一种三叉戟结构薄膜铌酸锂模斑转换器

技术领域

本发明涉及铌酸锂光子芯片技术领域，尤其涉及一种三叉戟结构薄膜铌酸锂模斑转换器。

背景技术

随着现在对于光通信技术的速率、容量的需求越来越高，光子集成器件的研发得到了社会的广泛的关注。目前光子器件的材料很多，其中应用比较广泛的主要包括绝缘体上硅、Inp、铌酸锂、化合物半导体。在众多光波导材料中，铌酸锂(LiNbO

影响铌酸锂薄膜光子器件集成化的一个关键技术就是实现光纤和光波导的高效耦合。以铌酸锂薄膜为芯层的光波导器件的尺寸为百纳米量级，单模光纤(SMP)尺寸为微米量级，相差两个数量级，直接将单模光纤与光波导对接的话会产生很大的耦合损耗。基于铌酸锂薄膜波导的模斑转换器可以连接铌酸锂薄膜光集成器件中的光波导与外部光纤，实现较大的耦合效率和较低的相关损耗，所以得到了广泛的研究。目前国内外关于铌酸锂薄膜模斑转换器的研究有很多，包括锥型波导、拓宽型波导以及光栅耦合器等多种结构类型。其中锥型波导具有设计简单、大带宽、耦合效率高等优点。

但是，目前锥型波导模斑转换器大多采用单波导的结构，想要实现其与光纤高耦合效率，就需要模斑转换器锥型端面尺寸很小，加工难度高，进而目前的锥型波导模斑转换器耦合效率较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三叉戟结构薄膜铌酸锂模斑转换器，解决了目前锥型波导模斑转换器耦合效率较低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种三叉戟结构薄膜铌酸锂模斑转换器，包括衬底、氧化物层、氮氧化硅波导和铌酸锂波导，所述氧化物层于所述衬底的上方，所述氮氧化硅波导在所述氧化物层内，所述铌酸锂波导位于所述氮氧化硅波导中，所述铌酸锂波导在所述氮氧化硅波导内为三叉戟结构，传输部分为锥形结构。

其中，所述衬底与所述铌酸锂波导之间的所述氧化物层厚度为2um。

其中，所述氮氧化硅波导的宽度和高度均为4um。

其中，所述铌酸锂波导的三叉戟结构的高为300nm。

其中，所述铌酸锂波导的厚度为600nm。

其中，所述铌酸锂波导的输出端口的脊刻蚀深度为300nm，高为300nm，脊型宽度为1um。

本发明的一种三叉戟结构薄膜铌酸锂模斑转换器，所述铌酸锂波导在所述氮氧化硅波导内采用三叉戟的结构，所述氮氧化硅波导在所述氧化物层内，所述铌酸锂波导的传输部分采用锥形的结构，通过所述铌酸锂波导宽度的逐渐增大，波导对于光的限制作用增强，当波导宽度增大到一定程度时，光被限制在波导中，光斑尺寸随之减小，实现光纤与波导之间两种模斑的高效耦合，经过优化设计模斑转换器传输过程的透过率为0.99，三叉戟结构的所述铌酸锂波导和引用所述氮氧化硅波导更方便的与光纤连接，提高了耦合效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本发明的三叉戟结构薄膜铌酸锂模斑转换器输入端口图。

图2是本发明的三叉戟结构薄膜铌酸锂模斑转换器输出端口图。

图3是本发明的铌酸锂波导和氮氧化硅波导波导的俯视图。

图4是本发明的三叉戟结构薄膜铌酸锂模斑转换器的侧视图。

图5是本发明的三叉戟结构薄膜铌酸锂模斑转换器L1与透过率的关系图。

图6是本发明的三叉戟结构薄膜铌酸锂模斑转换器L2与透过率的关系图。

图7是本发明的三叉戟结构薄膜铌酸锂模斑转换器w1与透过率的关系图。

图8是本发明三叉戟结构薄膜铌酸锂模斑转换器w2与透过率的关系图。

图中：101-衬底、102-氧化物层、103-氮氧化硅波导、104-铌酸锂波导。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1至图8，其中，图1是本发明的三叉戟结构薄膜铌酸锂模斑转换器输入端口图。图2是本发明的三叉戟结构薄膜铌酸锂模斑转换器输出端口图。图3是本发明的铌酸锂波导和氮氧化硅波导波导的俯视图。图4是本发明的三叉戟结构薄膜铌酸锂模斑转换器的侧视图。图5是本发明的三叉戟结构薄膜铌酸锂模斑转换器L1与透过率的关系图。图6是本发明的三叉戟结构薄膜铌酸锂模斑转换器L2与透过率的关系图。图7是本发明的三叉戟结构薄膜铌酸锂模斑转换器w1与透过率的关系图。图8是本发明三叉戟结构薄膜铌酸锂模斑转换器w2与透过率的关系图。本发明提供一种三叉戟结构薄膜铌酸锂模斑转换器：包括衬底101、氧化物层102、氮氧化硅波导103和铌酸锂波导104。

针对本具体实施方式，所述氧化物层102于所述衬底101的上方，所述氮氧化硅波导103在所述氧化物层102内，所述铌酸锂波导104位于所述氮氧化硅波导103中，所述铌酸锂波导104在所述氮氧化硅波导103内为三叉戟结构，传输部分为锥形结构。所述氧化物层102为二氧化硅层，其中所述铌酸锂波导104在所述氮氧化硅波导103内采用三叉戟的结构，所述氮氧化硅波导103在二氧化硅的所述样氧化物层102内，三叉戟所述铌酸锂波导104的传输部分采用锥形的结构，通过所述铌酸锂波导104宽度的逐渐增大，波导对于光的限制作用增强，当波导宽度增大到一定程度时，光被限制在波导中，光斑尺寸随之减小，实现光纤与波导之间两种模斑的高效耦合，经过优化设计模斑转换器传输过程的透过率为0.99。

其中，所述衬底101与所述铌酸锂波导104之间的所述氧化物层102厚度为2um。所述氮氧化硅波导103的宽度和高度均为4um。所述铌酸锂波导104的三叉戟结构的高为300nm。如图1所示，所述衬底101与所述铌酸锂波导104之间的二氧化硅所述氧化物层102厚度h2＝2um，所述氮氧化硅波导103的宽度和高度W＝H＝4um，用以匹配模场直径4um的光纤，三叉戟部分所述铌酸锂波导104h1＝300nm。

其次，所述铌酸锂波导104的厚度为600nm。所述铌酸锂波导104的输出端口的脊刻蚀深度为300nm，高为300nm，脊型宽度为1um。如图2所示，所述铌酸锂波导104厚度h＝600nm，输入光经过三叉戟结构，转化成脊波导结构的模式，所述铌酸锂波导104输出端口的脊刻蚀深度为300nm，h1＝300nm，脊型宽度w＝1um。如图3所示，w1＝w3，w4设计为w4＝1um。如图5所示，使用EME求解器，对三叉戟锥形长度L1扫描，仿真得到不同长度L1对模斑转换器输入端口到输出端口的光的透过率(也叫传输效率)的影响，透过率随着L1的增大而增大，在250um的时候达到饱和，所以模斑转换器L1设计为300um。如图6所示，扫描参数对透过率的影响，透过率随着L2的增大而增大，在100um的时候达到饱和，所以模斑转换器L2设计为100um。如图7所示，扫描参数对透过率的影响，透过率随着w1的增大而减小，所以设计w1＝w3＝0.1um，此时的透过率为0.991。如图8所示，扫描参数对透过率的影响，三个锥型波导的间距w2大于0.33um时透过率下降，所以设计w2＝0.2um，此时的透过率为0.991。

使用本实施例的一种三叉戟结构薄膜铌酸锂模斑转换器，如图3所示，所述铌酸锂波导104由前端3个尺寸一样的锥形波导并排，然后经过一小段逐渐变大的平板波导，进入到由脊型波导形成的锥形波导而组成，类似三叉戟结构，三叉戟结构的所述铌酸锂波导104和引用所述氮氧化硅波导103更方便的与光纤连接，提高了耦合效率。

以上所揭露的仅为本申请一种或多种较佳实施例而已，不能以此来限定本申请之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本申请权利要求所作的等同变化，仍属于本申请所涵盖的范围。