Lumerical Mode分析铌酸锂定向耦合器的侧壁倾角对耦合效率的影响

前言：

铌酸锂具有超宽的光学透明窗口(=0.35-5.2m)，以及优异的非线性、电光、声光、压电、热电和光折变等特性。铌酸锂晶体还具有易生长、抗腐蚀、耐高温特性，并且机械性能稳定，生产成本较低，很快便成为了最具吸引力的光子学材料之一。铌酸锂晶体令人着迷之处在于其具有的多功能性，常被盛誉为“光学硅”。铌酸锂晶体莫氏硬度大、物理化学性质稳定，既保证了器件的可靠性和耐久性，但是这也使得铌酸锂难以精准刻蚀侧壁的原因。为此，在设计铌酸锂基光学器件的时候，不得不要考虑这一因素对器件的影响。因此，小编在这篇的推文通过一个铌酸锂基的定向耦合器来说明面对这种情况要如何建模分析。

关键词：铌酸锂；定向耦合器；侧壁刻蚀

铌酸锂(Lithium Niobate)，是各向异性的晶体，因此在仿真中需要考虑这一性质。由于x-cut铌酸锂是最常使用的，所以在这篇推文中考虑x-cut的铌酸锂折射率数据。而铌酸锂的寻常折射率ne(ordinary refractive index)和非寻常折射率no(extraordinary refractive index)

no:

ne:

对于波导，光在波导传输，首要问题应该考虑其二维模式分布。因此，采用仿真工具Lumerical 系列软件求解铌酸锂波导的本征模式。为了方便修改参数，采用脚本编写波导结构

控制波导顶面宽度为W_top，厚度为Hs，倾角为，这样底边

W_bottom=W_top+2*Hs/tan(/180*pi)。

波导四个角的坐标可以定义为

（-W_bottom/2,0）（W_bottom/2,0）（-W_top/2,Hs）（W_top/2,Hs）

通过计算铌酸锂波导支持的四个模式在倾角50到90度的有效折射率，可以看出这个倾角的变化会使得有效折射率，减小。在这里值得指出的是，尽管有效折射率变化量比较小，但是波导的长度很长的话，累积的变化也非常大的。

接下来，小编采用脚本编写了一个铌酸锂基的定向耦合，考虑两种情况：侧壁垂直和侧壁倾斜。

首先，第一种情况：侧壁垂直的情况。这类情况是做仿真时最常考虑的，因为铌酸锂无法精准刻蚀，因而在计算中往往会用侧壁垂直来近似替代侧壁倾斜的情况。这样可能是一种比较理想的方案。

在计算中，小编也发现侧壁垂直的模型建立起来比较简单，得出的结果也比较好，如下图所示，定向耦合的两个端口耦合效率区分度非常高的，波长1550nm处的区分度可以达到100%。此时的光场分布也显示出定向耦合器的单向性。

（二）侧壁倾斜

然而，当保持其他参数不变的条件下，使得铌酸锂波导侧壁从垂直变化到倾斜，情况却发生比较大变化。入射光此时并不能只耦合到输出口中的一个了，而是两个口均有光输出。这与侧壁保持垂直的情况有所不一样。此时，光场分布也证实了这点。

（三）不同倾斜角的耦合效率

为了进一步考察侧壁倾角对耦合效率的影响，小编把倾角改为40°、50°、60°、70°、80°和90°做比较，如下图所示。侧壁较陡直(侧壁角一般60—80°)，入射光传输到端口2，实现波导间的耦合，这在很多功能器件中至关重要。而波导侧壁平缓(侧壁角一般小于50°)，入射光传输到端口1比较端口2更容易，这就说明不易于实现波导间耦合。

（四）耦合距离的优化

为了优化耦合距离，小编选取了铌酸锂实验样品比较常见的侧壁倾角=65作为考虑对象，并且采用参数扫描方式改变Lc，获得两个端口的耦合效率对比，如下图所示

到最后，总的来说，这篇推文通过简要的说明和图片来阐述一件事：铌酸锂光子器件在设计时要考虑加工带来的侧壁倾角的影响，这是需要进行分析的。当然，也说明可以通过增加光器件的耦合长度来降低侧壁倾角带来的影响。

参考文献：【1】薄膜铌酸锂集成非线性光学：走向全光信息时代的新路径

【2】铌酸锂光子芯片的制造技术路线