[发明专利]一种基于薄膜铌酸锂悬臂梁结构的双偏振端面耦合器

说明书

本发明公开了一种基于薄膜铌酸锂悬臂梁结构的双偏振端面耦合器，其截面结构从下至上包括了衬底层，埋氧层，第一层全刻蚀铌酸锂波导层，第二层浅刻蚀铌酸锂波导层以及包层。整体结构包括输入悬臂梁结构，偏振旋转结构，偏振分束结构，两个输入双层锥形波导结构。该发明结构首次同时将端面耦合器与偏振分束旋转器二者相结合，首次在铌酸锂X切Z传波导中实现高效的耦合效率以及超低的偏振相关损耗。该发明有利于在未来光通信，光传感，光集成等领域实现高效的光纤和铌酸锂薄膜超低损耗，以及偏振不敏感的耦合效果。

技术领域

本发明设计光通信，光传感及光集成技术领域的一种端面耦合器结构，具体为一种基于薄膜铌酸锂悬臂梁结构的双偏振端面耦合器。

背景技术

在过去的几十年里，光通信系统已经广泛地应用于高速互联网络中。而随着近几年来互联网行业的快速发展，已经逐渐衍生出了许多潜在的应用领域，其中包括云计算，数据中心互联，大数据处理以及人工智能等等。这些产业的发展，逐步推动光通信，光互联等技术向着集成度更高，传输速度更快，成本优势更明显的光电子集成平台上发展。

而在最近的几年里，基于硅基光电子集成平台的硅光技术已经得到了快速的发展，凭借着其CMOS工艺兼容，成本低廉，集成度更高的优势，已经被应用于数据中心光互联等领域。但由于硅材料本身天然的劣势，无法实现高性能的有源特性，包括光源，调制，探测等等，限制了其进一步地发展。而有着纯线性电光调制特性的薄膜铌酸锂平台也得到了众多的关注。然而，有关薄膜铌酸锂平台的无源结构目前仍然没有得到太多的关注和研究，其中包括波分复用器件，模式复用器件，光纤-芯片耦合器件等等。目前有两种典型的光纤-芯片耦合器件，其中垂直光栅耦合器件因其制备简单，不受限于芯片位置的优势而得到广泛使用，但其高的耦合损耗以及偏振相关的性能还是进一步阻碍了其在特定应用领域的发展。而另一代表性光纤-芯片耦合器——端面耦合器件作为连接光纤和芯片的桥梁，有着超低耦合损耗以及超低的偏振相关性的出色性能。由于薄膜铌酸锂晶体存在各向异性的特点，因此对于相同的薄膜铌酸锂晶圆(X切)，沿Z传与沿Y传的波导有着完全不同的模式分布，因此端面耦合器的设计也是完全不同的。本发明目的在于实现高耦合效率，无偏振相关损耗的X切Z传的端面耦合结构。

因此现有技术的技术问题如下：

薄膜铌酸锂晶体是一种各向异性的材料，在相同的薄膜铌酸锂晶圆中(X切)，沿着Y传的波导与沿着Z传的波导有着完全不同的模式分布。目前，由于基于X切Z传的端面耦合器存在不可避免的双层铌酸锂波导的模式杂化问题，因此基于薄膜铌酸锂平台的端面耦合器结构，均基于X切Y传的波导结构来实现，高性能的X切Z传的薄膜铌酸锂端面耦合器结构未被提出。本发明的目的在于，通过引入基于第一层全刻蚀铌酸锂波导的偏振旋转结构和偏振分束结构，同样能够在X切Z传的波导结构中实现高耦合效率，无偏振相关损耗的端面耦合器结构，为未来实现大规模的铌酸锂光子集成回路的应用提供了另一高效的耦合方案。

发明内容

针对现有技术的不足之处，本发明公开了一种基于薄膜铌酸锂悬臂梁结构的双偏振端面耦合器，本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明公开了一种基于薄膜铌酸锂悬臂梁结构的双偏振端面耦合器，耦合器包括从下到上的衬底、埋氧层、包层、位于埋氧层上且设置于包层内的第一层全刻蚀铌酸锂波导、及位于第一层全刻蚀铌酸锂波导上且设置于包层内的第二层浅刻蚀铌酸锂波导。

作为进一步地改进，本发明所述的耦合器整体结构从左到右依次为输入悬臂梁结构，偏振旋转结构，偏振分束结构和双层铌酸锂波导结构，双层铌酸锂波导结构包括零阶横电场模式输入双层铌酸锂波导结构和零阶横磁场模式输入双层铌酸锂波导结构，输入悬臂梁结构的输入端与光纤相连接，输出端与偏振旋转结构的输入端相连接，偏振旋转结构的输出端与偏振分束结构的输入端相连接，偏振分束结构的两个输出端分别与零阶横电场模式输入双层铌酸锂波导结构和零阶横磁场模式输入双层铌酸锂波导结构相连。