[发明专利]一种基于铌酸锂薄膜波导的高耦合效率的非均匀光栅耦合器

说明书

本发明涉及一种基于铌酸锂薄膜波导的高耦合效率的非均匀光栅耦合器，属于集成光学领域和半导体领域，具体是一种基于LNOI平台的高耦合效率的非均匀分段光栅耦合器。该光栅耦合器包括：绝缘铌酸锂薄膜上的光子芯片以及设置于其上方的光纤。绝缘铌酸锂薄膜上的光子芯片自上而下依次包括：波导耦合光栅、铌酸锂薄膜层、SiO₂埋氧层、Au反射层以及LN衬底。本发明由于具有Au反射层，可以极大地减少光功率向衬底的泄露损失，提高光耦合效率；另外本发明具有非均匀的分段光栅结构，可以优化向上衍射光与光纤中的模场匹配，从而进一步提高光耦合效率。

技术领域

本发明涉及集成光学领域和半导体领域，具体是一种基于LNOI平台的高耦合效率的非均匀分段光栅耦合器。

背景技术

铌酸锂(LN)材料具有优越的光学性能，在光开关、电光调制器等高速电光器件中已有大量应用。其中，基于铌酸锂材料的电光调制器是目前发展最成熟的电光调制器类型，在高速光通信、微波光子技术中已得到广泛应用。但在传统铌酸锂光子器件中，由于波导的光模场面积大、电光重叠度较低，导致铌酸锂光子芯片集成度低、尺寸大，不满足光电子芯片小型化、集成化发展需求。

利用光纤与铌酸锂光波导之间的高效耦合，有利于进一步实现铌酸锂器件的集成应用化。当前光栅耦合器存在以下几个方面的缺点：(1)由于LNOI的对称性，使得光经过光栅衍射之后，会形成对称的两部分，其中有一部分光功率向衬底泄露，这就直接导致传统的光栅耦合器的耦合效率很低，大部分很难超过50％。(2)传统的均匀周期光栅耦合器向上衍射光的光场分布呈指数型衰减，必然导致了传统的光栅耦合器衍射效率的低下。

发明内容

针对基于LNOI平台的传统均匀光栅耦合器耦合效率偏低的问题，本发明的目的在于提供一种基于LNOI平台的带Au反射层的非均匀光栅耦合器，能够提高光栅耦合器的耦合效率。

为了解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明涉及一种基于铌酸锂薄膜波导的高耦合效率的非均匀光栅耦合器，包括绝缘铌酸锂薄膜上的光子芯片以及设置于其上方的光纤。绝缘铌酸锂薄膜上的光子芯片自上而下依次包括：波导耦合光栅、铌酸锂薄膜层、SiO₂埋氧层、Au反射层以及LN衬底。

所述的光纤具体放置于铌酸锂薄膜层上方1-10μm处，且光纤与铌酸锂薄膜层的垂直方向成8°角。

所述的铌酸锂薄膜层的厚度为400nm。

所述的铌酸锂薄膜层上设置有波导耦合光栅。

所述的波导耦合光栅由三个均匀光栅结构组成，从左至右依次是光栅Λ1、光栅Λ2和光栅Λ3。

所述的三个均匀光栅结构之间存在间隙gap，光栅Λ1与光栅Λ2之间的间隙为gap1，间隙的大小范围在1.1μm-1.5μm内；光栅Λ2与光栅Λ3之间的间隙为gap2,间隙的大小范围在1.1μm-1.5μm内。

所述的三个均匀光栅结构分别具有不同的光栅周期，其中光栅Λ1为短周期光栅，且周期范围在1μm-1.02μm内，光栅Λ2、光栅Λ3为长周期光栅，且周期范围在1.02μm-1.06μm内。

所述的三个均匀光栅结构分别具有不同的占空比，其中光栅Λ1占空比为FF1，占空比FF1的大小范围在0.4-0.5；光栅Λ2、光栅Λ3占空比分别为FF2、FF3，占空比FF2、FF3的大小范围也在0.4-0.5。

所述的三个均匀光栅结构分别具有相同的刻蚀深度d，刻蚀深度d大小为225nm。

所述的SiO₂埋氧层厚度为1.8μm、Au反射层厚度为100nm以及LN衬底厚度为500μm。

由于上述技术方案，本发明具有以下有益效果：