Page 33 - 网络电信2024年7月刊
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对脊形波导厚度进行研究发现，脊形波导厚度决定于刻蚀 模斑变换结构来实现光纤和片上波导器件的耦合，解决光纤和
深度，这主要取决于刻蚀加工设备和工艺优化。本节取不同的 波导在模场尺寸、有效折射率等方面差异过大的问题，提高两
刻蚀厚度（0.05～0.45μm），计算单模波导宽度的取值范围 者的光模场匹配程度，将光纤中的模式转换为光波导中的模式
变化，得到结果如图2所示。从图中可以看到，刻蚀深度越浅 （或相反），从而提高耦合效率。
（0.05μm），波导宽度越大，虽然在一定程度上减小了刻蚀
LN的时间成本和工艺复杂度，但过宽的波导宽度将扩大GSG电极 本项目通过参数优化扫描，参考文献相关结构[14]，设计出
的间距，减小了调制电场强度，不利于提升调制太宽。而刻蚀 符合要求的LNOI片上SSC模斑转换器。耦合器的示意结构如图3
深度较大时（0.45μm），波导间距减小有利于提升调制带宽， 所示。
但增加了刻蚀工艺成本和刻蚀截面与模场的接触面积。综上所
述，结合后期需要用到的光栅耦合器、双层端面耦合器上层一 图3 双层倒锥形SSC截面位置及FDE仿真得到对应位置模场分布示意图
致的刻蚀深度，本研究选择260 nm的刻蚀深度。
图1 波长1550nm下波导宽度与波导模式有效折射率变化关系
图2 波长1550nm下LNOI脊波导单模边界条件 图中横截面（CS）显示了耦合器在不同点的剖面示意图和
相应的模场分布。整个SSC由两部分组成，一个是通过绝热传输
实现模式转换的双层LN锥形波导，另一个是氮氧化硅（SiON）
的包层波导结构（CLDWG）。由于SiON的折射率略高于二氧化
硅，可以用来定义模场的形状和有效折射率，同时还可以防止
能量泄漏到掩埋氧化物（BOX）下方的衬底中，导致能量损失。
根据LNOI上波导设计原则和结果，脊形波导（RWG）的宽度和
高度设计为0.8μm和260 nm，平板区厚度为240 nm，以保证波
导中的单模传输过程。双层LN锥度分为三个区域。第一个区域
中LN平板区域线性变窄，同时保持波导宽度不变。在第二个区
域，下方的LN平板区宽度和脊形波导区宽度同时减小形成上倒
锥形。最后，下方的LN平板区宽度减小，形成下层的倒锥形。
事实上，为了获得高耦合效率，下层倒锥的尖端宽度应该足
够小，但其最小宽度不可能超过制造工艺的极限（EBL曝光线
宽）。在实际制备过程中，包层SiON波导覆盖整个锥形区域，
并在之后用利用PECVD设备制备SiO2上包层对SiON波导进行保
护。
表1 SSC特征尺寸优化结果
2.2 端面耦合器原理及设计 该耦合器的氮氧化硅包层波导结构（CLDWG）的设计主要用
对于常规的截面尺寸为宽1μm，高0.3～0.9μm的LNOI脊型 于与模场直径（MFD）为3.2μm的超高数值孔径光纤（UHNAF）
波导而言，由于单模光纤和拉锥光纤中分别约10μm和3～5μm 耦合。本文通过模拟了CLDWG的基本模式来优化其结构和材料参
的光模场直径，远大于LNOI光波导中小于1μm2的模斑尺寸，光 数，包括CLDWG的尺寸和折射率等参数，最终保证CLDWG的TE0
从光纤进入这种小尺寸的波导会由于跨尺度耦合产生很大的光 和TM0的MFD也在3.2μm左右，设计耦合效率达到90%以上。耦
损耗，因此为了实现光纤和波导之间的低损耗耦合，需要设计 合损耗包括功率耦合CS1的耦合损耗以及从CS1到CS5的模式转
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