基于薄膜铌酸锂单次刻蚀形成的亚波长光栅结构端面耦合器

本发明属于光通信领域，具体涉及一种基于薄膜铌酸锂单次刻蚀形成的亚波长光栅结构端面耦合器。

背景技术：

1、在集成光学领域，薄膜铌酸锂材料因其优异的电光特性和可集成能力受到了研究人员广泛的青睐。由薄膜铌酸锂制备的高速电光调制器、光学频率梳、非线性频率转换器等集成光学器件都展现了十分出色的性能。

2、在实际应用中，将光从光纤耦合到铌酸锂片上波导的过程是至关重要的。目前，光纤与波导的耦合主要通过光栅耦合或端面耦合实现。其中，光栅耦合存在耦合损耗高、带宽窄、且对光的偏振态敏感的问题。而端面耦合器的制备工艺较为复杂，通常需要多次刻蚀形成多层倒锥形波导结构，或者添加聚合物材料。其中，多次刻蚀工艺中层与层间的相对位移可能会给耦合器带来严重的性能影响，倒锥形的结构又需要较长的尺寸和极小的尖端线宽，而添加聚合物材料又给器件性质引入诸多不确定性。因此，研发一种制备工艺简单、尺寸紧凑、耦合损耗低的端面耦合器十分关键。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出了一种基于薄膜铌酸锂材料的单次刻蚀形成的亚波长光栅结构端面耦合器，以解决现有耦合器件尺寸大、带宽低、损耗高、制备工艺复杂等问题。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、一种基于薄膜铌酸锂材料的单次刻蚀形成的亚波长光栅结构端面耦合器，由下至上包括石英衬底、pecvd sio2(化学气相沉积二氧化硅)、薄膜铌酸锂底板、刻蚀形成的薄膜铌酸锂脊形波导、pecvd sio2(化学气相沉积二氧化硅上包层)；所述刻蚀形成的薄膜铌酸锂脊形波导包括：等宽同周期亚波长光栅区域、宽度呈倒锥形渐变的亚波长光栅区域、亚波长光栅填充缓冲区域以及缓冲区域内部的倒锥形波导；所述等宽同周期亚波长光栅区域、宽度呈倒锥形渐变的亚波长光栅区域、亚波长光栅填充缓冲区域中的亚波长光栅结构均位于端面耦合器的中轴线上且关于中轴线呈轴对称；当光以te/tm模式输入时，所述亚波长光栅结构端面耦合器通过改变波导折射率，匹配光纤中的纳米线对称导向模式和薄膜铌酸锂脊形波导模式，完成模场的转换。

4、进一步地，从耦合器尖端开始第一区域为若干等宽同周期亚波长光栅，该部分亚波长光栅宽度相等，均为w1，周期为a，光栅个数为n1。

5、进一步地，第二区域为宽度呈倒锥形渐变的亚波长光栅，该部分光栅个数为n2，周期为a，第i个光栅的宽度wi＝(w2-w1)*i/n2+w1。

6、进一步地，第三区域为亚波长光栅填充缓冲区域，该缓冲区域由周期为a，宽度为w2、个数为n3的亚波长光栅以及位于光栅中间的一段倒锥形波导共同构成，倒锥形波导的尖端宽度为w0。w2同时也为输出的单模波导的宽度。

7、进一步地，所述薄膜铌酸锂脊形波导，其刻蚀深度为180nm，刻蚀侧壁角约为71.5°。

8、本发明还提供一种上述基于薄膜铌酸锂单次刻蚀形成的亚波长光栅结构端面耦合器的制备方法，包括以下步骤：

9、1)在石英衬底上采用等离子增强化学气相沉积方法沉积二氧化硅层；

10、2)在二氧化硅层上沉积铌酸锂层；

11、3)采用电子束光刻的方法对铌酸锂层进行刻蚀，刻蚀出薄膜铌酸锂脊形波导的形状(包括等宽同周期亚波长光栅区域、宽度呈倒锥形渐变的亚波长光栅区域、亚波长光栅填充缓冲区域以及缓冲区域内部的倒锥形波导)；

12、4)在薄膜铌酸锂脊形波导上再次沉积二氧化硅层。

13、本发明的有益效果为：

14、本发明提出的基于薄膜铌酸锂材料的单次刻蚀形成的亚波长光栅结构端面耦合器，通过倒锥形的亚波长光栅结构，将光从光纤中的对称导向模式转化为薄膜铌酸锂脊型波导模式。本发明相比于对薄膜铌酸锂脊型波导的直接光纤耦合，具有更高的耦合效率；本发明相比于其它常见的端面耦合器，具有更紧凑的尺寸、更大的带宽和更加简单稳定的工艺流程。

15、本发明可以匹配模场直径为3.3um和4um的透镜光纤的光学模式，所加入的亚波长光栅结构有效提升了耦合效率，该结构通过改变波导折射率，匹配光纤中的纳米线对称导向模式和薄膜铌酸锂脊形波导模式，完成模场的转换。本发明可广泛应用于各类薄膜铌酸锂器件的输入输出端面，如薄膜铌酸锂电光调制器。

16、本发明涉及上述基于薄膜铌酸锂材料的单次刻蚀形成的亚波长光栅结构端面耦合器的制备方法，只需对铌酸锂层进行一次电子束光刻，随后覆盖pecvd sio2，该耦合器结构在常规lnoi晶圆上制造，所有结构只需一次刻蚀工艺即可加工完成。

技术特征：

1.一种基于薄膜铌酸锂单次刻蚀形成的亚波长光栅结构端面耦合器，其特征在于，由下至上包括：石英衬底、化学气相沉积二氧化硅、薄膜铌酸锂底板、刻蚀形成的薄膜铌酸锂脊形波导、化学气相沉积二氧化硅上包层；所述刻蚀形成的薄膜铌酸锂脊形波导包括：等宽同周期亚波长光栅区域、宽度呈倒锥形渐变的亚波长光栅区域、亚波长光栅填充缓冲区域以及缓冲区域内部的倒锥形波导；所述等宽同周期亚波长光栅区域、宽度呈倒锥形渐变的亚波长光栅区域、亚波长光栅填充缓冲区域中的亚波长光栅结构均位于端面耦合器的中轴线上且关于中轴线呈轴对称；当光以te/tm模式输入时，所述亚波长光栅结构端面耦合器通过改变波导折射率，匹配光纤中的纳米线对称导向模式和薄膜铌酸锂脊形波导模式，完成模场的转换。

2.根据权利要求1所述的一种基于薄膜铌酸锂单次刻蚀形成的亚波长光栅结构端面耦合器，其特征在于：所述等宽同周期亚波长光栅区域中各个光栅的宽度相等，均为w1，周期为a，光栅个数为n1。

3.根据权利要求2所述的一种基于薄膜铌酸锂单次刻蚀形成的亚波长光栅结构端面耦合器，其特征在于：所述宽度呈倒锥形渐变的亚波长光栅区域的光栅个数为n2，周期为a，第i个光栅的宽度wi＝(w2-w1)*i/n2+w1，其中w2为所述亚波长光栅填充缓冲区域的宽度。

4.根据权利要求1所述的一种基于薄膜铌酸锂单次刻蚀形成的亚波长光栅结构端面耦合器，其特征在于：所述亚波长光栅填充缓冲区域由周期为a，宽度为w2、个数为n3的亚波长光栅以及位于光栅中间的一段倒锥形波导共同构成，所述倒锥形波导的尖端宽度为w0。

5.根据权利要求1所述的一种基于薄膜铌酸锂单次刻蚀形成的亚波长光栅结构端面耦合器，其特征在于：所述薄膜铌酸锂脊形波导，其刻蚀深度为180nm，刻蚀侧壁角约为71.5°。

6.一种权利要求1所述基于薄膜铌酸锂单次刻蚀形成的亚波长光栅结构端面耦合器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结本发明适用于光通信技术领域，公开了一种基于薄膜铌酸锂单次刻蚀形成的亚波长光栅结构端面耦合器，包括石英衬底、化学气相沉积二氧化硅、薄膜铌酸锂底板、刻蚀形成的薄膜铌酸锂脊形波导、化学气相沉积二氧化硅上包层；所述刻蚀形成的薄膜铌酸锂脊形波导包括：等宽同周期亚波长光栅区域、宽度呈倒锥形渐变的亚波长光栅区域、亚波长光栅填充缓冲区域以及缓冲区域内部的倒锥形波导。本发明引入亚波长光栅结构，通过改变波导折射率，匹配光纤中的对称导向模式和薄膜铌酸锂脊形波导模式，完成模场的转换。本发明具有带宽高、尺寸紧凑、工艺简单稳定等特点，可广泛应用于各类薄膜铌酸锂器件的输入输出端面，如薄膜铌酸锂电光调制器。技术研发人员：张帆,李云辰,周灵钧,杨川川受保护的技术使用者：北京大学技术研发日：技术公布日：2024/10/10