一种模斑转换器以及光学模块的制作方法

本申请涉及光学器件，更具体的说，涉及一种模斑转换器以及光学模块。

背景技术：

1、近年来包括硅光技术、铌酸锂薄膜技术等在内的集成光学技术，得到了快速发展。例如硅光技术在数据中心、光通信、雷达、传感等领域获得了广泛应用。纳米铌酸锂薄膜技术在调制器、频率梳、光学频率转换、滤波器等多个方向也有一系列应用。上述应用的典型特征是光波导的尺寸小于1um，处于纳米尺度范围(纳米光波导)，光学器件和系统的集成度得到了很大的提高，器件的体积和功耗均显著降低。光波导尺寸减小的同时，也带来了另一个问题，即与单模光纤的耦合损耗较大。

2、单模光纤的芯径与集成光学芯片的波导尺寸存在较大差距，单模光纤与纳米光波导直接耦合损耗超过20db。解决单模光纤与纳米光波导的耦合问题，有两种方式：光栅耦合与端面耦合。光栅耦合可以达到2db左右的耦合损耗，但是工作带宽受到限制，且对输入光的偏振方向敏感，目前多用于芯片的测试过程中。端面耦合需要通过模斑转换器来降低耦合损耗。模斑转换器一般使用楔形波导增加或减小模场直径，通常需要制作两层或更多层的介质层实现两个方向的模场尺寸转换，使单模光纤与纳米光波导的模场匹配。该方案工艺复杂、模场存在突变不连续情况，导致光学插入损耗较大。

3、除楔形波导外，还可以在玻璃衬底上制作模斑转换器，该类型的模斑转换器插入损耗小于1db，可以将单模光纤10μm直径的模场缩减到输出端的4*3um，是目前唯一商用的模斑转换器产品。常规玻璃衬底的模斑转换器，虽然具有较低的制作成本，但是不便于光学器件的集成。

技术实现思路

1、有鉴于此，本申请提供了一种模斑转换器以及光学模块，方案如下：

2、一种模斑转换器，包括：

3、铌酸锂衬底，具有相对的第一表面和第二表面；

4、位于第一表面内的光波导；光波导包括设置在铌酸锂衬底表面内的质子交换区；

5、其中，在平行于第一表面的方向上，光波导包括：依次排布的输入部分、渐变部分和输出部分；输入部分具有第一模场直径，输出部分具有第二模场直径，第一模场直径大于第二模场直径；渐变部分的模场直径从第一模场直径渐变至第二模场直径。

6、优选的，在上述模斑转换器中，输入部分远离输出部分的一端用于连接尾纤，尾纤为单模光纤；

7、第一模场直径与单模光纤的直径适配。

8、优选的，在上述模斑转换器中，第一模场直径的范围是9μm～12μm。

9、优选的，在上述模斑转换器中，光波导为单输出端结构，在平行于第一表面的方向上，输入部分、渐变部分和输出部分在第一表面内沿直线依次排布。

10、优选的，在上述模斑转换器中，输出部分远离输入部分的一端用于连接集成光学芯片，第二模场直径与集成光学芯片中光波导的模场直径适配。

11、优选的，在上述模斑转换器中，第二模场直径的范围是0.2μm～5μm。

12、优选的，在上述模斑转换器中，光波导为多输出端结构，具有2n个输出端，n为正整数；

13、输出部分具有n个分支结构；该n个分支结构依次为第1级分支结构至第n级分支结构；第i级分支结构具有2i个并行支路结构，i为不大于n的正整数；其中，后一级分支结构中的每两个支路结构对应连接前一级分支结构中的一个支路结构；第1级分支结构的两个支路结构连接渐变部分远离输出部分的一端；第n级分支结构中2n个分支结构远离输入部分的一端均为光波导的输出端。

14、优选的，在上述模斑转换器中，还包括：

15、位于第一表面上的调制电极。

16、优选的，在上述模斑转换器中，光波导还为钛扩散区域，使得光波导能够保持输入光的偏振态。

17、本申请还提供了一种光学模块，包括：

18、集成光学芯片；

19、集成光学芯片的输入端和输出端分别连接有一上述任一项的模斑转换器，模斑转换器的输出部分与集成光学芯片中的光波导连接；

20、其中，模斑转换器的输入部分分别连接有尾纤。

21、通过上述描述可知，本申请技术方案提供的模斑转换器以及光学模块中，模斑转换器包括：铌酸锂衬底，具有相对的第一表面和第二表面；位于第一表面内的光波导；光波导包括设置在铌酸锂衬底表面内的质子交换区；其中，在平行于第一表面的方向上，光波导包括：依次排布的输入部分、渐变部分和输出部分；输入部分具有第一模场直径，输出部分具有第二模场直径，第一模场直径大于第二模场直径；渐变部分的模场直径从第一模场直径渐变至第二模场直径。本申请通过在铌酸锂衬底表面内形成质子交换区，以在铌酸锂衬底表面内形成光波导，使得模斑转换器具有起偏功能，与集成光学芯片连接时，无需前置起偏器，减小了光学系统体积以及光学插入损耗，便于集成光学技术的推广应用。

技术特征：

1.一种模斑转换器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的模斑转换器，其特征在于，所述输入部分远离所述输出部分的一端用于连接尾纤，所述尾纤为单模光纤；

3.根据权利要求1或2所述的模斑转换器，其特征在于，所述第一模场直径的范围是9μm～12μm。

4.根据权利要求1所述的模斑转换器，其特征在于，所述光波导为单输出端结构，在平行于所述第一表面的方向上，所述输入部分、所述渐变部分和所述输出部分在所述第一表面内沿直线依次排布。

5.根据权利要求1所述的模斑转换器，其特征在于，所述输出部分远离输入部分的一端用于连接集成光学芯片，所述第二模场直径与所述集成光学芯片中光波导的模场直径适配。

6.根据权利要求1所述的模斑转换器，其特征在于，所述第二模场直径的范围是0.2μm～5μm。

7.根据权利要求1所述的模斑转换器，其特征在于，所述光波导为多输出端结构，具有2n个输出端，n为正整数；

8.根据权利要求1所述的模斑转换器，其特征在于，还包括：

9.根据权利要求1所述的模斑转换器，其特征在于，所述光波导为钛扩散区域，使得所述光波导能够保持输入光的偏振态。

10.一种光学模块，其特征在于，包括：

技术总结本申请公开了一种模斑转换器以及光学模块，模斑转换器包括：铌酸锂衬底，具有相对的第一表面和第二表面；位于第一表面内的光波导；光波导包括设置在铌酸锂衬底表面内的质子交换区；其中，在平行于第一表面的方向上，光波导包括：依次排布的输入部分、渐变部分和输出部分；输入部分具有第一模场直径，输出部分具有第二模场直径，第一模场直径大于第二模场直径；渐变部分的模场直径从第一模场直径渐变至第二模场直径。本申请通过在铌酸锂衬底表面内形成质子交换区，以在铌酸锂衬底表面内形成光波导，使得模斑转换器具有起偏功能，与集成光学芯片连接时，无需前置起偏器，减小了光学系统体积以及光学插入损耗，便于集成光学技术的推广应用。技术研发人员：张洪涛,逄博,刘磊,李鑫,马世超,郑名扬,谢秀平受保护的技术使用者：济南量子技术研究院技术研发日：20230918技术公布日：2024/6/5