[发明专利]一种三维楔形铌酸锂薄膜波导装置

说明书

本申请涉及半导体集成光电子器件技术领域，提供一种三维楔形铌酸锂薄膜波导装置。该三维楔形铌酸锂薄膜波导装置，自下而上包括依次层叠设置的衬底层、绝缘层和铌酸锂层，铌酸锂层包括楔形层和平板层，楔形层包括楔形尖端和楔形尾端，楔形尖端用于匹配光纤模场，楔形尾端用于连接器件功能区域。其中，楔形尖端的厚度小于楔形尾端的厚度，楔形尖端的宽度远小于楔形尾端的宽度和平板层的宽度。本申请在实现水平方向波导模场扩展的基础上，进一步实现了垂直方向波导模场的扩展，从而实现与光纤模场的更进一步匹配，获得更高的纤芯耦合效率。

技术领域

本申请涉及半导体集成光电子器件技术领域，尤其涉及一种三维楔形铌酸锂薄膜波导装置。

背景技术

铌酸锂晶体(LiNbO3，简称LN)材料已被广泛应用于调制器、光纤陀螺、光纤传感等领域。但是，以铌酸锂晶体为基础材料，采用钛扩散或质子交换方法制备的波导结构折射率对比差小、尺寸大，且波导拐弯半径大，故而铌酸锂晶体材料无法应用于集成光电子器件领域。因此，专家学者又进一步研发出一种新型薄膜材料，即采用离子注入和晶圆键合技术制备的绝缘体上铌酸锂(Lithium-Niobate-on-Insulator，LNOI)薄膜材料。LNOI薄膜材料继承了铌酸锂晶体优异的材料性质，又具有优异的电光效应和声光效应，且波导芯层与包层折射率对比差较大，还能做到微纳尺寸，因此是开发大规模集成光电子器件的理想平台。

由于铌酸锂薄膜波导的模场尺寸小，仅有百纳米，而光纤的模场尺寸为几微米，二者之间尺寸不匹配，导致耦合效率极低，现有技术中通过采用倒楔形模斑转换器来解决上述问题，即利用楔形结构将铌酸锂薄膜波导的模场尺寸扩展，从而与光纤模场匹配，提高耦合效率。

目前，通过在水平方向上对楔形曲线形状和耦合长度进行控制，已能够简易地制备出二维楔形波导，进而较大地提升了耦合效率，所谓二维楔形波导，即为波导尖端与尾端宽度不同，但波导尖端与尾端厚度一致的楔形波导结构。因此，二维楔形波导只能在水平方向实现模场扩展，而无法在垂直方向上得到有效扩展，导致模场分布呈扁平的椭圆状，与光纤中的高斯模场分布不匹配，限制了耦合效率的进一步提高。加之，随着市场需求的不断纵向深入，波导器件，尤其是端面耦合器，对于能够在垂直方向上实现尺寸变化的波导结构的需求也越来越明显。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本申请旨在提供一种三维楔形铌酸锂薄膜波导装置，所述三维楔形铌酸锂薄膜波导装置不仅能在水平方向上扩展波导模场，还可以在垂直方向上扩展波导模场，从而更进一步地提高纤芯耦合效率。

为了实现上述目的，本申请提供一种三维楔形铌酸锂薄膜波导装置，所述三维楔形铌酸锂薄膜波导装置包括铌酸锂层，所述铌酸锂层包括楔形层，所述楔形层包括楔形尖端和楔形尾端，所述楔形尖端用于匹配光纤模场，所述楔形尾端用于连接器件功能区域。

所述楔形尖端的厚度小于所述楔形尾端的厚度，所述楔形尖端的宽度小于所述楔形尾端的宽度。

进一步的，所述楔形尖端的厚度至所述楔形尾端的厚度按照预设的函数规律性增大。

进一步的，所述楔形尖端的厚度至所述楔形尾端的厚度呈线性增大。

进一步的，所述楔形尖端的宽度包括楔形尖端底宽和楔形尖端顶宽，所述楔形尾端的宽度包括楔形尾端底宽和楔形尾端顶宽，所述楔形尖端底宽小于所述楔形尾端底宽，所述楔形尖端顶宽小于所述楔形尾端顶宽。

进一步的，所述楔形尖端底宽至所述楔形尾端底宽呈线性增大，所述楔形尖端顶宽至所述楔形尾端顶宽呈线性增大。

进一步的，所述楔形尖端的正视面呈三角形，即所述楔形尖端顶宽的值为零。

进一步的，所述三维楔形铌酸锂薄膜波导装置，自下而上包括依次层叠设置的衬底层、绝缘层和所述铌酸锂层。