CN105158849B - 一种铌酸锂光波导器件的制作方法及其器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铌酸锂光波导器件的制作方法及其器件，本发明方法在x切铌酸锂基片上表面和下表面制作有增透作用的介质膜；在介质膜上沿Y轴方向刻蚀出光波导掩模窗口；在掩模窗口内的铌酸锂基片上表面制作光波导；制作调制电极；对铌酸锂基片的光输入端面和光输出端面进行切割，在光输入端面和光输出端面分别制作有增透作用的介质膜；采用本发明的方法，能显著提高铌酸锂光波导芯片的偏振消光比，改善芯片的光学特性。

Description

一种铌酸锂光波导器件的制作方法及其器件

技术领域

本发明涉及到一种光无源器件制造方法及其器件，特别是涉及一种铌酸锂光波导器件的制作方法及其器件，本发明属于光通信技术领域。

背景技术

铌酸锂晶体具有优异的电光、声光、光弹、非线性、光折变等性能，在光通信领域应用非常广泛，是光波导器件中最常使用的晶体材料之一。通过改变铌酸锂光波导和电极的结构，能够在铌酸锂晶体上制作出适合应用于各种光传输和控制的器件，如相位调制器、相位延迟器、光学隔离器、可变衰减器等。

铌酸锂光波导芯片的制备方法通常是在铌酸锂基片的上表面制作SiO2或SiNx薄膜，然后通过光刻技术刻蚀出掩模窗口，接着使用退火质子交换或者Ti扩散的方法在铌酸锂晶体表面制作光波导，然后腐蚀掉表面的SiO2或SiNx薄膜，再在光波导表面的两侧制作金属电极。其中退火质子交换方法使得非寻常光的折射率ne增加，并使寻常光的折射率no降低，因而该波导只能传输非寻常光。

采用退火质子交换的方法所制作的铌酸锂光波导，通常都采用x切y传的方式，即铌酸锂衬底的晶向为x轴，光波导方向沿y轴，电场方向沿z轴，以便可以利用铌酸锂晶体最大的电光系数分量r33，以降低调制半波电压。这种x切y传的铌酸锂光波导，只能传输TE模(其电场分量平行于z轴)，而TM模(其电场分量垂直于z轴)则泄漏出光波导。因而采用质子交换技术在x切y传的铌酸锂基片制作出的芯片，所输出的光具有高的偏振消光比。

在实际应用中希望芯片的偏振消光比越高越好，但是TM模泄漏到铌酸锂衬底后，变成杂散光向各个方向传输，由于铌酸锂基片表面以及芯片端面的反射(反射率约14％)，该杂散光不可避免地有一部分重新进入到光波导中，从而影响芯片输出光的偏振消光比。

发明内容

本发明的目的克服现有技术存在的技术缺陷，提供一种铌酸锂波导芯片的制作方法及其器件，采用本发明方法可以提高铌酸锂光波导芯片的偏振消光比，工艺简单方便。

本发明的技术方案是：

一种铌酸锂光波导器件的制作方法，包括如下步骤：在x切铌酸锂基片上表面和下表面制作有增透作用的第一介质膜；在介质膜上沿Y轴方向刻蚀出光波导掩模窗口；在所述掩模窗口内的铌酸锂基片上表面上制作光波导；为所述光波导制作调制电极；对铌酸锂基片的光输入端面和光输出端面分别进行切割，在所述光输入端面和光输出端面分别制作增透作用的第二介质膜。

在对铌酸锂基片光输入端面和光输出端面进行切割后进一步进行端面抛光处理。

所述介质膜采用下组中至少之一方法来制作：溅射方法、电子束蒸发方法、化学气相沉积方法。

所述铌酸锂基片上表面制作光波导的方法采用退火质子交换方法。

所述介质膜包括多层增透膜。

一种铌酸锂光波导器件，包括铌酸锂基片、光波导、金属电极，所述铌酸锂基片的上表面和下表面设置有增透作用的第一介质膜，所述铌酸锂基片的光输入端面和光输出端面上均设置有增透作用的第二介质膜。

所述第一介质膜采用第一SiO2增透膜，所述第二介质膜采用第二SiO2增透膜。

所述第一SiO2增透膜、第二SiO2增透膜是单层介质膜；当所述铌酸锂光波导器件用于1310nm波段时，所述第一SiO2增透膜和第二SiO2增透膜的厚度均设置于140nm至310nm范围内，优选为225nm；当所述铌酸锂光波导器件用于1550nm波段时，所述第一SiO2增透膜和第二SiO2增透膜的厚度均设置于160nm至360nm范围内，优选为267nm。

所述所述第一介质膜、第二介质膜是多层介质膜。

所述第一介质膜、第二介质膜均为折射率1.45的SiO2增透膜和折射率为1.38的MgF2增透膜组成的双层介质膜；当所述铌酸锂光波导器件用于1310nm波段时，所述SiO2增透膜的厚度设置于140nm至210nm范围内，优选为177nm，所述MgF2增透膜的厚度设置于50nm至70nm范围内，优选为59nm；当所述铌酸锂光波导器件用于1550nm波段时，所述SiO2增透膜的厚度设置于160nm至240nm范围内，优选为200nm，所述MgF2增透膜的厚度设置于60nm至100nm范围内，优选为80nm。

本发明具有如下优点：

1)本发明在铌酸锂基片的表面，包括上表面以及下表面，制作SiO2增透膜，再直接利用上表面增透膜作为掩模进行光波导制作，该增透膜能使从光波导泄漏的TM模透射出基片，以避免被表面反射重新回到光波导，以提高输出光的偏振消光比；

2)本发明在铌酸锂芯片的端面，包括输入端以及输出端，制作SiO2增透膜，一方面能降低TE模的端面损耗，同时该增透膜能使从波导泄漏的TM模透射出基片，以避免被芯片端面反射重新回到光波导，以提高输出光的偏振消光比。

附图说明

图1是现有技术制作的铌酸锂芯片表面光波导与电极分布示意图；

图2a至图2d是现有技术制作铌酸锂芯片的工艺过程示意图；

图3是本发明方法制作的铌酸锂芯片上表面光波导、电极和增透膜，以及芯片一个端面增透膜的分布示意图；

图4a至图4d是本发明方法制作铌酸锂芯片的工艺过程示例一；

图5a至图5e是本发明方法制作铌酸锂芯片的工艺过程示例二；

图6是本发明器件制作方法的流程图；

其中：

1、铌酸锂基片；

2、光波导；

3、金属电极；

4、第一SiO2增透膜；

5、第二SiO2增透膜；

具体实施方式

为了更好地理解本发明，以下将结合具体实例及附图对发明的实施方式进行详细的说明。

图1是采用现有技术制作的铌酸锂芯片表面光波导与电极分布示意图；图2a至图2d是采用现有技术制作铌酸锂芯片的工艺过程示意图。现有技术中制作的铌酸锂芯片的过程为，首先在x切铌酸锂基片1的上表面制作第一SiO2增透膜4，并通过光刻技术沿y轴方向刻蚀出掩模窗口，如图2a所示；接着使用退火质子交换技术在掩模窗口内的铌酸锂基片表面制作光波导2，如图2b所示；腐蚀掉表面的第一SiO2增透膜4，如图2c所示；然后再在光波导2表面的两侧制作金属电极3，如图2d所示。该工艺过程中的第一SiO2增透膜4只是作为质子交换的掩模使用，其厚度与折射率无特别要求，在制作完光波导2后通常被腐蚀掉，再在铌酸锂基片1的表面制作金属电极3，当然也可以保留该第一SiO2增透膜4，而将金属电极3直接制作在第一SiO2增透膜4的表面。在该技术工艺过程中，x切y传递铌酸锂波导只能传输TE模，而TM模被泄漏到铌酸锂衬底中，变成杂散光向各个方向传输，由于铌酸锂基片1上下表面以及芯片端面的反射，该杂散光不可避免地有一部分重新进入到光波导中，从而影响输出光的偏振消光比。

图6为本发明铌酸锂光波导器件的制作方法的流程图，具体包括如下步骤：在铌酸锂基片上表面和下表面制作有增透作用的介质膜，该介质膜可以采用SiO2增透膜；在介质膜上光刻并刻蚀出光波导掩模窗口；在光波导掩模窗口内制作光波导，现在技术中制作光波导有多种方法，制作高偏振芯片一般采用退火质子交换方法，本发明方法中所采用的制作光波导的方法包括但不限于退火质子交换的方法。本发明通过退火质子交换的方法在铌酸锂基片上表面制作光波导之后，制作调制电极；对铌酸锂基片进行光输入和输出端面切割与抛光，在输入和输出端面分别制作有增透作用的介质膜，此处的介质膜也可以采用SiO2增透膜。

图3至图5是本发明的两个实施例。图3为本发明方法制作的铌酸锂基片上表面光波导2、金属电极3和第一SiO2增透膜4，以及芯片输入或输出端面上的第二SiO2增透膜5的分布示意图。

图4a至图4d为本发明方法制作铌酸锂芯片的工艺过程实施例一。首先在x切铌酸锂基片1的上表面和下表面制作第一SiO2增透膜4并通过光刻和刻蚀技术在铌酸锂基片1的上表面沿y轴方向制作掩模窗口，如图4a所示，该第一SiO2薄膜的折射率与厚度满足一定的条件，对波导所传输的光起增透作用。接着使用退火质子交换技术在掩模窗口内的铌酸锂基片1的上表面制作光波导2，如图4b所示。然后在铌酸锂基片1上表面的SiO2增透膜4上直接制作金属电极，如图4c所示。最后对铌酸锂芯片的输入和输出端面进行切割和抛光，并制作第二SiO2增透膜5，该第二SiO2增透膜5的折射率和厚度与第一SiO2增透膜4一致，该第一SiO2增透膜4一方面能降低光波导2所传输TE膜的端面耦合损耗，同时该增透膜能将从光波导泄漏的TM模透射出基片，以避免被基片端面反射重新回到光波导，以提高输出光的偏振消光比。

图5a至图5e为本发明方法制作铌酸锂芯片的工艺过程实施例二。其工艺过程与实施例一基本一致，不同的是其电极是制作在铌酸锂基片1的表面而不是在第一SiO2增透膜4的表面。具体步骤为，首先在x切铌酸锂基片1的上表面和下表面制作第一SiO2增透膜4，并通过光刻和刻蚀技术在铌酸锂基片1的上表面沿y轴方向制作掩模窗口，如图5a所示，该第一SiO2增透膜4的折射率与厚度满足一定的条件，对波导所传输的光起增透作用；接着使用退火质子交换技术在掩模窗口内的铌酸锂基片1上表面制作光波导2，如图5b所示；然后在掩模窗口外围的铌酸锂基片1上表面的第一SiO2增透膜4上套刻出电极窗口，如图5c所示；并在掩模窗口外、电极窗口内的铌酸锂基片1上表面上制作金属电极3，如图5d所示。最后对铌酸锂芯片的输入和输出端面进行切割和抛光，并制作第二SiO2增透膜5，如图5e所示，该第二SiO2增透膜5的折射率和厚度与第一SiO2增透膜4一致，该第二SiO2增透膜5一方面能降低光波导2内传输TE膜的端面损耗，同时该增透膜5能使从光波导泄漏的TM模透射出铌酸锂基片1，以避免被芯片端面反射重新回到光波导2，以提高输出光的偏振消光比。

在以上技术实施例中，采用的增透膜为SiO2薄膜，其折射率通常为1.45，对于1310nm波段的传输光，当SiO2增透膜的薄膜厚度d在140nm至310nm范围内时，其反射率小于5％；当d等于225nm时，在近100nm的带宽范围内反射率小于0.1％。对于1550nm波段的传输光，当SiO2增透膜的薄膜厚度d在160nm至360nm范围内时，对光的反射率小于5％；当d等于267nm时，在近100nm的带宽范围内反射率小于0.1％。

在以上技术实施例中，除了采用单层SiO2薄膜外，也可以采用多层介质膜，如采用折射率1.45的SiO2和折射率为1.38的MgF2组成的双层介质膜。对于1310nm波段的传输光，当SiO2增透膜的薄膜厚度为177nm，MgF2薄膜厚度为59nm时，在近50nm的带宽范围内反射率小于0.1％。对于1550nm波段的传输光，当SiO2增透膜的薄膜厚度为200nm，MgF2薄膜厚度为80nm时，在近50nm的带宽范围内反射率小于0.1％。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种铌酸锂光波导器件的制作方法，其特征在于：包括如下步骤：在x切铌酸锂基片上表面和下表面制作有增透作用的第一介质膜；在介质膜上沿Y轴方向刻蚀出光波导掩模窗口；在所述掩模窗口内的铌酸锂基片上表面上制作光波导；为所述光波导制作调制电极；对铌酸锂基片的光输入端面和光输出端面分别进行切割，在所述光输入端面和光输出端面分别制作增透作用的第二介质膜。

2.根据权利要求1所述的一种铌酸锂光波导器件的制作方法，其特征在于：在对铌酸锂基片光输入端面和光输出端面进行切割后进一步进行端面抛光处理。

3.根据权利要求1或2所述的一种铌酸锂光波导器件的制作方法，其特征在于：所述介质膜采用下组中至少之一方法来制作：溅射方法、电子束蒸发方法、化学气相沉积方法。

4.根据权利要求1或2所述的一种铌酸锂光波导器件的制作方法，其特征在于：所述铌酸锂基片上表面制作光波导的方法采用退火质子交换方法。

5.根据权利要求1-2中任一项所述的一种铌酸锂光波导器件的制作方法，其特征在于：所述介质膜包括多层增透膜。

6.一种铌酸锂光波导器件，包括铌酸锂基片(1)、光波导(2)、金属电极(3)，其特征在于：所述铌酸锂基片(1)的上表面和下表面设置有增透作用的第一介质膜，所述铌酸锂基片(1)的光输入端面和光输出端面上均设置有增透作用的第二介质膜。

7.根据权利要求6所述的一种铌酸锂光波导器件，其特征在于：所述第一介质膜采用第一SiO2增透膜(4)，所述第二介质膜采用第二SiO2增透膜(5)。

8.根据权利要求7所述的一种铌酸锂光波导器件，其特征在于：所述第一SiO2增透膜(4)、第二SiO2增透膜(5)是单层介质膜；当所述铌酸锂光波导器件用于1310nm波段时，所述第一SiO2增透膜和第二SiO2增透膜的厚度均设置于140nm至310nm范围内；当所述铌酸锂光波导器件用于1550nm波段时，所述第一SiO2增透膜和第二SiO2增透膜的厚度均设置于160nm至360nm范围内。

9.根据权利要求7所述的一种铌酸锂光波导器件，其特征在于：所述所述第一介质膜、第二介质膜是多层介质膜。

10.根据权利要求9所述的一种铌酸锂光波导器件，其特征在于：所述第一介质膜、第二介质膜均为折射率1.45的SiO2增透膜和折射率为1.38的MgF2增透膜组成的双层介质膜；当所述铌酸锂光波导器件用于1310nm波段时，所述SiO2增透膜的厚度设置于140nm至210nm范围内，所述MgF2增透膜的厚度设置于50nm至70nm范围内；当所述铌酸锂光波导器件用于1550nm波段时，所述SiO2增透膜的厚度设置于160nm至240nm范围内，所述MgF2增透膜的厚度设置于60nm至100nm范围内。