[發明專利]一種基于硅和鈮酸鋰復合薄膜的端面耦合器

在審

• 申請號: 202211143999.6
• 申請日: 2022-09-20
• 公開（公告）號: CN115373082A
• 公開（公告）日: 2022-11-22
• 發明（設計）人: 李青云;胡卉;張洪湖;朱厚彬
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: G02B6/30
• 分類號: G02B6/30;G02B6/26;G02B6/122
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 王志坤

本發明涉及一種基于硅和鈮酸鋰復合薄膜的端面耦合器。本發明的端面耦合器采用倒錐形的波導結構來擴大波導的模式直徑，同時采用透鏡光纖(將單模光纖的模式直徑縮小到2.5μm左右)來實現與光波導的耦合。本發明的耦合器具有低插入損耗，對偏振不敏感，大的操作帶寬和結構穩定的特點。有助于Si?LNOI平臺在集成光學中的廣泛應用。

技術領域

本發明屬于集成光學領域，具體涉及一種基于硅和鈮酸鋰復合薄膜的端面耦合器及其制備方法。

背景技術

公開該背景技術部分的信息僅僅旨在增加對本發明的總體背景的理解，而不必然被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已經成為本領域一般技術人員所公知的現有技術。

單晶鈮酸鋰薄膜(lithium niobate on insulator,LNOI)具有卓越的電光，聲光和非線性光學等性質，并且具有大的折射率對比度，廣泛應用于集成光學領域。基于其上的光子器件在性能和集成度上都大大提高。但是鈮酸鋰材料本身化學惰性較強，不易刻蝕，進行微加工比較困難，因此對其進行微納結構的制備比較困難。此外，鈮酸鋰是一種絕緣體，電學特性不突出，電泵浦光源和探測器等功能比較難以實現，這些都影響了鈮酸鋰在集成光學中的應用。硅是應用最廣泛的半導體材料，其具有卓越的電學性質和成熟的微納制備技術。基于硅薄膜(Silicon on insulator,SOI)上的光子器件已經非常成熟。但是硅薄膜不具有電光和非線性光學等效應，影響了其在集成光學中的應用。采用離子注入和直接鍵合技術制備的硅和鈮酸鋰的復合薄膜(Si-LNOI)，結合了鈮酸鋰卓越的光學性能與硅優秀的電學性質和成熟的微納制備技術。材料從上到下依次為：硅薄膜，鈮酸鋰薄膜，二氧化硅緩沖層和硅襯底。基于Si-LNOI上許多高性能的光子器件被展示，該材料有望成為一個極具前景的集成光學平臺。

在Si-LNOI上制備的光波導橫截面在亞微米量級，其與單模光纖模式(模式直徑約10μm)的嚴重失配導致耦合效率低。為實現基于該材料平臺上高性能的光子器件和實際的應用，光纖與Si-LNOI波導間的高效耦合是必要的。光柵耦合和端面耦合是實現光纖與集成光子芯片耦合最常用的方式。光柵耦合器有利于實現晶圓上的器件評測,但是具有小的操作帶寬和對偏振比較敏感。端面耦合通常通過展寬波導模式尺寸并且縮小光纖中光斑模式尺寸來提高耦合效率。利用端面耦合可以實現光纖與芯片的直接耦合,并且具有大的操作帶寬與偏振不敏感。目前，基于Si-LNOI上的端面耦合器還無報道。

發明內容

為了解決以上問題，本發明提供了一種基于Si-LNOI平臺的高效端面耦合器。本發明的端面耦合器采用倒錐形的波導結構來擴大波導的模式直徑，同時采用透鏡光纖(將單模光纖的模式直徑縮小到2.5μm左右)來實現與光波導的耦合。

為了解決上述技術問題，本發明提供如下技術方案。

本發明的第一方面，提供一種基于Si-LNOI平臺的高效端面耦合器，所述高效端面耦合器，從上到下依次為：耦合結構，單晶鈮酸鋰(LN)薄膜層，二氧化硅(SiO₂)緩沖層和硅(Si)襯底；

所述耦合結構主要由兩部分波導芯層組成，沿光的傳輸方向，依次為富硅氮化硅(SRN)波導芯層和倒錐形硅(Inverted-tapered Si)波導芯層，沿光傳輸方向，倒錐形硅波導寬度逐漸變大，倒錐形硅波導高度不變。

進一步的，所述單晶鈮酸鋰(LN)薄膜層的厚度為300-900nm。

進一步的，為了防止光泄露到硅襯底，二氧化硅緩沖層厚度2-4μm。硅襯底厚度為500-1000μm。

進一步的，耦合結構包括倒錐形硅波導和覆蓋在其上的富硅氮化硅波導。倒錐形硅波導為單晶結構，為實現單模條件，倒錐形硅波導高度不高于300nm，最大寬度處不大于500nm。

進一步的，富硅氮化硅的折射率為2.2-2.3。富硅氮化硅波導的寬度為2.5-3.0μm，高度為2.0-2.5μm。