本發(fā)明屬于光通信領(lǐng)域，具體涉及一種基于薄膜鈮酸鋰單次刻蝕形成的亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)端面耦合器。

背景技術(shù)：

1、在集成光學(xué)領(lǐng)域，薄膜鈮酸鋰材料因其優(yōu)異的電光特性和可集成能力受到了研究人員廣泛的青睞。由薄膜鈮酸鋰制備的高速電光調(diào)制器、光學(xué)頻率梳、非線性頻率轉(zhuǎn)換器等集成光學(xué)器件都展現(xiàn)了十分出色的性能。

2、在實(shí)際應(yīng)用中，將光從光纖耦合到鈮酸鋰片上波導(dǎo)的過程是至關(guān)重要的。目前，光纖與波導(dǎo)的耦合主要通過光柵耦合或端面耦合實(shí)現(xiàn)。其中，光柵耦合存在耦合損耗高、帶寬窄、且對(duì)光的偏振態(tài)敏感的問題。而端面耦合器的制備工藝較為復(fù)雜，通常需要多次刻蝕形成多層倒錐形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，或者添加聚合物材料。其中，多次刻蝕工藝中層與層間的相對(duì)位移可能會(huì)給耦合器帶來嚴(yán)重的性能影響，倒錐形的結(jié)構(gòu)又需要較長(zhǎng)的尺寸和極小的尖端線寬，而添加聚合物材料又給器件性質(zhì)引入諸多不確定性。因此，研發(fā)一種制備工藝簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、耦合損耗低的端面耦合器十分關(guān)鍵。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提出了一種基于薄膜鈮酸鋰材料的單次刻蝕形成的亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)端面耦合器，以解決現(xiàn)有耦合器件尺寸大、帶寬低、損耗高、制備工藝復(fù)雜等問題。

2、本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、一種基于薄膜鈮酸鋰材料的單次刻蝕形成的亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)端面耦合器，由下至上包括石英襯底、pecvd?sio2(化學(xué)氣相沉積二氧化硅)、薄膜鈮酸鋰底板、刻蝕形成的薄膜鈮酸鋰脊形波導(dǎo)、pecvd?sio2(化學(xué)氣相沉積二氧化硅上包層)；所述刻蝕形成的薄膜鈮酸鋰脊形波導(dǎo)包括：等寬同周期亞波長(zhǎng)光柵區(qū)域、寬度呈倒錐形漸變的亞波長(zhǎng)光柵區(qū)域、亞波長(zhǎng)光柵填充緩沖區(qū)域以及緩沖區(qū)域內(nèi)部的倒錐形波導(dǎo)；所述等寬同周期亞波長(zhǎng)光柵區(qū)域、寬度呈倒錐形漸變的亞波長(zhǎng)光柵區(qū)域、亞波長(zhǎng)光柵填充緩沖區(qū)域中的亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)均位于端面耦合器的中軸線上且關(guān)于中軸線呈軸對(duì)稱；當(dāng)光以te/tm模式輸入時(shí)，所述亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)端面耦合器通過改變波導(dǎo)折射率，匹配光纖中的納米線對(duì)稱導(dǎo)向模式和薄膜鈮酸鋰脊形波導(dǎo)模式，完成模場(chǎng)的轉(zhuǎn)換。

4、進(jìn)一步地，從耦合器尖端開始第一區(qū)域?yàn)槿舾傻葘捦芷趤啿ㄩL(zhǎng)光柵，該部分亞波長(zhǎng)光柵寬度相等，均為w1，周期為a，光柵個(gè)數(shù)為n1。

5、進(jìn)一步地，第二區(qū)域?yàn)閷挾瘸实瑰F形漸變的亞波長(zhǎng)光柵，該部分光柵個(gè)數(shù)為n2，周期為a，第i個(gè)光柵的寬度wi＝(w2-w1)*i/n2+w1。

6、進(jìn)一步地，第三區(qū)域?yàn)閬啿ㄩL(zhǎng)光柵填充緩沖區(qū)域，該緩沖區(qū)域由周期為a，寬度為w2、個(gè)數(shù)為n3的亞波長(zhǎng)光柵以及位于光柵中間的一段倒錐形波導(dǎo)共同構(gòu)成，倒錐形波導(dǎo)的尖端寬度為w0。w2同時(shí)也為輸出的單模波導(dǎo)的寬度。

7、進(jìn)一步地，所述薄膜鈮酸鋰脊形波導(dǎo)，其刻蝕深度為180nm，刻蝕側(cè)壁角約為71.5°。

8、本發(fā)明還提供一種上述基于薄膜鈮酸鋰單次刻蝕形成的亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)端面耦合器的制備方法，包括以下步驟：

9、1)在石英襯底上采用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法沉積二氧化硅層；

10、2)在二氧化硅層上沉積鈮酸鋰層；

11、3)采用電子束光刻的方法對(duì)鈮酸鋰層進(jìn)行刻蝕，刻蝕出薄膜鈮酸鋰脊形波導(dǎo)的形狀(包括等寬同周期亞波長(zhǎng)光柵區(qū)域、寬度呈倒錐形漸變的亞波長(zhǎng)光柵區(qū)域、亞波長(zhǎng)光柵填充緩沖區(qū)域以及緩沖區(qū)域內(nèi)部的倒錐形波導(dǎo))；

12、4)在薄膜鈮酸鋰脊形波導(dǎo)上再次沉積二氧化硅層。

13、本發(fā)明的有益效果為：

14、本發(fā)明提出的基于薄膜鈮酸鋰材料的單次刻蝕形成的亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)端面耦合器，通過倒錐形的亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)，將光從光纖中的對(duì)稱導(dǎo)向模式轉(zhuǎn)化為薄膜鈮酸鋰脊型波導(dǎo)模式。本發(fā)明相比于對(duì)薄膜鈮酸鋰脊型波導(dǎo)的直接光纖耦合，具有更高的耦合效率；本發(fā)明相比于其它常見的端面耦合器，具有更緊湊的尺寸、更大的帶寬和更加簡(jiǎn)單穩(wěn)定的工藝流程。

15、本發(fā)明可以匹配模場(chǎng)直徑為3.3um和4um的透鏡光纖的光學(xué)模式，所加入的亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)有效提升了耦合效率，該結(jié)構(gòu)通過改變波導(dǎo)折射率，匹配光纖中的納米線對(duì)稱導(dǎo)向模式和薄膜鈮酸鋰脊形波導(dǎo)模式，完成模場(chǎng)的轉(zhuǎn)換。本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于各類薄膜鈮酸鋰器件的輸入輸出端面，如薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器。

16、本發(fā)明涉及上述基于薄膜鈮酸鋰材料的單次刻蝕形成的亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)端面耦合器的制備方法，只需對(duì)鈮酸鋰層進(jìn)行一次電子束光刻，隨后覆蓋pecvd?sio2，該耦合器結(jié)構(gòu)在常規(guī)lnoi晶圓上制造，所有結(jié)構(gòu)只需一次刻蝕工藝即可加工完成。

技術(shù)特征：

1.一種基于薄膜鈮酸鋰單次刻蝕形成的亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)端面耦合器，其特征在于，由下至上包括：石英襯底、化學(xué)氣相沉積二氧化硅、薄膜鈮酸鋰底板、刻蝕形成的薄膜鈮酸鋰脊形波導(dǎo)、化學(xué)氣相沉積二氧化硅上包層；所述刻蝕形成的薄膜鈮酸鋰脊形波導(dǎo)包括：等寬同周期亞波長(zhǎng)光柵區(qū)域、寬度呈倒錐形漸變的亞波長(zhǎng)光柵區(qū)域、亞波長(zhǎng)光柵填充緩沖區(qū)域以及緩沖區(qū)域內(nèi)部的倒錐形波導(dǎo)；所述等寬同周期亞波長(zhǎng)光柵區(qū)域、寬度呈倒錐形漸變的亞波長(zhǎng)光柵區(qū)域、亞波長(zhǎng)光柵填充緩沖區(qū)域中的亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)均位于端面耦合器的中軸線上且關(guān)于中軸線呈軸對(duì)稱；當(dāng)光以te/tm模式輸入時(shí)，所述亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)端面耦合器通過改變波導(dǎo)折射率，匹配光纖中的納米線對(duì)稱導(dǎo)向模式和薄膜鈮酸鋰脊形波導(dǎo)模式，完成模場(chǎng)的轉(zhuǎn)換。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于薄膜鈮酸鋰單次刻蝕形成的亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)端面耦合器，其特征在于：所述等寬同周期亞波長(zhǎng)光柵區(qū)域中各個(gè)光柵的寬度相等，均為w1，周期為a，光柵個(gè)數(shù)為n1。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于薄膜鈮酸鋰單次刻蝕形成的亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)端面耦合器，其特征在于：所述寬度呈倒錐形漸變的亞波長(zhǎng)光柵區(qū)域的光柵個(gè)數(shù)為n2，周期為a，第i個(gè)光柵的寬度wi＝(w2-w1)*i/n2+w1，其中w2為所述亞波長(zhǎng)光柵填充緩沖區(qū)域的寬度。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于薄膜鈮酸鋰單次刻蝕形成的亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)端面耦合器，其特征在于：所述亞波長(zhǎng)光柵填充緩沖區(qū)域由周期為a，寬度為w2、個(gè)數(shù)為n3的亞波長(zhǎng)光柵以及位于光柵中間的一段倒錐形波導(dǎo)共同構(gòu)成，所述倒錐形波導(dǎo)的尖端寬度為w0。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于薄膜鈮酸鋰單次刻蝕形成的亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)端面耦合器，其特征在于：所述薄膜鈮酸鋰脊形波導(dǎo)，其刻蝕深度為180nm，刻蝕側(cè)壁角約為71.5°。

6.一種權(quán)利要求1所述基于薄膜鈮酸鋰單次刻蝕形成的亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)端面耦合器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明適用于光通信技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種基于薄膜鈮酸鋰單次刻蝕形成的亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)端面耦合器，包括石英襯底、化學(xué)氣相沉積二氧化硅、薄膜鈮酸鋰底板、刻蝕形成的薄膜鈮酸鋰脊形波導(dǎo)、化學(xué)氣相沉積二氧化硅上包層；所述刻蝕形成的薄膜鈮酸鋰脊形波導(dǎo)包括：等寬同周期亞波長(zhǎng)光柵區(qū)域、寬度呈倒錐形漸變的亞波長(zhǎng)光柵區(qū)域、亞波長(zhǎng)光柵填充緩沖區(qū)域以及緩沖區(qū)域內(nèi)部的倒錐形波導(dǎo)。本發(fā)明引入亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)，通過改變波導(dǎo)折射率，匹配光纖中的對(duì)稱導(dǎo)向模式和薄膜鈮酸鋰脊形波導(dǎo)模式，完成模場(chǎng)的轉(zhuǎn)換。本發(fā)明具有帶寬高、尺寸緊湊、工藝簡(jiǎn)單穩(wěn)定等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于各類薄膜鈮酸鋰器件的輸入輸出端面，如薄膜鈮酸鋰電光調(diào)制器。

技術(shù)研發(fā)人員：張帆,李云辰,周靈鈞,楊川川
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/10