一种基于铌酸锂薄膜的大模斑水平端面耦合器
阅读说明：本技术 一种基于铌酸锂薄膜的大模斑水平端面耦合器 (Large-spot horizontal end face coupler based on lithium niobate film ) 是由 夏金松 胡畅然 曾成 瞿智成 于 2021-08-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于铌酸锂薄膜的大模斑水平端面耦合器,属于集成光器件技术领域。本发明所述耦合器包括双层倒锥和包层波导；所述双层倒锥包括上层倒锥和下层倒锥；所述下层倒锥材料为二氧化硅和铌酸锂,所述上层倒锥材料为铌酸锂；所述包层波导覆盖于所述双层倒锥上,所述包层波导的材料为氮氧化硅,包层波导的截面呈现出圆顶凸字形。所述下层倒锥延伸至耦合器芯片端面；所述上层倒锥截止于所述下层倒锥的铌酸锂层之上。本发明基于铌酸锂薄膜的大模斑水平端面耦合器在不增加额外光刻步骤的情况下,增大耦合器模斑尺寸,提升耦合器耦合效率。(The invention discloses a large-mode-spot horizontal end face coupler based on a lithium niobate thin film, and belongs to the technical field of integrated optical devices. The coupler comprises a double-layer inverted cone and a cladding waveguide; the double-layer inverted cone comprises an upper inverted cone and a lower inverted cone; the lower inverted cone material is silicon dioxide and lithium niobate, and the upper inverted cone material is lithium niobate; the cladding waveguide covers on the double-layer inverted cone, the cladding waveguide is made of silicon oxynitride, and the cross section of the cladding waveguide presents a dome convex shape. The lower inverted cone extends to the end face of the coupler chip; the upper inverted cone is cut off on the lithium niobate layer of the lower inverted cone. According to the large-spot horizontal end face coupler based on the lithium niobate thin film, the spot size of the coupler is increased and the coupling efficiency of the coupler is improved under the condition that an additional photoetching step is not added.)
技术领域
本发明属于集成光器件技术领域，更具体地，涉及一种基于铌酸锂薄膜的大模斑水平端面耦合器。
背景技术
铌酸锂不溶于水且无色透明，属于三方晶系，钛铁矿型(畸变钙钛矿型)，表现出铁电性、一阶、二阶电光效应、压电性、光弹效应、光致双折射效应，光生伏特效应(禁带宽度约4eV)等。铌酸锂晶体具有负双折射效应，n0＝2.30，ne＝2.21(受到化学组分的影响)，且对波长从350nm到5200nm的电磁波透明。铌酸锂晶体具有很大的线形电光系数，适合用于制备低驱动电压、高速电光调制器和光开关。
绝缘层上的铌酸锂薄膜(LNOI，Lithium Niobate on Insulator)引得了学术界和工业界的大量关注。由于其在超高速应用中的潜力，这一平台被视为新一代光子集成平台的重要候选者之一。近期，有大量的基于LNOI的器件被报道，且展现出了优异的性能。例如，低损耗波导和高品质因数的光学微环谐振腔，可调谐滤波器，高速电光调制器，光学频率梳，二次谐波发生，波长转换器，片上集成光谱仪，等等。
基于LNOI的集成波导中支持的模式尺寸一般小于1μm，与标准单模光纤(SSMF，standard-single-mode-fiber)——模斑尺寸约等于10μm——差距过大，导致直接的光纤到集成波导的耦合方案耦合损耗过大。为了实现高效的光纤到芯片的光耦合，需利用光耦合器。先后有光栅耦合器(grating coupler)，棱镜耦合器(prism coupler)等方案被提出，但是光栅耦合器受限于它的低带宽和偏振依赖性，棱镜耦合器需要稳定的机械压力控制结构来将棱镜保持在正确的位置。有研究人员提出了一种利用三维激光直写(DLW)技术由聚合物制成的新型光学耦合器，该技术基于三维打印的自由曲面微透镜，通过光子线键(PWB)与片上波导相连。但悬浮聚合物结构的力学和热稳定性仍然较差。
水平耦合器因为具有高效，宽带，偏振无关的优势，以及高稳定性和易于封装的特点，可以更好的满足实际器件的应用需求。近年来，各种基于LNOI的水平端面耦合器受到了重视。例如，利用化学机械抛光(CMP)制造的覆盖氧化钽的波导端面，但它与一般脊波导不兼容。有研究证明了脊波导与拉锥透镜光纤通过单锥形脊波导的模式匹配，但耦合损耗仍然相对较高，双层锥形耦合器可以提高其性能，但仅由锥形尖端几何形状控制的耦合器的模场分布与光纤的分布不同。因此，在该结构中，很难进一步提高耦合效率。2020年，Y.Pan等人报告了一种由双层锥形和包层波导(CLDWG)组成的水平端面耦合器，它由聚合物组成，每个端面耦合损耗为1.5dB。但耦合器结构中聚合物的存在会带来机械不稳定性和热不稳定性，限制其应用场景。此外，上述边缘耦合器的所有模式场分布直径均小于2.5μm，与标准单模光纤尺寸仍有较大差距。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于铌酸锂薄膜的大模斑水平端面耦合器，其目的在于在不增加额外光刻步骤的情况下，增大耦合器模斑尺寸，提升耦合器耦合效率。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于铌酸锂薄膜的大模斑水平端面耦合器，所述耦合器包括双层倒锥和包层波导；
所述下层倒锥材料为二氧化硅和铌酸锂，所述上层倒锥材料为铌酸锂；
所述包层波导覆盖于所述双层倒锥上，双层倒锥的锥尖位于包层波导中心，所述包层波导的材料为氮氧化硅，包层波导的截面呈现出圆顶凸字形。
进一步地，所述下层倒锥延伸至耦合器芯片端面；所述上层倒锥截止于所述下层倒锥的铌酸锂层之上。
进一步地，所述下层倒锥包括二氧化硅埋氧层和铌酸锂层，其中，所述二氧化硅埋氧层的倒锥侧壁垂直，与所述铌酸锂层的倒锥形状一致。
进一步地，所述耦合器还包括位于包层波导上的保护层，所述保护层的折射率低于包层波导。
进一步地，所述双层倒锥的长宽比大于等于100，所述双层倒锥具有绝热特性。
进一步地，所述包层波导利用化学气相沉积的保形特性生长而成，不增加额外光刻工艺次数。
进一步地，其特征在于，包层波导截面为圆顶的脊波导结构，支持光场模斑直径达微米级。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明耦合器的双层倒锥结构结合包层波导，实现了片上高效的模斑转换，能够有效地扩大模斑尺寸，使芯片端面的模场分布于光纤内的模场分布接近，实现高效光耦合；
(2)本发明在铌酸锂薄膜和埋氧层上制备双层倒锥结构，可以有效解决单层锥形脊波导光学传播损耗过高的问题；
(3)本发明耦合器中的高折射率铌酸锂结构位于包层波导的中心位置，可以有效提升耦合效率，且由于二氧化硅埋氧层的折射率与氮氧化硅折射率相近，所以包层波导中光场分布收到的影响较小；
(4)本发明利用了化学气相沉积(CVD)保形生长的特点，无需额外光刻工艺步骤直接形成包层波导，大大降低了工艺复杂度，且包层波导具有较好的机械和热稳定性。
附图说明
图1是为本发明实施例的结构俯视图；
图2是本发明实施例的结构侧视图；
图3为本发明实施例的结构截面图；
图4为本发明实施例提供的薄膜铌酸锂截面图；
图5为本发明实施例提供的薄膜铌酸锂脊波导与上层倒锥制作过程示意图；
图6为本发明实施例提供的薄膜铌酸锂脊波导下层倒锥制作过程示意图；
图7为本发明实施例提供的埋氧层氧化硅倒锥制作过程示意图；
图8为本发明实施例提供的包层波导制作过程示意图；
图9为本发明实施例提供的二氧化硅包层制作过程示意图；
图10为本发明实施例一的结构参数示意图；
图11为本发明实施例一的电场分布图；
图12为本发明实施例二的结构参数示意图；
图13为本发明实施例二的电场分布图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1-铌酸锂平板区域，2-二氧化硅埋氧层，3-上层铌酸锂波导与倒锥，4-下层铌酸锂倒锥，5-包层波导，6-二氧化硅包层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
首先，对本发明涉及的术语进行解释如下：
PECVD：Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学的气相沉积法。
ICP：Inductively Coupled Plasm，感应耦合等离子刻蚀机。
RIE：Reactive Ion Etching，反应等离子刻蚀机。
埋氧层：Buried Oxide Layer，两晶圆片之间的绝缘层。
包层波导：Cladding Waveguide，耦合器中特征模式面积较大的波导结构。
如图1和图2所示，本发明实施例耦合器包括：
上层铌酸锂波导与倒锥3
位于所述上层铌酸锂之下的下层铌酸锂倒锥4
及位于所述倒锥之上的氮氧化硅包层波导5
及位于所述包层波导之上的二氧化硅包层6
其中，如图3所示，二氧化硅埋氧层与下层铌酸锂倒锥一同被刻蚀形成大深宽比的倒锥结构，这样可以为后续包层波导的保形生长提供依据，同时使得高折射率的铌酸锂结构位于包层波导的中心位置，可有效提升耦合效率，且由于埋氧层二氧化硅折射率与氮氧化硅折射率相近，故对于包层波导中光场分布的影响较小。
该水平端面耦合器的工作过程如下：
信号光通过光纤入射耦合器端面，激发包层波导、二氧化硅埋氧层倒锥尖端与下层铌酸锂倒锥尖端构成的复合波导中的本征模式。随后此本征模式通过二氧化硅埋氧层倒锥与下层铌酸锂倒锥构成的复合倒锥结构进行转换，模式面积逐渐缩小。随后通过上层铌酸锂倒锥与下层铌酸锂倒锥构成的复合倒锥进一步缩小模式面积。最终模式完全进入铌酸锂脊波导中，完成光从光纤到铌酸锂脊波导的耦合过程。
通过同时调控所述上层铌酸锂倒锥、下层铌酸锂倒锥以及二氧化硅埋氧层倒锥的各分段的长度、宽度和厚度以保证倒锥具有绝热性，实现高效的模斑变换。所述倒锥的各分段的长度应足够长(100微米以上)，以保持缓变并具有绝热特性，本发明实施例不做唯一性限定。所述双层倒锥尖端宽度应取当前加工能力所能达到的最小值(200纳米左右)，以保证倒锥与包层波导之间的光传播损耗足够低，本发明实施例不做唯一性限定。所述双层倒锥的锥底宽度应取能够保证光在倒锥中稳定传输的的最小值，根据需传输的光的波长与模式调整，本发明实施例不做唯一性限定。耦合器上层铌酸锂波导宽度、刻蚀深度由片上光波导所需支持的模式数目种类决定，可根据实际需求设计，本发明实施例不做唯一性限定。二氧化硅埋氧层倒锥的刻蚀深度受到所提供的薄膜铌酸锂基片的埋氧层总厚度影响，需根据实际条件进行设计，本发明实施例不做唯一性限定。包层波导的性状、尺寸，同时受到下层铌酸锂倒锥、二氧化硅埋氧层倒锥、PECVD生长程序的保形生长性质以及生长时间的影响，包层波导尺寸应与需耦合光纤的纤芯直径接近，可根据所需耦合光纤的型号进行设计，本发明实施例不做唯一性限定。
本实施例选用薄膜铌酸锂厚度为500纳米的X切铌酸锂，埋氧层总厚度为4.7微米，埋氧层之下的衬底选用硅。
本实施例包括：埋氧层二氧化硅倒锥、铌酸锂下层倒锥、铌酸锂上层倒锥，其中，埋氧层二氧化硅倒锥和铌酸锂下层倒锥延伸至芯片端面，铌酸锂上层倒锥截止于铌酸锂下层倒锥之上，本发明实施例不做唯一性限定。
本实施例埋氧层二氧化硅倒锥侧壁垂直，与铌酸锂下层倒锥形状一致，本发明实施例不做唯一性限定。
本实施例双层倒锥足够缓变并具有绝热特性，本发明实施例不做唯一性限定。
本实施例包层波导利用等离子体增强化学的气相沉积的保形特性生长而成，不增加额外光刻工艺次数。包层波导材料折射率需略高于埋氧层二氧化硅与包层二氧化硅，本发明实施例不做唯一性限定。
本实施例包层波导形貌近似于脊波导，支持模斑直径约6.5微米。
本实施例同时调控所述双层倒锥尖端宽度以及包层波导尺寸，改变耦合器支持的模斑尺寸，使得模斑直径接近于6.5微米。
本实施例中所述保护层的折射率低于包层波导，其材料为二氧化硅。
本发明还提供了一种上述耦合器的制备方法，该方法包括以下步骤：
S1.清洗衬底后，利用铬作为硬掩模，通过ICP或RIE刻蚀铌酸锂形成上层铌酸锂倒锥与波导；
S2.重复以上步骤形成下层铌酸锂倒锥；
S3.继续利用ICP或RIE，刻蚀二氧化硅形成埋氧层二氧化硅倒锥；
S4.通过PECVD生长氮氧化硅包层波导与二氧化硅包层。
如图4所示，可以利用铬作掩模，通过ICP或者RIE等刻蚀技术刻蚀铌酸锂平板区域1形成上层铌酸锂倒锥与波导3。
如图5所示，可以利用铬作掩模，通过ICP或者RIE等刻蚀技术刻蚀铌酸锂平板区域1形成下层铌酸锂倒锥4。
如图6所示，可以利用铬作掩模，通过ICP或者RIE等刻蚀技术刻蚀二氧化硅形成埋氧层二氧化硅倒锥。
如图7所示，可以通过PECVD等外延技术在倒锥上保形地生长氮氧化硅包层波导。
如图8所示，可以通过PECVD等外延技术在包层波导上生长二氧化硅包层。
以上所有的图形制作，可以通过EBL曝光完成。
下面以针对1550nm波长TE偏振光的耦合器为例，展示其参数经优化后的耦合效果。耦合器结构包层波导截面图及关键参数如图10左边所示，耦合器倒锥结构俯视图及关键参数如图10右边所示。总高度设置为6.5μm，脊宽度为6.5μm，锥高度为3.5μm，锥宽度一为0.26μm，锥宽度二为1.5μm，锥宽度三为1.8μm，锥宽度四为4μm，波导宽度为0.9μm，锥长度一为100μm，锥长度二为50μm，锥长度三为50μm，下层倒锥高度为0.24μm，上层倒锥高度为0.26μm。图11为耦合器电场分布俯视图和电场分布侧视图。此时与模斑直径为6.5μm的保偏光纤相耦合时总耦合损耗为0.68dB，对应的耦合效率为86％。
下面以针对1310nm波长TE偏振光的耦合器为例，展示其参数经优化后的耦合效果。耦合器结构包层波导截面图及关键参数如图12左边所示，耦合器倒锥结构俯视图及关键参数如图12右边所示。总高度设置为6.5μm，脊宽度为6.5μm，锥高度为3.5μm，锥宽度一为0.26μm，锥宽度二为0.6μm，锥宽度三为1.5μm，锥宽度四为4μm，波导宽度为0.9μm，锥长度一为400μm，锥长度二为50μm，锥长度三为50μm，下层倒锥高度为0.24μm，上层倒锥高度为0.26μm。图13为耦合器电场分布俯视图和电场分布侧视图。此时与模斑直径为6.5μm的保偏光纤相耦合时总耦合损耗为0.49dB，对应的耦合效率为89％。
以上内容本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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