[发明专利]一种与单模光纤直接耦合的LNOI基模斑转换器

说明书

本发明公开了一种与单模光纤直接耦合的LNOI基模斑转换器及方法，涉及集成光学领域，用于解决光纤与LNOI芯片间的高效耦合问题。本发明结构自下而上由衬底、缓冲层和波导层三部分组成，其中波导层沿光场传输方向可分为两部分，第一部分为由低折射率波导制成的双层正向锥形区，用于输入光场与反向锥形区之间的模场变换，第二部分为由顶层铌酸锂刻蚀而成的反向锥形区，用于与LNOI芯片波导最终的模场变换。本发明双层正向锥形区的设计，不仅起到反向锥形区与外界输入光场的过渡作用，可实现与更大输入模场间的耦合，进一步提升了转换效率，还使整个结构更为紧凑、高效，更有利于实现大规模光路集成。

技术领域：

本发明属于集成光学领域，尤其是涉及一种与单模光纤直接耦合的LNOI基模斑转换器及方法，可用于光纤与LNOI芯片之间的高效耦合。

背景技术

铌酸锂(LN)作为一种新型材料具有诸多优良的光学特性，包括电光系数大、非线性光学效应、宽光学透明窗口、温度稳定性好，热光系数低等等，因此，在过去的十几年中，铌酸锂在集成光学领域得到迅速发展。为进一步满足集成光子器件小型化的发展要求，通过将铌酸锂薄膜化至几百纳米，基于离子注入和晶圆键合技术制造出绝缘体上铌酸锂(lithium niobate on insulator，LNOI)。LNOI不仅保留了传统铌酸锂体材料一系列优良的光学特性，还具有比传统铌酸锂体材料更低的传输损耗和更高的电光调控效率，已经成为最有前景的集成光学平台之一，并用于实现电光调制、二次谐波产生、克尔频率梳产生等多种片上功能。但是，如何实现LNOI波导与光纤之间的高效耦合，一直是LNOI光子器件在实际应用中亟需解决的关键问题之一，亚微米级的LNOI波导与光纤直接耦合，插入损耗往往超过10dB。因此，很有必要设计出一种耦合结构，用以实现LNOI芯片与光纤之间的高效耦合。

通常情况下，根据输入光源与光学芯片是否处于同一平面，可以将耦合方案分为平面内耦合和平面外耦合。平面外耦合也可以称为垂直耦合，其中光栅耦合器最具代表性，光栅耦合器具有对准公差大、耦合位置灵活、结构紧凑等诸多优点，因此普遍适用于光学芯片的测试，但是受限于衍射原理，光栅耦合对波长和偏振都比较敏感，很难实现高耦合带宽和偏振无关，并且光栅耦合在实际应用中缺乏合理的封装方案；平面内耦合也可以称为端面耦合，传统的端面耦合是将光纤尾纤端面与芯片波导端面直接对接耦合，这种耦合方式要求光纤与波导需要严格对准，对准容差十分有限，并且光纤与波导之间存在的模场失配问题，导致耦合效率低下。

发明内容：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种与单模光纤直接耦合的LNOI基模斑转换器，不仅能够实现光纤与LNOI芯片间的高效耦合，还可以适用于大输入模场的标准单模光纤，无需使用小模场特种光纤。