[发明专利]基于铌酸锂薄膜材料的光栅耦合器及其制造方法

说明书

一种基于铌酸锂薄膜材料的光栅耦合器及其制造方法，该光栅耦合器包括：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。本装置耦合效率较高且具有较大的工作波长带宽，便于大规模集成和用于对铌酸锂光子集成芯片上的器件进行性能测试。

技术领域

本发明涉及的是一种无源光子器件领域的技术，具体是一种基于铌酸锂薄膜材料、用于光纤直接与芯片进行垂直耦合的光栅耦合器及其制造方法。

背景技术

现有的光栅耦合器主要是基于硅基材料的，硅基光电子学已经发展很长时间，技术较为成熟，但受限于硅的材料特性，硅基光电子学存在一定的局限性，而铌酸锂与硅相比拥有许多材料方面的优势，例如高电光系数、高非线性系数、宽透明波长范围等。

为了对于铌酸锂基光子集成芯片片上器件进行测试，一个关键步骤是光信号的输入与输出。现有的光栅耦合器的特点和缺陷在于：制作工艺复杂，且多数是基于硅基材料，很少有基于X方向切割的铌酸锂材料的光栅耦合器。并且没有对光栅耦合器的刻蚀深度、氧化硅包层厚度等器件参数进行全面的优化，导致光栅耦合器的耦合效率较低。

发明内容

本发明针对现有技术缺少对于TE偏振模式的传输光的基于铌酸锂的光栅耦合器，提出一种基于铌酸锂薄膜材料的光栅耦合器及其制造方法，耦合效率较高且具有较大的工作波长带宽，便于大规模集成和用于对铌酸锂光子集成芯片上的器件进行性能测试。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种基于铌酸锂薄膜材料的光栅耦合器，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。

所述的汇聚型光栅耦合机构，包括：铌酸锂光波导、锥形耦合区域、铌酸锂耦合光栅以及在铌酸锂耦合光栅和铌酸锂光波导上用于提高耦合效率的二氧化硅覆层。

所述的光纤具体放置于二氧化硅埋层的上方2.554μm处且光纤与水平方向的夹角为8°，传输的光为TE偏振。

所述的铌酸锂耦合光栅的周期为1.00μm，占空比为0.60。

本发明涉及上述基于铌酸锂薄膜材料的光栅耦合器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1)在硅衬底上依次制作二氧化硅埋层和顶部铌酸锂层，形成绝缘体上铌酸锂光子芯片；

所述的顶部铌酸锂层的厚度为600nm，二氧化硅埋层的厚度为4.7μm，硅衬底的厚度为500μm。

步骤2)利用等离子体增强气相沉积法沉积得到用于保护铌酸锂图案的二氧化硅掩膜层；

步骤3)依次涂设导电胶和光刻胶并通过电子束光刻制备出波导和耦合光栅的图案形状；

步骤4)通过反应离子刻蚀以及采用氩离子刻蚀铌酸锂，之后清除光刻胶，形成带有二氧化硅覆层的铌酸锂波导层和耦合光栅层。

所述的铌酸锂光波导的刻蚀深度为495.34nm，耦合光栅的刻蚀深度为495.34nm。

技术效果

本发明整体解决了现有技术无法在铌酸锂基的光子集成芯片上实现高效率的光信号的输入与输出。