基于LNOI的光波导端面耦合结构及其应用制造技术

一种基于LNOI的光波导端面耦合结构及其应用，该光波导端面耦合结构包括衬底；绝缘层，其设置在衬底上；第一波导芯层结构，包括第一波导芯层固定宽度区和第一波导芯层反向楔形区；第二波导芯层结构，包括第二波导芯层固定宽度区和第二波导芯层反向楔形区，其折射率介于第一波导芯层结构和第三波导芯层结构之间，用于将经过第一波导芯层结构的光模场过渡传输到第三波导芯层结构中；以及第三波导芯层结构，包括第三波导芯层固定宽度区。本发明专利技术的结构中通过引入折射率介于第一波导芯层和第三波导芯层之间的第二波导芯层，有效增加了第一波导芯层楔形尖端尺寸，降低了小尺寸结构的制备工艺难度。

【技术实现步骤摘要】
基于LNOI的光波导端面耦合结构及其应用
本专利技术属于集成光学领域，更具体地涉及一种基于LNOI的光波导端面耦合结构及其应用。
技术介绍
铌酸锂晶体在常温下是一种铁电体，具备优良的电光效应、压电效应、热电效应、铁电效应以及非线性光学性质，而绝缘体上的铌酸锂(Lithiumniobateoninsulator，LNOI)具备铌酸锂晶体的优异性质，单晶性高，折射率对比差大，限光能力强等，被广泛应用于集成光学中的各类光电器件研究中，比如光耦合器、滤波器、频率转换器、谐振腔、电光调制器等无源和有源器件。而光纤与波导器件之间的耦合是集成光学中的一个重要研究内容，随着对单晶铌酸锂薄膜器件的研究和应用，光纤与LNOI器件之间的高效耦合成为一个重要的问题，常用耦合方式分为表面光栅耦合和端面耦合两大类，波导光栅耦合器利用波导上周期性刻蚀的光栅的衍射作用，来实现光栅衍射场的相位调制，从而实现光纤与波导表面耦合，但光栅耦合器的设计需要复杂的理论计算，在薄膜上制备困难，制作后也无法进一步调整，且垂直耦合的光路难以实现波导器件的气密性封装；而传统的对接耦合直接将光纤与波导端面对准实现耦合，对准容差小且耦合效率低，很难将光高效地耦合进入尺度相差很大的薄膜器件中。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的之一在于提出一种基于LNOI的光波导端面耦合结构及其应用，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。为了实现上述目的，作为本专利技术的一个方面，提供了一种基于LNOI的光波导端面耦合结构，包括：光波导端面耦合结构，包括：衬底；绝缘层，其设置在衬底上；第一波导芯层结构，包括第一波导芯层固定宽度区和第一波导芯层反向楔形区；第二波导芯层结构，包括第二波导芯层固定宽度区和第二波导芯层反向楔形区，其折射率介于第一波导芯层结构和第三波导芯层结构之间，用于将经过第一波导芯层结构的光模场过渡传输到第三波导芯层结构中；以及第三波导芯层结构，包括第三波导芯层固定宽度区。作为本专利技术的另一个方面，还提供了一种如上所述的光波导端面耦合结构在集成光学领域的应用。基于上述技术方案可知，本专利技术的基于LNOI的光波导端面耦合结构及其应用相对于现有技术至少具有以下优势之一：1、本专利技术的结构中制备有反向楔形波导芯层结构，可以选择为单纯的水平方向制备为楔形，单纯的垂直方向制备为楔形，或者水平方向和垂直方向都制备为楔形，实现波导中光场在水平和垂直方向的扩展，LNOI芯片(铌酸锂薄膜厚度＜1微米)中的亚微米级光模场经过扩展实现与光纤中微米级光场的高效匹配，提高耦合效率；2、本专利技术的结构中通过引入折射率介于第一波导芯层和第三波导芯层(最终需要和光纤耦合)之间的第二波导芯层，有效增加了第一波导芯层楔形尖端尺寸，降低了小尺寸结构的制备工艺难度；3、本专利技术的结构中第二波导芯层的折射率可以通过调整材料组分配比进行调谐，其值影响实现高效耦合时的光模场面积和楔形尖端尺寸，有利于设计与工艺进行迭代，优化最终的耦合结构；4、本专利技术的结构中在与光纤端面耦合的第三波导芯层的端面镀了增透膜，减小了光场的反射损耗，进一步提高耦合效率；5、本专利技术的结构能够实现LNOI芯片与光纤的高效率耦合，有利于实现大规模光子集成。附图说明图1是本专利技术一实施例的基于LNOI的光波导端面耦合结构的结构示意图；图2是图1的俯视图。上图中，附图标记含义如下：1-衬底；2-绝缘层；3-第一波导芯层固定宽度区；4-第一波导芯层反向楔形区；5-第二波导芯层固定宽度区；6-第二波导芯层反向楔形区；7-第三波导芯层；8-增透膜。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术公开了一种基于LNOI的光波导端面耦合结构，包括：衬底；绝缘层，其设置在衬底上；第一波导芯层结构，包括第一波导芯层固定宽度区和第一波导芯层反向楔形区；第二波导芯层结构，包括第二波导芯层固定宽度区和第二波导芯层反向楔形区，其折射率介于第一波导芯层结构和第三波导芯层结构之间，用于将经过第一波导芯层结构的光模场过渡传输到第三波导芯层结构中；以及第三波导芯层结构，包括第三波导芯层固定宽度区。在本专利技术的一些实施例中，所述衬底采用的材料包括铌酸锂、石英或硅中的任一种；在本专利技术的一些实施例中，所述绝缘层采用的材料包括二氧化硅，厚度为1至5微米。在本专利技术的一些实施例中，所述第一波导芯层结构采用的材料包括铌酸锂；在本专利技术的一些实施例中，所述第一波导芯层结构的厚度小于1微米。在本专利技术的一些实施例中，所述第二波导芯层结构采用的材料包括SiOxNy或SixNy，通过改变材料组分的配比x和v调谐第二波导芯层的折射率。在本专利技术的一些实施例中，所述第三波导芯层结构采用的材料包括二氧化硅。在本专利技术的一些实施例中，所述第一波导芯层反向楔形区和第二波导芯层反向楔形区的反向楔形部分的尖端方向均指向LNOI芯片与光纤的耦合端。在本专利技术的一些实施例中，所述第一波导芯层反向楔形区和第二波导芯层反向楔形区的楔形部分的减小方向包括宽度方向、高度方向中的任一种或两种结合。在本专利技术的一些实施例中，所述第一波导芯层固定宽度区的光模场面积小于1平方微米；在本专利技术的一些实施例中，所述第三波导芯层固定宽度区的端面光模场直径为2.5微米至6微米之间。在本专利技术的一些实施例中，所述铌酸锂基光波导端面耦合结构还包括用于减少光场的反射增透膜，所述增透膜设置在第三波导芯层固定宽度区的耦合端端面上。本专利技术还公开了如上所述的光波导端面耦合结构在集成光学领域的应用。在一个示例性实施例中，本专利技术公开了一种基于LNOI的光波导端面耦合结构，包括：衬底，用于支撑整体薄膜结构；绝缘层，通常作为衬底和最上层铌酸锂之间的应力缓冲层，同时作为上层铌酸锂波导芯层的波导下包层。第一波导芯层结构，其材料属性为LNOI体系最上层的铌酸锂，包含固定宽度和反向楔形部分；第二波导芯层结构，其折射率介于第一波导芯层和第三波导芯层之间，包含固定宽度和反向楔形部分；第三波导芯层结构，其折射率介于第二波导芯层和空气之间，包含固定宽度部分；增透膜，用于减少光场的反射；其中，绝缘层粘附于衬底上，铌酸锂薄膜层粘附于绝缘层上，增透膜镀于第三波导芯层耦合端端面；其中，所述衬底通常为铌酸锂，石英或者硅材料；其中，绝缘层通常为二氧化硅材料，厚度通常在1-5微米之间；其中，LNOI最上层制备超薄薄膜器件的铌酸锂层厚度＜1微米；其中，所述第二波导芯层可以为SiOxNy(氮氧化硅)或者SixNy(氮化硅)折射率可调谐的材料；其中，所述第三波导芯层可以为SiO2材料。其中，所述反向楔形部分的尖端方向指向LNOI芯片与光纤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于LNOI的光波导端面耦合结构，包括：/n衬底；/n绝缘层，其设置在衬底上；/n第一波导芯层结构，包括第一波导芯层固定宽度区和第一波导芯层反向楔形区；/n第二波导芯层结构，包括第二波导芯层固定宽度区和第二波导芯层反向楔形区，其折射率介于第一波导芯层结构和第三波导芯层结构之间，用于将经过第一波导芯层结构的光模场过渡传输到第三波导芯层结构中；以及/n第三波导芯层结构，包括第三波导芯层固定宽度区。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于LNOI的光波导端面耦合结构，包括：
衬底；
绝缘层，其设置在衬底上；
第一波导芯层结构，包括第一波导芯层固定宽度区和第一波导芯层反向楔形区；
第二波导芯层结构，包括第二波导芯层固定宽度区和第二波导芯层反向楔形区，其折射率介于第一波导芯层结构和第三波导芯层结构之间，用于将经过第一波导芯层结构的光模场过渡传输到第三波导芯层结构中；以及
第三波导芯层结构，包括第三波导芯层固定宽度区。


2.根据权利要求1所述的光波导端面耦合结构，其特征在于，
所述衬底采用的材料包括铌酸锂、石英或硅中的任一种；
所述绝缘层采用的材料包括二氧化硅，厚度为1至5微米。


3.根据权利要求1所述的光波导端面耦合结构，其特征在于，
所述第一波导芯层结构采用的材料包括铌酸锂；
所述第一波导芯层结构的厚度小于1微米。


4.根据权利要求1所述的光波导端面耦合结构，其特征在于，
所述第二波导芯层结构采用的材料包括SiOxNy或SixNv，通过改变材料组分的配比x和y调谐第二波导芯层的折射率。


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【专利技术属性】
技术研发人员：李金野，刘建国，戴双兴，于文琦，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11