本發(fā)明屬于光通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于鈮酸鋰薄膜波導(dǎo)的耦合方式及其實現(xiàn)方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著信息通信設(shè)備、家電以及產(chǎn)業(yè)機器的小型化、高性能化，薄膜技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。各類新型薄膜材料大量涌現(xiàn)，其中，以鈮酸鋰為代表的介電薄膜材料在光通信、集成光學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，成為人們研究的熱點。鈮酸鋰晶體是一種集壓電、電光、聲光、彈光、光折變、非線性及激光活性等效應(yīng)于一身的多功能材料。1965年，Ballman采用提拉法成功的生長了高質(zhì)量的鈮酸鋰單晶，開始了鈮酸鋰晶體研究的新階段。目前鈮酸鋰晶體己被廣泛應(yīng)用于全息記憶存儲、二次諧波發(fā)生器、聲光傳感器、濾波器、電光調(diào)制器、倍頻轉(zhuǎn)換、限制器、光波導(dǎo)、聲表面波器件等。有關(guān)鈮酸鋰晶體的器件絕大多數(shù)是基于其體單晶研制而成的，但是鈮酸鋰薄膜作為各類光電器件的載體性能更加優(yōu)越。上世紀(jì)60年代以來，隨著集成光學(xué)和薄膜工業(yè)的不斷發(fā)展和完善，人們對于鈮酸鋰薄膜基于光學(xué)、聲光器件上的應(yīng)用產(chǎn)生了極大的興趣，這是因為鈮酸鋰薄膜器件較其晶體器件具有若干更加明顯的優(yōu)勢：(1)薄膜易于做成多層結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于波導(dǎo)器件，具有更大的傳輸密度和更低的傳輸損耗；(2)薄膜較易實現(xiàn)可選擇性的摻雜，進而呈現(xiàn)出各種各樣的特殊性能；(3)在聲表面波器件中，利用薄膜基底效應(yīng)，可以獲得比體單晶更大的表面波傳播速度；(4)將鈮酸鋰薄膜生長在優(yōu)良的半導(dǎo)體材料單晶硅襯底上，對集成光電子學(xué)具有深遠的意義。至今，鈮酸鋰薄膜廣泛應(yīng)用于光電通信領(lǐng)域，表現(xiàn)出突出的優(yōu)勢，引起人們極大的關(guān)注，人們已經(jīng)使用多種方法生長該薄膜，例如濺射法、外延法、化學(xué)氣相沉積法、溶膠.凝膠法、脈沖激光沉積法等。

即便鈮酸鋰薄膜具有諸多的優(yōu)點，集成光子芯片封裝以及片上或片間光互聯(lián)的一個關(guān)鍵問題是光波導(dǎo)之間的耦合。在一個集成系統(tǒng)中，不同波導(dǎo)的幾何結(jié)構(gòu)或材料可能相同，也可能完全不同，這為耦合帶來很大的挑戰(zhàn)。按照耦合方式可以大致分為兩類端面藕合和平面禍合。端面耦合是光纖通過波導(dǎo)端面直接將光耦合進波導(dǎo)的方法,通常的方法有多層錐形結(jié)構(gòu),三維錐形結(jié)構(gòu)和倒錐形結(jié)構(gòu)等。但這些結(jié)構(gòu)的制備非常困難,而且制作容差小,還需要側(cè)面拋光,由于普通單模光纖的尺寸在8～10微米之間，當(dāng)薄膜材料達到微納米量級的時候，利用普通光纖直接耦合就會帶來巨大的損耗，耦合封裝困難,不適應(yīng)大規(guī)模集成光路的發(fā)展。光柵耦合器作為一種面耦合器成為納米波導(dǎo)耦合研究的熱點。它可以在系統(tǒng)的任意地方實現(xiàn)信號的上載下載,大大增強了系統(tǒng)的靈活性。當(dāng)采用硅基材料的薄膜進行耦合時，可以采用直接在硅或硅化合物上直接刻蝕出光柵的方式將光從光纖中耦合到硅基薄膜光波導(dǎo)中去。

然而，在鈮酸鋰材料上直接刻蝕光柵非常困難，成本極高，而且即便刻蝕出光柵結(jié)構(gòu)，也會因光柵的側(cè)面不陡直而影響其耦合效果，同樣，采用端面耦合仍然存在本身效率低，容差小，強度低，難封裝又容易受環(huán)境溫度影響的缺點。在基于鈮酸鋰單晶薄膜的光器件發(fā)展的同時，其耦合方式亟待改變。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對以上現(xiàn)有存在的問題，本發(fā)明提供一種用于鈮酸鋰薄膜波導(dǎo)的耦合方式及其實現(xiàn)方法，基于光柵耦合的方式，采用與鈮酸鋰材料在通信波段(1.5微米)折射率相近的氧化鉭材料制作光柵，有效解決了在鈮酸鋰表面很難直接刻蝕光柵的難題，相比于端面耦合，難度大大降低；同時采用拋光后的普通光纖直接與基片壓合的方式，在機械強度上有很大提高，不易受溫度變化影響，提高了納米級鈮酸鋰薄膜材料的耦合效率。

本發(fā)明的技術(shù)方案在于：

本發(fā)明提供一種用于鈮酸鋰薄膜波導(dǎo)的耦合方式，包括單模光纖、氧化鉭波導(dǎo)光柵、鈮酸鋰薄膜波導(dǎo)、二氧化硅緩沖層和硅襯底，所述單模光纖包括包層、纖芯和楔形光纖面，所述單模光纖上的所述楔形光纖面與所述氧化鉭波導(dǎo)光柵相連，所述氧化鉭波導(dǎo)光柵安裝在所述鈮酸鋰薄膜波導(dǎo)上，所述二氧化硅緩沖層處于所述鈮酸鋰薄膜波導(dǎo)和所述硅襯底之間。

進一步地，所述氧化鉭波導(dǎo)光柵的厚度為200微米～800微米。

本發(fā)明還提供一種用于鈮酸鋰薄膜波導(dǎo)耦合方式的實現(xiàn)方法，其特征在于：包括以下步驟：

(1)選用單拋單晶硅片作為所述硅襯底，將硅片清潔后在900℃以上進行熱氧化，氧化時間至少為20h，氧化后在其表面形成所述二氧化硅緩沖層；

(2)將所述鈮酸鋰薄膜波導(dǎo)與所述二氧化硅緩沖層進行表面鍵合；

(3)在所述鈮酸鋰薄膜波導(dǎo)表面，制備特殊形狀的氧化鉭波導(dǎo)光柵，輸入端的尺寸較大，在6～12微米之間，目的是配合單模光纖的尺寸；另一端逐漸變細，根據(jù)不同的器件可以達到1～10微米之間，并且基于氧化鉭波導(dǎo)制作具有特定周期和占空比的氧化鉭光柵，其具體參數(shù)根據(jù)光柵耦合的布拉格條件確定：

T×(N_eff-n₁·sinθ)＝mλ(m＝0，±1，±2）

其中T為光柵周期，N_eff為波導(dǎo)的有效折射率，n₁為在光柵長度方向的折射率，θ為光纖的輸入角度，λ為輸入光的波長；

(4)將輸入單模光纖的端面拋磨形成所述楔形光纖面，且所述楔形光纖面的長度根據(jù)輸入光信號的波長有關(guān)，具體的拋光長度在50～200微米直接，露出纖芯，剩余的部分高度為2微米左右；

(5)將拋磨好的所述單模光纖直接壓合在所述氧化鉭波導(dǎo)光柵的對應(yīng)輸入端，并可以進行一定程度的封裝，輸入光的信號經(jīng)過單模光纖傳到所述氧化鉭波導(dǎo)光柵內(nèi)，然后通過氧化鉭光柵可以傳播到下層的鈮酸鋰薄膜波導(dǎo)中。

本發(fā)明由于采用了上述技術(shù)，使之與現(xiàn)有技術(shù)相比具體的積極有益效果為：

1、本發(fā)明基于光柵耦合的方式，采用與鈮酸鋰材料在通信波段(1.5微米)折射率相近的氧化鉭材料制作光柵，有效解決了在鈮酸鋰表面很難直接刻蝕光柵的難題。

2、本發(fā)明相比于傳統(tǒng)的端面耦合，極大地降低了實施難度。

3、本發(fā)明采用拋光后的普通光纖直接與基片壓合的方式，在機械強度上有很大提高，不易受溫度變化影響，提高了納米級鈮酸鋰薄膜材料的耦合效率。

4、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡潔，安全可靠，具有良好的市場前景。

5、本發(fā)明的產(chǎn)品性能好，使用壽命長。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的耦合方式示意圖；

圖2為本發(fā)明的耦合方式上表面示意圖；

圖3為本發(fā)明的耦合方式所采用的單模光纖結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的耦合方式除單模光纖之外的結(jié)構(gòu)的三維示意圖。

圖中：1-單模光纖，2-氧化鉭波導(dǎo)光柵，3-鈮酸鋰納米線波導(dǎo)，4-二氧化硅緩沖層，5-硅襯底，11-包層，12-纖芯，13-楔形光纖面。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明，本發(fā)明的實施方式包括但不限于下列實施例。

實施例：為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

如圖1所示，本發(fā)明提供一種用于鈮酸鋰薄膜波導(dǎo)的耦合方式，包括單模光纖1、氧化鉭波導(dǎo)光柵2、鈮酸鋰薄膜波導(dǎo)3、二氧化硅緩沖層4和硅襯底5，單模光纖1包括包層11、纖芯12和楔形光纖面13，單模光纖1上的楔形光纖面13與氧化鉭波導(dǎo)光柵2相連，氧化鉭波導(dǎo)光柵2安裝在鈮酸鋰薄膜波導(dǎo)3上，二氧化硅緩沖層4處于鈮酸鋰薄膜波導(dǎo)3和硅襯底5之間。

本發(fā)明進一步設(shè)置為：氧化鉭波導(dǎo)光柵2的厚度為200微米～800微米。

本發(fā)明還提供一種用于鈮酸鋰薄膜波導(dǎo)耦合方式的實現(xiàn)方法，其特征在于：包括以下步驟：

(1)選用單拋單晶硅片作為硅襯底5，將硅片清潔后在900℃以上進行熱氧化，氧化時間至少為20h，氧化后在其表面形成二氧化硅緩沖層4；

(2)將鈮酸鋰薄膜波導(dǎo)3與二氧化硅緩沖層4進行表面鍵合；

(3)在鈮酸鋰薄膜波導(dǎo)3表面，制備特殊形狀的氧化鉭波導(dǎo)光柵2，輸入端的尺寸較大，在6～12微米之間，目的是配合單模光纖1的尺寸；另一端逐漸變細，根據(jù)不同的器件可以達到1～10微米之間，并且基于氧化鉭波導(dǎo)制作具有特定周期和占空比的氧化鉭波導(dǎo)光柵2，其具體參數(shù)根據(jù)光柵耦合的布拉格條件確定：

T×(N_eff-n₁·sinθ)＝mλ(m＝0，±1，±2)

其中T為光柵周期，N_eff為波導(dǎo)的有效折射率，n₁為在光柵長度方向的折射率，θ為光纖的輸入角度，λ為輸入光的波長；

(4)將單模光纖1的端面拋磨形成楔形光纖面13，且楔形光纖面13的長度根據(jù)輸入光信號的波長有關(guān)，具體的拋光長度在50～200微米直接，露出纖芯12，剩余的部分高度為2微米左右；

(5)將拋磨好的單模光纖1直接壓合在氧化鉭波導(dǎo)光柵2的對應(yīng)輸入端，并可以進行一定程度的封裝，輸入光的信號經(jīng)過單模光纖1傳到氧化鉭波導(dǎo)光柵2內(nèi)，然后通過氧化鉭光柵2可以傳播到下層的鈮酸鋰薄膜波導(dǎo)3中。

通過采用上述技術(shù)方案，選擇硅作為襯底，方便調(diào)制器和其他光器件集成；氧化鉭在通信波段(1550nm)的折射率在2.1～2.2之間，這與鈮酸鋰的折射率相近，采用鈮酸鋰薄膜波導(dǎo)3與氧化鉭形成的光柵耦合結(jié)構(gòu)可以很大程度上降低損耗，相比于端面耦合難度大大降低；同時采用拋光后的單模光纖1直接與基片壓合的方式，在機械強度上有很大提高，不易受溫度變化影響，提高了納米級鈮酸鋰薄膜材料的耦合效率，簡化制作工藝，成品率顯著。

以上對本發(fā)明的一個實施例進行了詳細說明，但所述內(nèi)容僅為本發(fā)明的較佳實施例，不能被認為用于限定本發(fā)明的實施范圍。凡依本發(fā)明申請范圍所作的均等變化與改進等，均應(yīng)仍歸屬于本發(fā)明的專利涵蓋范圍之內(nèi)。