背景介绍：
铌酸锂是一种具有宽的光学低损耗窗口，较大的电光系数以及优异的二阶非线性效应的光学材料。基于铌酸锂的光波导器件，尤其是铌酸锂电光调制器，已成为支撑现代光纤通信网络的核心器件。传统的铌酸锂光波导通过扩散工艺制成，具有波导横截面尺寸大，限光能力弱的缺点，因此不具备开发高集成度光波导芯片的条件。近些年来兴起的铌酸锂薄膜很好地解决了这一问题，通过干法刻蚀形成的铌酸锂薄膜光波导具有较高的折射率差，可以实现结构紧凑的光波导器件和高集成度的光子芯片。然而，铌酸锂薄膜光波导的横截面尺寸较小，其模场尺寸与普通单模光纤存在较大差异，两者直接对准耦合会产生较大的端面耦合损耗，因此不可避免地需要设计模斑转换器以提高波导与光纤之间的耦合效率。
目前已报道的基于双锥型铌酸锂薄膜波导的模斑转换器虽然可以将端面耦合损耗降至较低的水平[1-3]，但这种方案需要采用电子束曝光来制作约200nm宽的尖锥，并且上下尖锥之间需要精准的套刻，这极大地提高了器件的制作成本和难度。因此，目前迫切需要一种对光刻精度和对准精度要求较为宽松的模斑转换器。此类模斑转换器的成功开发将显著降低铌酸锂光波导器件的制造门槛和制造成本，具有重大的意义。
工作介绍
最近，本团队提出了一种基于阶梯波导的铌酸锂薄膜模斑转换器。此模斑转换器采用易于制作的竖直方向的阶梯结构，代替难以制作的水平方向的尖锥结构来展宽铌酸锂薄膜波导的模场尺寸，以实现与光纤的模场尺寸匹配，从而降低耦合损耗。我们首先详尽地分析了阶梯的结构参数，包括阶梯宽度、阶梯高度、阶梯数目及阶梯间高度差等对耦合损耗的影响，并给出了优化的结果。然后，我们分析了阶梯波导表面粗糙度和衬底泄露引入的额外损耗。最后，我们在Lumerical FDTD软件中建立了相应的仿真模型，得到了模斑转换器的单端面耦合损耗。仿真结果显示，在1.51μm至1.63μm波长范围内，我们提出的阶梯状模斑转换器可将单端面耦合损耗降至2.0 dB以内，并且具有明显的偏振选择特性。
基于阶梯波导的模斑转换器的结构如图1所示。在靠近输入/输出端面处，0级阶梯由于高度过小而无法把光场很好地限制在其中，部分光场将扩散至包层，模场尺寸得以扩大，从而降低了与光纤之间的耦合损耗。光纤中的光场以较低的损耗耦合进入0级阶梯后，再通过逐级升高的阶梯演变为普通铌酸锂薄膜波导中的模场。
由上述工作原理可知，此模斑转换器的损耗由三部分组成：一是0级阶梯和光纤之间的端面耦合损耗；二是后续阶梯间高度突变引入的损耗；三是光在每个阶梯中的传输损耗。相应地优化和分析也分为三部分：一是对0级阶梯进行优化，使其与高数值孔径光纤（UHNAF）之间的耦合损耗最小；二是对后续阶梯的高度和长度进行优化，使高度突变引入的损耗尽可能地降低； 三是对阶梯粗糙表面引起的散射损耗和前级阶梯引入的衬底泄露损耗进行分析，评估其影响。
考虑到结构参数的选取和制作工艺高度相关，我们首先介绍此模斑转换器的制作流程，然后介绍优化后的器件性能的仿真结果。至于具体的优化和分析过程，限于篇幅，这里不作具体介绍，有兴趣的读者可以阅读原文。
图1 阶梯模斑转换器结构示意图
1. 制作流程
阶梯可通过如图2所示的流程进行制作。首先，在铌酸锂薄膜表面溅射一层200nm的铬膜作为刻蚀阻挡层。在最终的设计中，0级阶梯的长度为300μm，后续阶梯的长度均为5μm。因此，每级阶梯的光刻胶图案都可通过成本较低的i-line接触式/投影式曝光定义。然后，利用湿法腐蚀技术将光刻胶图案转移至铬阻挡层上，再利用感应耦合等离子体（ICP）刻蚀技术将图案转移至铌酸锂薄膜上。不断重复这个过程，即可在铌酸锂薄膜表面形成阶梯状的形貌。考虑到重复刻蚀会使阶梯顶部变得粗糙，最后还需要进行样品的正面抛光以降低表面粗糙度。值得一提的是，上述工艺流程非常适合于晶圆级的生产。在4寸或更大的X切铌酸锂晶圆上，可以一次性地制作出数十个具有阶梯形貌的小单元。
图2 阶梯的制作流程
图3 器件的制作流程
具有阶梯形貌的单元如图3（a）所示。在设计光波导器件如电光调制器时，我们要延长器件的输入和输出波导，确保它们足以覆盖整个阶梯区域。然后，我们只需按照常规的光波导器件加工流程，即可同时完成器件和阶梯状模斑转换器的制作，而无需精确地对准，如图3（b）所示。最后，在样品表面生长一层二氧化硅作为阶梯波导的上包层，如图3（c）所示。
2. 仿真结果
仿真模型如图4所示。我们在模型中放置了两个模式功率监测器。其中一个位于UHNAF中，用来记录光纤中LP01模式的功率。另一个位于阶梯S7，即普通铌酸锂薄膜波导中，用来记录波导中基模的功率。
图4 仿真模型示意图
在器件输入端，光从光纤向波导传输，传输路径上功率分布如图5所示。图5（a）对应TE偏振光的情形。可以看出光纤中的光先耦合进入0级阶梯，由于0级阶梯限光能力较弱，部分光场扩散到了上下包层中。随着阶梯逐级升高，波导的限光能力逐渐增强，光场也逐渐集中到铌酸锂芯层，最终耦合进入普通铌酸锂薄膜光波导中。图5（b）对应TM偏振输入光的情形。由于0级阶梯不支持TM基模，输入光直接在包层中弥散开。因此，在输出端，仅有极少一部分光能进入光波导。
（a） (b)
图5 器件输入端的传输仿真结果（a）光为TE偏振态（b）光为TM偏振态
在器件输出端，光从波导向光纤传输时，传输路径上功率分布如图6所示。图6（a）对应TE偏振光的情形。随着阶梯逐级下降，波导的限光能力逐渐变弱，光场也逐渐扩散至包层中，最终耦合进入光纤。图6（b）对应TM偏振输入光的情形。由于0级阶梯不支持TM基模，输入光直接在包层中弥散开。因此，在输出端，仅有极少一部分光能进入光纤。
（a） (b)
图 6 器件输出端的传输仿真结果（a）光为TE偏振态（b）光为TM偏振态
根据监测器中记录的数据，可计算得到模斑转换器的耦合损耗，计算结果如图7所示。在1.51μm-1.63μm波长范围内，对TE偏振的输入光，单端面耦合损耗均低于2.0dB。此外，由于0级阶梯不支持TM模式，模斑转换器呈现出了明显的偏振选择特性。在1550nm处，TM偏振输入光的单端面耦合损耗比TE偏振输入光的单端面耦合损耗高出10dB。对于基于X切铌酸锂薄膜的电光调制器，这种抑制TM偏振光的特性有利于提高调制效率和消光比。
图7 模斑转换器单端面耦合损耗的计算结果
本团队的博士生王梦柯为文章的第一作者，他的研究方向为基于铌酸锂薄膜的集成光波导器件，高速电光调制器及微波光子学。陈开鑫教授为文章的通讯作者，陈开鑫教授长期致力于以光波导技术为中心，以铌酸锂薄膜、氮化硅、二氧化硅、聚合物等材料为波导平台，面向光通信与光传感前沿领域的新理论、新技术、新应用的研究。
文章链接：http://doi.org/10.1109/JLT.2021.3126173
参考文献：
[1] L. Y. He, M. Zhang, A. Shams-Ansari, et al. Low-loss fiber-to-chip interface for lithium niobate photonic integrated circuits[J]. Optics Letters, 2019, 44(9):2314-2317
[2] C. R. Hu, A. Pan, T. A. Li, et al. High-efficient coupler for thin-film lithium niobate waveguide devices[J]. Optics Express, 2021, 29(4):5397-540
[3] P. Ying, H. Y. Tan, J. W. Zhang, et al. Low-loss edge coupling thin-film lithium niobate modulator with an efficient phase shifter[J]. Optics Letter, 2021, 46(6):1478-1481