一种LNOI基光波导反向楔形模斑耦合器及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种LNOI基光波导反向楔形模斑耦合器及制备方法，LNOI结构顶部的LN层作为第一波导芯层，第一波导芯层为反向楔形结构；第一波导芯层上覆盖有具有固定宽度的第二波导芯层，第二波导芯层的折射率小于第一波导芯层的折射率。本发明专利技术利用波导结构光传输芯层在高度和宽度的变化，实现在垂直和水平方向上对入射光的扩展或者压缩，达到亚微米尺寸光波导器件与光芯片或者单模光纤的高效耦合的目的；本发明专利技术可以实现LNOI基光波导与光芯片或单模光纤的直接端面耦合，提高二者的模斑匹配度，有利于大规模光路的集成。

An lnoi based waveguide reverse wedge mode spot coupler and its fabrication method

【技术实现步骤摘要】
一种LNOI基光波导反向楔形模斑耦合器及制备方法
本专利技术涉及光互连和光波导
，具体涉及一种LNOI基光波导反向楔形模斑耦合器及制备方法，用于实现LNOI基光波导与光芯片和普通单模光纤的互连耦合。
技术介绍
铌酸锂晶体(LiNbO3，简称LN)是一种负单轴晶体，具有非中心对称性，有较宽的波长透过范围，约为350nm～5500nm，具有优良的压电、介电、铁电、电光、声光和非线性光学性能，是综合指标最好的铁电体材料，有着“光学硅”的称号。传统的铌酸锂体材料发展成熟，已经广泛应用在调制器、光纤陀螺、光纤传感等领域。而采用离子注入和晶圆键合技术制备的绝缘体上铌酸锂(LNOI晶片)作为一种新的薄膜材料，具有单晶性能高、波导芯层与包层折射率差较大(约0.7左右)，限光能力强，可做到微纳尺寸等优点，是用于开发大规模集成光电子器件的理想平台。目前，已有研究人员在LNOI基上分别实现了Y分支光波导、电光调制器、微环谐振器和二次谐波发生器等，用于制备LNOI基纳米波导、微环等结构的加工工艺也日趋成熟和完善。光波导结构是各类光学器件的基础，光耦合器、光放大器等许多光学器件都是在光波导结构上制备的，由于LNOI基铌酸锂光波导的芯层与包层的折射率差较大，具有很强的光场限制能力，所以LNOI基的光波导的尺寸可以做到很小，在单模传输条件下，其横截面尺寸一般小于1μm2。较小的波导尺寸在实现高度集成的同时，也使得光波导与光纤或者光源芯片之间的模场严重失配。一般来说，单模光纤的纤芯直径约8～10μm，远远大于横截面小于1μm2的LNOI基光波导。光从光纤进入LNOI基光波导，由于尺寸失配带来的模场失配会引起很大耦合损耗，所以，如何实现光纤或者光芯片与LNOI基光波导的高效耦合，是目前LNOI光互连亟待解决的一个关键问题。对于光纤或者光芯片与LNOI基光波导的光互连，目前常用的耦合手段有聚焦耦合、棱镜耦合、对接耦合，波导光栅耦合等。聚焦耦合是通过光学透镜将光聚焦到波导端面实现模式耦合，利用聚焦耦合的方法可以有效的降低入射光斑的尺寸，使其与波导模式匹配，但耦合需要借助透镜光路，升级了系统的复杂度，且难以满足集成测试的需求。棱镜耦合是利用具有高折射率的棱镜来实现空间中传播的光束与波导模式的相位匹配，从而将光耦合进波导，这是一种表面耦合技术，多用于对波导材料折射率的测量。对接耦合是将光纤与波导端面直接对准实现耦合，这种方式对准较差，巨大的尺寸差异使得耦合效率低下；还有对光纤尾端进行拉锥和制作透镜光纤来实现与波导的耦合的，其仅在一个维度上对波导模式进行增宽，对耦合效率的提升作用不是太大。波导光栅耦合作为一种垂直耦合的耦合方式，通过刻写光栅来对满足布拉格衍射条件的入射光进行耦合，虽然其耦合位置灵活，但需要对衬底泄露光进行优化，需要在衬底表面制备一层金属反射镜层。在类似LNOI结构的SOI结构中，其单晶薄膜层为折射率更高的硅层(约3.4左右)，以硅为芯层的光波导器件的尺寸更小，与单模光纤相比小近2个数量级，为实现SOI光波导器件与单模光纤的直接对接耦合，有研究人员提出了一种倒置锥形波导耦合法(专利号：201510665008.4_波导三维模斑转换器)，通过一段由细变粗的倒置锥形结构，将光纤耦合到波导外覆盖层的光缓慢的收紧回波导结构中传输，通过设计合理的倒置锥形和外覆盖包层的特征尺寸实现高效的端面耦合。铌酸锂材料相较于硅材料来说，作为人工合成晶体材料，具有更强的抗化学性，微纳加工问题是目前大家都在解决的一个棘手问题，加工精度较成熟的硅材料加工精度有很大的差距，对于百纳米级的线宽，依然是一个挑战；所以，对于SOI结构的倒置锥形波导耦合法，在LNOI结构中，倒置锥形的特征尺寸不能达到最佳透过率尺寸，对于光波导器件与单模光纤或者光芯片的高效耦合，没有显著的提升。
技术实现思路
针对上述问题中存在的不足之处，本专利技术提供一种LNOI基光波导反向楔形模斑耦合器及制备方法。本专利技术公开了一种LNOI基光波导反向楔形模斑耦合器，包括：LNOI结构；所述LNOI结构顶部的LN层作为第一波导芯层；所述第一波导芯层为反向楔形结构，沿光传播反向包括：具有固定宽度的第一波导部和宽度渐缩的第二波导部；所述第一波导部的端部置于所述LNOI结构的一端面处，用于连接LNOI基光波导；所述第二波导部的端部置于所述LNOI结构的两端面之间；所述第一波导芯层上覆盖有具有固定宽度的第二波导芯层，所述第二波导芯层的折射率小于所述第一波导芯层的折射率；所述第二波导芯层的一端部置于所述第一波导部与第二波导部的的交界端面处；所述第二波导芯层的另一端部置于所述LNOI结构的另一端面处，用于连接光芯片或单模光纤。作为本专利技术的进一步改进，所述LNOI结构自下至上包括支撑衬底层、绝缘层和所述第一波导芯层。作为本专利技术的进一步改进，所述支撑衬底层为LN层或硅层，厚度为300～800μm；所述绝缘层为二氧化硅层，厚度为2～3μm，用于防止光泄露至所述支撑衬底层中；所述第一波导芯层的厚度为400～900nm。作为本专利技术的进一步改进，所述第二波导芯层的折射率为渐变折射率，其中心折射率最高，沿光传播方向向两端递减；所述第二波导芯层的中心折射率小于所述第一波导芯层的折射率。作为本专利技术的进一步改进，所述第二波导芯层为SiON层，调节N和O的比例使所述第二波导芯层的折射率为1.45～2。作为本专利技术的进一步改进，所述第一波导部和第二波导芯层的宽度由单模条件计算得到。作为本专利技术的进一步改进，还包括：包层；所述包层覆盖在所述第一波导部和第二波导芯层上；所述包层的折射率小于所述第二波导芯层的折射率。作为本专利技术的进一步改进，所述包层为二氧化硅层。本专利技术还公开了一种LNOI基光波导反向楔形模斑耦合器的制备方法，包括：对LNOI结构进行RCA标准化清洗，清除表面的杂质颗粒及有机油污；将LNOI结构顶层的LN层刻蚀成第一波导芯层；在第一波导芯层上沉积包裹第一波导芯层的第二波导芯层；在第二波导芯层上覆盖包层。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：本专利技术利用波导结构光传输芯层在高度和宽度的变化，实现在垂直和水平方向上对入射光的扩展或者压缩，达到亚微米尺寸光波导器件与光芯片或者单模光纤的高效耦合的目的；本专利技术可以实现LNOI基光波导与光芯片或单模光纤的直接端面耦合，提高二者的模斑匹配度，有利于大规模光路的集成。附图说明图1为本专利技术一种实施例公开的LNOI基光波导反向楔形模斑耦合器中LNOI结构的示意图；图2为在图1的结构上覆盖第二波导芯层后形成的LNOI基光波导反向楔形模斑耦合器的一种示意图；图3为在图2的结构上覆盖包层后形成的LNOI基光波导反向楔形模斑耦合器的另一种示意图；图4为图3中LNOI基光波导反向楔形模斑耦合器的制备方法的流程图。图中：1、支撑衬底层；2、绝缘层；3、第一波导芯层；31、第一波导本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种LNOI基光波导反向楔形模斑耦合器，其特征在于，包括：LNOI结构；/n所述LNOI结构顶部的LN层作为第一波导芯层；/n所述第一波导芯层为反向楔形结构，沿光传播反向包括：具有固定宽度的第一波导部和宽度渐缩的第二波导部；所述第一波导部的端部置于所述LNOI结构的一端面处，用于连接LNOI基光波导；所述第二波导部的端部置于所述LNOI结构的两端面之间；/n所述第一波导芯层上覆盖有具有固定宽度的第二波导芯层，所述第二波导芯层的折射率小于所述第一波导芯层的折射率；所述第二波导芯层的一端部置于所述第一波导部与第二波导部的的交界端面处；所述第二波导芯层的另一端部置于所述LNOI结构的另一端面处，用于连接光芯片或单模光纤。/n

【技术特征摘要】
1.一种LNOI基光波导反向楔形模斑耦合器，其特征在于，包括：LNOI结构；
所述LNOI结构顶部的LN层作为第一波导芯层；
所述第一波导芯层为反向楔形结构，沿光传播反向包括：具有固定宽度的第一波导部和宽度渐缩的第二波导部；所述第一波导部的端部置于所述LNOI结构的一端面处，用于连接LNOI基光波导；所述第二波导部的端部置于所述LNOI结构的两端面之间；
所述第一波导芯层上覆盖有具有固定宽度的第二波导芯层，所述第二波导芯层的折射率小于所述第一波导芯层的折射率；所述第二波导芯层的一端部置于所述第一波导部与第二波导部的的交界端面处；所述第二波导芯层的另一端部置于所述LNOI结构的另一端面处，用于连接光芯片或单模光纤。


2.如权利要求1所述的LNOI基光波导反向楔形模斑耦合器，其特征在于，所述LNOI结构自下至上包括支撑衬底层、绝缘层和所述第一波导芯层。


3.如权利要求2所述的LNOI基光波导反向楔形模斑耦合器，其特征在于，
所述支撑衬底层为LN层或硅层，厚度为300～800μm；
所述绝缘层为二氧化硅层，厚度为2～3μm，用于防止光泄露至所述支撑衬底层中；
所述第一波导芯层的厚度为400～900nm。


4.如权利要求1所述的LNOI基光波导反向楔形模斑...

【专利技术属性】
技术研发人员：王智勇，李颖，兰天，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11