一种光纤与光学波导耦合的模斑变换器及其制作方法技术

一种光纤与光学波导耦合的模斑变换器及其制作方法，其中，模斑变换器包括：沿从光纤到光学波导方向分为第一区域、第二区域和第三区域；第一区域从下到上包括衬底层、键合层、平板光学功能层，在键合层上形成掩埋过渡光波导结构；第二区域从下到上包括衬底层、键合层、完整光学功能层，在键合层上形成掩埋过渡光波导结构，完整光学功能层包含第一区域中的平板光学功能层，在光学功能层上形成单层倒锥过渡光波导结构，沿从光纤到光学波导方向，单层倒锥过渡光波导的宽度以预设方式逐渐增大，结构用于将光从键合层的掩埋过渡光波导耦合至第三区域的光学功能层的光学波导中；第三区域从下到上包括衬底层、键合层、完整光学功能层，在光学功能层上形成光学波导结构。由此，实现了低耦合损耗，大对准容差，低工艺复杂度，低成本和高普适性的模斑变换器方案。普适性的模斑变换器方案。普适性的模斑变换器方案。

【技术实现步骤摘要】
一种光纤与光学波导耦合的模斑变换器及其制作方法


[0001]本申请涉及光通信
，特别涉及一种光纤与光学波导耦合的模斑变换器及其制作方法。

技术介绍

[0002]随着全球光通信技术的飞速发展，光信号处理集成芯片扮演着越来越重要的角色，近些年来，一种新型的绝缘体上薄膜铌酸锂(LNOI)平台吸引了越来越多关注，由于其超高速应用的潜力，被认为是新一代光子集成回路的候选者。最近，基于LNOI的各种器件已被报道并展现出优异的性能，例如低损耗光波导、高Q环形谐振器、可调滤波器、高速电光调制器、光频梳、二次谐波发生器等。
[0003]但是目前薄膜铌酸锂平台依然存在一些需要解决的问题，其中很关键的一项就是小尺寸的薄膜铌酸锂集成波导芯片与光纤之间的耦合问题。绝缘体上的薄膜铌酸锂平台(LNOI)由于具有高折射率差，大大减小了波导的截面尺寸，相对于传统体材料铌酸锂数十微米量级的波导截面尺寸，薄膜铌酸锂平台的波导尺寸基本在亚微米量级，这大大降低薄膜铌酸锂器件尺寸，提高了集成度。然而，标准单模光纤的模场尺寸在十微米量级，透镜拉锥光纤可以将模场减小至3微米左右，这仍远大于薄膜铌酸锂的波导尺寸，模场的失配使得薄膜铌酸锂芯片与光纤的耦合损耗居高不下。
[0004]通常为了解决这个问题，有两种主要的方案，光栅耦合器和水平边缘耦合器。光栅耦合器由于具有波长相关性，使得其带宽特性受到了很大的限制。而水平边缘耦合器则由于其耦合效率高、带宽宽、偏振无关以及稳定性和易于封装等优点，更好地满足实际应用的要求。
[0005]最近，已经报道了各种基于LNOI的边缘耦合器。例如，化学机械抛光(CMP)被用来制造氧化钽覆盖的波导，但它很难与一般的脊形波导兼容。通过单个脊形倒锥实现脊形波导和透镜锥形光纤之间的模式匹配，但耦合损耗仍然相对较高。利用双层倒锥耦合器来提高性能，但仅受锥尖几何形状控制的耦合器的模场分布与光纤不同，因此难以进一步提高耦合效率。还有利用双层锥形波导和包层波导组成的边缘耦合器，但是耦合器结构工艺复杂，需要两次电子束曝光套刻，加工成本高，工艺容差小，从而限制了其应用场，亟待解决。

技术实现思路

[0006]本申请提供一种光纤与光学波导耦合的模斑变换器及其制作方法，该方法实现了低耦合损耗，大对准容差，低工艺复杂度，低成本和高普适性的模斑变换器方案。
[0007]本申请第一方面实施例提供一种光纤与光学波导耦合的模斑变换器，包括：沿从光纤到光学波导方向分为第一区域、第二区域和第三区域；所述第一区域从下到上包括衬底层、键合层、平板光学功能层，折射率从下到上依次增加；其中在键合层上形成掩埋过渡光波导结构，光模场能量主要分布于键合层的掩埋过渡光波导中；所述第二区域从下到上包括衬底层、键合层、完整光学功能层，折射率从下到上依次增加，其中在键合层上形成掩
埋过渡光波导结构；所述完整光学功能层包含所述第一区域中的平板光学功能层，在光学功能层上形成单层倒锥过渡光波导结构，沿从光纤到光学波导方向，所述单层倒锥过渡光波导的宽度以预设方式逐渐增大，光模场能量同时分布于键合层和光学功能层中；所述单层倒锥过渡光波导结构用于将光从键合层的掩埋过渡光波导耦合至第三区域的光学功能层的光学波导中；所述第三区域从下到上包括衬底层、键合层、完整光学功能层，折射率从下到上依次增加；在光学功能层上形成光学波导结构，光模场能量主要分布于光学功能层的光学波导之中。
[0008]根据本申请的实施例，所述单层倒锥过渡光波导包括预设厚度的平板层，用于保证所述掩埋过渡光波导和所述单层倒锥过渡光波导的键合强度、后续刻蚀工艺的稳定性，以及提供与其他光电器件的兼容性。
[0009]根据本申请的实施例，所述掩埋过渡光波导材料包括具有键合功能的光敏树脂，光刻胶，光学绝缘介质，以同时作为键合层和掩埋波导层。
[0010]根据本申请的实施例，所述掩埋过渡光波导的外侧端面和内侧端面分别与光纤模式截面和光学波导模式截面对应设置。
[0011]根据本申请的实施例，所述掩埋过渡光波导的边缘宽度和高度通过所述掩埋过渡光波导与光纤的最佳耦合效率确定；所述掩埋过渡光波导在与所述单层倒锥过渡光波导连接位置的宽度通过所述掩埋过渡光波导与所述单层倒锥过渡光波导的最佳耦合效率决定。
[0012]根据本申请的实施例，所述掩埋过渡光波导和所述单层倒锥过渡光波导均包括多段锥形波导。
[0013]根据本申请的实施例，每段锥形波导由耦合条件和绝热转换损耗条件确定。
[0014]根据本申请的实施例，所述单层倒锥过渡光波导和所述掩埋过渡光波导通过光刻进行对准设置。
[0015]本申请第二方面实施例提供一种光纤与光学波导耦合的模斑变换器的制作方法，包括以下步骤：
[0016]形成衬底层；在所述衬底层上方通过旋涂或者沉积方式形成键合层，然后通过光刻曝光显影或者刻蚀方法在键合层的部分区域形成掩埋过渡光波导，并将光学功能材料键合至所述键合层上；键合完成后，处理剥离掉光学功能材料的多余部分，通过光刻在光学功能层上形成光学波导的刻蚀图案，再通过刻蚀工艺得到光学波导，最后再在键合层波导预设的与光纤模场匹配位置处进行划片和进行波导端面抛光处理。
[0017]本申请实施例的光纤与光学波导耦合的模斑变换器及其制作方法，利用键合层形成掩埋过渡光波导结构，与光纤模场进行匹配，之后再通过位于掩埋过渡光波导上方的单层倒锥过渡光波导将光从下层的掩埋过渡光波导耦合至上层的光学波导中，实现了低耦合损耗，大对准容差，低工艺复杂度，低成本和高普适性的模斑变换器方案，同时采用具有键合功能的光学功能材料同时作为键合层和掩埋过渡光波导层，仅利用简单的光刻工艺就能完成掩埋过渡光波导的制作，同时具备的键合功能又能够极大地拓展该模斑变换器的适用范围。
[0018]本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
[0019]本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0020]图1为根据本申请实施例提供的一种光纤与光学波导耦合的模斑变换器结构示意图；
[0021]图2为根据本申请实施例提供的一种光纤与光学波导耦合的模斑变换器的一种具体结构示意图；
[0022]图3为根据本申请实施例提供的一种光纤与光学波导耦合的模斑变换器的俯视图；
[0023]图4为根据本申请实施例提供的一个具体实施例的仿真计算结果图；
[0024]图5为根据本申请实施例提供的一种光纤与光学波导耦合的模斑变换器的制作方法的流程图。
具体实施方式
[0025]下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
[0026]具体而言，图1为根据本申请实施例提供的一种光纤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光纤与光学波导耦合的模斑变换器，其特征在于，包括：沿从光纤到光学波导方向分为第一区域、第二区域和第三区域；所述第一区域从下到上包括衬底层、键合层、平板光学功能层，折射率从下到上依次增加；其中在键合层上形成掩埋过渡光波导结构，光模场能量主要分布于键合层的掩埋过渡光波导中；所述第二区域从下到上包括衬底层、键合层、完整光学功能层，折射率从下到上依次增加，其中在键合层上形成掩埋过渡光波导结构；所述完整光学功能层包含所述第一区域中的平板光学功能层，在光学功能层上形成单层倒锥过渡光波导结构，沿从光纤到光学波导方向，所述单层倒锥过渡光波导的宽度以预设方式逐渐增大，光模场能量同时分布于键合层和光学功能层中；所述单层倒锥过渡光波导结构用于将光从键合层的所述掩埋过渡光波导耦合至所述第三区域的光学功能层的光学波导中；所述第三区域从下到上包括衬底层、键合层、完整光学功能层，折射率从下到上依次增加；在光学功能层上形成光学波导结构，光模场能量主要分布于光学功能层的光学波导之中。2.根据权利要求1所述的光纤与光学波导耦合的模斑变换器，其特征在于，所述单层倒锥过渡光波导包括预设厚度的平板层，用于保证所述掩埋过渡光波导和所述单层倒锥过渡光波导的键合强度、后续刻蚀工艺的稳定性，以及提供与其他光电器件的兼容性。3.根据权利要求1所述的光纤与光学波导耦合的模斑变换器，其特征在于，所述掩埋过渡光波导材料包括具有键合功能的光敏树脂，光刻胶，光学绝缘介质，以同时作为键合层和掩埋波导层。...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊兵，刘浩，刘学成，孙长征，罗毅，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：