[發明專利]一種基于鈮酸鋰薄膜的脊形波導端面耦合器

有效

• 申請號: 202111125945.2
• 申請日: 2021-09-24
• 公開（公告）號: CN113820801B
• 公開（公告）日: 2022-07-08
• 發明（設計）人: 尹志軍;湯濟;崔國新;許志城
• 申請（專利權）人: 南京南智先進光電集成技術研究院有限公司
• 主分類號: G02B6/42
• 分類號: G02B6/42
• 代理公司: 北京弘權知識產權代理有限公司 11363
• 代理人: 逯長明;許偉群

本申請涉及半導體集成光電子器件技術領域，提供一種基于鈮酸鋰薄膜的脊形波導端面耦合器，該端面耦合器具有異質兩步倒錐形波導的耦合結構，應用于將光纖中的光耦合進入薄膜鈮酸鋰芯片上的波導。該端面耦合器自下而上包括襯底層、絕緣層和耦合結構，其中，耦合結構包括順序相接的覆蓋波導、由氮化硅制成的第一步倒錐形波導、由LION薄膜材料制成的第二步倒錐形波導和器件波導。本申請首先將光纖與覆蓋波導端面對接，光纖模場尺寸與覆蓋波導匹配，光能量高效地進入覆蓋波導傳播；隨后，覆蓋波導中的模場又通過兩步倒錐形波導結構，依次且有效地轉換為條形波導模場和脊形波導模場，最終進入功能器件，從而實現高效率的纖芯耦合。

技術領域

本申請涉及半導體集成光電子器件技術領域，尤其涉及一種基于鈮酸鋰薄膜的脊形波導端面耦合器。

背景技術

鈮酸鋰晶體(LiNbO3，簡稱LN)材料目前已發展成熟，被廣泛應用于調制器、光纖陀螺、光纖傳感等領域。在此基礎上，專家學者又進一步研發出一種新型薄膜材料，即采用離子注入和晶圓鍵合技術制備的絕緣體上鈮酸鋰(Lithium-Niobate-on-Insulator，LNOI)薄膜材料。LNOI薄膜材料具有優異的電光效應和聲光效應，單晶性能高，波導芯層與包層折射率對比差較大，限光能力強，且能做到微納尺寸，因此是開發大規模集成光電子器件的理想平臺。

在光電子器件的實際應用中，如何實現光纖與芯片器件之間的高效耦合一直是研究人員在不斷突破和攻克的技術難點。目前，常用的纖芯耦合手段主要有光柵耦合和端面耦合兩種方式。光柵耦合方式采用光柵耦合器，可在芯片任意位置垂直耦合，對準公差相對較大，還可實現晶圓級測試，但光柵耦合方式的工作帶寬較窄，且對偏振和波長較為敏感；而端面耦合器，由于帶寬較大，對偏振不敏感(即適用于任何偏振)，因此，端面耦合方式在實際封裝和應用中更具有價值。

現有的端面耦合方式中，由于芯片上的波導尺寸較小，導致波導模斑的大小與光纖尺寸不匹配，進而造成光纖與芯片的耦合效率較低。現有技術提出采用倒錐形的模式轉換器來擴展端面上的波導模場，用以提高LNOI波導與光纖的模場匹配度，因為倒錐形的尖部尺寸越小，波導模場越大，與光纖模場越匹配，耦合效率越高。對于典型的LNOI脊形波導，由于波導下面有一層鈮酸鋰平板結構，故而需要兩步倒錐形來擴展脊形波導模場。首先使用與平板結構厚度相同的第一步倒錐形波導將光纖(或大尺寸的過渡波導)中的光耦入，接著第二步倒錐形波導將第一步倒錐形波導中的模場轉換到脊形波導，最后與芯片的器件波導連接。然而，在上述工藝操作中，由于鈮酸鋰刻蝕技術的限制，造成鈮酸鋰波導具有一定的側壁傾角，導致倒錐形的尖部線寬受限，從而制約了端面耦合器耦合效率的進一步提高。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本申請旨在提供一種基于鈮酸鋰薄膜的脊形波導端面耦合器，以解決倒錐形端面耦合器中，在刻蝕鈮酸鋰波導時，由于存在側壁傾角而導致耦合效率受限的技術問題，進而深入推動集成光學技術的進一步發展及光電子器件的更廣泛應用。

為了實現上述目的，本申請提供一種基于鈮酸鋰薄膜的脊形波導端面耦合器，具體包括：耦合結構，沿著光傳播方向，所述耦合結構包括順序相接的覆蓋波導、第一步倒錐形波導、第二步倒錐形波導和器件波導。

所述覆蓋波導包括具有固定寬度的第一波導芯層，所述第一波導芯層的前端置于所述耦合結構的一端面處，用于連接光纖。

所述第一步倒錐形波導，包括第二波導芯層，所述第二波導芯層為氮化硅層，所述氮化硅層的尖端與所述第一波導芯層的尾端相接，所述氮化硅層的尖端寬度至尾端寬度呈線性增大。

所述第二步倒錐形波導，包括采用LION薄膜材料制成的第三波導芯層，所述第三波導芯層自下而上包括第一平板層和第一脊形層，所述第一平板層的尖端與所述氮化硅層的尾端相接，所述第一平板層的尖端寬度為所述氮化硅層的尾端寬度，所述第一平板層的尖端寬度至尾端寬度呈線性增大；所述第一脊形層的尖端置于所述氮化硅層與所述第一平板層的交接端面處，所述第一脊形層的尖端寬度遠小于所述第一平板層的尖端寬度，所述第一脊形層的尖端寬度至尾端寬度呈線性增大。