[发明专利]一种基于LNOI材料的低插入损耗端面耦合器

说明书

本发明公开了一种基于LNOI材料的低插入损耗端面耦合器，包括基于LNOI材料的锥形渐变周期亚波长光栅波导、亚波长光栅填充缓冲区域、锥形拉锥、倒锥型耦合区域、脊型输出波导；其中倒锥型耦合区域位于上述其他结构的上方。本发明可实现光纤模式与LN脊型波导传输模式间的模式转换功能，实现低损耗光纤与芯片端面对接，适用于电光调制器、波导阵列光栅、微环谐振器等铌酸锂集成光路光学器件的端面接口，具有尺寸紧凑、耦合效率高、宽带宽等优点。

技术领域

本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种基于LNOI材料的低插入损耗端面耦合器。

背景技术

随着光通信技术的急剧发展，对于信息传输和处理的要求也越来越高。集成化、低损耗、功能多样性、强抗干扰能力成了光通信器件研发者的追求目标。选用什么样的材料设计制作光通信器件不仅关系到器件的性能参数，还关乎制作成本、加工可行性、是否与现有系统兼容等问题。

LNOI(Integrated lithium on Insulator，绝缘体上的铌酸锂)受益于铌酸锂和二氧化硅之间大的折射率差，使得光信号可以很好的限制在铌酸锂中传输，且铌酸锂具有高电光系数，是制作电光调制器的理想材料，同时，它在声光、非线性等方面也更具有优势，LNOI还具有弯曲损耗小、传输损耗小、可与CMOS工艺兼容等优势，有利于将波导器件微型化、用于大规模集成方面。目前，LNOI光子集成电路在制作高速调制器、非线性频率转换和频率梳产生等先进光子功能器件方面是一个极有前景的平台。

对于实际应用来说，制作一种以光纤到芯片之间低耦合损耗为特征的光学接口是必不可少的。到目前为止，典型的LNOI光子集成电路光纤到芯片之间的损耗通常为10dB，其中芯片上的损耗较小，通常可以低至0.03-0.1dB/cm，绝大多数的损耗存在于光纤与端面之间的接口处。目前已论证的端面耦合器通常为倒锥型、光栅耦合器型，但这些方案存在耦合效率不高、尺寸大等问题，还需要进行进一步优化，目前设计一种耦合效率更高、紧凑度更好的LNOI端面耦合器具有很大的实际意义。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种基于LNOI材料的低插入损耗端面耦合器，该模式转换器实现了将LN纳米线波导的对称导向模式转换为常用的LN脊型波导模式，光纤接口使用细径光纤或定制的锥形透镜光纤。与现有的模式转换器相比，具有更低的插入损耗以及更紧凑的尺寸，适用于电光调制器、波导阵列光栅等光学器件的端面接口处。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于LNOI材料的低插入损耗端面耦合器，包括LiNO₃波导，SiO₂包层和SiO₂衬底。其中输入波导依次经锥形渐变周期亚波长光栅波导、亚波长光栅填充缓冲区域、锥形拉锥、倒锥型耦合区域、脊型输出波导；倒锥形耦合区域位于锥形拉锥上方，并与脊型输出波导相连。所述锥形渐变周期亚波长光栅波导端面TE模式有效折射率和对接光纤模式有效折射率一致，可以以低损耗发生耦合；亚波长光栅填充缓冲区域末端与倒锥形耦合区域端面TE模式有效折射率匹配，可以以低损耗发生耦合。当光以TE模式输入时，光能量在经过锥形渐变周期亚波长光栅波导、亚波长光栅填充缓冲区域后，光传输模式高效率的由纳米线对称导向模式转变为LN矩形波导模式，所述倒锥型耦合区域位于亚波长光栅填充缓冲区域纵向维度的上方，在纵向方向上产生模式转变、光传输模式转变为LN脊型波导模式传输，低损耗端面耦合功能得以实现。

作为本发明的一种优选技术方案：所述锥形拉锥、倒锥型耦合区域采用圆锥曲线、指数函数线形函数进行波导的锥形渐变延伸，以减少光传输时的损耗。所述锥形渐变周期亚波长光栅波导(1)与亚波长光栅填充缓冲区域光栅周期相同，占空比相同。所述亚波长光栅填充缓冲区域(2)是由宽度渐变的亚波长光栅和三角形波导组合形成，以减少模式变化引入的损耗。所述锥形拉锥的长度较锥形渐变周期亚波长光栅波导、亚波长光栅填充缓冲区域更长，以尽可能减小传输损耗。所述锥形拉锥、倒锥型耦合区域弧度为指数函数曲线，以减小耦合和传输带来的损耗。