[發明專利]耦合元件和鈮酸鋰薄膜波導耦合裝置

在審

• 申請號: 202010173189.X
• 申請日: 2020-03-12
• 公開（公告）號: CN111239905A
• 公開（公告）日: 2020-06-05
• 發明（設計）人: 李俊慧;王旭陽;馮亞麗;郝琰
• 申請（專利權）人: 北京世維通科技股份有限公司
• 主分類號: G02B6/26
• 分類號: G02B6/26;G02B6/30
• 代理公司: 北京信諾創成知識產權代理有限公司 11728
• 代理人: 楊仁波

本發明提供一種耦合元件和鈮酸鋰薄膜波導耦合裝置，基于本發明提供的耦合元件能獲得滿足實用化應用需求的鈮酸鋰薄膜波導耦合裝置，能提高耦合效率。所述耦合元件，包括容納管、單模光纖和模斑轉換器，其中，所述容納管具有容納腔；所述模斑轉換器位于所述容納管的容納腔中，且所述單模光纖的一端插入所述容納管的容納腔并與所述模斑轉換器連接；所述模斑轉換器和所述單模光纖均粘接固定于所述容納管；所述模板轉換器設有錐形脊波導，所述錐形脊波導包括兩個末端，其中一端為寬端，另一端為窄端；所述寬端與所述單模光纖的纖芯耦合，所述窄端用于耦合所述鈮酸鋰薄膜波導。

技術領域

本發明涉及鈮酸鋰薄膜波導耦合結構，特別涉及一種用于耦合鈮酸鋰薄膜波導的耦合元件和鈮酸鋰薄膜波導耦合裝置。

背景技術

隨著光通信技術穩步向著短距離及超短距離的數據中心和片上光互連領域的推進，以及微波光子學由分立器件向集成器件的發展，對高帶寬、低半波電壓、偏振不敏感、易于集成的微小型電光調制器的需求與日俱增。傳統鈮酸鋰電光調制器體積較大，難以集成且帶寬提升困難的弊端日益顯現。幸運的是，近年來，絕緣體上的鈮酸鋰薄膜(Lithiumniobate on insulator，LNOI))技術已然成熟，高質量鈮酸鋰薄膜芯片已商品化，2018年，鈮酸鋰薄膜結構在高速調制上取得了較大的突破，帶寬達到110GHZ，利用硅基鈮酸鋰薄膜與硅基波導進行混合集成也已經初步在實驗室實現，但是離實用化還有一定的距離。

鈮酸鋰薄膜波導的耦合目前主要存在如下問題：鈮酸鋰光波導的模場尺寸(約1微米寬)與光纖模場尺寸(約6-10微米寬)相比太小，如果直接采用簡單的光纖與波導對接耦合封裝，存在模場失配，器件將面臨較大的耦合損耗5-8dB/端。

目前耦合常采用光柵垂直耦合、錐形小模場光纖對準和雙層模場轉換結構等，以上耦合方案，存在不利于固定、工藝精度要求高、制作工藝復雜等問題，不利于實用化樣品制作。

發明內容

有鑒于此，本發明提供一種用于耦合鈮酸鋰薄膜波導的耦合元件以及基于該耦合元件的鈮酸鋰薄膜波導耦合裝置，基于本發明提供的耦合元件，能提高與鈮酸鋰薄膜波導的耦合效率，得到滿足實用化應用需求的鈮酸鋰薄膜波導耦合裝置。

本發明為達到其目的，提供一種用于耦合鈮酸鋰薄膜波導的耦合元件，包括容納管、單模光纖和模斑轉換器，其中，

所述容納管具有容納腔；

所述模斑轉換器位于所述容納管的容納腔中，且所述單模光纖的一端插入所述容納管的容納腔并與所述模斑轉換器連接；所述模斑轉換器和所述單模光纖均粘接固定于所述容納管；

所述模板轉換器設有錐形脊波導，所述錐形脊波導包括兩個末端，其中一端為寬端，另一端為窄端；所述寬端與所述單模光纖的纖芯耦合，所述窄端用于耦合所述鈮酸鋰薄膜波導。

進一步的，所述錐形脊波導的折射率為1.6-1.9。采用折射率介于光纖(折射率1.45左右)和鈮酸鋰薄膜(折射率2.2左右)之間的錐形脊波導，作為一種緩沖過渡結構，耦合損耗低，且耦合工藝易于實施，降低成本。而若僅僅在鈮酸鋰薄膜上實現模場結構，由于折射率差較大，直接轉換會導致多模，如做多層緩沖結構，轉換結構最窄處需要滿足幾十nm的數量級，對于光刻制作工藝要求精度非常高，工藝過程也非常繁瑣，成品率偏低，導致成本過高，不利于實用化應用推廣；本發明的耦合結構能克服這些問題。

進一步的，所述錐形脊波導的材質為摻鍺二氧化硅，所述模斑轉換器包括本體和設于本體中的所述錐形脊波導，所述本體的材質為二氧化硅。摻鍺二氧化硅錐形脊波導的制作工藝在本領域已比較成熟，且采用摻鍺二氧化硅材質，其傳輸損耗較低，約為0.03-0.08dB/cm。

一些實施方案中，所述錐形脊波導的長度為200-500μm，所述錐形脊波導的所述窄端的寬度為0.5-1.5μm，所述寬端的寬度為4-5μm。本發明所采用的模場轉換結構長度在亞毫米量級，同時采用摻鍺二氧化硅材質，傳輸損耗非常低。