Элементы ввода излучения в фотонные интегральные схемы на основе тонкоплёночного ниобата лития

Корягин В.А., Шабалин Р.Р., Москалёв Д.Н., Салгаева У.О., Криштоп В.В.

Ссылка для цитирования:

Корягин В.А., Шабалин Р.Р., Москалев Д.Н., Салгаева У.О., Криштоп В.В. Элементы ввода излучения в фотонные интегральные схемы на основе тонкоплёночного ниобата лития // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 10. С. 67–74. http://doi.org/10.17586/1023-50862026-93-10-67-74

Koryagin V.A., Shabalin R.R., Moskalev D.N., Salgaeva U.O., Krishtop V.V. Edge couplers in photonic integrated circuits based on thin-film lithium niobate [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 10. P. 67–74. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-10-67-74

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Оценка оптических потерь на ввод излучения в интегрально-оптические волноводы фотонной интегральной схемы на основе тонкоплёночного ниобата лития через преобразователи диаметра поля моды различных топологий — инвертированный тейпер и рупорообразный (расширяющийся) волновод. Цель работы. Определение типа и топологии преобразователя диаметра поля моды, обеспечивающего наибольшую эффективность торцевого ввода излучения в канальный интегрально-оптический волновод на основе тонкоплёночного ниобата лития X-среза. Метод. Выполнялось моделирование распределения профиля оптического излучения на выходе преобразователей типичного диаметра поля различных размеров методом конечных разностей в частотной области в программном обеспечении Difra. Для оценки эффективности ввода излучения выполнялся расчёт скалярного интеграла перекрытия. Основные результаты. Разработаны топологии преобразователей диаметра поля моды, выполнена оценка оптических потерь на ввод излучения, проведён анализ изменения оптических потерь в зависимости от смещения оптического волокна относительно центра преобразователя диаметра поля моды. Выявлено, что наименьшие оптические потери наблюдаются при вводе излучения через рупорообразный волновод (7,35 дБ для ТЕ-поляризации, и 6,84 дБ для ТМ-поляризации). Практическая значимость. Снижение оптических потерь на ввод/вывод излучения в фотонную интегральную схему повышает эффективность работы конечных устройств.

Ключевые слова:

эффективность ввода, волновод, тонкоплёночный ниобат лития, оптические потери, преобразователи диаметра поля моды

Коды OCIS: 130.1750, 130.3730, 250.5300

Список источников:

1. Москалев Д.Н. Моделирование многомодового интерференционного делителя 2×2 // Прикладная фотоника. 2023. Т. 10. № 8. С. 17–28. DOI:10.15593/2411-4375/2023.8.02
Moskalev D.N. Simulation of 2×2 multimode interference coupler // Applied photonics. 2023. № 8. P. 17–28. DOI:10.15593/2411-4375/2023.8.02
2. Zhu D., Shao L., Cheng R. et al. Integrated photonics on thin-film lithium niobate // Adv. Opt. Photon. 2021. V. 13. № 2. P. 242. DOI:10.1364/AOP.411024
3. Chen G., Li N., Ng J.D. et al. Advances in lithium niobate photonics: development status and perspectives // Adv. Photon. 2022. V. 4. № 3. DOI:10.1117/1.AP.4.3.034003
4. Poberaj G., Hu H., Sohler W. et al. Lithium niobate on insulator (LNOI) for micro-photonic devices // Laser & Photonics Reviews. 2012. V. 6. № 4. P. 488–503. DOI:10.1002/lpor.201100035
5. Peng Y., Yang S., Wu RH. et al. Efficient optical parametric amplification in the thin film lithium niobate waveguides // Sci Rep. 2025. V. 15. № 1. P. 2851. DOI:10.1038/s41598-025-87524-4
6. Assumpcao D., Renaud D., Baradari A. et al. A thin film lithium niobate near-infrared platform for multiplexing quantum nodes // Nat Commun. 2024. V. 15. № 1. P. 10459. DOI:10.1038/s41467-024-54541-2
7. Kozlov A., Moskalev D., Salgaeva U. et al. Reactive ion etching of X-Cut LiNbO3 in an ICP/TCP System for the fabrication of an optical ridge waveguide // Applied Sciences. 2023. V. 13. № 4. P. 2097. DOI:10.3390/app13042097
8. Электронный ресурс: https://www.mathscinotes.com/wp-content/uploads/2017/03/corning-smf-28.pdf (Corning® SMF-28® Optical Fiber Product Information)
9. Карнаушкин П.В., Пономарев Р.С. Волоконный световод с конусной линзой для ввода излучения в волновод малого диаметра // Вестник Пермского университета. Физика. 2017. № 1 (35). С. 54–63. DOI:10.17072/1994-3598-2017-1-54-64
Karnaushkin P.V., Ponomarev R.S. The optical fiber with a taper lens to light input into the waveguide of a small diameter // Bulletin of Perm University. Physics. 2017. № 1 (35). P. 54–63. DOI:10.17072/1994-3598-2017-1-54-64
10. Ивашенцева И.В., Третьякова И.В., Каурова Н.С. и др. Эффективность согласования одномодового волокна с фотонной интегральной схемой Si3N4 // Оптика и спектроскопия. 2024. Т. 132. №. 10. С. 1076–1086. DOI:10.61011/OS.2024.10.59423.7024-24
Ivashentseva I.V., Tretyakov I.V., Kaurova N.S. et al. Efficiency of matching single-mode fiber with Si3N4 photonic integrated circuit // Optics and spectroscopy. 2024. V. 132. № 10. P. 1076–1086. DOI:10.61011/OS.2024.10.59423.7024-24
11. Krasnokutska I., Chapman RJ., Tambasco JLJ. et al. High coupling efficiency grating couplers on lithium niobate on insulator // Opt. Express. 2019. V. 27. № 13. P. 17681–17685. DOI:10.1364/OE.27.017681
12. Chen B., Ruan Z., Hu J. et al. Two-dimensional grating coupler on an X-cut lithium niobate thin-film // Opt. Express. 2021. V. 29. № 2. P. 1289. DOI:10.1364/OE.413820
13. Moskalev D., Kozlov A., Salgaeva U. et al. Applicability of the effective index method for the simulation of X-Cut LiNbO3 waveguides // Applied Sciences. 2023. V. 13. № 11. P. 6374. DOI:10.3390/app13116374
14. Электронный ресурс: https://www.coherent.com/resources/datasheet/components-and-accessories/specialty-optical-fibers/uhna1_spec_202011122126.pdf
15. Электронный ресурс: https://difralab.ru/16. Rumpf R.C. Electromagnetic and photonic simulation for the beginner: Finite-difference frequency-domain in MATLAB®. Boston: Artech House, 2022. 355 p.
17. Kaushalram A., Hegde G., Talabattula S. Mode hybridization analysis in thin film lithium niobate strip multimode waveguides // Sci Rep. 2020. V. 10. № 1. P. 16692. DOI:10.1038/s41598-020-73936-x