[發(fā)明專利]一種與單模光纖直接耦合的LNOI基模斑轉(zhuǎn)換器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110695762.8
• 申請日: 2021-06-22
• 公開（公告）號: CN113640913B
• 公開（公告）日: 2023-08-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊登才;李德陽;王云新;向美華;李穎;宋紫禁
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: G02B6/122
• 分類號: G02B6/122;G02B6/14
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 張慧

本發(fā)明公開了一種與單模光纖直接耦合的LNOI基模斑轉(zhuǎn)換器及方法，涉及集成光學(xué)領(lǐng)域，用于解決光纖與LNOI芯片間的高效耦合問題。本發(fā)明結(jié)構(gòu)自下而上由襯底、緩沖層和波導(dǎo)層三部分組成，其中波導(dǎo)層沿光場傳輸方向可分為兩部分，第一部分為由低折射率波導(dǎo)制成的雙層正向錐形區(qū)，用于輸入光場與反向錐形區(qū)之間的模場變換，第二部分為由頂層鈮酸鋰刻蝕而成的反向錐形區(qū)，用于與LNOI芯片波導(dǎo)最終的模場變換。本發(fā)明雙層正向錐形區(qū)的設(shè)計，不僅起到反向錐形區(qū)與外界輸入光場的過渡作用，可實現(xiàn)與更大輸入模場間的耦合，進(jìn)一步提升了轉(zhuǎn)換效率，還使整個結(jié)構(gòu)更為緊湊、高效，更有利于實現(xiàn)大規(guī)模光路集成。

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明屬于集成光學(xué)領(lǐng)域，尤其是涉及一種與單模光纖直接耦合的LNOI基模斑轉(zhuǎn)換器及方法，可用于光纖與LNOI芯片之間的高效耦合。

背景技術(shù)

鈮酸鋰(LN)作為一種新型材料具有諸多優(yōu)良的光學(xué)特性，包括電光系數(shù)大、非線性光學(xué)效應(yīng)、寬光學(xué)透明窗口、溫度穩(wěn)定性好，熱光系數(shù)低等等，因此，在過去的十幾年中，鈮酸鋰在集成光學(xué)領(lǐng)域得到迅速發(fā)展。為進(jìn)一步滿足集成光子器件小型化的發(fā)展要求，通過將鈮酸鋰薄膜化至幾百納米，基于離子注入和晶圓鍵合技術(shù)制造出絕緣體上鈮酸鋰(lithium?niobate?on?insulator，LNOI)。LNOI不僅保留了傳統(tǒng)鈮酸鋰體材料一系列優(yōu)良的光學(xué)特性，還具有比傳統(tǒng)鈮酸鋰體材料更低的傳輸損耗和更高的電光調(diào)控效率，已經(jīng)成為最有前景的集成光學(xué)平臺之一，并用于實現(xiàn)電光調(diào)制、二次諧波產(chǎn)生、克爾頻率梳產(chǎn)生等多種片上功能。但是，如何實現(xiàn)LNOI波導(dǎo)與光纖之間的高效耦合，一直是LNOI光子器件在實際應(yīng)用中亟需解決的關(guān)鍵問題之一，亞微米級的LNOI波導(dǎo)與光纖直接耦合，插入損耗往往超過10dB。因此，很有必要設(shè)計出一種耦合結(jié)構(gòu)，用以實現(xiàn)LNOI芯片與光纖之間的高效耦合。

通常情況下，根據(jù)輸入光源與光學(xué)芯片是否處于同一平面，可以將耦合方案分為平面內(nèi)耦合和平面外耦合。平面外耦合也可以稱為垂直耦合，其中光柵耦合器最具代表性，光柵耦合器具有對準(zhǔn)公差大、耦合位置靈活、結(jié)構(gòu)緊湊等諸多優(yōu)點，因此普遍適用于光學(xué)芯片的測試，但是受限于衍射原理，光柵耦合對波長和偏振都比較敏感，很難實現(xiàn)高耦合帶寬和偏振無關(guān)，并且光柵耦合在實際應(yīng)用中缺乏合理的封裝方案；平面內(nèi)耦合也可以稱為端面耦合，傳統(tǒng)的端面耦合是將光纖尾纖端面與芯片波導(dǎo)端面直接對接耦合，這種耦合方式要求光纖與波導(dǎo)需要嚴(yán)格對準(zhǔn)，對準(zhǔn)容差十分有限，并且光纖與波導(dǎo)之間存在的模場失配問題，導(dǎo)致耦合效率低下。

發(fā)明內(nèi)容：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種與單模光纖直接耦合的LNOI基模斑轉(zhuǎn)換器，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)光纖與LNOI芯片間的高效耦合，還可以適用于大輸入模場的標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，無需使用小模場特種光纖。