一种基于铌酸锂的非对称端面耦合器及其制备方法

技术领域

本申请涉及属于光电子器件设计的技术领域，具体地，涉及一种基于铌酸锂的非对称端面耦合器及其制备方法。

背景技术

铌酸锂材料具有较高的电光系数、压电系数、热光系数、声光系数和光弹性系数，被广泛应用于各类集成光子器件中。传统的铌酸锂器件通常基于体铌酸锂材料，通过钛扩散或质子交换工艺对单晶铌酸锂材料进行局部掺杂，略微提高掺杂区域的折射率，从而形成波导结构。为提高芯层与包层的折射率差，一些技术中提供了绝缘体上铌酸锂技术，将亚微米厚度的单晶铌酸锂薄膜键合在硅基二氧化硅层上构成新型材料体系，其波导和芯层折射率差最大可达0.7，大大增加了波导对光模式的束缚能力和电光调控效应，提高了铌酸锂光学器件的集成度。但较小的波导几何尺寸和较高的包层折射率差，使得铌酸锂光波导与标准单模光纤存在模场大小失配严重的问题。目前，通过在铌酸锂薄膜层上设置光栅耦合器件，或者在芯片边缘设置端面耦合器件，是解决该问题的两种常见技术方案。其中，光栅耦合器是根据布拉格衍原理设计的，理论耦合效率上限不高。而端面耦合器件则具有耦合效率高和耦合带宽大的优点，但端面耦合器件通常存在对准容差较小，器件尺寸较长和需要对端面抛光打磨后才能用于测试的缺点。

发明内容

本申请要解决的技术问题是现有铌酸锂光波导与标准单模光纤在耦合过程中对准容差小、刻蚀要求严格的问题，为此，本申请提出了基于铌酸锂的非对称端面耦合器及其制备方法。

针对上述技术问题，本申请提供如下技术方案：

第一方面，本申请技术方案提供一种基于铌酸锂的非对称端面耦合器，包括：

基底层；

设置于所述基底层上的下包层；

设置于所述下包层上的铌酸锂材料的第一波导和第二波导；其中，所述第一波导由梯形渐变子波导和条形输出子波导组成，所述第二波导为独立条形波导；

设置于所述第一波导和所述第二波导上的上包层。

一些方案中所述的基于铌酸锂的非对称端面耦合器，所述第一波导的梯形渐变子波导的窄边位于耦合端面处，宽边位于所述条形输出子波导连接处；所述条形输出子波动的宽度与所述梯形渐变子波导宽边的宽度相同；其中，所述梯形渐变子波导用于同其它片上器件进行能量交换；

一些方案中所述的基于铌酸锂的非对称端面耦合器，所述第二波导的宽度与所述第一波导中的所述梯形渐变子波导的窄边宽度相同。

一些方案中所述的基于铌酸锂的非对称端面耦合器，所述第一波导中的所述渐变梯形子波导的长度与所述第二波导的长度相同。

一些方案中所述的基于铌酸锂的非对称端面耦合器，所述第一波导和所述第二波导的侧壁成型有设定的倾斜角度。

一些方案中所述的基于铌酸锂的非对称端面耦合器，所述倾斜角度为70-90度。

一些方案中所述的基于铌酸锂的非对称端面耦合器，所述第一波导和所述第二波导的厚度、窄边宽度和二者的间隔距离由输入光接口的光模场规格所决定；所述光模场规格包括模场的形状及大小。

一些方案中所述的基于铌酸锂的非对称端面耦合器，所述第一波导和所述第二波导的厚度相同，位于200-700nm的范围内；

所述第一波导的窄边宽度和所述第二波导的宽度相同，位于100-500nm的范围内；所述第一波导的宽边宽度，位于500-3000nm的范围内。

一些方案中所述的基于铌酸锂的非对称端面耦合器，所述第一波导与所述第二波导的间隔距离，位于500-4000nm的范围内。

一些方案中所述的基于铌酸锂的非对称端面耦合器，所述下包层的材料为二氧化硅，厚度位于1.5-3.5μm的范围内，

所述上包层的材料为二氧化硅，厚度位于0.5-4μm的范围内。

第二方面，本申请技术方案提供一种铌酸锂非对称端面耦合器的制备方法，包括：

在薄膜铌酸锂芯片上需与光纤耦合的位置处，制备掩膜；

在掩膜上制备第一波导和第二波导，所述第一波导由梯形渐变子波导和条形输出子波导组成，所述第二波导为独立条形波导；

所述第一波导与所述第二波导之间具有空隙；

在填平所述第一波导和所述第二波导间空隙的同时制备一定厚度的二氧化硅上包层；

切割所述薄膜铌酸锂芯片，打磨耦合端面后得到铌酸锂非对称端面耦合器。

本申请的技术方案相对现有技术具有如下技术效果：

本申请提供的基于铌酸锂的非对称端面耦合器及其制备方法，其结构简单，加工难度低，可以和现有的成品光纤相适配，具有较高的适配性。同时条形输出子波导的宽度可调范围大，通过调整不同参数，能够满足耦合高阶模式和偏振光的需求，有丰富的应用场景。

附图说明

下面将通过附图详细描述本申请中优选实施例，将有助于理解本申请的目的和优点，其中:

图1为本申请一个实施例所述的铌酸锂的非对称端面耦合器的立体结构示意图；

图2为图1所示的铌酸锂的非对称端面耦合器沿Y正方向的侧视图；

图3是图1所示的铌酸锂的非对称端面耦合器沿X负方向在无二氧化硅上包层时的俯视图；

图4是本申请一个实施例所述的铌酸锂的非对称端面耦合器的制备流程图；

图5是非对称端面耦合器实例一的耦合谱线；

图6是非对称端面耦合器实例二的耦合谱线。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

此外，下面所描述的本申请不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本申请实施例提供一种基于铌酸锂的非对称端面耦合器，如图1所示，耦合器包括基底层1，设置于所述基底层1上的下包层2，设置于所述下包层2上的铌酸锂材料的第一波导3和第二波导4，以及设置于所述第一波导3和所述第二波导3上的上包层5。其中，所述第一波导3包括梯形渐变子波导31和条形输出子波导32。

如图2所示，所述的基于铌酸锂的非对称端面耦合器，所述第一波导的梯形渐变子波导31的窄边宽度和第二波导4的宽度均为Win，厚度均为h，两波导的间距为gap。所述第一波导3和所述第二波导4的侧壁成型有设定的倾斜角度α。优选地，所述倾斜角度为70-90度，即所述第一波导3和所述第二波导4的断面可以为梯形结构(非90度)或矩形结构(90度)。

如图3所示，所述的基于铌酸锂的非对称端面耦合器，第一波导的条形输出子波导32宽度为Wout，且所述第一子波导的梯形渐变子波导31的长度与所述第二波导4的长度相同，均为L。

在具体实现时，所述的铌酸锂非对称端面耦合器，所述第一波导3和所述第二波导4的厚度h、窄边宽度Win和二者的间隔距离gap，由输入光接口的光模场规格所决定；所述光模场规格包括模场的形状及大小，可以通过仿真结果确定。

作为一种优选的方案，所述第一波导3和所述第二波导4的厚度h相同，位于300-700nm的范围内；所述第一波导3的窄边宽度与第二波导4的宽度Win，位于100-500nm的范围内；所述第一波导3的宽边宽度Wout，位于500-3000nm的范围内。所述第一波导3与所述第二波导4的间隔距离gap，位于500-4000nm的范围内。

在一些方案中，所述下包层2的材料为二氧化硅，厚度位于1.5-3.5μm的范围内，所述上包层5的材料为二氧化硅，厚度位于0.5-4μm的范围内。

在一些方案中，本申请实施例提供一种铌酸锂非对称端面耦合器的制备方法，如图4所示，包括：

步骤一：在成品绝缘体上薄膜铌酸锂的芯片上需与光纤耦合的位置处，通过光刻工艺制备出所需的掩膜。

步骤二：在上一步的基础上，以光刻胶为掩膜，通过刻蚀工艺制备出第一波导和第二波导。

步骤三：在所述第一波导和所述第二波导上采用淀积工艺，在填平所述第一波导和所述第二波导间空隙的同时制备一定厚度的二氧化硅上包层。

步骤四：在对芯片进行切割解离后，对耦合端面处使用抛光工艺进行打磨，得到具有一定光滑程度的耦合端面。

通过本申请上述实施例中的方案，可以得到如下两种具体的铌酸锂非对称端面耦合器实例：

实例一：

一种基于铌酸锂薄膜的非对称端面耦合器如图1所示，其中，

所述基底1为硅材料，下包层2为二氧化硅材料，厚度为2μm；

所述第一子波导3和第二波导4的厚度h为400nm，所述第一子波导3的窄边宽度Win为400nm；

所述第一波导3和所述第二波导4之间的间隔距离gap为1500nm；

所述第一波导3的宽边宽度Wout为2500nm；

所述第一波导3和第二波导4的长度L为500μm；

所述输入光纤在光波长为1550nm时，模场直径为3.2μm，光斑形状为圆形。

二氧化硅材料的上包层5的厚度为3μm；

在上述参数下，最终经计算所设计的非对称端面耦合器实例1的耦合谱线如图5所示，其中传输效率在1550nm波长处为89.65％，在C波段的1dB带宽大于100nm。

实例二：

一种基于铌酸锂薄膜的非对称端面耦合器，与实例一相比，有如下区别：

所述第一子波导3和第二波导4的厚度h为200nm，窄边宽度Win为250nm；

所述第一波导3和所述第二波导4之间的间隔距离gap为1300nm；

所述第一波导3的宽边宽度Wout为1500nm；

所述第一波导3和第二波导4的长度L为300μm；

所述输入光纤在光波长为1310nm时，模场直径为3μm，光斑形状为圆形。

在上述参数下，最终经计算所设计的非对称端面耦合器实例2的耦合谱线如图6所示，其中传输效率在1310nm波长处为79.02％，在O波段的1dB带宽大于100nm。

显然，本申请上述实例中提供的器件，通过试验结果证明了本申请实例中的方案能够满足传输效率和带宽的要求。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。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。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本申请的保护范围之中。