[发明专利]一种基于铌酸锂薄膜的脊形波导端面耦合器

说明书

本申请涉及半导体集成光电子器件技术领域，提供一种基于铌酸锂薄膜的脊形波导端面耦合器，该端面耦合器具有异质两步倒锥形波导的耦合结构，应用于将光纤中的光耦合进入薄膜铌酸锂芯片上的波导。该端面耦合器自下而上包括衬底层、绝缘层和耦合结构，其中，耦合结构包括顺序相接的覆盖波导、由氮化硅制成的第一步倒锥形波导、由LION薄膜材料制成的第二步倒锥形波导和器件波导。本申请首先将光纤与覆盖波导端面对接，光纤模场尺寸与覆盖波导匹配，光能量高效地进入覆盖波导传播；随后，覆盖波导中的模场又通过两步倒锥形波导结构，依次且有效地转换为条形波导模场和脊形波导模场，最终进入功能器件，从而实现高效率的纤芯耦合。

技术领域

本申请涉及半导体集成光电子器件技术领域，尤其涉及一种基于铌酸锂薄膜的脊形波导端面耦合器。

背景技术

铌酸锂晶体(LiNbO3，简称LN)材料目前已发展成熟，被广泛应用于调制器、光纤陀螺、光纤传感等领域。在此基础上，专家学者又进一步研发出一种新型薄膜材料，即采用离子注入和晶圆键合技术制备的绝缘体上铌酸锂(Lithium-Niobate-on-Insulator，LNOI)薄膜材料。LNOI薄膜材料具有优异的电光效应和声光效应，单晶性能高，波导芯层与包层折射率对比差较大，限光能力强，且能做到微纳尺寸，因此是开发大规模集成光电子器件的理想平台。

在光电子器件的实际应用中，如何实现光纤与芯片器件之间的高效耦合一直是研究人员在不断突破和攻克的技术难点。目前，常用的纤芯耦合手段主要有光栅耦合和端面耦合两种方式。光栅耦合方式采用光栅耦合器，可在芯片任意位置垂直耦合，对准公差相对较大，还可实现晶圆级测试，但光栅耦合方式的工作带宽较窄，且对偏振和波长较为敏感；而端面耦合器，由于带宽较大，对偏振不敏感(即适用于任何偏振)，因此，端面耦合方式在实际封装和应用中更具有价值。

现有的端面耦合方式中，由于芯片上的波导尺寸较小，导致波导模斑的大小与光纤尺寸不匹配，进而造成光纤与芯片的耦合效率较低。现有技术提出采用倒锥形的模式转换器来扩展端面上的波导模场，用以提高LNOI波导与光纤的模场匹配度，因为倒锥形的尖部尺寸越小，波导模场越大，与光纤模场越匹配，耦合效率越高。对于典型的LNOI脊形波导，由于波导下面有一层铌酸锂平板结构，故而需要两步倒锥形来扩展脊形波导模场。首先使用与平板结构厚度相同的第一步倒锥形波导将光纤(或大尺寸的过渡波导)中的光耦入，接着第二步倒锥形波导将第一步倒锥形波导中的模场转换到脊形波导，最后与芯片的器件波导连接。然而，在上述工艺操作中，由于铌酸锂刻蚀技术的限制，造成铌酸锂波导具有一定的侧壁倾角，导致倒锥形的尖部线宽受限，从而制约了端面耦合器耦合效率的进一步提高。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本申请旨在提供一种基于铌酸锂薄膜的脊形波导端面耦合器，以解决倒锥形端面耦合器中，在刻蚀铌酸锂波导时，由于存在侧壁倾角而导致耦合效率受限的技术问题，进而深入推动集成光学技术的进一步发展及光电子器件的更广泛应用。

为了实现上述目的，本申请提供一种基于铌酸锂薄膜的脊形波导端面耦合器，具体包括：耦合结构，沿着光传播方向，所述耦合结构包括顺序相接的覆盖波导、第一步倒锥形波导、第二步倒锥形波导和器件波导。

所述覆盖波导包括具有固定宽度的第一波导芯层，所述第一波导芯层的前端置于所述耦合结构的一端面处，用于连接光纤。

所述第一步倒锥形波导，包括第二波导芯层，所述第二波导芯层为氮化硅层，所述氮化硅层的尖端与所述第一波导芯层的尾端相接，所述氮化硅层的尖端宽度至尾端宽度呈线性增大。

所述第二步倒锥形波导，包括采用LION薄膜材料制成的第三波导芯层，所述第三波导芯层自下而上包括第一平板层和第一脊形层，所述第一平板层的尖端与所述氮化硅层的尾端相接，所述第一平板层的尖端宽度为所述氮化硅层的尾端宽度，所述第一平板层的尖端宽度至尾端宽度呈线性增大；所述第一脊形层的尖端置于所述氮化硅层与所述第一平板层的交接端面处，所述第一脊形层的尖端宽度远小于所述第一平板层的尖端宽度，所述第一脊形层的尖端宽度至尾端宽度呈线性增大。