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一种基于LNOI材料的低插入损耗端面耦合器[发明专利]

一、背景技术

(1)随着信息技术的快速发展，光纤通信技术已经成为当今社会信息传输的主要方式之一。光纤通信技术以其高速率、大容量、长距离传输等优点，被广泛应用于各个领域。然而，光纤通信系统的性能在很大程度上取决于光纤器件的性能，其中光纤耦合器作为光纤系统中不可或缺的元件，其插入损耗直接影响到系统的整体性能。

(2)传统光纤耦合器主要基于光纤的物理特性，如全反射原理，其结构简单但存在插入损耗较高的问题。近年来，新型光纤耦合器材料和技术的研究不断深入，其中基于低损耗光学绝缘体（LowNumericalAperture,LNOI）材料的端面耦合器因其优异的性能受到了广泛关注。LNOI材料具有高折射率对比度和低插入损耗的特点，使得基于LNOI材料的端面耦合器在实现低插入损耗的同时，还能提供良好的光学性能。

(3)目前，基于LNOI材料的端面耦合器研究主要集中在材料的制备工艺、光学性能优化以及器件的集成等方面。尽管已经取得了一定的成果，但现有技术仍存在一些局限性，如材料的制备工艺复杂、光学性能难以精确控制、器件集成度较低等问题。因此，进一步研究高性能、低插入损耗的基于LNOI材料的端面耦合器具有重要的实际应用价值。

二、发明内容

(1)本发明提供一种基于LNOI材料的低插入损耗端面耦合器，其结构采用新型的LNOI材料，插入损耗低至0.1dB以下，有效降低了信号在传输过程中的能量损失。该端面耦合器通过优化设计，实现了对光波导的精确控制，使得光在耦合过程中损耗显著降低。例如，在100GHz的频率范围内，该端面耦合器的插入损耗仅为0.08dB，远低于现有技术水平的0.2dB。

(2)本发明在LNOI材料的制备过程中，采用特殊的化学气相沉积（CVD）工艺，使得材料具有良好的光学均匀性和稳定性。通过优化LNOI材料的组分和制备条件，实现了材料折射率的精确控制，从而确保了端面耦合器在宽频带范围内具有良好的光学性能。实际测试表明，该端面耦合器在1550nm通信窗口内的插入损耗波动小于0.05dB，频谱宽度超过60nm。

(3)本发明进一步提出了一种集成化设计方法，将多个端面耦合器集成在一个芯片上，实现高密度的光学连接。通过微纳加工技术，实现了端面耦合器的高精度制造，使得芯片尺寸缩小至1mm×1mm，大大降低了器件的体积和重量。在实验室测试中，该集成端面耦合器在100GHz频率范围内，实现了16路并行信号的高效传输，信号质量稳定，无明显的串扰现象。

三、技术方案

(1)本发明提出的技术方案首先涉及LNOI材料的制备。采用化学气相沉积（CVD）技术，通过精确控制反应气体成分和温度，制备出具有高折射率对比度的LNOI材料。该材料具有优异的光学性能，能够有效减少光在传输过程中的损耗。在制备过程中，通过优化沉积速率和生长时间，确保LNOI材料的光学均匀性和稳定性。

(2)在端面耦合器的结构设计上，本发明采用微纳加工技术，将LNOI材料制成精确的光波导结构。通过优化波导的几何形状和尺寸，实现光在波导中的高效传输。具体而言，采用双折射技术，使得光波导在两个正交方向上具有不同的折射率，从而实现光束的耦合。此外，通过精确控制波导的长度和宽度，实现了插入损耗的进一步降低。

(3)本发明还涉及端面耦合器的集成化设计。通过将多个端面耦合器集成在一个芯片上，实现高密度的光学连接。在集成过程中，采用硅基微加工技术，将LNOI材料制成微米级的光波导阵列。通过精确控制芯片上的光路布局，实现了端面耦合器的高效集成。在实际应用中，该集成端面耦合器可应用于高速光通信系统，提高系统的传输效率和性能。

四、实施例

(1)实施例一：根据本发明提供的技术方案，首先采用化学气相沉积（CVD）技术，在硅基衬底上制备出LNOI材料。通过优化CVD工艺参数，如温度、气体流量和沉积速率，成功制备出具有高折射率对比度的LNOI材料，其折射率对比度达到0.5以上。随后，利用微纳加工技术，将LNOI材料制成光波导结构，包括两个正交方向上的波导。在波导的耦合区域，通过精确控制波导的长度和宽度，实现了插入损耗的降低。最终，制备出的端面耦合器在100GHz频率范围内的插入损耗仅为0.08dB，满足高速光通信系统的需求。

(2)实施例二：在集成化设计方面，本发明采用硅基微加工技术，将多个端面耦合器集成在一个1mm×1mm的芯片上。首先，在芯片上制备出光波导阵列，每个波导具有精确的长度和宽度。接着，通过光刻、蚀刻等微加工工艺，实现波导的集成。在集成过程中，采用高精度对准技术，确保各个波导之间的耦合精度。经过测试，集成端面耦合器在100GHz频率范围内，实现了16路并行信号的高效传输，信号质量稳定，无明显的串扰现象。

(3)实施例三