CN220289896U - 一种石英衬底铌酸锂模斑转换器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种石英衬底铌酸锂模斑转换器，涉及光通信和微波光子领域。本实用新型包括石英衬底层、二氧化硅包层、铌酸锂波导层、氧化物夹层和氧化物上包层，所述铌酸锂波导层为三层阶梯型结构，且三层铌酸锂波导层的光纤耦合端横截面均为等腰梯形，氧化物夹层和氧化物上包层的光纤耦合端横截面均下部设有缺口，上部设有等腰梯形突出的形状，且氧化物夹层和氧化物上包层的等腰梯形突出、铌酸锂波导层的横截面等腰梯形的斜边角度均不超过70°。本实用新型可实现光信号在集成铌酸锂光子芯片与光纤间进行耦合时的高耦合和低传输损耗，且降低了工艺加工难度，具有较高的实用性。
Description
技术领域
本实用新型涉及光通信与微波光子领域，尤其是指一种石英衬底铌酸锂模斑转换器。
背景技术
近年来，半导体微电子芯片的尺寸已接近理论极限，越来越难以突破摩尔定律的限制。而光电子集成芯片由于其巨大的传输带宽和优异的低功耗特性，被认为是能够突破摩尔定律的革命性器件，会改变未来芯片格局。在众多光波导材料中，铌酸锂(LiNbO3)晶体以其优异的电光、声光、非线性特性、较宽的光学透明窗口、以及相对稳定的物理和化学性质，受到了广泛关注。在进行光信号传输时，需要将光信号从外接光纤中耦合进光电芯片中，或者是将处理完成的光信号从光电芯片耦合进光纤中。目前有常用两种光耦合方式：基于边缘耦合的模斑转换器和基于垂直耦合的光栅耦合器。降低端面耦合损耗的方法是使用基于边缘耦合的模斑转换器，模斑转换器通过改变波导尺寸来扩大其模场尺寸以匹配光纤的模场。相较光栅耦合器而言，模斑转换器与器件位于同一平面，保证光纤和波导光场的传输方向一致，避免了波矢方向不同带来的额外损耗，因此可以获得较高的耦合效率，且工作带宽较宽，偏振相关损耗较低，后续的芯片封装也比较方便。
在光电子集成芯片领域，得益于微加工技术的发展，在铌酸锂薄膜平台上加工超高品质的波导、微腔和非线性结构正在成为现实，利用这些结构实现的集成光电子器件也获得了性能的大幅度提升，铌酸锂材料具有快速的电光响应能力，可以在光子芯片中实现快速相位调制，并且在通讯波段的传输损耗较低。将泵浦光源与二次谐波发生装置集成在统一平台上，可以消除和频过程的输入损耗，表现出更好的性能。
铌酸锂薄膜波导尺寸小，易于集成，折射率对比度大，因此具有更强的光学束缚能力和更低的损耗。对于铌酸锂波导平台，设计良好的高效耦合器可以降低耦合损耗。对于将光耦合进芯片中，光栅耦合器固有的工作机制励限制了他的工作带宽，对偏振态和光纤对准的敏感性也限制了它的应用，为了克服光栅耦合器的局限性，模斑转换器在集成铌酸锂光子学得到了发展，模斑转换器通常把锥形光纤中的光耦合进波导中，锥形光纤的模场直径约2μm，为了匹配这种模场直径，常在芯片边缘设计倒锥形波导，最大程度的减少背向反射。
目前已报道的基于铌酸锂的模斑转换器比较少。其中，华中科技大学的夏金松教授研究团队研究了一种基于铌酸锂的双层模斑转换器，采用z切的方式，其采用倒锥型模斑转换器用于激光器与铌酸锂薄膜单模波导间的耦合，但其铌酸锂结构对加工工艺要求较高，铌酸锂边缘需做到与地面成90°，成为了加工难点。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提供了一种石英衬底铌酸锂模斑转换器，用于解决光信号在集成铌酸锂光子芯片与光纤间进行耦合时，两者之间的耦合效率低，以及实际加工过程中工艺难度较大的难题。
为了解决上述问题，本实用新型的技术方案为：
一种石英衬底铌酸锂模斑转换器，包括从下至上依次设置的石英衬底层1、二氧化硅包层2、铌酸锂波导层3和氧化物上包层5；所述铌酸锂波导层3为三层阶梯型结构，所述铌酸锂波导层3的第一层铌酸锂波导301紧贴二氧化硅包层2，第一层铌酸锂波导301的光纤耦合端横截面为等腰梯形，延光纤耦合端向集成芯片耦合端的方向上，横截面宽度保持一致；第二层铌酸锂波导302分为三部分，三部分的横截面均为等腰梯形，每部分延光纤耦合端向集成芯片耦合端的方向逐渐变宽，等腰梯形的斜边角度保持不变，且与第一层铌酸锂波导301的横截面等腰梯形的斜边角度相等，第二层第一部分3021逐渐变宽，宽度与第一层铌酸锂波导301一致后融合延伸，与二氧化硅包层2贴合，第二层第二部分3022的最窄边与第二层第一部分3021的最宽边一致，且张角变大，第二层第三部分3023的最窄边与第二部分3022的最宽边一致，且张角进一步变大；第三层铌酸锂波导303分为两部分，两部分的横截面均为等腰梯形，等腰梯形的斜边角度保持不变，且与第一层铌酸锂波导301的横截面等腰梯形的斜边角度相等，第三层第一部分3031延光纤耦合端向集成芯片耦合端的方向逐渐变宽，长度与第二层第二部分3022一致，第三层第二部分3032的宽度与第三层第一部分3031的最宽边一致，长度与第二层第三部分3023一致。
进一步地，铌酸锂波导层3与氧化物上包层5之间还设有氧化物夹层4。
进一步地，氧化物夹层4和氧化物上包层5的光纤耦合端横截面均为下部设有缺口，上部设有等腰梯形突出的形状；且氧化物上包层5的缺口与氧化物夹层4的等腰梯形突出相对应，氧化物夹层4的缺口与铌酸锂波导层3的横截面相对应。
进一步地，氧化物夹层4和氧化物上包层5的等腰梯形突出、铌酸锂波导层3的横截面等腰梯形的斜边角度均不超过70°，同时两端铌酸锂波导的最窄宽度不小于500nm。
进一步地，氧化物夹层4的等腰梯形突出的高度不超过700nm，氧化物上包层5的等腰梯形突出的高度不超过1.4μm。
本实用新型相对背景技术具有以下有益效果：
1、本实用新型中铌酸锂波导层采用三层阶梯型传输模型，可降低传输损耗。
2、本实用新型中采用在铌酸锂波导层和氧化物上包层之间加入氧化物夹层的方案能够显著提高出射光和拉锥光纤之间的耦合效率。
3、本实用新型中铌酸锂波导层、氧化物夹层和氧化物上包层均采用不超过70度的斜边刻蚀，降低了加工难度，具有更高的容差。
附图说明
图1是本实用新型实施例中高耦合效率和低传输损耗的石英衬底铌酸锂模斑转换器的光纤耦合端横截面结构示意图。
图2是本实用新型实施例中铌酸锂波导层的俯视图。
图3是本实用新型实施例中铌酸锂波导层的轴测图。
图4是本实用新型实施例中氧化物夹层的轴测图。
图5是本实用新型实施例中氧化物上包层的轴测图。
图6是本实用新型实施例在1550nm处的传输模场分布俯视图。
图7是本实用新型实施例在1550nm处的传输模场分布侧视图。
图8是本实用新型实施例在在1550nm处的出射光的传输模场分布图。
图9是本实用新型实施例在1550nm波长附近的传输效率图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的说明：
如图1-图3所示，一种石英衬底铌酸锂模斑转换器，包括从下至上依次设置的石英衬底层1、二氧化硅包层2、铌酸锂波导层3和氮氧化硅上包层5；所述铌酸锂波导层3为三层阶梯型结构，所述铌酸锂波导层3的第一层铌酸锂波导301紧贴二氧化硅包层2，第一层铌酸锂波导301的光纤耦合端横截面为等腰梯形，延光纤耦合端向集成芯片耦合端的方向上，横截面宽度保持一致；第二层铌酸锂波导302分为三部分，三部分的横截面均为等腰梯形，每部分延光纤耦合端向集成芯片耦合端的方向逐渐变宽，等腰梯形的斜边角度保持不变，且与第一层铌酸锂波导301的横截面等腰梯形的斜边角度相等，第二层第一部分3021从距光纤耦合端5μm处向集成芯片耦合端延伸，且第二层第一部分3021逐渐变宽，宽度与第一层铌酸锂波导301一致后融合延伸，与二氧化硅包层2贴合，第二层第二部分3022从距光纤耦合端17μm处向集成芯片耦合端延伸，且第二层第二部分3022的最窄边与第二层第一部分3021的最宽边一致，且张角变大，第二层第三部分3023从距光纤耦合端27μm处向集成芯片耦合端延伸，共18μm长，且第二层第三部分3023的最窄边与第二部分3022的最宽边一致，且张角进一步变大；第三层铌酸锂波导303分为两部分，两部分的横截面均为等腰梯形，等腰梯形的斜边角度保持不变，且与第一层铌酸锂波导301的横截面等腰梯形的斜边角度相等，第三层第一部分3031延光纤耦合端向集成芯片耦合端的方向逐渐变宽，长度与第二层第二部分3022一致，第三层第二部分3032的宽度与第三层第一部分3031的最宽边一致，长度与第二层第三部分3023一致。
具体的，第一层铌酸锂波导301的高度为190nm，横截面等腰梯形的短边长恒定为0.5μm；第二层铌酸锂波导302高度增至0.3μm，第二层第一部分3021的横截面等腰梯形的短边长由0.1μm变宽为0.7μm，第二层第二部分3022的横截面等腰梯形的短边长由0.7μm增宽至3μm，第二层第三部分3023的横截面等腰梯形的短边长由3μm增宽至8μm；第三层铌酸锂波导303高度增至0.6μm，第三层第一部分3031的横截面等腰梯形的短边长由0.1μm增宽至1.5μm，第三层第二部分3032的横截面等腰梯形的短边长恒定为1.5μm。
通过对铌酸锂波导层的三层阶梯型结构的设计，实现了低传输损耗的效果。
进一步地，如图1所示，铌酸锂波导层3与氮氧化硅上包层5之间还设有二氧化硅夹层4。
具体的，石英衬底层1用作对整个芯片的进行支撑，二氧化硅包层2的厚度为2μm，折射率为1.47，石英衬底铌酸锂模斑转换器工作在TE偏振模式；通过二氧化硅夹层4的设计，能够显著提高出射光和拉追光纤之间的耦合效率。
进一步地，如图4、图5所示，二氧化硅夹层4和氮氧化硅上包层5的光纤耦合端横截面均为矩形一边中心设有缺口，对应边中心设有等腰梯形突出的形状；且氮氧化硅上包层5的缺口与二氧化硅夹层4的等腰梯形突出相对应，二氧化硅夹层4的缺口与铌酸锂波导层3的横截面相对应。
具体的，二氧化硅夹层4的矩形部分与等腰梯形部分的高度均为700nm，等腰梯形部分的短边长为1.4μm，氮氧化硅上包层5的矩形部分与等腰梯形部分的高度均为1.4μm，等腰梯形部分的短边长为6.5μm。
进一步地，第一氧化物夹层4和第二氧化物上包层5的等腰梯形突出、铌酸锂波导层3的横截面等腰梯形的斜边角度均为70°。
通过倾角不超过70°的设计，不需使用EBL进行加工，可以使用光刻工艺进行光刻，可以降低工艺难度，大大节省工艺加工成本。
具体的，如图6-图9所示，为本优选实施例在1550nm处的的传输模场分布图以及传输效率图，可以看到大部分的光都沿模斑转换器的方向传播，其他方向的光损失较少。
总之，本实用新型提供了一种石英衬底铌酸锂模斑转换器，实现了光信号在集成铌酸锂光子芯片与光纤间进行耦合时的高耦合和低损耗，且降低了工艺加工难度。
最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不限制本实用新型，在不脱离所附权利要求定义的本实用新型的精神和范围前提下，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种石英衬底铌酸锂模斑转换器，包括从下至上依次设置的石英衬底层(1)、二氧化硅包层(2)、铌酸锂波导层(3)和氧化物上包层(5)；其特征在于，所述铌酸锂波导层(3)为三层阶梯型结构，所述铌酸锂波导层(3)的第一层铌酸锂波导(301)紧贴二氧化硅包层(2)，第一层铌酸锂波导(301)的光纤耦合端横截面为等腰梯形，延光纤耦合端向集成芯片耦合端的方向上，横截面宽度保持一致；第二层铌酸锂波导(302)分为三部分，三部分的横截面均为等腰梯形，每部分延光纤耦合端向集成芯片耦合端的方向逐渐变宽，等腰梯形的斜边角度保持不变，且与第一层铌酸锂波导(301)的横截面等腰梯形的斜边角度相等，第二层第一部分(3021)逐渐变宽，宽度与第一层铌酸锂波导(301)一致后融合延伸，与二氧化硅包层(2)贴合，第二层第二部分(3022)的最窄边与第二层第一部分(3021)的最宽边一致，且张角变大，第二层第三部分(3023)的最窄边与第二部分(3022)的最宽边一致，且张角进一步变大；第三层铌酸锂波导(303)分为两部分，两部分的横截面均为等腰梯形，等腰梯形的斜边角度保持不变，且与第一层铌酸锂波导(301)的横截面等腰梯形的斜边角度相等，第三层第一部分(3031)延光纤耦合端向集成芯片耦合端的方向逐渐变宽，长度与第二层第二部分(3022)一致，第三层第二部分(3032)的宽度与第三层第一部分(3031)的最宽边一致，长度与第二层第三部分(3023)一致。
2.根据权利要求1所述的一种石英衬底铌酸锂模斑转换器，其特征在于，铌酸锂波导层(3)与氧化物上包层(5)之间还设有氧化物夹层(4)。
3.根据权利要求2所述的一种石英衬底铌酸锂模斑转换器，其特征在于，氧化物夹层(4)和氧化物上包层(5)的光纤耦合端横截面均为下部设有缺口，上部设有等腰梯形突出的形状；且氧化物上包层(5)的缺口与氧化物夹层(4)的等腰梯形突出相对应，氧化物夹层(4)的缺口与铌酸锂波导层(3)的横截面相对应。
4.根据权利要求3所述的一种石英衬底铌酸锂模斑转换器，其特征在于，氧化物夹层(4)和氧化物上包层(5)的等腰梯形突出、铌酸锂波导层(3)的横截面等腰梯形的斜边角度均不超过70°，同时两端铌酸锂波导的最窄宽度不小于500nm。
5.根据权利要求3所述的一种石英衬底铌酸锂模斑转换器，其特征在于，氧化物夹层(4)的等腰梯形突出的高度不超过700nm，氧化物上包层(5)的等腰梯形突出的高度不超过1.4μm。
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