向美華, 于 碩, 李德陽(yáng), 楊登才

(北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部, 北京 100124)

集成光子器件利用光子作為信息載體,可實(shí)現(xiàn)大容量、高速率的信息傳輸和處理,在5G通信網(wǎng)絡(luò)、微波光子技術(shù)、高速光計(jì)算等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。鈮酸鋰具有光學(xué)透明窗口寬、電光系數(shù)大、熱光系數(shù)低等優(yōu)越的光學(xué)特性[1],是集成調(diào)制波導(dǎo)的關(guān)鍵材料之一。傳統(tǒng)的鈮酸鋰體材料波導(dǎo)器件由于波導(dǎo)折射率差較小、對(duì)光的束縛能力差,難以實(shí)現(xiàn)器件的高度集成。為了滿足小型化和高集成度的需求,薄膜鈮酸鋰(lithium niobate on insulator,LNOI)材料應(yīng)運(yùn)而生,LNOI的鈮酸鋰層和二氧化硅層的折射率差大,大幅縮小了波導(dǎo)的彎曲半徑,有效減小了器件尺寸,有利于實(shí)現(xiàn)集成器件的高度集成[2-3]。然而,實(shí)際光通信中通常采用光纖作為載體遠(yuǎn)程傳輸調(diào)制光信號(hào),標(biāo)準(zhǔn)的單模光纖模場(chǎng)直徑約為10 μm,而LNOI 波導(dǎo)的模場(chǎng)直徑一般不超過(guò)1 μm,兩者在模場(chǎng)尺寸上的差異很大,模場(chǎng)失配嚴(yán)重,直接耦合損耗通常大于10 dB[4]。因此,急需研究LNOI 波導(dǎo)和光纖端面的高效耦合器,以推動(dòng)LNOI 集成光子器件的實(shí)際應(yīng)用。

光波導(dǎo)耦合器位于光纖和波導(dǎo)之間,主要有垂直耦合和端面耦合2種形式。垂直耦合主要有棱鏡耦合[5]、光柵耦合等方式[6],其中棱鏡耦合利用具有高折射率的棱鏡實(shí)現(xiàn)空間光場(chǎng)與波導(dǎo)模式的相位匹配,從而完成光場(chǎng)的耦合。這一方法對(duì)入射角度的準(zhǔn)直度要求較高,小的入射角度誤差就會(huì)引起較大的耦合損耗。而光柵耦合則是利用光柵的衍射作用將光纖中的光場(chǎng)耦合進(jìn)波導(dǎo)。光柵耦合器從起初的均勻淺刻蝕光柵耦合器[7],發(fā)展到可提高光柵輸出模場(chǎng)與接收光纖模場(chǎng)匹配度的非均勻光柵耦合器[8-9]和二維光柵耦合器[10]等,耦合效率不斷提高,逐漸成為主流的垂直耦合技術(shù)。光柵耦合器主要優(yōu)點(diǎn)在于其耦合位置靈活,可直接片內(nèi)耦合測(cè)試,但受限于光柵的衍射,耦合效率存在一定限制,并且其對(duì)波長(zhǎng)和偏振狀態(tài)較為敏感。端面耦合主要有透鏡耦合、錐形耦合等[11-13],其中透鏡耦合通過(guò)引入微透鏡,實(shí)現(xiàn)擴(kuò)束準(zhǔn)直和聚焦耦合,但是分立光學(xué)元件的引入,增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性和裝調(diào)難度。而錐形耦合利用光的傳播特性,借助錐形結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)光纖大模場(chǎng)與波導(dǎo)小模場(chǎng)間的高效轉(zhuǎn)換,其在耦合效率、耦合帶寬和偏振無(wú)關(guān)等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。2019年,皇家墨爾本理工大學(xué)在Z切LNOI上制作了反向錐形耦合器[14],并使用模場(chǎng)直徑為2.5 μm的透鏡光纖進(jìn)行實(shí)際通光測(cè)試,耦合損耗達(dá)到2.5 dB/面。同年,哈佛大學(xué)在X切LNOI平臺(tái)上制作出了雙層反向錐形耦合器[15],通過(guò)在垂直方向?qū)?個(gè)反向錐形結(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián),完成了與透鏡光纖的耦合。2021年,華中科技大學(xué)制作了類(lèi)似的雙層反向錐形耦合器[16],包層材料換為折射率可調(diào)的SiON,實(shí)現(xiàn)了與超高數(shù)值孔徑光纖(ultra-high numerical aperture,UHNA)的耦合。此外,浙江大學(xué)采用光纖拉錐設(shè)備對(duì)標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(康寧SMF-28e)進(jìn)行拉錐,借助拉錐結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了光纖與LNOI脊型波導(dǎo)的耦合,該方法的耦合效果較好,但對(duì)拉錐設(shè)備的拉錐精度和工藝要求較高[17]。

本文針對(duì)薄膜鈮酸鋰波導(dǎo)與超高數(shù)值孔徑光纖的端面耦合問(wèn)題,從仿真設(shè)計(jì)、加工制備和測(cè)試3個(gè)方面展開(kāi)研究。選擇的UHNA光纖的工作波長(zhǎng)為1 500～2 000 nm、模場(chǎng)直徑為3.2 μm?；跁r(shí)域有限差分(finite difference time domain,FDTD)法對(duì)反向錐形端面耦合器進(jìn)行建模,采用SU8作為外包層,根據(jù)模式匹配效率和模式轉(zhuǎn)換效率2個(gè)評(píng)價(jià)參數(shù),優(yōu)化設(shè)計(jì)了反向錐形芯層結(jié)構(gòu)和包層結(jié)構(gòu),仿真實(shí)現(xiàn)了LNOI矩形波導(dǎo)與超高數(shù)值孔徑光纖的高效耦合。確定了反向錐形耦合器的制備工藝流程,利用電子束曝光、電感耦合等離子體刻蝕等工藝,制備了反向錐形耦合器。設(shè)計(jì)并搭建了端面耦合器的測(cè)試平臺(tái),對(duì)反向錐形耦合器進(jìn)行了性能測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)制作的反向錐形耦合器具有較好的耦合性能。

1 仿真設(shè)計(jì)與優(yōu)化

針對(duì)模場(chǎng)直徑為3.2 μm的超高數(shù)值孔徑光纖,基于FDTD軟件構(gòu)建了反向錐形耦合器的模型,結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。其主體結(jié)構(gòu)包括鈮酸鋰反向錐形芯層和外包層2個(gè)部分,反向錐形寬端與LNOI矩形波導(dǎo)相連,且寬度和高度與矩形波導(dǎo)一致,反向錐形尖端在與UHNA光纖對(duì)接一側(cè),反向錐形由LNOI頂層鈮酸鋰刻蝕而成,整體被外包層包裹且位于外包層水平中心。外包層材料為SU8聚合物,SU8是一種環(huán)氧型、負(fù)性光刻膠,可以作為低損耗波導(dǎo)材料,其物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,并且工藝制備過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單,僅通過(guò)紫外光刻工藝就可以得到包層結(jié)構(gòu),無(wú)須刻蝕工藝。

圖1 反向錐形耦合器的結(jié)構(gòu)及模式轉(zhuǎn)換Fig.1 Schematic of structure and conversion process of the inverse-taper coupler

反向錐形耦合器的幾何特征是隨著耦合器長(zhǎng)度的增加,反向錐形芯層的寬度逐漸增大,而高度不變。芯層對(duì)光場(chǎng)有較強(qiáng)的限制作用,傳輸過(guò)程中光場(chǎng)被束縛在芯層波導(dǎo)中心,且小尺寸的芯層波導(dǎo)對(duì)光的束縛能力較弱,匹配模場(chǎng)尺寸較大,而大尺寸的芯層波導(dǎo)對(duì)光的束縛能力較強(qiáng),匹配模場(chǎng)尺寸較小,因此從反向錐形耦合器尖端到尾端,其匹配模場(chǎng)將逐漸縮小,如圖1(b)～(d)所示,因此隨著反向錐形逐漸拓寬至波導(dǎo)寬度,其對(duì)光場(chǎng)的束縛作用逐漸增強(qiáng),分布在外包層的光場(chǎng)逐漸被束縛進(jìn)波導(dǎo)之內(nèi),從而實(shí)現(xiàn)模場(chǎng)尺寸的轉(zhuǎn)換。

反向錐形耦合器與UHNA光纖耦合損耗主要體現(xiàn)在2個(gè)方面。一方面是反向錐形耦合器尖端端面與光纖端面的模場(chǎng)失配損耗,可利用光纖模場(chǎng)和波導(dǎo)模場(chǎng)的重疊積分表示模場(chǎng)匹配效率[18],可表示為

(1)

式中Ew(x,y)和Ef(x,y)分別為反向錐形耦合器尖端端面與光纖端面的模場(chǎng)分布。另一方面是光纖出射的模場(chǎng)經(jīng)過(guò)尖端端面進(jìn)入耦合器之后,為了完成模場(chǎng)變換需要傳輸一定的距離,這就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的傳輸損耗,可以利用模場(chǎng)轉(zhuǎn)換效率來(lái)η2表征,即

(2)

式中Pin和Pout分別為進(jìn)入耦合器尖端和寬端的光功率。反向錐形耦合器的總效率為模場(chǎng)匹配效率和模場(chǎng)轉(zhuǎn)換效率的乘積,即Г=η1·η2,則對(duì)應(yīng)的耦合損耗為-10 lgΓ。

反向錐形耦合器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括反向錐形尖端寬度、反向錐形寬端寬度、反向錐形高度、反向錐形長(zhǎng)度,以及SU8包層尺寸,其中反向錐形的高度與LNOI矩形波導(dǎo)的高度一致,寬端寬度與LNOI矩形波導(dǎo)的寬度相同。

由于采用頂層鈮酸鋰厚度為400 nm的X切LNOI晶圓制備脊型波導(dǎo),通過(guò)兩側(cè)全刻蝕獲得矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu),為此矩形波導(dǎo)高度設(shè)置為400 nm。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)仿真確定波導(dǎo)寬度,對(duì)LNOI矩形波導(dǎo)進(jìn)行建模,根據(jù)現(xiàn)階段可實(shí)際刻蝕出的鈮酸鋰波導(dǎo)側(cè)壁角度,將模型中側(cè)壁角度設(shè)定為71°,在1 550 nm波長(zhǎng)下計(jì)算不同波導(dǎo)寬度所對(duì)應(yīng)的有效折射率,并求解單模條件下的模場(chǎng)分布,結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯鲈?0～3 000 nm波導(dǎo)寬度范圍內(nèi),有效折射率隨波導(dǎo)寬度增加而增加,導(dǎo)模數(shù)量也隨之增加,當(dāng)波導(dǎo)寬度超過(guò)740 nm時(shí),第一個(gè)高階模出現(xiàn),所以將該臨界尺寸定義為一階模截止尺寸?？紤]到實(shí)際制作中鈮酸鋰波導(dǎo)側(cè)壁傾角存在不確定性,波導(dǎo)寬度應(yīng)該略小于一階模的截止尺寸,另一方面,考慮到波導(dǎo)寬度越小對(duì)導(dǎo)模支持越弱,傳輸損耗越高,因此波導(dǎo)寬度也不能太小,為確保同時(shí)滿足單模條件和低傳輸損耗,所以將LNOI 矩形波導(dǎo)寬度設(shè)置為620 nm。

圖2 LNOI 矩形波導(dǎo)寬度對(duì)有效折射率的影響和單模條件下模場(chǎng)分布Fig.2 Influence of the effective index on the width of the LNOI wire waveguide and the mode field distributions under single-mode condition

反向錐形耦合器旨在提升模場(chǎng)匹配效率和模場(chǎng)轉(zhuǎn)換效率,而模場(chǎng)匹配效率主要取決于反向錐形耦合器的尖端寬度和SU8包層的尺寸;模場(chǎng)轉(zhuǎn)換效率主要取決于影響模場(chǎng)轉(zhuǎn)換過(guò)程的反向錐形長(zhǎng)度。為此對(duì)反向錐形尖端寬度、SU8包層尺寸、反向錐形長(zhǎng)度3個(gè)參數(shù)進(jìn)行了仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)。

由于單模光纖端面模場(chǎng)分布是在水平和垂直方向?qū)ΨQ(chēng)的高斯分布,因此設(shè)置SU8 包層具有相同的寬度和高度。假定反向錐形尖端寬度足夠小,即假設(shè)錐形尖端區(qū)域不存在光場(chǎng)束縛,在1～9 μm內(nèi)分別改變SU8包層的寬度和高度,仿真計(jì)算不同條件下的模場(chǎng)匹配效率,結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯霎?dāng)SU8包層的寬度和高度均為4 μm時(shí),模式匹配效率最高,因此將SU8包層寬度和高度確定為4 μm。

圖3 包層尺寸與模式匹配效率的關(guān)系Fig.3 Relation between mode matching efficiency and the dimension of SU8 cladding

在SU8包層寬度和高度確定的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步設(shè)計(jì)反向錐形耦合器尖端的寬度。改變反向錐形尖端的寬度,可獲得模式匹配效率隨之變化的關(guān)系,仿真結(jié)果如圖4所示,可以看出模式匹配效率隨錐形尖端寬度的減小而提升,這是由于錐形尖端寬度越小,被束縛在錐形尖端區(qū)域內(nèi)的光場(chǎng)越少,包層中光場(chǎng)釋放越完全,與光纖模場(chǎng)尺寸越匹配。但是錐形尖端寬度不能無(wú)限縮小,因?yàn)榧舛藢挾仍叫?對(duì)掩膜制作和刻蝕工藝要求越嚴(yán)苛,結(jié)合目前鈮酸鋰材料的加工工藝水平,將反向錐形尖端寬度設(shè)置為80 nm。

圖4 反向錐形尖端寬度與模式匹配效率的關(guān)系Fig.4 Relation between the mode matching efficiency and the tip width of taper

根據(jù)上述SU8包層尺寸和反向錐形尖端寬度,可分析其端面的模場(chǎng)分布,并進(jìn)一步計(jì)算UHNA光纖和反向錐形耦合器端面的模場(chǎng)重疊積分,得到兩者的端面模場(chǎng)匹配效率η1=92.1%。

在確定了反向錐形尖端寬度后,繼續(xù)分析反向錐形長(zhǎng)度與模場(chǎng)轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系。由于反向錐形寬端的高度和寬度已經(jīng)確定,設(shè)置不同的反向錐形長(zhǎng)度即可確定錐形區(qū)的幾何尺寸,進(jìn)而可仿真計(jì)算反向錐形長(zhǎng)度與模場(chǎng)轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系,結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯霎?dāng)錐形長(zhǎng)度大于400 μm 時(shí),模場(chǎng)轉(zhuǎn)換損耗變得非常小且趨于平坦,理論上錐形長(zhǎng)度越長(zhǎng),模場(chǎng)轉(zhuǎn)換效率越高,但實(shí)際中受工藝水平影響,錐形側(cè)壁無(wú)法做到絕對(duì)光滑,那么錐形長(zhǎng)度越長(zhǎng),因錐形側(cè)壁粗糙引入的散射損耗越多,考慮到既要完成平緩過(guò)渡,又不能引入過(guò)多散射損耗,將反向錐形長(zhǎng)度設(shè)定為500 μm,此時(shí)反向錐形模場(chǎng)轉(zhuǎn)換效率η2=99%。至此,就確定了反向錐形耦合器的所有結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖5 反向錐形長(zhǎng)度與模場(chǎng)轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系Fig.5 Modal conversion efficiency as the length of the inverse-taper

在上述條件下,反向錐形耦合器的總效率Г=91.2%,即耦合器的損耗為0.4 dB/面。由以上仿真結(jié)果可以確定反向錐形耦合器的結(jié)構(gòu)參數(shù),如表1所示。

表1 反向錐形耦合器參數(shù)Table 1 Parameters of the inverse-taper coupler

最后,對(duì)反向錐形耦合器與UHNA光纖在水平和垂直方向上的對(duì)準(zhǔn)偏差損耗進(jìn)行仿真分析。偏差位移量與偏差損耗的關(guān)系如圖6所示,結(jié)果表明水平方向的3 dB對(duì)準(zhǔn)容差為2.4 μm,垂直方向的3 dB對(duì)準(zhǔn)容差為2.2 μm,并且對(duì)準(zhǔn)容差在水平方向?qū)ΨQ(chēng),垂直方向不對(duì)稱(chēng),這是由于受自身端面結(jié)構(gòu)影響,反向錐形耦合器端面模場(chǎng)分布只在水平方向?qū)ΨQ(chēng),在垂直方向不具有對(duì)稱(chēng)性。

圖6 反向錐形耦合器的偏移損耗與偏移量的關(guān)系Fig.6 Offset loss dependence of the inverse-taper coupler on misalignment

2 耦合器的制備

反向錐形耦合器的制作可通過(guò)電子束曝光(electron-blocking layer,EBL)、感應(yīng)耦合等離子體刻蝕、磁控濺射等技術(shù)完成,工藝流程如圖7所示。

圖7 反向錐形耦合器的制備工藝流程Fig.7 Fabrication process of the inverse-taper coupler

首先,利用磁控濺射技術(shù)在LNOI樣片頂層鈮酸鋰表面濺射一層金屬鉻作為掩膜層,在金屬鉻表面旋涂一層厚度不低于460 nm的正性電子束光刻膠,進(jìn)行電子束直寫(xiě)以定義反向錐形圖案,利用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕將反向錐形圖案向下轉(zhuǎn)移至鉻掩膜層并去膠,利用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕繼續(xù)將圖案向下轉(zhuǎn)移至鈮酸鋰層,之后使用主要成分為硝酸鈰銨和硝酸鉻的腐蝕液去除殘留的金屬鉻。去除殘余鉻掩膜后,得到反向錐形結(jié)構(gòu),然后旋涂SU8膠,利用對(duì)準(zhǔn)版標(biāo)對(duì)反向錐形結(jié)構(gòu)進(jìn)行SU8外包層套刻,顯影并堅(jiān)膜后形成外包層,從而完成反向錐形端面耦合器的制備。

鈮酸鋰反向錐形尖端刻蝕和SU8外包層套刻是反向錐形耦合器制備過(guò)程中的2個(gè)關(guān)鍵工藝。值得注意的是,為了方便后續(xù)耦合效率的測(cè)試,在矩形波導(dǎo)兩端加工了對(duì)稱(chēng)分布的2個(gè)反向錐形耦合器,因此通過(guò)以上工藝制備得到了雙端均為錐形耦合器的波導(dǎo)器件。利用電子掃描顯微鏡對(duì)制備出的反向錐形結(jié)構(gòu)的2個(gè)尖端進(jìn)行表征,結(jié)果如圖8所示,對(duì)尖端局部區(qū)域進(jìn)行放大檢測(cè),可得尖端寬度大約為96.86 nm,與理論值較為接近。

圖8 制作的2個(gè)錐形尖端掃描電鏡圖像Fig.8 SEM images of the two fabricated tips of taper

利用橢偏儀測(cè)量SU8膠的折射率,結(jié)果表明在波長(zhǎng)1 550 nm處折射率為1.571。一般認(rèn)為SU8在波長(zhǎng)1 550 nm處折射率為1.573,實(shí)際測(cè)量結(jié)果與之基本一致。圖9(a)為SU8外包層套刻端面的表征結(jié)果,圖9(b)為SU8包層套刻效果的表征,可以看出端面處的SU8包層側(cè)壁垂直于襯底面,同時(shí)反向錐形位于SU8包層的中心區(qū)域。

圖9 SU8膠包層表征圖像Fig.9 Micrograph of the SU8 cladding

3 性能測(cè)試與分析

設(shè)計(jì)并構(gòu)建了端面耦合測(cè)試平臺(tái),對(duì)制作得到的雙端對(duì)稱(chēng)反向錐形耦合器進(jìn)行通光測(cè)試,在此基礎(chǔ)上依次測(cè)試了反向錐形耦合器的近場(chǎng)輸出光斑、耦合效率以及對(duì)準(zhǔn)偏差損耗。

首先對(duì)反向錐形耦合器的近場(chǎng)輸出光斑進(jìn)行測(cè)試與分析,搭建了近場(chǎng)輸出光斑測(cè)試系統(tǒng),結(jié)構(gòu)如圖10所示。該系統(tǒng)中使用激光器(TLS150)輸出波長(zhǎng)為1 550 nm、功率為16 dBm的光波,激光器光源通過(guò)裸纖適配器與單模光纖相連,經(jīng)過(guò)耦合進(jìn)入雙端對(duì)稱(chēng)的反向錐形耦合器,之后利用Nikon 100倍顯微物鏡在反向錐形耦合器另一端接收光波,并聚焦進(jìn)入光束質(zhì)量分析儀,即可得到近場(chǎng)輸出光斑的模場(chǎng)分布,進(jìn)而定量分析模場(chǎng)尺寸。

圖10 近場(chǎng)光斑測(cè)試系統(tǒng)示意Fig.10 Schematic of the near-field optical spot testing system

雙端對(duì)稱(chēng)反向錐形耦合器的近場(chǎng)輸出光斑測(cè)試結(jié)果如圖11所示,其中圖11(a)為雙端對(duì)稱(chēng)反向錐形耦合器輸出的端面模場(chǎng)分布圖,圖11(b)為輸出模場(chǎng)的三維分布,可以看到光場(chǎng)被有效地束縛在耦合器端面區(qū)域,圖11(c)～(d)分別為模場(chǎng)在水平方向和垂直方向的強(qiáng)度分布,模場(chǎng)直徑為光強(qiáng)降低到最大光強(qiáng)的1/e2處2點(diǎn)之間的距離,測(cè)量結(jié)果表明水平方向的模場(chǎng)直徑約為3.3 μm,垂直方向的模場(chǎng)直徑約為3.6 μm。

圖11 近場(chǎng)光斑分布測(cè)試結(jié)果Fig.11 Schematic of testing of distributions of the near-field optical spot

接下來(lái),進(jìn)行雙端對(duì)稱(chēng)反向錐形耦合器與模場(chǎng)直徑為3.2 μm的UHNA光纖的耦合實(shí)驗(yàn),對(duì)兩者之間的耦合效率進(jìn)行檢測(cè),反向錐形耦合器耦合效率測(cè)試系統(tǒng)如圖12所示。該測(cè)試系統(tǒng)由激光器、多角度觀察系統(tǒng)、位移臺(tái)和光功率計(jì)組成。利用上述激光器(波長(zhǎng):1 550 nm,功率:16 dBm)通過(guò)裸纖適配器與單模光纖相連,調(diào)整光纖六維調(diào)節(jié)架和芯片四維調(diào)節(jié)架,依據(jù)多角度觀察系統(tǒng)完成UHNA光纖與反向錐形耦合器輸入端的對(duì)準(zhǔn)耦合,在反向錐形耦合器的輸出端再次與另一根UHNA光纖對(duì)準(zhǔn)耦合輸出,該UHNA光纖與裸纖適配器相連,最后將輸出光信號(hào)輸入到光功率計(jì)中。可見(jiàn),這里經(jīng)過(guò)了2次光纖與反向錐形耦合器的耦合處理。

圖12 耦合效率測(cè)試系統(tǒng)示意Fig.12 Schematic of the coupling efficiency testing system

值得注意的是,除了光纖與反向錐形耦合器的端面耦合,該測(cè)試系統(tǒng)從激光器輸出到光功率的探測(cè),還存在其他的多種損耗,如激光器、裸纖適配器與前端UHNA光纖之間的損耗,后端UHNA光纖與裸纖適配器、光功率計(jì)之間的連接損耗等。為了僅獲得單端反向錐形耦合器與UHNA光纖的耦合損耗,實(shí)驗(yàn)中移除反向錐形耦合器,對(duì)測(cè)試光路系統(tǒng)的基礎(chǔ)損耗進(jìn)行了多次測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如表2所示,計(jì)算多次測(cè)量的平均值,可得測(cè)試光路系統(tǒng)的平均基礎(chǔ)損耗為6.97 dB。

表2 光路系統(tǒng)損耗測(cè)試結(jié)果Table 2 Experimental basic loss of the optical system

隨后,將雙端反向錐形耦合器放置在芯片夾具上,對(duì)其進(jìn)行通光耦合測(cè)試,為了驗(yàn)證反向錐形耦合器的穩(wěn)定性,通過(guò)上述相同的方法對(duì)其進(jìn)行通光耦合測(cè)試,功率計(jì)示數(shù)如表3所示。據(jù)此可計(jì)算得到系統(tǒng)的總損耗,在此基礎(chǔ)上去除光路的平均基礎(chǔ)損耗,即可得到雙端耦合器經(jīng)過(guò)2次耦合的損耗,取該損耗的一半,即可獲得單端耦合器的插入損耗,該插入損耗既包括端面的模式匹配損耗,又包括由傳輸導(dǎo)致的模場(chǎng)轉(zhuǎn)換損耗。計(jì)算得到兩端反向錐形耦合器的插入損耗平均為12.48 dB,因此可知單端插入損耗為 6.24 dB/面。多次測(cè)試的耦合損耗均方差為0.42 dB,說(shuō)明反向錐形耦合器具有很好的工作穩(wěn)定性。

表3 反向錐形耦合器單端插入損耗測(cè)試結(jié)果Table 3 Experimental insertion loss of the inverse-taper coupler

最后,對(duì)反向錐形耦合器的3 dB容差進(jìn)行測(cè)試,在水平方向和垂直方向分別以0.5 μm 步長(zhǎng)移動(dòng)光纖位置,并記錄每個(gè)位置處的耦合損耗。對(duì)準(zhǔn)偏差測(cè)試結(jié)果如圖13所示,可以發(fā)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)容差在水平方向?qū)ΨQ(chēng),垂直方向不對(duì)稱(chēng),3 dB對(duì)準(zhǔn)容差在水平方向?yàn)?.0 μm,在垂直方向?yàn)?.2 μm,變化趨勢(shì)與仿真結(jié)果具有很好的一致性。

圖13 實(shí)驗(yàn)測(cè)得的反向錐形耦合器偏移損耗與偏移量的關(guān)系Fig.13 Dependence of the experimental offset loss of inverse-taper coupler on misalignment

值得注意的是,與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,實(shí)際實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的反向錐形端面耦合器的損耗與相應(yīng)仿真器件的損耗存在一定的差距,主要有兩方面因素。一是菲涅爾反射造成的反射損耗,在實(shí)際測(cè)試中并未滴加折射率匹配液,光纖與反向錐形耦合器端面間仍存在空氣間隙,兩者間的折射率差會(huì)造成一定的菲涅爾反射損耗。二是結(jié)構(gòu)表面粗糙造成的散射損耗,仿真軟件是在忽略錐形結(jié)構(gòu)表面粗糙的理想條件下進(jìn)行的,而實(shí)際刻蝕得到的錐形結(jié)構(gòu)在端面和側(cè)壁都存在一定粗糙度,因此在模場(chǎng)轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)造成一定的散射損耗。

4 結(jié)論

1) 利用FDTD軟件進(jìn)行耦合器的建模和參數(shù)優(yōu)化,確定了反向錐形耦合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2) 設(shè)計(jì)了反向錐形耦合器的制備工藝流程,基于電子束曝光、磁控濺射等關(guān)鍵工藝,制作了反向錐形耦合器。

3) 設(shè)計(jì)并搭建了端面耦合器的測(cè)試平臺(tái),分別測(cè)試了反向錐形耦合器的近場(chǎng)輸出光斑、插入損耗以及對(duì)準(zhǔn)偏差損耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)制作的反向錐形耦合器具有較好的耦合性能。該研究為光纖與LNOI集成光子器件之間的耦合提供了一種高效的光接口方案。