一种具有抛物线型侧壁的铌酸锂模斑转换器及集成芯片的制作方法

本发明涉及光通信，具体地说是一种具有抛物线型侧壁的铌酸锂模斑转换器及集成芯片。

背景技术：

1、随着光电子芯片集成技术的迅速发展，光子学的研究和商业化得到了加强，其中将铌酸锂应用于光子学的关键因素在于铌酸锂波导具有尺寸紧凑、均匀性优异和损耗低的优点。然而，铌酸锂(linbo3)波导的横截面尺寸远低于单模光纤的光模斑尺寸，当光从光纤传入铌酸锂波导时传输损耗很大导致耦合效率较低。为提高光互连过程中的耦合效率，目前主要通过光栅耦合器，模斑转换器(spot size converter,ssc)以及在光纤与波导中插入透镜或棱镜的耦合方案。光栅耦合器采用底金属反射器、底布拉格反射器和非均匀光栅来提高光栅的耦合性能，但其对波长敏感并对偏振态具有选择性。而透镜或棱镜的方式导致了大尺寸的局限性，不利于高集成度发展趋势。基于模斑转换的模斑转换器，具有较高的耦合效率且具有较低的偏振敏感性。

2、目前模斑转换器通常使用锥形结构或倒锥结构实现波导器件与光纤的连接，克服单模光纤和波导在有效折射率、芯径尺寸等方面的差异，将光纤中的模式尺寸逐渐演化成纳米波导的模式尺寸，从而实现高效耦合。但这种锥形转换器锥度的急剧变化会产生较大的散射损耗，其长度通常在几百个微米，这对于光子器件来说尺寸较大。

技术实现思路

1、本发明的技术任务是针对以上不足之处，提供一种具有抛物线型侧壁的铌酸锂模斑转换器及集成芯片，可有效提高光耦合效率和对准容差，并具有较短的器件尺寸，更符合高集成度发展趋势。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种具有抛物线型侧壁的铌酸锂模斑转换器，包括与外部光纤实现光耦合的第一耦合区域和与铌酸锂相连接的第二波导区域，

4、所述第一耦合区域具有倒锥结构和分布于所述倒锥结构两侧的两侧锥结构；

5、所述第二波导区域具有矩形波导结构；

6、所述倒锥结构的两侧壁为两个对称的抛物线曲面，倒锥结构的宽端与所述矩形波导结构的宽度相同且倒锥结构的宽端与矩形波导结构相连接；倒锥结构的窄端延伸至第一耦合区域端面，用于与外部光纤实现光耦合；所述两侧锥结构自第一耦合区域端面起向第二波导区域延伸，两侧锥结构对称布置。

7、进行端面耦合的倒锥形模斑转换器，通过利用绝热工作模式改变模场尺寸。即为了保证模场的低损耗过度，模斑转换过程中模场的最低阶模式始终限制在锥形波导中，使光纤模场与光波导模场进行更好的转换。

8、倒锥形模斑转换器与光纤耦合的一端波导芯宽较小，光波模场在该端面受到的限制较小，模场可以在水平和竖直方向上扩展到包层。沿着光的传输方向，转换器的芯层宽度逐渐增大，模式的有效折射率随之增加，从而把光高效的耦合到小尺寸的光波导器件中，实现模斑转换功能。

9、模斑转换器宽度的变化导致有效折射率即对光模场的限制作用发生变化，限制小，则光模场变大；所述倒锥结构采用了一种短的锥形过渡且两个侧壁为对称抛物线结构，能够改善模斑转换器尺寸过大的问题。

10、另外，模斑转换器对锥尖宽度敏感，需要把锥尖宽度做到很窄才有更好的光耦合效率，但这对工艺要求很高，通过在中间倒锥两侧加两个对称的侧波导结构，可以改变锥尖处光模场形状，从而减小工艺上的要求，并且与单倒锥相比耦合效率更高。

11、优选的，所述倒锥结构两侧的两侧锥结构完全相同。

12、优选的，所述两侧锥结构均为矩形波导结构，所述矩形的高度与倒锥结构高度相同；长度小于倒锥结构的长度。

13、优选的，所述倒锥结构的高度与矩形波导结构的高度相同。

14、优选的，该具有抛物线型侧壁的铌酸锂模斑转换器具有底层波导、衬底、以及位于衬底上的包层结构，所述倒锥结构、两侧锥结构和矩形波导结构均位于所述包层结构内。

15、优选的，所述矩形波导结构为铌酸锂波导。

16、优选的，所述底层波导为二氧化硅层，衬底为硅层。

17、优选的，所述第一耦合区域为具有模斑转换功能的波导区域，倒锥结构用于提高光耦合效率，两侧锥结构用于改变倒锥结构锥尖处光模场形状；

18、所述第二波导区域为光模场稳定传输的波导区域。

19、本发明还要求保护一种集成芯片，该集成芯片的端面处安装上述的具有抛物线型侧壁的铌酸锂模斑转换器，通过所述具有抛物线型侧壁的铌酸锂模斑转换器实现集成芯片外部光波导的光耦合。

20、优选的，该集成芯片具有独立的光分束/合束功能、光调制功能、光放大功能、光偏振旋转功能、光探测功能或上述其中几种功能的结合。

21、本发明的一种具有抛物线型侧壁的铌酸锂模斑转换器与现有技术相比，具有以下有益效果：

22、1、第一耦合区域倒锥结构的两抛物线侧壁极大改善了模斑转换器尺寸过大的问题，促进光学器件小型化发展；

23、2、第一耦合区域的两侧锥结构有效降低了光耦合损耗，提高光耦合效率和对准容差。

技术特征：

1.一种具有抛物线型侧壁的铌酸锂模斑转换器，其特征在于，包括与外部光纤实现光耦合的第一耦合区域和与铌酸锂相连接的第二波导区域，

2.根据权利要求1所述的一种具有抛物线型侧壁的铌酸锂模斑转换器，其特征在于，所述倒锥结构两侧的两侧锥结构完全相同。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有抛物线型侧壁的铌酸锂模斑转换器，其特征在于，所述两侧锥结构均为矩形波导结构，所述矩形的高度与倒锥结构高度相同；长度小于倒锥结构的长度。

4.根据权利要求3所述的一种具有抛物线型侧壁的铌酸锂模斑转换器，其特征在于，所述倒锥结构的高度与矩形波导结构的高度相同。

5.根据权利要求4所述的一种具有抛物线型侧壁的铌酸锂模斑转换器，其特征在于，具有底层波导、衬底、以及位于衬底上的包层结构，所述倒锥结构、两侧锥结构和矩形波导结构均位于所述包层结构内。

6.根据权利要求5所述的一种具有抛物线型侧壁的铌酸锂模斑转换器，其特征在于，所述矩形波导结构为铌酸锂波导。

7.根据权利要求5所述的一种具有抛物线型侧壁的铌酸锂模斑转换器，其特征在于，所述底层波导为二氧化硅层，衬底为硅层。

8.根据权利要求1所述的一种具有抛物线型侧壁的铌酸锂模斑转换器，其特征在于，所述第一耦合区域为具有模斑转换功能的波导区域，倒锥结构用于提高光耦合效率，两侧锥结构用于改变倒锥结构锥尖处光模场形状；

9.一种集成芯片，其特征在于，该集成芯片的端面处安装权利要求1至6任一项所述的具有抛物线型侧壁的铌酸锂模斑转换器，通过所述具有抛物线型侧壁的铌酸锂模斑转换器实现集成芯片外部光波导的光耦合。

10.根据权利要求9所述的一种集成芯片，其特征在于，该集成芯片具有独立的光分束/合束功能、光调制功能、光放大功能、光偏振旋转功能、光探测功能或上述其中几种功能的结合。

技术总结
本发明公开了一种具有抛物线型侧壁的铌酸锂模斑转换器及集成芯片，属于光通信技术领域，包括与外部光纤实现光耦合的第一耦合区域和与铌酸锂相连接的第二波导区域，所述第一耦合区域具有倒锥结构和分布于所述倒锥结构两侧的两侧锥结构；所述第二波导区域具有矩形波导结构；所述倒锥结构的两侧壁为两个对称的抛物线曲面，倒锥结构的宽端与所述矩形波导结构的宽度相同且倒锥结构的宽端与矩形波导结构相连接；倒锥结构的窄端延伸至第一耦合区域端面，用于与外部光纤实现光耦合；所述两侧锥结构自第一耦合区域端面起向第二波导区域延伸，两侧锥结构对称布置。本发明可有效提高光耦合效率和对准容差，并具有较短的器件尺寸，更符合高集成度发展趋势。

技术研发人员：郭丹丹,李建,罗林
受保护的技术使用者：浪潮通信信息系统（天津）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19