基于铌酸锂的集成环形布拉格金属光栅耦合器及制备方法

摘要

本发明公开了一种基于铌酸锂的集成环形布拉格金属光栅耦合器及制备方法，包括衬底层、铌酸锂限制层、铌酸锂波导层、环形布拉格金属光栅层以及光纤；所述铌酸锂限制层设置于衬底层表面；所述铌酸锂波导层设置于铌酸锂限制层表面，且包括输入直波导、锥形波导、耦合波导，其中，输入直波导的一端与锥形波导的窄端等宽度相连，锥形波导的宽端与耦合波导的一端等宽度相连；所述环形布拉格金属光栅层设置于耦合波导上；所述光纤位于环形布拉格金属光栅层上方，不与环形布拉格金属光栅层直接接触。本发明通过制作工艺简单，流程独立且耦合效率高，在制备量产和成本优化等方面具有独特的优势，可广泛应用于铌酸锂片上集成器件和系统中。

权利要求

1.一种基于铌酸锂的集成环形布拉格金属光栅耦合器，其特征在于，包括衬底层、铌酸锂限制层、铌酸锂波导层、环形布拉格金属光栅层以及光纤；

所述铌酸锂限制层设置于衬底层表面，铌酸锂限制层的材料为薄膜铌酸锂，厚度为0μm‑1μm；

所述铌酸锂波导层设置于铌酸锂限制层表面，且包括输入直波导、锥形波导、耦合波导，其中，输入直波导的一端与锥形波导的窄端等宽度相连，锥形波导的宽端与耦合波导的一端等宽度相连，铌酸锂波导层的材料为薄膜铌酸锂，厚度为0.1μm‑1μm；

所述环形布拉格金属光栅层设置于耦合波导上，环形布拉格金属光栅层的材料为金，厚度为0.01μm‑1μm，环形布拉格金属光栅层为多个光栅齿非均匀周期性排列的环形布拉格光栅结构，环形布拉格光栅结构中，多个光栅齿为角度相同、圆心相同且半径不同的圆弧，角度均为10度‑180度，光栅齿的宽度为0.01μm‑1μm，光栅齿的个数至少为2个，相邻光栅齿之间的距离为0.01μm‑1μm；

所述光纤位于环形布拉格金属光栅层上方，不与环形布拉格金属光栅层直接接触；

针对非均匀周期性排列的环形布拉格光栅结构，如果光栅齿的个数小于四个，那么所有光栅齿的宽度以及相邻光栅齿之间的距离都各不相同；如果光栅齿的个数大于四个，那么前四个光栅齿的宽度和前四个光栅齿与其各自后一个光栅齿的距离各不相同，后面剩下的所有光栅齿的宽度都相同，后面剩下所有相邻光栅齿之间的距离都相同。

2.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的集成环形布拉格金属光栅耦合器，其特征在于，所述衬底层的材料为氧化硅，厚度不小于2μm。

3.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的集成环形布拉格金属光栅耦合器，其特征在于，所述输入直波导的宽度为0.1μm‑5μm，所述耦合波导的宽度为0.1μm‑20μm，所述锥形波导的长度为0.1μm‑10μm，所述输入直波导的宽度小于所述耦合波导的宽度。

4.根据权利要求1所述的基于铌酸锂的集成环形布拉格金属光栅耦合器，其特征在于，所述光纤与环形布拉格金属光栅层的空气间隙距离为0.01μm ‑10μm，所述光纤的轴线与环形布拉格金属光栅层表面法线之间的角度为0°‑10°。

5.一种权利要求1‑4任一项所述的基于铌酸锂的集成环形布拉格金属光栅耦合器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，制备衬底层；

步骤2，在衬底层上制备铌酸锂限制层；

步骤3，在铌酸锂限制层上制备铌酸锂波导层；

步骤4，在铌酸锂波导层上制备环形布拉格金属光栅层；

步骤5，在环形布拉格金属光栅层上设置光纤得到所述集成环形布拉格金属光栅耦合器。

说明书

基于铌酸锂的集成环形布拉格金属光栅耦合器及制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于集成光学技术领域，具体涉及一种基于铌酸锂的集成环形布拉格金属光栅耦合器及制备方法。

背景技术

[0002] 目前在铌酸锂集成平台上使用的耦合光栅主要有两种，一种是与硅基集成平台类似，采用周期性刻蚀的波导光栅，但是由于铌酸锂的折射率远低于硅的折射率，波导光栅需要采用高纵横比的深刻蚀来实现较高的耦合效率；另一种则是采用在铌酸锂波导顶部制作硅基耦合光栅，其结构不稳定且硅基耦合光栅的刻蚀过程可能会对铌酸锂波导产生影响。上述两种基于铌酸锂的光栅耦合器的制作工艺都比较复杂，制作流程不独立，增加了干涉曝光和表面刻蚀的步骤次数，会对原有铌酸锂器件的制作产生影响，限制了耦合光栅制备的量产和成本优化。

[0003] 专利文献CN111965761A公开了一种基于铌酸锂薄膜材料的光栅耦合器及其制造方法，包括：基于铌酸锂薄膜材料的光栅耦合器，包括：绝缘体上铌酸锂光子芯片以及设置于其上方的光纤，该绝缘体上铌酸锂光子芯片由上而下依次包括：汇聚型光栅耦合机构、二氧化硅埋层和硅衬底。该专利申请公开的光栅耦合器的材料为薄膜铌酸锂和二氧化硅的组合，结构为均匀周期的汇聚型光栅，光栅周期1μm，占空比0.6，光波长1550nm处的耦合效率较低；而且铌酸锂波导和光栅耦合器的制造流程并不独立，会相互产生影响，不稳定不利于量产。

[0004] 专利文献CN113534342A公开了一种基于铌酸锂薄膜波导的高耦合效率的非均匀光栅耦合器，包括：绝缘铌酸锂薄膜上的光子芯片以及设置于其上方的光纤。绝缘铌酸锂薄膜上的光子芯片自上而下依次包括：波导耦合光栅、铌酸锂薄膜层、SiO2埋氧层、Au反射层以及LN衬底。该专利申请公开的光栅耦合器结构为三个均匀周期、周期不相同的条形光栅的组合，结构复杂；而且该光栅耦合器在SiO2埋氧层下设置了Au反射层，与一般的铌酸锂光子芯片的Si衬底——SiO2埋氧层——铌酸锂薄膜层的结构不同，制作工艺更加复杂，不利于量产以及成本优化。

发明内容

[0005] 鉴于上述，本发明的目的是提供一种基于铌酸锂的集成环形布拉格金属光栅耦合器及制备方法，制作工艺简单，流程独立且耦合效率高。

[0006] 为实现上述发明目的，实施例提供的一种基于铌酸锂的集成环形布拉格金属光栅耦合器，包括衬底层、铌酸锂限制层、铌酸锂波导层、环形布拉格金属光栅层以及光纤；

[0007] 所述铌酸锂限制层设置于衬底层表面；

[0008] 所述铌酸锂波导层设置于铌酸锂限制层表面，且包括输入直波导、锥形波导、耦合波导，其中，输入直波导的一端与锥形波导的窄端等宽度相连，锥形波导的宽端与耦合波导的一端等宽度相连；

[0009] 所述环形布拉格金属光栅层设置于耦合波导上；

[0010] 所述光纤位于环形布拉格金属光栅层上方，不与环形布拉格金属光栅层直接接触。

[0011] 在其中一个实施例中，所述衬底层的材料为氧化硅，厚度不小于2μm。

[0012] 在其中一个实施例中，所述铌酸锂限制层的材料为薄膜铌酸锂，厚度为0μm‑1μm。

[0013] 在其中一个实施例中，所述铌酸锂波导层的材料为薄膜铌酸锂，厚度为0.1μm‑1μm。

[0014] 在其中一个实施例中，所述输入直波导的宽度为0.1μm‑5μm，所述耦合波导的宽度为0.1μm‑20μm，所述锥形波导的长度为0.1μm‑10μm，所述输入直波导的宽度小于所述耦合波导的宽度。

[0015] 在其中一个实施例中，环形布拉格金属光栅层的材料为金，厚度为0.01μm‑1μm。

[0016] 在其中一个实施例中，所述环形布拉格金属光栅层为多个光栅齿非均匀周期性排列的环形布拉格光栅结构。

[0017] 在其中一个实施例中，所述环形布拉格光栅结构中，多个光栅齿为角度相同、圆心相同且半径不同的圆弧，角度均为10度‑180度，光栅齿的宽度为0.01μm‑1μm，光栅齿的个数至少为2个，相邻光栅齿之间的距离为0.01μm‑1μm。

[0018] 在其中一个实施例中，针对非均匀周期性排列的环形布拉格光栅结构，如果光栅齿的个数小于四个，那么所有光栅齿的宽度以及相邻光栅齿之间的距离都各不相同；如果光栅齿的个数大于四个，那么前四个光栅齿的宽度和前四个光栅齿与其各自后一个光栅齿的距离各不相同，后面剩下的所有光栅齿的宽度都相同，后面剩下所有相邻光栅齿之间的距离都相同。

[0019] 在其中一个实施例中，所述光纤与环形布拉格金属光栅层的空气间隙距离为0.01μm ‑10μm，所述光纤的轴线与环形布拉格金属光栅层表面法线之间的角度为0°‑10°。

[0020] 为实现上述发明目的，本发明实施例还提供了一种上述基于铌酸锂的集成环形布拉格金属光栅耦合器的制备方法，包括以下步骤：

[0021] 步骤1，制备衬底层；

[0022] 步骤2，在衬底层上制备铌酸锂限制层；

[0023] 步骤3，在铌酸锂限制层上制备铌酸锂波导层；

[0024] 步骤4，在铌酸锂波导层上制备环形布拉格金属光栅层；

[0025] 步骤5，在环形布拉格金属光栅层上设置光纤得到所述集成环形布拉格金属光栅耦合器。

[0026] 与现有技术相比，本发明具有的有益效果至少包括：

[0027] 本发明提供的基于铌酸锂的集成环形布拉格金属光栅耦合器及制备方法中，利用非均匀周期性排列的环形布拉格光栅结构，通过调整不同光栅齿之间的距离，不仅能够有效地实现光的垂直衍射，耦合效率高且耦合带宽大；并且制作工艺简单，流程独立，对原有的铌酸锂器件的制作不会产生任何影响，在制备量产和成本优化等方面具有独特的优势，可广泛应用于铌酸锂片上集成器件和系统中。

附图说明

[0028] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

[0029] 图1为本发明一实施例提供的一种基于铌酸锂的集成环形布拉格金属光栅耦合器的侧视结构分层示意图；

[0030] 图2为本发明一实施例提供的一种基于铌酸锂的集成环形布拉格金属光栅耦合器的俯视结构示意图；

[0031] 图3为本发明一实施例提供的一种基于铌酸锂的集成环形布拉格金属光栅耦合器的传输谱线仿真结果示意图；

[0032] 图4为本发明一实施例提供的一种基于铌酸锂的集成环形布拉格金属光栅耦合器的制备方法流程图。

具体实施方式

[0033] 为使本发明的目的、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的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

[0034] 本发明的发明构思为：为解决现有耦合光栅中，制作工艺都比较复杂，制作流程不独立，增加了干涉曝光和表面刻蚀的步骤次数，会对原有铌酸锂器件的制作产生影响，限制了耦合光栅制备的量产和成本优化的技术问题，本发明实施例提供了一种基于铌酸锂的集成环形布拉格金属光栅耦合器及制备方法，通过设计特殊的耦合器，在提升耦合器耦合效率的同时，制备工艺简单，且流程独立，对原有的铌酸锂器件的制作不会产生任何影响，在制备量产和成本优化等方面具有独特的优势，可广泛应用于铌酸锂片上集成器件和系统中。

[0035] 图1是实施例提供的基于铌酸锂的集成环形布拉格金属光栅耦合器的侧视结构分层示意图，如图1所示，实施例1提供的基于铌酸锂的集成环形布拉格金属光栅耦合器包括衬底层1、铌酸锂限制层2、铌酸锂波导层3、环形布拉格金属光栅层4和光纤5，其中，铌酸锂限制层2置于衬底层1之上，铌酸锂波导层3置于铌酸锂限制层2之上，光纤5位于环形布拉格金属光栅层4的上方，不直接接触环形布拉格金属光栅层4。

[0036] 实施例中，衬底层1的材料可以为氧化硅或者氧化硅和硅的组合，衬底层1的厚度可以为不小于2μm的厚度。通过设置足够的衬底层1的厚度，可以对铌酸锂限制层2、铌酸锂波导层3以及环形布拉格金属光栅层4提供足够的支撑，确保铌酸锂波导以及环形布拉格金属光栅的工艺实现。

[0037] 实施例中，铌酸锂限制层2的材料可以为薄膜铌酸锂，铌酸锂限制层2厚度可以设置成为0μm‑1μm之间的一个厚度，进一步优选地，铌酸锂限制层2的厚度可以设置为0.3μm‑0.4μm，当铌酸锂限制层2的厚度设置为0μm时，则表明可以不设置铌酸锂限制层2，通过设置合适的铌酸锂限制层2的厚度，确保光可以在铌酸锂波导层3中传输。

[0038] 实施例中，铌酸锂波导层3的材料可以为薄膜铌酸锂，铌酸锂波导层3的厚度可以设置为0.1μm‑1μm之间的一个厚度。进一步优选地，铌酸锂波导层3的厚度可以设置为0.3μm‑0.4μm，铌酸锂波导层3还包括输入直波导301、锥形波导302、耦合波导303，其中，输入直波导301的一端与锥形波导302的窄端等宽度相连，锥形波导302的宽端与耦合波导303的一端等宽度相连。铌酸锂波导层3的厚度与输入直波导301、锥形波导302、耦合波导303的厚度均相等。通过设置合适的铌酸锂波导层3的厚度，确保光可以在铌酸锂波导层3中传输。

[0039] 继续如图1所示，环形布拉格金属光栅层4置于铌酸锂波导层3的耦合波导303上。通过将环形布拉格金属光栅层4与输入直波导301、锥形波导302、耦合波导303设置在不同层，使得环形布拉格金属光栅层4的制作流程独立，避免了光栅的工艺制作过程对铌酸锂波导工艺制作产生影响。

[0040] 继续如图1所示，光纤5位于环形布拉格金属光栅层4的正上方，不直接接触；光纤5与布拉格金属光栅层4之间的空气间隙距离可以为0.01μm‑10μm之间的一个厚度，进一步优选地，空气间隙距离可以为1μm‑3μm；光纤5的轴线与环形布拉格金属光栅层4表面法线之间的角度可以为0度‑10度之间的一个值，进一步优选地，角度可以为4.5度‑5.5度。通过设置合适的光纤5与环形布拉格金属光栅层4之间的空气间隙距离以及合适的光纤5的轴线与环形布拉格金属光栅层4表面法线之间的角度，可以最大限度地保证光能够顺利地从环形布拉格金属光栅层4耦合至光纤5中，也可以最大限度地保证光能够顺利地从光纤5耦合进环形布拉格金属光栅层4中。

[0041] 实施例中，环形布拉格金属光栅层4的材料可以为金，环形布拉格金属光栅层4的厚度可以为0.01μm‑1μm之间的一个厚度，进一步优选地，环形布拉格金属光栅层4的厚度可以为0.12μm‑0.14μm。通过设置合适的环形布拉格金属光栅层4的厚度，可以实现耦合波导303中传输的光的垂直衍射，进而实现将耦合波导303中传输的光耦合进光纤5或者将光纤5中传输的光耦合至耦合波导303中传输。

[0042] 图2示出了本发明实施例提供的一种基于铌酸锂的集成环形布拉格金属光栅耦合器的俯视结构示意图。如图2所示，输入直波导301的宽度可以为0.1μm‑5μm之间的一个宽度，耦合波导303的宽度可以为0.1μm‑20μm之间的一个宽度，锥形波导302的长度可以为0.1μm‑10μm之间的一个长度。通过设置合适的输入直波导301的宽度和耦合波导303的宽度，确保光可以分别在输入直波导301和耦合波导303中传输。输入直波导301的宽度小于耦合波导303的宽度，锥形波导302的窄端宽度与所述输入直波导301的宽度相等，锥形波导302的宽端宽度与耦合波导303的宽度相等。进一步优选地，输入直波导301的宽度可以为1.5μm‑2.5μm，耦合波导303的宽度可以为11μm‑13μm，锥形波导302的长度可以为0.2μm‑0.4μm。通过设置合适的锥形波导302的长度，可以将耦合波导303中传输的光以极低的损耗通过锥形波导302传输至输入直波导301中传输，也可以将输入直波导301中传输的光以极低的损耗通过锥形波导302传输至耦合波导303中传输。

[0043] 需要说明都是，环形布拉格金属光栅层4与303的宽度不是一定相等的，二者之间的关系是环形布拉格金属光栅层4的宽度一定要小于或者等于303的宽度，不能大于303的宽度长度也是同样的情况，环形布拉格金属光栅层4与303的长度不是一定相等的，二者之间的关系是环形布拉格金属光栅层4的长度一定要小于或者等于303的长度，不能大于303的长度。

[0044] 继续参阅图2，环形布拉格金属光栅层4包括多个光栅齿401，可以为非均匀周期性排列的环形布拉格光栅结构。多个光栅齿401的角度相同、圆心相同，半径不同。光栅齿401的角度可以是10度‑180度中间的一个值。光栅齿401可以是圆弧，光栅齿401的宽度可以是0.01μm‑1μm中间的一个值。光栅齿401的个数可以为大于2的一个数字。相邻两个光栅齿401之间的距离可以是0.01μm‑1μm之间的一个长度。进一步优选地，光栅齿401的角度可以为15度‑25度，光栅齿401的宽度可以为0.05μm‑0.5μm，相邻两个光栅齿401之间的距离可以为
0.01μm‑0.7μm，光栅齿的个数可以是22个‑24个。通过设置合适的光栅齿401的角度、宽度以及光栅齿401的个数、相邻光栅齿401之间的距离，可以确保环形布拉格金属光栅层4可以实现较高的耦合效率以及较宽的耦合带宽。

[0045] 具体地，非均匀周期性排列的环形布拉格光栅结构，如果光栅齿的个数小于四个，那么所有光栅齿的宽度以及相邻光栅齿之间的距离都各不相同；如果光栅齿的个数大于四个，那么前四个光栅齿的宽度和前四个光栅齿与其各自后一个光栅齿的距离各不相同，后面剩下的所有光栅齿的宽度都相同，后面剩下所有相邻光栅齿之间的距离都相同。

[0046] 上述实施例提供的基于铌酸锂的集成环形布拉格金属光栅耦合器的工作原理为：输入直波导301中的传输的光经过锥形波导302以极低损耗进入耦合波导303中；在耦合波导303中传输的光在经过环形布拉格金属光栅层4时会发生垂直衍射，一部分光向上衍射，然后耦合进光纤5中；一部分光向下衍射，会在铌酸锂限制层2和衬底层1之间的界面处，也就是折射率发生变化的界面处产生反射，然后部分向下衍射的光会再向上衍射耦合进光纤
5中。相反的，光纤5中传输的光在经过环形布拉格金属光栅层4时也会发生垂直衍射，一部分光向左面衍射，在耦合波导303中传输，然后经过锥形波导302传输至输入直波导301中；
一部分光向右衍射，会在接触到铌酸锂限制层2和衬底层1之间的界面时发生反射向左传输，再耦合进输入直波导303中。本发明实施例采用非均匀周期的环形布拉格金属光栅结构，可以使更多的光向上衍射（光从输入直波导301进入时）或向左衍射（光从光纤5进入时），获得更高的耦合效率。

[0047] 图3为本发明一实施例提供的一种基于铌酸锂的集成环形布拉格金属光栅耦合器的耦合效率的仿真结果示意图。本实施例中，衬底层1的厚度为3μm，铌酸锂限制层2的厚度为0.3μm，铌酸锂波导层3的厚度为0.3μm，环形布拉格金属光栅层4的厚度为0.13μm，光纤5为普通单模光纤。光纤5与环形布拉格金属光栅层4之间的空气间隙距离为2μm，光纤5的轴线与环形布拉格金属光栅层4表面法线之间的角度为4.9度。输入直波导301的宽度为2μm，耦合波导303的宽度为12μm，锥形波导302的长度为0.3μm。环形布拉格金属光栅层4包括23个光栅齿401，23个光栅齿401的圆心相同，角度均为20度。23个光栅齿401中前4个光栅齿401的宽度分别为0.18μm、0.07μm、0.21μm、0.33μm，后19个光栅齿401的宽度均为0.47μm。23个光栅齿401中前4个光栅齿401分别与其后一个光栅齿401之间的距离是0.02μm、0.63μm、
0.51μm、0.37μm，后18个光栅齿分别与其后一个光栅齿401之间的距离均为0.36μm。需要说明的是，图3的横坐标为光波长，单位为nm；图3的纵坐标为耦合效率，单位为%。耦合效率可以定义为光纤5中传输的光强度与输入直波导301中传输的光强度的比值。耦合带宽可以定义为耦合效率大于50%对应的光波长的范围。本实施例中，光从光纤5进入，通过环形布拉格金属光栅层4耦合至耦合波导303中，再通过锥形波导302传输至输入直波导301中。

[0048] 从图3中可以看出，本实施例提供的基于铌酸锂的集成环形布拉格金属光栅耦合器的耦合效率在波长为1556.7nm时等于62.8%，在1525.4nm‑1588.4nm的宽达63nm的范围内都可以保持耦合效率在50%以上，耦合带宽可达63nm。

[0049] 图4为本发明一实施例提供的一种基于铌酸锂的集成环形布拉格金属光栅耦合器的制备方法流程图。如图4所示，实施例提供的基于铌酸锂的集成环形布拉格金属光栅耦合器的制备方法，包括以下步骤：

[0050] S410，制备衬底层；

[0051] S420，在衬底层上制备铌酸锂限制层；

[0052] S430，在铌酸锂限制层上制备铌酸锂波导层；

[0053] S440，在铌酸锂波导层上制备环形布拉格金属光栅层；

[0054] S450，在环形布拉格金属光栅层上设置光纤得到所述集成环形布拉格金属光栅耦合器。

[0055] 以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。