一种基于铌酸锂的非对称端面耦合器及其制备方法与流程

本申请涉及属于光电子器件设计的，具体地，涉及一种基于铌酸锂的非对称端面耦合器及其制备方法。

背景技术：

1、铌酸锂材料具有较高的电光系数、压电系数、热光系数、声光系数和光弹性系数，被广泛应用于各类集成光子器件中。传统的铌酸锂器件通常基于体铌酸锂材料，通过钛扩散或质子交换工艺对单晶铌酸锂材料进行局部掺杂，略微提高掺杂区域的折射率，从而形成波导结构。为提高芯层与包层的折射率差，一些技术中提供了绝缘体上铌酸锂技术，将亚微米厚度的单晶铌酸锂薄膜键合在硅基二氧化硅层上构成新型材料体系，其波导和芯层折射率差最大可达0.7，大大增加了波导对光模式的束缚能力和电光调控效应，提高了铌酸锂光学器件的集成度。但较小的波导几何尺寸和较高的包层折射率差，使得铌酸锂光波导与标准单模光纤存在模场大小失配严重的问题。目前，通过在铌酸锂薄膜层上设置光栅耦合器件，或者在芯片边缘设置端面耦合器件，是解决该问题的两种常见技术方案。其中，光栅耦合器是根据布拉格衍原理设计的，理论耦合效率上限不高。而端面耦合器件则具有耦合效率高和耦合带宽大的优点，但端面耦合器件通常存在对准容差较小，器件尺寸较长和需要对端面抛光打磨后才能用于测试的缺点。

技术实现思路

1、本申请要解决的技术问题是现有铌酸锂光波导与标准单模光纤在耦合过程中对准容差小、刻蚀要求严格的问题，为此，本申请提出了基于铌酸锂的非对称端面耦合器及其制备方法。

2、针对上述技术问题，本申请提供如下技术方案：

3、第一方面，本申请技术方案提供一种基于铌酸锂的非对称端面耦合器，包括：

4、基底层；

5、设置于所述基底层上的下包层；

6、设置于所述下包层上的铌酸锂材料的第一波导和第二波导；其中，所述第一波导由梯形渐变子波导和条形输出子波导组成，所述第二波导为独立条形波导；

7、设置于所述第一波导和所述第二波导上的上包层。

8、一些方案中所述的基于铌酸锂的非对称端面耦合器，所述第一波导的梯形渐变子波导的窄边位于耦合端面处，宽边位于所述条形输出子波导连接处；所述条形输出子波动的宽度与所述梯形渐变子波导宽边的宽度相同；其中，所述梯形渐变子波导用于同其它片上器件进行能量交换；

9、一些方案中所述的基于铌酸锂的非对称端面耦合器，所述第二波导的宽度与所述第一波导中的所述梯形渐变子波导的窄边宽度相同。

10、一些方案中所述的基于铌酸锂的非对称端面耦合器，所述第一波导中的所述渐变梯形子波导的长度与所述第二波导的长度相同。

11、一些方案中所述的基于铌酸锂的非对称端面耦合器，所述第一波导和所述第二波导的侧壁成型有设定的倾斜角度。

12、一些方案中所述的基于铌酸锂的非对称端面耦合器，所述倾斜角度为70-90度。

13、一些方案中所述的基于铌酸锂的非对称端面耦合器，所述第一波导和所述第二波导的厚度、窄边宽度和二者的间隔距离由输入光接口的光模场规格所决定；所述光模场规格包括模场的形状及大小。

14、一些方案中所述的基于铌酸锂的非对称端面耦合器，所述第一波导和所述第二波导的厚度相同，位于200-700nm的范围内；

15、所述第一波导的窄边宽度和所述第二波导的宽度相同，位于100-500nm的范围内；所述第一波导的宽边宽度，位于500-3000nm的范围内。

16、一些方案中所述的基于铌酸锂的非对称端面耦合器，所述第一波导与所述第二波导的间隔距离，位于500-4000nm的范围内。

17、一些方案中所述的基于铌酸锂的非对称端面耦合器，所述下包层的材料为二氧化硅，厚度位于1.5-3.5μm的范围内，

18、所述上包层的材料为二氧化硅，厚度位于0.5-4μm的范围内。

19、第二方面，本申请技术方案提供一种铌酸锂非对称端面耦合器的制备方法，包括：

20、在薄膜铌酸锂芯片上需与光纤耦合的位置处，制备掩膜；

21、在掩膜上制备第一波导和第二波导，所述第一波导由梯形渐变子波导和条形输出子波导组成，所述第二波导为独立条形波导；

22、所述第一波导与所述第二波导之间具有空隙；

23、在填平所述第一波导和所述第二波导间空隙的同时制备一定厚度的二氧化硅上包层；

24、切割所述薄膜铌酸锂芯片，打磨耦合端面后得到铌酸锂非对称端面耦合器。

25、本申请的技术方案相对现有技术具有如下技术效果：

26、本申请提供的基于铌酸锂的非对称端面耦合器及其制备方法，其结构简单，加工难度低，可以和现有的成品光纤相适配，具有较高的适配性。同时条形输出子波导的宽度可调范围大，通过调整不同参数，能够满足耦合高阶模式和偏振光的需求，有丰富的应用场景。

技术特征：

1.一种基于铌酸锂的非对称端面耦合器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的非对称端面耦合器，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的非对称端面耦合器，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的非对称端面耦合器，其特征在于：

5.根据权利要求1所述的铌酸锂非对称端面耦合器，其特征在于：

6.根据权利要求5所述的铌酸锂非对称端面耦合器，其特征在于：

7.根据权利要求1-6任一项所述的铌酸锂非对称端面耦合器，其特征在于：

8.根据权利要求7所述的铌酸锂非对称端面耦合器，其特征在于：

9.根据权利要求8所述的铌酸锂非对称端面耦合器，其特征在于：

10.根据权利要求1所述的铌酸锂非对称端面耦合器，其特征在于：

11.一种权利要求1-10任一项所述铌酸锂非对称端面耦合器的制备方法，其特征在于，包括：

技术总结
本申请提供一种基于铌酸锂的非对称端面耦合器及其制备方法，包括基底层、下包层、设置于下包层上的铌酸锂材料的第一波导和第二波导；其中，第一波导包括梯形渐变子波导和条形输出子波导，第二波导为独立的条形波导；还包括设置于第一波导和第二波导上的上包层。本申请以上方案中的铌酸锂非对称端面耦合器，具有刻蚀要求低、易加工和光纤对准容差大的优点。

技术研发人员：韩风阳,王旭阳,郭育梅,贾赫,李雪征
受保护的技术使用者：北京世维通科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15