Research Progress on Thin-Film Lithium Niobate Grating Couplers (Invited)

Yuxin Ma; Yongteng Wang; Tianshu Yang

doi:10.3788/LOP250621

Laser & Optoelectronics Progress, Volume. 62, Issue 11, 1127008(2025)

Research Progress on Thin-Film Lithium Niobate Grating Couplers (Invited)

Yuxin Ma, Yongteng Wang, and Tianshu Yang^*

State Key Laboratory of Quantum Optics Technologies and Devices, Institute of Opto-Electronics, Shanxi University, Taiyuan 030006, Shanxi , China

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Figures & Tables(17)

Fig. 1. Schematic diagrams of grating coupler. (a) Structure diagram of grating coupler with linear waveguide taper^[22]; (b) sectional view of grating coupler^[23]

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Fig. 2. Top view of TFLN-based uniform grating coupler^[26]

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Fig. 3. Electron micrographs of two-dimensional grating coupler^[29]. (a) Scanning electron microscope image; (b) optical image

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Fig. 4. Schematic diagrams and scanning electron microscope images of two different designs of grating couplers fabricated on the same chip^[30]. (a) and (b) are images of a uniform grating coupler; (c) and (d) are images of a uniform grating coupler with additional modification slot

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Fig. 5. Structure diagram of uniform grating coupler with bottom metal reflective layer^[31]

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Fig. 6. Structure diagrams of Si₃N₄ loaded TFLN grating coupler^[38]. (a) Three-dimensional view; (b) schematic diagram of the cross section

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Fig. 7. Structure diagrams of Si and SiO₂ loaded TFLN grating coupler^[37]. (a) Two-dimensional schematic diagram of the cross section; (b) three-dimensional view

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Fig. 8. Schematic diagrams of TFLN grating coupler with Si grating at the top^[39]. (a) Three-dimensional schematic diagram; (b) cross-sectional view

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Fig. 9. Schematic cross-sectional view of a-Si grating coupler fabricated on TFLN^[40]

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Fig. 10. Schematic diagrams of grating coupler with Au layer deposited^[41]. (a) Three-dimensional structure diagram; (b) two-dimensional structure diagram

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Fig. 11. Cross-sectional schematic diagram of non-uniform grating coupler^[43]

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Fig. 12. Cross-sectional schematic diagram of non-uniform grating coupler with bottom metal reflective layer^[47]

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Fig. 13. Schematic diagrams of SWG coupler^[50]. (a) Cross-sectional view and the structure diagram of SWG region; (b) top view of SWG region

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Fig. 14. Structure diagrams of the grating with HSQ^[51]. (a) Cross-sectional view; (b) enlarged view of two grating teeth

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Fig. 15. Grating coupler with double-layer Si structure^[52]. (a) Schematic diagram of three-dimensional structure; (b) two-dimensional sectional view and key parameters

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Table 1. Summary of performance indexes of uniform grating coupler based on TFLN

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Table 1. Summary of performance indexes of uniform grating coupler based on TFLN

Category	Structural design and geometric dimension	Index type	Polarization mode	Coupling efficiency /dB （wavelength /nm）	Bandwidth /nm	Remark	Reference
Normal	One-dimensional （t_TFLN=470 nm； t_B=4.70 µm； t_ST=500 µm； Λ=1.170 µm）	S	TE	-3.40 （1550）	90 （ $3 d B$ ）		［26］
		E	TE	-6.30 （1543）	90 （ $3 d B$ ）		［26］
	One-dimensional （t_TFLN=400 nm； t_B=4.70 µm； t_ST=675 µm；Λ=0.900 µm； F_F=0.60）	S	TE	-3.20 （1557）	76 （ $3 d B$ ）		［27］
	One-dimensional （t_TFLN=300 nm； t_B=4.20 µm； Λ=0.650 µm； d=130 nm； F_F=0.28； θ=17°）	S	TM	-4.20 （850）			［28］
	Two-dimensional （t_TFLN=360 nm； t_B=2.00 µm；Λ=0.982 $µ$ m）	S	TE	-4.98 （1550）	63（1 dB）	PDL≈0.40 dB	［29］
	Two-dimensional （t_TFLN=360 nm； t_B=2.00 µm；Λ=0.982 $µ$ m）	E	TE	-7.20 （1550）	64（1 dB）	PDL≈0.40 dB	［29］
	One-dimensional （t_TFLN=610 nm；t_B=4.70 µm； d=473 nm；t_ST=500 µm； Λ=1.170 µm；F_F1=0.5； F_F_n=0.6； θ=-8°）	E	TE	-5.40 （1567）	>80 （ $3 d B$ ）		［30］
Metal reflector	One-dimensional （t_TFLN=400 nm；t_B=1.275 µm； Λ=0.928 µm；t_Au=100 nm； d=160 nm；F_F=0.5； θ=8°）	S	TE	-1.08 （1550）	98 （ $3 d B$ ）		［33］
	One-dimensional （t_TFLN=480 nm； t_B=2.230 µm； Λ=0.960 µm； t_Cr=10 nm/t_Au=100 nm/ t_Cr=30 nm； d=285 nm； F_F=0.5； θ=8°）	S	TE	-2.00 （1550）			［31］
		E	TE	-6.90 （1550）			［31］
	One-dimensional （t_TFLN=500 nm；t_B=2.00 µm； t_Au=100 nm； d=400 nm； F_F=0.4； θ=8°）	E	TE	-3.51 （1520‒1630）			［34］
		E	TM	-7.10 （1520‒1630）			［34］
	Two-dimensional （t_TFLN=400 nm； t_B=3.00 µm； Λ=0.849 µm； d=200 nm； F_F=0.5）	S	TE	-3.88 （1550）	49（1 dB）	PDL=2.17 dB	［35］
		S	TM	-5.78 （1563）	45（1 dB）
		E	TE	-5.13 （1561）	32（1 dB）
		E	TM	-7.60 （1568）	29（1 dB）
Heterogeneous integration	One-dimensional （t_TFLN=500 nm； t_B=2.00 µm； Λ=1.166 µm； d=300 nm； $t_{S i_{3} N_{4}}$ =300 nm； F_F=0.54； θ=8°）	S	TE	-4.75 （1550）	113 （ $3 d B$ ）		［38］
	One-dimensional （t_TFLN=400 nm； t_B=2.00 µm； t_M=90 nm； t_Clad=300 nm）	S	TM	-1.40 （1549）	47 （ $3 d B$ ）		［37］
		E	TM	-2.20 （1640）	86 （ $3 d B$ ）		［37］
	One-dimensional （t_TFLN=600 nm； t_B=2.00 µm； t_M=90 nm； t_Si=340 nm； Λ=0.894 nm； F_F=0.52； θ=12°）	S	TE	-2.92 （1550）	49（1 dB）； 83 （ $3 d B$ ）	PDL<0.1 dB （1537‒1587 nm）	［39］
		S	TM	-2.92 （1550）	58（1 dB）； 106 （ $3 d B$ ）	PDL<0.1 dB （1537‒1587 nm）	［39］
	One-dimensional （t_TFLN=600 nm； d=165 nm； t_M=90 nm； t_a-Si=220 nm）	E	TE	-5.00 （1550）			［40］
		E	TM	-5.00 （1550）			［40］
	One-dimensional （t_TFLN=400 nm； t_B=3.0 µm；t_Au=50 nm； t_Clad=830 nm；F_F=0.38； θ=8°）	S	TE	-2.98 （1550）	58（1 dB）		［41］
		E	TE	-3.58 （1550）
		E	TE	-4.72 （1550）		t_TFLN=600 nm； t_B=1.5 µm
	One-dimensional （t_TFLN=400 nm；t_B=3.00 µm； d=200 nm；t_Au=50 nm； Λ=0.957 µm； t_Clad=321 nm； F_F=0.35； θ=11.2°）	S	TE	-3.56 （1586）	45 （0.5 dB）	PDL<0.69 dB	［42］
		S	TM	-3.60 （1590）	45 （0.5 dB）
		E	TE	-3.56 （1573）	44 （0.5 dB）
		E	TM	-4.08 （1573）	44 （0.5 dB）

Table 2. Summary of performance indexes of non-uniform grating coupler based on TFLN

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Table 2. Summary of performance indexes of non-uniform grating coupler based on TFLN

Category	Structural design and geometric dimension	Index type	Polarization mode	Coupling efficiency /dB （wavelength /nm）	Bandwidth /nm	Remark	Reference
Normal	One-dimensional （t_TFLN=500 nm；t_B=2.00 µm； d=290 nm）	S	TE	-1.77 （1550）	44 （ $3 d B$ ）		［43］
	One-dimensional （t_TFLN=500 nm；t_B=2.00 µm； d=290 nm）	E	TE	-3.60 （1550）	48 （ $3 d B$ ）		［43］
	One-dimensional （t_TFLN=700 nm；d=450 nm； θ=8°）	S	TE	-2.94 （1572.4）	69（1 dB）；113（3 dB）		［44］
	One-dimensional （t_TFLN=700 nm；d=450 nm； θ=8°）	E	TE	-3.80 （1574.9）	72（1 dB）；>120（3 dB）		［44］
	One-dimensional （t_TFLN=500 nm；t_B=2.00 µm； t_ST=500 µm； d=300 nm； θ=6°）	S	TE	-2.82 （1550）	73 （ $3 d B$ ）		［45］
		S	TM	-2.83 （1550）	100 （ $3 d B$ ）		［45］
	One-dimensional （t_TFLN=600 nm；t_B=2.00 µm； t_ST=525 µm； d=400 nm； θ=10°）	S	TE	-2.88 （1557）	50（1 dB）		［46］
		E	TE	-2.97 （1555）	46（1 dB）		［46］
Metal reflector	One-dimensional （t_TFLN=482 nm；t_B=1.96 µm； t_Cr=10 nm/t_Au=100 nm/t_Cr=30 nm； d=320 nm；θ=8°）	S	TE	-0.80 （1550）			［48］
		E	TE	-5.50 （1550）	82 （ $3 d B$ ）		［48］
	One-dimensional （t_TFLN=500 nm；t_B=2.00 µm； t_Au=100 nm）	S	TE	-0.52 （1550）	38 （ $3 d B$ ）		［47］
		S	TM	-1.68 （1550）
		E	TE	-1.43 （1552）
		E	TM	-2.10 （1547）
Heterogeneous integration	One-dimensional （t_TFLN=400 nm；t_B=3.00 µm； t_Clad=690 nm； t_Ti=5 nm； t_Au=100 nm； d=200 nm）	S	TE	-0.71（1542）	46（1 dB）		［49］
		E	TE	-0.89 （1552）	45（1 dB）		［49］
	One-dimensional （t_TFLN=400 nm；t_B=4.70 µm； t_Clad=1.4 µm； d=240 nm； θ=2.3°）	S	TE	-1.00（1306）			［50］
		E	TE	-1.99 （1313）	38 （ $3 d B$ ）		［50］
Heterogeneous integration	One-dimensional （t_TFLN=300 nm；t_B=4.75 µm； t_Al=100 nm； d=257 nm； t_HSQ=750 nm； θ=8°）	S	TE	-3.00 （775）		Adding reflective layer （ $η_{C E}$ >-0.2 dB）	［51］
		S	TE	-2.84 （1510）
		E	TE	-3.48 （775）	11 （ $3 d B$ ）
		E	TE	-3.27 （1550）	35 （ $3 d B$ ）
	One-dimensional （t_TFLN=600 nm；t_B=4.42 µm； t_Clad=150 nm； 90 nm Si waveguide； 220 nm Si grating）	S	TE	-1.76 （1550）			［52］
		E	TE	-2.84 （1550）			［52］
	One-dimensional （t_TFLN=600 nm； t_Au=100 nm； θ=10°）	S	TE	-0.97 （1550）		PDL=0.2 dB	［53］
	One-dimensional （t_TFLN=600 nm； t_Au=100 nm； θ=10°）	S	TM	-1.08 （1550）		PDL=0.2 dB	［53］
	One-dimensional （t_TFLN=400 nm；t_B=3.00 µm； t_Clad=800 nm； t_Au=50 nm； d=60 nm； θ=8°）	S	TE	-3.18 （1550）	55（1 dB）	PDL<0.09 dB （1510‒1590 nm）	［54］
		S	TM	-3.22 （1550）	55（1 dB）	PDL<0.09 dB （1510‒1590 nm）	［54］
PSO and BPNN	One-dimensional （t_TFLN=500 nm；t_B=2.00 µm； θ=2°）	S	TE	-2.00 （1550）			［55］

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Yuxin Ma, Yongteng Wang, Tianshu Yang. Research Progress on Thin-Film Lithium Niobate Grating Couplers (Invited)[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2025, 62(11): 1127008

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Paper Information

Category: Quantum Optics

Received: Feb. 12, 2025

Accepted: Apr. 28, 2025

Published Online: Jun. 25, 2025

The Author Email: Tianshu Yang (tianshuyang@sxu.edu.cn)

DOI:10.3788/LOP250621

CSTR:32186.14.LOP250621

Topics

laser devices and laser physics

Lasers and Laser Optics

Laser physics

laser manufacturing

Instrumentation, Measurement and Metrology