一种薄膜铌酸锂光学耦合结构及装配耦合方法

技术领域

本发明属于光学耦合器件技术领域，涉及一种薄膜铌酸锂光学耦合结构及装配耦合方法，具体涉及一种薄膜铌酸锂直波导、Y波导、MMI耦合器、光纤陀螺、调制器等集成芯片光学耦合结构及装配耦合方法。

背景技术

随着AI、云计算等市场规模持续增长，市场对模块尺寸、速率、低光损耗、功耗及高信噪比等提出了更高的要求，现有的硅基调制器、III-V族调制器及基于化合物的调制器等都不能同时满足这些要求。

薄膜铌酸锂调制器方案的前景相对较好，性能有非常大的提升空间，需要更多的迭代与优化，因此薄膜铌酸锂集成器件将迎来重要发展机遇；另外TFLN调制器集成化在微波光子、军事航天，并且有望成为新兴应用的基石，如卫星数据链路、模拟通信、光学传感器和量子信息处理。但，薄膜铌酸锂波导耦合成为亟待解决的问题；普通光纤光斑直径约为6～10um，锥形跳线光纤光斑直径约为2um，薄膜铌铌酸锂光波导宽度通常在1um左右，波导厚度通常为0.5～0.8um，波导中的模场较小，在与光纤进行端面耦合时耦合效率低，而且耦合容差也较小。

发明内容

针对现有技术中存在的不足之处，本发明提供一种薄膜铌酸锂光学耦合结构及装配耦合方法。

本发明公开了一种薄膜铌酸锂光学耦合结构，包括：薄膜铌酸锂波导、光纤、棱镜、光学透镜和接收套件；

所述薄膜铌酸锂波导的一侧放置有所述光纤，使所述光纤输出的光耦合进入所述薄膜铌酸锂波导内；

所述薄膜铌酸锂波导的另一侧放置有所述棱镜，所述棱镜与所述薄膜铌酸锂波导的接触位置处设有匹配液，所述棱镜的出光方向上依次放置有所述光学透镜和接收套件；使所述薄膜铌酸锂波导内传输的光耦合进入到所述棱镜内，并经所述光学透镜汇聚进入到所述接收套件中。

作为本发明的进一步改进，所述薄膜铌酸锂波导的上表面设有二氧化硅层；

刻蚀所述二氧化硅层以露出所述薄膜铌酸锂波导的上表面，且刻蚀成与所述棱镜相配合的凹槽。

作为本发明的进一步改进，所述棱镜的折射率大于所述薄膜铌酸锂波导的折射率，所述棱镜的材料包括TiO

作为本发明的进一步改进，所述光学透镜为具有光汇聚作用的透镜，包括非球透镜和球透镜中的一种。

作为本发明的进一步改进，所述光纤包括锥形跳线、小模场跳线和透镜光纤中的一种，所述光纤的出光耦合进入所述薄膜铌酸锂波导的端面。

作为本发明的进一步改进，所述接收套件包括光电转换芯片、光电转换器件、光纤和光波导中的一种，用于将光信号转换成电信号。

作为本发明的进一步改进，所述匹配液包括UV2100和二碘甲烷中的一种。

本发明还公开了一种薄膜铌酸锂光学耦合结构的装配耦合方法，包括：

在薄膜铌酸锂波导的进光侧放置有所述光纤；

刻蚀薄膜铌酸锂波导表面的二氧化硅层以露出所述薄膜铌酸锂波导出光侧的上表面；

在薄膜铌酸锂波导的出光侧依次放置有棱镜、光学透镜和接收套件，所述棱镜与所述薄膜铌酸锂波导的接触位置处设有匹配液；

光纤输出的光耦合进入薄膜铌酸锂波导内；

光在薄膜铌酸锂波导中传播，当传播到棱镜处时，薄膜铌酸锂波导中的光耦合进入到棱镜中；

棱镜中的光入射到光学透镜中进行汇聚，并经过光学透镜汇聚进入到接收套件中。

作为本发明的进一步改进，还包括：

调整薄膜铌酸锂波导和棱镜的厚度，使棱镜的耦合效率达到最大。

作为本发明的进一步改进，还包括：

调整光学透镜的位置，使接收套件的转化效率达到最大。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明采用棱镜与薄膜铌酸锂波导耦合，大大提高了薄膜铌酸锂的耦合效率，耦合效率较模斑转换器提升了20～40％，且操作简单；

本发明增大了薄膜铌酸锂集成芯片波导和光纤耦合的容差，即降低了耦合过程中对光纤的对准要求；

本发明降低了波导损耗以及光刻制作工艺精度要求，装配工艺简单，成品率高，利用实用化推广。

附图说明

图1为本发明公开的薄膜铌酸锂光学耦合结构的示意图；

图2为本发明公开的在薄膜铌酸锂波导表面的二氧化硅层上刻蚀出棱镜位置的示意图。

图中：

1、薄膜铌酸锂波导；2、棱镜；3、光学透镜；4、光纤；5、接收套件；6、匹配液；7、二氧化硅层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

如图1所示，本发明提供一种薄膜铌酸锂光学耦合结构，包括：薄膜铌酸锂波导1、棱镜2、光学透镜3、光纤4、接收套件5和匹配液6；其中，

本发明的薄膜铌酸锂波导1的一侧放置有光纤4，使光纤4输出的光经薄膜铌酸锂波导1的端面耦合进入薄膜铌酸锂波导1内。

本发明的薄膜铌酸锂波导的另一侧放置有棱镜2，棱镜与薄膜铌酸锂波导的接触位置处设有匹配液6；具体的：如图2所示，薄膜铌酸锂波导1的上表面设有二氧化硅层7，刻蚀二氧化硅层7以露出薄膜铌酸锂波导1的上表面，且刻蚀成与棱镜的长宽尺寸相配合的凹槽；在凹槽内放置匹配液6后，将棱镜2置于凹槽内；其中，刻蚀深度刚好与薄膜铌酸锂波导1上面重合，然后清洁干净。棱镜2的出光方向上依次放置有光学透镜3和接收套件5；使薄膜铌酸锂波导1内传输的光经棱镜2的底部耦合进入到棱镜2内，并经光学透镜3汇聚进入到接收套件5中。

具体的：

本发明的棱镜2的折射率大于薄膜铌酸锂波导1的折射率，棱镜的材料包括TiO

本发明提供一种薄膜铌酸锂光学耦合结构的装配耦合方法，包括：

S1、在薄膜铌酸锂波导1的进光侧放置有光纤4；

S2、刻蚀薄膜铌酸锂波导1表面的二氧化硅层7以露出薄膜铌酸锂波导1出光侧的上表面；

S3、在薄膜铌酸锂波导1的出光侧依次放置有棱镜2、光学透镜3和接收套件5，棱镜2与薄膜铌酸锂波导1的接触位置处设有匹配液6；

S4、光纤4输出的光耦合进入薄膜铌酸锂波导1内；

S5、光在薄膜铌酸锂波导1中传播，当传播到棱镜2处时，薄膜铌酸锂波导中的光经棱镜2的底部耦合进入到棱镜2中；

S6、棱镜2中的光入射到光学透镜3中进行汇聚，并经过光学透镜3汇聚进入到接收套件5中。

进一步，在使用时，可通过调整薄膜铌酸锂波导1和棱镜2的厚度，使棱镜的耦合效率达到最大。

进一步，在使用时，可通过调整光学透镜3的位置，使接收套件的转化效率达到最大。

本发明的优点为：

本发明的薄膜铌酸锂波导和棱镜可以分离，可同时实现同样结构的多路薄膜铌酸锂波导光路耦合，进行实现多通道光信号的并行或者合波传输，减少了装配零部件、简化装备过程、节约装配成本、提高了耦合效率；

本发明操作简单，可以保持较高耦合效率基础上，实现薄膜铌酸锂波导与光纤的耦合；增大了薄膜铌酸锂集成芯片波导和光纤耦合的容差，即降低了耦合过程中对光纤的对准要求；降低了波导损耗以及光刻制作工艺精度要求，装配工艺简单，成品率高，利用实用化推广。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。