一种铌酸锂薄膜脊波导端面耦合器及其制备方法技术

本发明专利技术为了克服现有铌酸锂薄膜脊波导端面耦合器耦合效率低或加工难度大的缺陷，公开了一种铌酸锂薄膜脊波导端面耦合器及其制备方法，其中包括衬底、设置在衬底上的绝缘层、设置在绝缘层上的铌酸锂薄膜脊波导层、设置在铌酸锂薄膜脊波导层上的氮氧化硅耦合波导层。本发明专利技术通过设置氮氧化硅材料折射率使得耦合器与锥形透镜光纤模场匹配，能够提高铌酸锂薄膜光子器件的耦合效率；提出的耦合器结构简单，工艺难度低，制作成本低，为铌酸锂薄膜器件的商业化提供了一种有效的解决耦合问题的方案。商业化提供了一种有效的解决耦合问题的方案。商业化提供了一种有效的解决耦合问题的方案。

【技术实现步骤摘要】
一种铌酸锂薄膜脊波导端面耦合器及其制备方法


[0001]本专利技术属于光子器件
，更具体地，尤其涉及一种铌酸锂薄膜脊波导端面耦合器及其制备方法。

技术介绍

[0002]铌酸锂薄膜的出现和商业化，使得它成为未来光电集成器件的一个前景广阔的平台。该平台将铌酸锂材料优越的电光调制特性和高折射率对比度波导结构相结合，在光电集成器件，特别是电光调制器等领域取得了重要突破。与传统铌酸锂晶体光子器件相比，薄膜铌酸锂光子器件具有更小的半波电压，更小的器件尺寸和更高的性能。但是由于薄膜铌酸锂光波导宽度通常在1um左右，波导厚度通常为0.6～0.8um，波导中的模场较小，在与光纤进行端面耦合时，光纤光斑较大(普通光纤光斑直径约6～10um，锥形透镜光纤光斑直径最小为2um)，使得耦合效率低，且容易受到光纤微移的影响。专利CN113568106A、CN113777711A、CN113820801分别公开了几种不同的铌酸锂薄膜脊波导端面耦合结构，实现了高效的光纤与波导的端面耦合，但是它们的耦合结构均较为复杂，需要对铌酸锂材料进行二次以上的刻蚀，由于铌酸锂材料硬度较大，难以刻蚀，多次刻蚀更是很大程度上提高了器件的加工难度与成本，特别是成本的提升，很大程度上限制了薄膜铌酸锂光子器件的商业化发展。

技术实现思路

[0003]本专利技术为克服上述现有技术耦合效率低或加工难度大的缺陷，提出了一种铌酸锂薄膜脊波导端面耦合器及其制备方法。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：
[0005]一种铌酸锂薄膜脊波导端面耦合器，包括衬底，设置在衬底上的绝缘层，设置在绝缘层上的铌酸锂薄膜脊波导层，以及覆盖在所述铌酸锂薄膜脊波导层上的氮氧化硅耦合波导层；其中：
[0006]所述铌酸锂薄膜脊波导层中包括平板层，和设置在平板层上的模斑转换层，和设置在平板层上的脊型波导层；
[0007]所述铌酸锂薄膜脊波导层中的模斑转换层为反向楔形结构，其尖端指向所述氮氧化硅耦合波导层与光纤的耦合端，另一端与所述铌酸锂薄膜脊波导层中的脊型波导层连接；
[0008]所述氮氧化硅耦合波导层为楔形结构，其较宽一端为与光纤耦合的端面。
[0009]作为优选方案，所述铌酸锂薄膜脊波导层中的平板层高度小于或等于300nm。
[0010]作为优选方案，所述铌酸锂薄膜脊波导层中的模斑转换层和脊型波导层高度相等且小于或等于300nm。
[0011]作为优选方案，所述铌酸锂薄膜脊波导层中的模斑转换层尖端宽度小于500nm。
[0012]作为优选方案，所述铌酸锂薄膜脊波导层中的模斑转换层长度大于500um。
[0013]作为优选方案，所述铌酸锂薄膜脊波导层中的模板转换层较宽一端的宽度与所述铌酸锂薄膜脊波导层中的脊型波导层的宽度相等。
[0014]作为优选方案，所述氮氧化硅耦合波导层的高度设置为与锥形透镜光纤模场匹配。
[0015]作为优选方案，所述氮氧化硅耦合波导层的较宽一端的宽度设置为与锥形透镜光纤模场匹配，较窄一端的宽度设置为超出所述铌酸锂薄膜脊波导层中脊型波导层宽度0.5～1um。
[0016]作为优选方案，所述氮氧化硅耦合波导层的折射率设置为1.8～1.85(红外波段下)。
[0017]进一步的，本专利技术还提出一种铌酸锂薄膜脊波导端面耦合器的制备方法，用于制备上述任一技术方案提出的铌酸锂薄膜脊波导端面耦合器，其具体包括以下步骤：
[0018]S1：利用电子束曝光光刻技术在铌酸锂薄膜样品上形成铌酸锂薄膜脊波导层图案的掩膜；
[0019]S2：对所述S1步骤得到的样品，利用等离子体刻蚀技术进行刻蚀，形成铌酸锂薄膜脊波导层；
[0020]S3：在所述S2步骤得到的样品上利用化学气相沉积技术沉积氮氧化硅，通过控制反应气体中氮元素和氧元素的比例得到折射率在1.8～1.85(红外波段下)的氮氧化硅材料。
[0021]S4：在所述S3步骤得到的样品上利用电子束曝光光刻技术制作氮氧化硅耦合波导层图案的掩膜；
[0022]S5：对所述S4步骤得到的样品，利用等离子体刻蚀技术进行刻蚀，形成氮氧化硅耦合波导层；
[0023]S6：对所述S5步骤得到的样品进行端面解理和抛光，完成铌酸锂薄膜脊波导端面耦合器的制备。
[0024]与现有技术对比，本专利技术技术方案的有益效果在于：
[0025](1)本专利技术通过在波导端面设置氮氧化硅耦合加载条波导，实现端面波导模场的放大，从而与透镜光纤的光斑模场匹配，提高了耦合效率，理论上该结构的单面耦合效率为2～3dB，比传统耦合结构提高了3～5dB。
[0026](2)本专利技术提出的铌酸锂薄膜脊波导端面耦合器结构简单，易于加工，只需对铌酸锂材料进行一次刻蚀，大大降低了工艺难度和成本，为铌酸锂薄膜器件的商业化提供了一种有效的解决耦合问题的方案。
附图说明
[0027]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施案例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本专利技术的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本专利技术进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：
[0028]图1为实施例1的铌酸锂薄膜脊波导端面耦合器的结构示意图。
[0029]图2为实施例1的铌酸锂薄膜脊波导端面耦合器的侧视图。
[0030]图3为实施例1的铌酸锂薄膜脊波导端面耦合器的俯视图和各部分的截面示意图。
[0031]图4为实施例1的铌酸锂薄膜脊波导端面耦合器的各部分截面模场仿真图。
[0032]图5为实施例2的铌酸锂薄膜脊波导端面耦合器的制备方法流程图。其中，1
‑
衬底，2
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绝缘层，3
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铌酸锂薄膜脊波导层，31
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平板层，32
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模斑转换层，33
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脊型波导层，4
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氮氧化硅耦合波导层。
具体实施方式
[0033]附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
[0034]为了更好的说明本实例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
[0035]对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0036]为了能够更清楚地理解本专利技术的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0037]在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术，但是，本专利技术还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本专利技术的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
[0038]实施例1
[0039]本实施例提出了一种铌酸锂薄膜脊波导端面耦合器，如图1～3所示，为本实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铌酸锂薄膜脊波导端面耦合器，其特征在于，包括衬底(1)，设置在衬底上的绝缘层(2)，设置在绝缘层(2)上的铌酸锂薄膜脊波导层(3)，以及覆盖在铌酸锂薄膜脊波导层(3)上的氮氧化硅耦合波导层(4)；其中：所述铌酸锂薄膜脊波导层(3)中包括平板层(31)，和设置在平板层(31)上的模斑转换层(32)，和设置在平板层(31)上的脊型波导层(33)；所述铌酸锂薄膜脊波导层(3)中的模斑转换层(32)为反向楔形结构，其尖端指向所述氮氧化硅耦合波导层(4)与光纤的耦合端，另一端与所述铌酸锂薄膜脊波导层(3)中的脊型波导层(33)连接；所述氮氧化硅耦合波导层(33)为楔形结构，其较宽一端为与光纤耦合的端面。2.根据权利要求1所述的铌酸锂薄膜脊波导端面耦合器，其特征在于，所述铌酸锂薄膜脊波导层(3)中的平板层(31)高度小于或等于300nm。3.根据权利要求1所述的铌酸锂薄膜脊波导端面耦合器，其特征在于，所述铌酸锂薄膜脊波导层(3)中的模斑转换层(32)和脊型波导层(33)高度相等且小于或等于300nm。4.根据权利要求1所述的铌酸锂薄膜脊波导端面耦合器，其特征在于，所述铌酸锂薄膜脊波导层(3)中的模斑转换层(32)尖端宽度小于500nm。5.根据权利要求1所述的铌酸锂薄膜脊波导端面耦合器，其特征在于，所述铌酸锂薄膜脊波导层(3)中的模斑转换层(32)长度大于500um。6.根据权利要求1所述的铌酸锂薄膜脊波导端面耦合器，其特征在于，所述铌酸锂薄膜脊波导层(3)中的模板转换层(32...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢树果，田雨墨，郭子贤，杨燕，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：