[发明专利]一种基于硅和铌酸锂复合薄膜的端面耦合器

说明书

本发明涉及一种基于硅和铌酸锂复合薄膜的端面耦合器。本发明的端面耦合器采用倒锥形的波导结构来扩大波导的模式直径，同时采用透镜光纤(将单模光纤的模式直径缩小到2.5μm左右)来实现与光波导的耦合。本发明的耦合器具有低插入损耗，对偏振不敏感，大的操作带宽和结构稳定的特点。有助于Si‑LNOI平台在集成光学中的广泛应用。

技术领域

本发明属于集成光学领域，具体涉及一种基于硅和铌酸锂复合薄膜的端面耦合器及其制备方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

单晶铌酸锂薄膜(lithium niobate on insulator,LNOI)具有卓越的电光，声光和非线性光学等性质，并且具有大的折射率对比度，广泛应用于集成光学领域。基于其上的光子器件在性能和集成度上都大大提高。但是铌酸锂材料本身化学惰性较强，不易刻蚀，进行微加工比较困难，因此对其进行微纳结构的制备比较困难。此外，铌酸锂是一种绝缘体，电学特性不突出，电泵浦光源和探测器等功能比较难以实现，这些都影响了铌酸锂在集成光学中的应用。硅是应用最广泛的半导体材料，其具有卓越的电学性质和成熟的微纳制备技术。基于硅薄膜(Silicon on insulator,SOI)上的光子器件已经非常成熟。但是硅薄膜不具有电光和非线性光学等效应，影响了其在集成光学中的应用。采用离子注入和直接键合技术制备的硅和铌酸锂的复合薄膜(Si-LNOI)，结合了铌酸锂卓越的光学性能与硅优秀的电学性质和成熟的微纳制备技术。材料从上到下依次为：硅薄膜，铌酸锂薄膜，二氧化硅缓冲层和硅衬底。基于Si-LNOI上许多高性能的光子器件被展示，该材料有望成为一个极具前景的集成光学平台。

在Si-LNOI上制备的光波导横截面在亚微米量级，其与单模光纤模式(模式直径约10μm)的严重失配导致耦合效率低。为实现基于该材料平台上高性能的光子器件和实际的应用，光纤与Si-LNOI波导间的高效耦合是必要的。光栅耦合和端面耦合是实现光纤与集成光子芯片耦合最常用的方式。光栅耦合器有利于实现晶圆上的器件评测,但是具有小的操作带宽和对偏振比较敏感。端面耦合通常通过展宽波导模式尺寸并且缩小光纤中光斑模式尺寸来提高耦合效率。利用端面耦合可以实现光纤与芯片的直接耦合,并且具有大的操作带宽与偏振不敏感。目前，基于Si-LNOI上的端面耦合器还无报道。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提供了一种基于Si-LNOI平台的高效端面耦合器。本发明的端面耦合器采用倒锥形的波导结构来扩大波导的模式直径，同时采用透镜光纤(将单模光纤的模式直径缩小到2.5μm左右)来实现与光波导的耦合。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案。

本发明的第一方面，提供一种基于Si-LNOI平台的高效端面耦合器，所述高效端面耦合器，从上到下依次为：耦合结构，单晶铌酸锂(LN)薄膜层，二氧化硅(SiO₂)缓冲层和硅(Si)衬底；

所述耦合结构主要由两部分波导芯层组成，沿光的传输方向，依次为富硅氮化硅(SRN)波导芯层和倒锥形硅(Inverted-tapered Si)波导芯层，沿光传输方向，倒锥形硅波导宽度逐渐变大，倒锥形硅波导高度不变。

进一步的，所述单晶铌酸锂(LN)薄膜层的厚度为300-900nm。

进一步的，为了防止光泄露到硅衬底，二氧化硅缓冲层厚度2-4μm。硅衬底厚度为500-1000μm。

进一步的，耦合结构包括倒锥形硅波导和覆盖在其上的富硅氮化硅波导。倒锥形硅波导为单晶结构，为实现单模条件，倒锥形硅波导高度不高于300nm，最大宽度处不大于500nm。

进一步的，富硅氮化硅的折射率为2.2-2.3。富硅氮化硅波导的宽度为2.5-3.0μm，高度为2.0-2.5μm。