和第一输出区5三部分组成，其中第一输入区3和第一输出区5宽度保持不变，第一锥形区4采用反向锥形结构，即沿传光方向宽度由窄到宽渐变；在缓冲层2上沉积外包层波导覆盖铌酸锂波导，外包层波导结构由第二输入区6、第二锥形区7和第二输出区8三部分组成，其中第二输入区6和第二输出区8宽度保持不变，第二锥形区7采用正向锥形结构，即沿传光方向宽度由宽到窄渐变；铌酸锂波导和外包层波导的输入区、锥形区、输出区在长度上一一对应。

衬底1材料采用Z切铌酸锂，厚度在400-500微米，，主要起支撑作用。

缓冲层2材料采用二氧化硅，厚度为2微米的常规晶圆厚度。

铌酸锂波导部分材料采用Z切铌酸锂，厚度为400nm典型晶圆厚度。

外包层波导部分材料采用SIOxNy，外包层波导参数应根据对接光纤尺寸而定，其中尤其锥形区宽端部分尺寸应与对接光纤严格匹配，外包层SIOxNy波导可利用等离子体增强化学气相沉积技术或者磁控溅射技术获得，在制造工艺过程中通过控制氮氧比例，得到理想折射率的外包层波导；第一输入区3和第二输入区6均与光纤对接，第一输出区3和第二输出区8均与LNOI光子芯片对接。

结构的制作大体可分为两部分，一部分为顶层铌酸锂波导的制作，包括第一输入区3、第一锥形区4和第一输出区5，首先利用电子束曝光EBL技术在晶圆顶层铌酸锂上定义第一输入区3、第一锥形区4和第一输出区5图案，再利用电感耦合等离子体ICP刻蚀技术向下转移定义图案，完成顶层铌酸锂波导的制作；另一部分为SiOxNy外包层波导的制作，包括第二输入区6、第二锥形区7和第二输出区8，首先利用等离子体增强化学气相沉积PECVD技术在晶圆缓冲层上沉积SiOxNy覆盖铌酸锂波导形成外包层，然后再次利用电子束曝光EBL技术在沉积的外包层上定义第二输入区6、第二锥形区7和第二输出区8图案，同样利用电感耦合等离子体ICP刻蚀技术向下转移定义图案，完成SiOxNy外包层波导的制作。

本实施例用于单模光纤与LNOI芯片之间耦合，输入区与单模光纤对接，输出区与LNOI芯片波导对接，目的是实现单模光纤的大模场与LNOI芯片的小模场间的模场变换。单模光纤选取模场直径3.2μm高数值孔径光纤，光经单模光纤进入外包层波导第二输入区6波导和芯层铌酸锂第一输入区3波导，此时光场大部分分布在外包层第二输入区6波导中，通过输入区宽度保持的设计在结构中实现稳定传输；随后进入锥形区，由于铌酸锂波导折射率高于外包层波导折射率，因而随着外包层第二锥形区7波导宽度逐渐变窄，以及芯层铌酸锂第一锥形区4波导宽度逐渐变宽，光场限制完成由外包层向芯层的转换；最终光场不再泄漏在外包层第二输出区8波导之中，光场完全被限制在芯层铌酸锂第一输出区5波导之中，传输到与铌酸锂第一输出区5波导相连接的LNOI芯片波导之中，至此完成光纤到LNOI芯片的耦合。

整体耦合损耗主要由以下三个方面组成：

(1)光纤端面与耦合器结构端面的菲涅尔反射损耗和光纤输入模场与耦合器结构端面模场的模式适配损耗。菲涅尔反射损耗形成的原因是光纤端面与耦合器结构端面存在折射率差，在耦合器结构端面镀一定折射率的增透膜或者滴加一定折射率的匹配液都可以有效消除菲涅尔反射，以TE模式为例加以简要说明，假定光纤端面折射率为n₁，耦合器结构端面折射率为n₂，入射角为θ₁，折射角为θ₂，根据菲涅尔反射定律计算反射系数为

根据斯涅耳公式和能量反射率R＝r²，得到能量反射率为

考虑到理论上垂直入射，因此

假定增透膜或匹配液折射率为n_ar，此时

不难发现当

时，菲涅尔反射损耗理论上完全被消除。模式失配损耗理论上不能被完全消除，只能被尽量降低，图4反映了TM和TE两种偏振模式下，输入光纤端面处与实施例输入区端面处光场分布情况，显然两者匹配度越高引入的损耗就越小，匹配度η可以用公式

表征，其中Ei表示光纤端面模场振幅分布，E_j表示输入区端面模场振幅分布，计算得TM和TE两种偏振模式下匹配度分别为95％和93％。

(2)传输损耗，传输损耗理论上是由模式转换过程中引入的，但是在实际上受限于制造工艺，波导结构表面通常不是绝对光滑的，因此在传输过程中会因波导侧壁粗糙度引入散射损耗，散射损耗不能被完全消除，只能通过完善刻蚀工艺以及通过例如CMP抛光工艺尽量降低。图5、图6分别反映了TM和TE两种偏振模式下模式转换示意图，假设光束沿X方向传播，反映出整体结构侧视(XZ)模式转换情况，以及输入区、锥形区和输出区三个主要位置处的截面(XY)模式分布情况，可以非常直观的观察到模场由大到小的转换过程。

(3)对准公差损耗，主要是由于光纤端面与耦合器结构端面之间的错位造成的，主要可以从X、Y、Z三个水平方向，以及绕X、绕Y、绕Z三个轴向，共计六个方向描述这种错位，可以采用精密六维位移系统完成光纤与耦合器结构之间的纳米级对准，同时采用光纤定位槽、点焊固化等方式加以辅助优化，基本可以消除对准公差损耗。

本实用新型的制作工艺相对简单可行，主要可以分为芯层铌酸锂波导制作和外包层波导制作两部分，芯层铌酸锂波导的制作用到的核心工艺包括电子束曝光技术和电感耦合等离子体刻蚀技术等，外包层波导的制作用到的核心工艺包括等离子体增强化学气相沉积技术、电子束曝光技术和电感耦合等离子体刻蚀技术等，加工中需要注意的是芯层铌酸锂波导尖端刻蚀宽度建议不应超过150nm，沉积外包层波导SiOxNy折射率建议在1.7左右。

图7反映了实施例在TM、TE两种偏振模式下耦合效率情况，两种偏振模式下耦合效率均超过90％，耦合带宽可以稳定在100nm范围内，并且基本实现了偏振无关、

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种偏振无关的LNOI端面耦合结构，其特征在于，包括衬底(1)、设置于衬底(1)上的缓冲层(2)和设置于缓冲层(2)上的铌酸锂波导，所述铌酸锂波导由第一输入区(3)、第一锥形区(4)和第一输出区(5)三部分组成，其中所述第一输入区(3)和第一输出区(5)宽度保持不变，所述第一锥形区(4)采用反向锥形结构；在所述缓冲层(2)上沉积外包层波导覆盖铌酸锂波导，所述外包层波导结构由第二输入区(6)、第二锥形区(7)和第二输出区(8)三部分组成，其中所述第二输入区(6)和所述第二输出区(8)宽度保持不变，所述第二锥形区(7)采用正向锥形结构。

2.根据权利要求1所述的一种偏振无关的LNOI端面耦合结构，其特征在于，所述衬底(1)材料采用Z切铌酸锂，厚度在400-500微米。

3.根据权利要求1所述的一种偏振无关的LNOI端面耦合结构，其特征在于，所述缓冲层(2)材料采用二氧化硅，厚度为2微米的常规晶圆厚度。

4.根据权利要求1所述的一种偏振无关的LNOI端面耦合结构，其特征在于，所述铌酸锂波导部分材料采用Z切铌酸锂，厚度为400nm典型晶圆厚度。

5.根据权利要求1所述的一种偏振无关的LNOI端面耦合结构，其特征在于，所述外包层波导部分材料采用SIOxNy。

6.根据权利要求1所述的一种偏振无关的LNOI端面耦合结构，其特征在于，所述第一锥形区(4)尖端宽度小于150nm。

7.根据权利要求1所述的一种偏振无关的LNOI端面耦合结构，其特征在于，所述第一输入区(3)和第二输入区(6)均与光纤对接，所述第一输出区(5)和第二输出区(8)均与LNOI光子芯片对接。

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