本發(fā)明涉及模斑轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域，具體是一種質(zhì)子交換波導(dǎo)和脊波導(dǎo)結(jié)合的鈮酸鋰薄膜模斑轉(zhuǎn)換器。

背景技術(shù)：

1、隨著信息傳輸速度和通訊容量需求的增加，光通信技術(shù)的發(fā)展成為了關(guān)鍵突破點(diǎn)之一。鈮酸鋰晶體因其出色的電光特性而成為了電光調(diào)制芯片中不可或缺的光學(xué)材料。鈮酸鋰薄膜光波導(dǎo)由于其低損耗、小尺寸易于集成的特點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用。然而，鈮酸鋰薄膜波導(dǎo)的橫截面尺寸遠(yuǎn)低于單模光纖的光模斑尺寸，當(dāng)光從光纖傳入鈮酸鋰波導(dǎo)時(shí)傳輸損耗很大導(dǎo)致耦合效率較低。為提高光互連過程中的耦合效率，目前主要通過光柵耦合器，模斑轉(zhuǎn)換器以及在光纖與波導(dǎo)中插入透鏡或棱鏡的耦合方案。光柵耦合器底部采用金屬反射器、布拉格反射器和非均勻光柵來提高光柵的耦合性能，但其對波長敏感并對偏振態(tài)具有選擇性。而透鏡或棱鏡的方式導(dǎo)致了大尺寸的局限性，不利于高集成度發(fā)展趨勢?；诙嗣骜詈系哪０咿D(zhuǎn)換器，具有較高的耦合效率且具有較低的偏振敏感性，同時(shí)具備更加廣闊的應(yīng)用環(huán)境。

2、由于鈮酸鋰光芯片與光纖的材料差異，容易引入較大的插入損耗，波導(dǎo)寬度尺寸的急劇變化會產(chǎn)生較大的散射損耗，寬度漸變區(qū)長度通常達(dá)到數(shù)百個(gè)微米，這對于光子器件來說尺寸過大。目前模斑轉(zhuǎn)換器通常使用錐形結(jié)構(gòu)或倒錐結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)器件與光纖的連接，克服單模光纖和波導(dǎo)在有效折射率、芯徑尺寸等方面的差異，將光纖中的模式尺寸逐漸演化成納米波導(dǎo)的模式尺寸，從而實(shí)現(xiàn)高效耦合。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種質(zhì)子交換波導(dǎo)和脊波導(dǎo)結(jié)合的鈮酸鋰薄膜模斑轉(zhuǎn)換器，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的光模式適配損耗大，模斑轉(zhuǎn)換器尺寸大的問題。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

3、質(zhì)子交換波導(dǎo)和脊波導(dǎo)結(jié)合的鈮酸鋰薄膜模斑轉(zhuǎn)換器，包括襯底，襯底上設(shè)有二氧化硅絕緣層，二氧化硅絕緣層上設(shè)有鈮酸鋰薄膜層，所述鈮酸鋰薄膜層分為三個(gè)直線分布的區(qū)域，其中第一個(gè)區(qū)域通過質(zhì)子交換方法成型有質(zhì)子交換波導(dǎo)后再整體減薄處理，以形成雙層質(zhì)子交換波導(dǎo)，其中下層質(zhì)子交換波導(dǎo)嵌于減薄后的第一個(gè)區(qū)域中，上層質(zhì)子交換波導(dǎo)位于下層質(zhì)子交換波導(dǎo)上并高于減薄后的第一個(gè)區(qū)域頂面，并且減薄后的第一個(gè)區(qū)域上還設(shè)有包覆下層質(zhì)子交換波導(dǎo)、上層質(zhì)子交換波導(dǎo)的上覆二氧化硅包層；所述下層質(zhì)子交換波導(dǎo)、上層質(zhì)子交換波導(dǎo)的寬度分別沿各自自身光傳輸方向逐漸增大，下層質(zhì)子交換波導(dǎo)長度大于上層質(zhì)子交換波導(dǎo)，下層質(zhì)子交換波導(dǎo)寬度最大處的寬度大于上層質(zhì)子交換波導(dǎo)寬度最大處的寬度，下層質(zhì)子交換波導(dǎo)寬度最小處的寬度小于或等于上層質(zhì)子交換波導(dǎo)寬度最小處的寬度；

4、第二個(gè)區(qū)域通過質(zhì)子交換方法成型有過渡質(zhì)子交換波導(dǎo)，過渡質(zhì)子交換波導(dǎo)的寬度沿自身光傳輸方向逐漸減小，過渡質(zhì)子交換波導(dǎo)寬度最大處的寬度大于上層質(zhì)子交換波導(dǎo)寬度最大處的寬度、小于所述下層質(zhì)子交換波導(dǎo)寬度最大處的寬度，并且過渡質(zhì)子交換波導(dǎo)寬度最大處通過的光波模場尺寸與所述下層質(zhì)子交換波導(dǎo)、上層質(zhì)子交換波導(dǎo)寬度最大處通過的光波模場尺寸匹配；

5、第三個(gè)區(qū)域刻蝕成型有鈮酸鋰脊波導(dǎo)，所述鈮酸鋰脊波導(dǎo)的寬度沿自身光傳輸方向逐漸減小，鈮酸鋰脊波導(dǎo)寬度最大處的寬度大于所述下層質(zhì)子交換波導(dǎo)寬度最大處的寬度，并且鈮酸鋰脊波導(dǎo)寬度最大處通過的光波模場尺寸與所述過渡質(zhì)子交換波導(dǎo)寬度最小處通過的光波模場尺寸匹配；

6、通過下層質(zhì)子交換波導(dǎo)的寬度最小處連接接收光纖的光信號，其中部分光信號擴(kuò)散至上覆二氧化硅包層，并由上層質(zhì)子交換波導(dǎo)引導(dǎo)傳輸至所述過渡質(zhì)子交換波導(dǎo)的寬度最大處，其余光信號通過下層質(zhì)子交換波導(dǎo)傳輸至所述過渡質(zhì)子交換波導(dǎo)的寬度最大處，并且通過下層質(zhì)子交換波導(dǎo)的光信號由下層質(zhì)子交換波導(dǎo)進(jìn)行光波模場尺寸的壓縮，通過上層質(zhì)子交換波導(dǎo)由上層質(zhì)子交換波導(dǎo)進(jìn)行光波模場尺寸的壓縮；

7、所述過渡質(zhì)子交換波導(dǎo)將光信號傳輸至鈮酸鋰脊波導(dǎo)的寬度最大處，并且通過過渡質(zhì)子交換波導(dǎo)的光信號由過渡質(zhì)子交換波導(dǎo)進(jìn)行光波模場尺寸的壓縮；

8、所述鈮酸鋰脊波導(dǎo)將光信號向外輸出，并且通過鈮酸鋰脊波導(dǎo)的光信號由鈮酸鋰脊波導(dǎo)進(jìn)行光波模場尺寸的壓縮。

9、進(jìn)一步的，所述下層質(zhì)子交換波導(dǎo)包括窄波導(dǎo)段、過渡波導(dǎo)段、寬波導(dǎo)段；其中過渡波導(dǎo)段為錐形，窄波導(dǎo)段為寬度與過渡波導(dǎo)段寬度最小處匹配的直線型，寬波導(dǎo)段為寬度與過渡波導(dǎo)段寬度最大處匹配的直線型；窄波導(dǎo)段一端連接光纖、另一端連接過渡波導(dǎo)段的寬度最小處；寬波導(dǎo)段一端連接過渡波導(dǎo)段的寬度最大處、另一端連接所述過渡質(zhì)子交換波導(dǎo)的寬度最大處。

10、進(jìn)一步的，所述上層質(zhì)子交換波導(dǎo)為錐形，上層質(zhì)子交換波導(dǎo)的寬度最大處連接所述過渡質(zhì)子交換波導(dǎo)的寬度最大處。

11、進(jìn)一步的，所述鈮酸鋰脊波導(dǎo)包括脊波導(dǎo)寬段、脊波導(dǎo)過渡段、脊波導(dǎo)窄段；其中脊波導(dǎo)過渡段為錐形，脊波導(dǎo)寬段為寬度與脊波導(dǎo)過渡段寬度最大處匹配的直線型，脊波導(dǎo)窄段為寬度與脊波導(dǎo)過渡段寬度最小處匹配的直線型；脊波導(dǎo)寬段一端連接所述渡質(zhì)子交換波導(dǎo)的寬度最小處、另一端連接所述脊波導(dǎo)過渡段的寬度最大處；脊波導(dǎo)窄段一端連接所述脊波導(dǎo)過渡段的寬度最小處、另一端向外輸出光信號。

12、進(jìn)一步的，還包括設(shè)于鈮酸鋰薄膜層上的二氧化硅保護(hù)層，由二氧化硅保護(hù)層包覆鈮酸鋰薄膜層上形成的各個(gè)波導(dǎo)。

13、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

14、本發(fā)明可與光纖進(jìn)行端面耦合，并利用絕熱工作模式改變模場尺寸。為了保證模場的低損耗過度，模斑轉(zhuǎn)換過程中模場的最低階模式始終限制在寬度逐漸變化的波導(dǎo)段中，即限制在第一個(gè)區(qū)域的上、下層質(zhì)子交換波導(dǎo)的錐形過渡段、第二個(gè)區(qū)域的過渡質(zhì)子交換波導(dǎo)，以及第三個(gè)區(qū)域的鈮酸鋰脊波導(dǎo)的錐形脊波導(dǎo)過渡段，使光纖模場與光波導(dǎo)模場進(jìn)行更好的轉(zhuǎn)換。

15、在第一個(gè)區(qū)域中，下層質(zhì)子交換波導(dǎo)通過寬度最小處與光纖耦合，由于用于耦合光纖的下層質(zhì)子交換波導(dǎo)寬度最小處芯寬較小，光波模場在該端面受到的限制較小，光波模場可以在水平和豎直方向上擴(kuò)散到上覆二氧化硅包層，光波模場大部分?jǐn)U散在上覆二氧化硅包層中傳輸。其間接收來自光纖的大尺寸光場，隨著雙層質(zhì)子交換波導(dǎo)的耦合作用，對光波模場起到一定的壓縮作用。沿著光的傳輸方向，由于雙層質(zhì)子交換波導(dǎo)的寬度都是逐漸增大的，模式的有效折射率隨之增加，從而把光高效的耦合到小尺寸的光波導(dǎo)器件中，實(shí)現(xiàn)模斑轉(zhuǎn)換功能。

16、并且，第一個(gè)區(qū)域中，是在通過質(zhì)子交換法成型質(zhì)子交換波導(dǎo)后，采用減薄處理的方式成型兩層質(zhì)子交換波導(dǎo)。減薄處理進(jìn)一步削弱波導(dǎo)的限制能力，讓光波模場能夠擴(kuò)散進(jìn)下層的二氧化硅絕緣層和上覆二氧化硅包層，進(jìn)而增大模場尺寸，使得端面光波模式能夠與光纖中的光波模式相匹配，以達(dá)到減小模斑轉(zhuǎn)換器的耦合損耗的作用。并且減薄后形成的雙層質(zhì)子交換波導(dǎo)結(jié)構(gòu)能夠有助于減小整個(gè)器件尺寸。

17、鈮酸鋰脊波導(dǎo)對光波模場的限制能力較強(qiáng)，其模場尺寸可以被壓縮至直徑一微米以下，而光纖中的光波模場直徑往往在9微米左右。故本發(fā)明為了將光纖中的模場過渡到鈮酸鋰脊波導(dǎo)上，在第二個(gè)區(qū)域使用鈮酸鋰薄膜的質(zhì)子交換波導(dǎo)形成過渡質(zhì)子交換波導(dǎo)。質(zhì)子交換處理能夠創(chuàng)造相對鈮酸鋰脊波導(dǎo)更弱的模場限制能力，方便得到更大尺寸的光波模場，進(jìn)而減小光纖中光波模式到鈮酸鋰薄膜芯片模式的失配損耗。并且，第二個(gè)區(qū)域的過渡質(zhì)子交換波導(dǎo)寬度漸變的同時(shí)也在進(jìn)一步壓縮光波模場。

18、在第三個(gè)區(qū)域中，鈮酸鋰脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對光波模場限制能力強(qiáng)，且在一定范圍內(nèi)鈮酸鋰脊波導(dǎo)寬度越寬、限制能力越弱，由此本發(fā)明中鈮酸鋰脊波導(dǎo)沿光傳輸方向?qū)挾瘸手饾u減小的，因此鈮酸鋰脊波導(dǎo)在光傳輸方向上表現(xiàn)為限制能力逐漸增強(qiáng)的過程，由此通過鈮酸鋰脊波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)更進(jìn)一步壓縮光波模場。

19、綜上，本發(fā)明采用具有錐形結(jié)構(gòu)的鈮酸鋰脊波導(dǎo)與質(zhì)子交換波導(dǎo)做過渡的方式，將來自光纖的光模場耦合到鈮酸鋰脊波導(dǎo)中，實(shí)現(xiàn)模斑轉(zhuǎn)換功能。

20、本發(fā)明提供的模斑轉(zhuǎn)換器將光纖中的光模場經(jīng)端面耦合進(jìn)入適配的質(zhì)子交換波導(dǎo)中，再耦合進(jìn)入鈮酸鋰脊波導(dǎo)，使得光斑得以在橫向和縱向上雙向轉(zhuǎn)換，可有效提高光耦合效率，能夠?qū)崿F(xiàn)較大的模式匹配，并具有較小的器件尺寸，提高了光芯片與光纖的耦合效率，減小了光纖損耗，符合光子器件集成化的發(fā)展趨勢。