CN108803091A - 一种钛扩散铌酸锂薄膜偏振控制器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钛扩散铌酸锂薄膜偏振控制器及其制造方法，包括输入光纤、输出光纤、基底、三个缓冲层、两层电极；从所述基底(1)往上依次为所述二氧化硅下缓冲层(2)和所述下层金电极(3)，所述下层金电极(3)之上再设置铌酸锂薄膜(5)，所述铌酸锂薄膜(5)的+X向表面中间、沿晶体的Z方向设置钛扩散铌酸锂条波导(6)；所述二氧化硅上缓冲层(7)设置于铌酸锂薄膜(5)的上表面；所述上层金电极(8)设置于所述二氧化硅上缓冲层(7)的上表面；所述输入光纤、输出光纤分别与耦合封装在钛扩散铌酸锂条波导(6)上。本发明机械性能稳定、耐高温、抗腐蚀，具有较大的折射率和介电常数，制造方法降低了生产难度，提高了成品率。

Description

一种钛扩散铌酸锂薄膜偏振控制器及其制造方法
技术领域
本发明属于光通信技术领域，尤其涉及一种钛扩散铌酸锂薄膜偏振控制器及其制造方法。
背景技术
在光纤通信系统中，当光信号在理想化的光纤中传输时，传输光的偏振态(SOP)不会发生变化。而在实际的光纤通信系统中，一方面是由于光纤本身的生产工艺或者本身特性的缺陷；另一方面是由于在实际使用的标准通信光纤中由热应力、机械应力以及纤芯的不规则性等因素引起的不规则双折射，并且这种光纤中的双折射效应是随温度、压力、应力以及其它因素不断变化的，使得传输光的偏振态不断的变化，大大增加了偏振相关损害的不可预知性。偏振相关损害包括：光纤中的偏振模色散(PMD)、无源光器件中的偏振相关损耗(PDL)、电光调制器中的偏振相关调制(PDM)、光放大器中的偏振相关增益(PDG)、波分复用滤波器中的偏振相关波长(PDW)、接收机中的偏振相关响应(PDR)以及传感器和相干通信系统中的偏振相关响应度(PDS)等。而克服这些偏振相关损害的有效途径之一就是采用偏振控制器(Polarization Controller，简称PC)进行偏振控制及补偿。偏振控制器控制光的偏振态，可将任意偏振态的输入偏振光，转变为输出端指定的偏振状态，在高速光纤通信、相干光通信、光纤传感以及光纤测量等领域都有应用。例如：在单模光纤与光波导的耦合中，通过偏振控制使光纤与光波导中的偏振态匹配以提高耦合效率；在相干光纤通信系统中，使本振光和信号光的偏振态匹配，以提高系统的接收灵敏度；在用于利用偏振态的某些单模光纤传感器以及对光的偏振态有一定要求的其它应用单模光纤的场合。偏振控制器已成为克服光传输系统中偏振相关损害和监测偏振特性的关键器件。
铌酸锂晶体天然地有着优良的电光、声光和非线性性能，是至今人们所发现的光子学性能最多，综合指标最好的铁电体材料。并且，通过进行稀土掺杂，铌酸锂晶体还能成为有源激光材料。加上铌酸锂晶体材料已经有大规模的市场应用，其价格也与单晶硅价格接近。因此铌酸锂晶体又被称为“光学硅”。尺寸在微米量级的传统铌酸锂光波导技术发展成熟，市场应用广泛。在偏振控制器中，可采用具有双折射性能的波片来改变光的偏振念。按照对波片作用方式的不同，偏振控制器可分为机械式、电控式、以及全光学偏振控制器。其中的电控式偏振控制器使用较为普遍，电控式偏振控制器中的电控晶体偏振控制器一般通过外加电场的变化来变换偏振念，控制速度较快，不再需要旋转波片，可用于实际的光通信系统；但需要复杂的控制电路和较高的偏压，而且价格偏高。电控晶体偏振控制器中的电光晶体应具有以下优点：电光系数及折射率要大、半波电压要小、在所使用的范围早材料对光的吸收和散射要尽可能低、材料的光学均匀性要好、折射率随环境温度的变化要尽量小、对强的入射光应不受损伤、材料有良好的物理及化学稳定性、电阻率要大、介电损耗角要小和容易生长及制备等。现阶段满足这些条件的电光晶体并不是很多。
例如，光纤通信领域使用的高速调制器绝大部分都是铌酸锂调制器。更重要的是周期极化铌酸锂(PPLN)光波导，因其可利用准相位匹配技术(QPM)，可进一步开发出全光波长转换器、中红外激光器、量子纠缠源以及可调谐太赫兹波源等，因而受到诸多研究人员青睐。LNOI光波导的芯层和包层折射率梯度大，横截面小，弯曲损耗低，同时继承了铌酸锂优良的光子学性能，甚至还能以单晶硅为基底，因此，LNOI是用于开发大规模集成光电子器件的理想平台。截止目前，科研人员已经在LNOI材料上分别实现了Y分束器、电光调制器、微环共振器以及二次谐波发生器等。用于制作LNOI纳米线、微环等结构加工工艺也日趋成熟和完善。
但是目前在已经商业化的产品中进行偏振控制的关键元器件都采用非线性体材料。伴随着各种激光器小型化、光纤化、集成化的发展趋势，采用能够与光纤更好耦合的铌酸锂薄膜作为进行偏振控制的关键器件显现出越来越突出的优越性：可以实现全固态封装，拥有极高的响应速度，以及更好的稳定性和较低的成本等等，是未来LNOI平台上的大规模集成光电子芯片中的不可或缺的关键一环。然而，基于铌酸锂薄膜的偏振控制器的制作工艺和功能器件却鲜有记载，现有的工艺方案还不能满足实际的应用场景。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种钛扩散铌酸锂薄膜偏振控制器及其制造方法，所设计的偏振控制器中，利用多个电极将偏振控制器分为三段，实现了类似于波片的可偏转性。
本发明的一种钛扩散铌酸锂薄膜偏振控制器，该控制器包括基底、三个缓冲层、两层电极；三个缓冲层分别是二氧化硅下缓冲层2、二氧化硅中缓冲层4和二氧化硅上缓冲层7；两层电极分别是下层金电极3和上层金电极8，从所述基底1往上依次为所述二氧化硅下缓冲层2和所述下层金电极3，所述下层金电极3之上再设置铌酸锂薄膜5，所述铌酸锂薄膜5的+X向表面中间、沿晶体的Z方向设置钛扩散铌酸锂条波导6；所述二氧化硅上缓冲层7设置于铌酸锂薄膜5的上表面；所述上层金电极8设置于所述二氧化硅上缓冲层7的上表面；
所述下层金电极3和上层金电极8将钛扩散铌酸锂薄膜偏振控制器在工作过程中分成三段，每一段都由对应的电极进行电光效应控制，通过感应场产生的TE模与TM模的转换使线性双折射的主轴转动，感应场产生的TE、TM模之间的相移使各段有固定位相延迟量π、产生三个可偏转波片。
本发明的一种钛扩散铌酸锂薄膜偏振控制器的制造方法，该方法包括以下步骤：
步骤1、选用硅为基底1，采用热氧化方式在基底上制备二氧化硅下缓冲层2，厚度为1～2μm；
步骤2、在二氧化硅下缓冲层2的上表面溅射一层Au金属作为下层金电极3，在下层金电极3的上表面镀一层二氧化硅中缓冲层4，厚度为200～500nm；
步骤3、在X切铌酸锂体材料的+X向表面沿晶体的Z方向制备钛扩散铌酸锂条波导6，再将铌酸锂体材料的+X表面直接键合到二氧化硅中缓冲层4表面，通过机械抛磨的方式将大部分铌酸锂抛去，留下厚度为5～20μm的铌酸锂薄膜5；
步骤4、在铌酸锂薄膜5的上表面镀一层二氧化硅上缓冲层7，厚度为200～500nm，然后在二氧化硅上缓冲层7的上表面溅射一层Au金属作为上层金电极8；
步骤5、最后将输入光纤、输出光纤分别与所制备的钛扩散铌酸锂条波导6进行耦合后封装，得到钛扩散铌酸锂薄膜偏振控制器。
与现有技术相比，本发明的钛扩散铌酸锂薄膜偏振控制器的制造方法在很大程度上降低了生产难度，提高了成品率，并且显著降低了偏振控制器的器形，使多功能光电子器件的集成更容易实现，能够使器件获得更多的非线性效应；
本发明的钛扩散铌酸锂薄膜偏振控制器机械性能稳定、耐高温、抗腐蚀，具有较大的折射率和介电常数；在加载电压的同时，其压电效应较小，响应速度可以达到ns级。
附图说明
图1为利用本发明的钛扩散铌酸锂薄膜偏振控制器的制造方法制造的钛扩散铌酸锂薄膜偏振控制器的横截面示意图；
图2是利用本发明的钛扩散铌酸锂薄膜偏振控制器的制造方法制造的钛扩散铌酸锂薄膜偏振控制器的立体结构示意图。
图中：1、硅或铌酸锂基底，2、二氧化硅下缓冲层，3、下层金电极，4、二氧化硅中缓冲层，5、铌酸锂薄膜，6、钛扩散铌酸锂条波导，7、二氧化硅上缓冲层，8、上层金电极，9、10、11、上层电极分为三段进行独立控制。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明的钛扩散铌酸锂薄膜偏振控制器的制造方法，包括以下步骤：
步骤1、选用硅为基底1，采用热氧化方式在基底上制备二氧化硅下缓冲层2，厚度为1～2μm；
步骤2、在二氧化硅下缓冲层2的上表面溅射一层Au金属作为下层金电极3，在下层金电极3的上表面镀一层二氧化硅中缓冲层4，厚度为200～500nm；
步骤3、在X切铌酸锂体材料的+X表面沿晶体的Z方向制备钛扩散铌酸锂条波导6，再将铌酸锂体材料的+X表面直接键合到二氧化硅中缓冲层4表面，通过机械抛磨的方式将大部分铌酸锂抛去，留下厚度为5～20μm的铌酸锂薄膜5；
步骤4、在铌酸锂薄膜5的上表面镀一层二氧化硅上缓冲层7，厚度为200～500nm，然后在二氧化硅上缓冲层7的上表面溅射一层Au金属作为上层金电极8；
步骤5、最后将输入光纤、输出光纤分别与所制备的钛扩散铌酸锂条波导6进行耦合后封装，得到钛扩散铌酸锂薄膜偏振控制器。
其中：步骤1可选用铌酸锂作为基底1，采用PECVD化学气相沉积法在铌酸锂基底1表面制备二氧化硅下缓冲层2。
步骤5得到的钛扩散铌酸锂薄膜偏振控制器包括基底1、二氧化硅下缓冲层2、下层金电极3、二氧化硅中缓冲层4、铌酸锂薄膜5、钛扩散铌酸锂条波导6、二氧化硅上缓冲层7和上层金电极8，其结构如图1～图2所示。
本发明的钛扩散铌酸锂薄膜偏振控制器在工作过程中涉及的电控制结构与现有技术的电控结构类似，也可查于其它相关技术资料中。类似地，本电控结构也是分成独立的9、10、11三段，每一段都由对应的电极进行电光效应控制，通过感应场产生的TE模与TM模的转换使线性双折射的主轴转动，感应场产生的TE、TM模之间的相移使各段有固定位相延迟量π、这样就产生类似于三个可转波片：段9和段11起到偏转L/4波片的作用，而段10相当于一个无端可转L/2波片。对于每一段，其波导都置有一个公共接地电极，而上层电极8分别放置在波导的两侧。TE模TM模的转换，是通过这对外电极上的改变偏压Vc所产生的。而TE模-TM模间的相移量，是通过这对外电极上所加的反向偏压-Vs/2和+Vs/2所决定的。最终，加载到波导两侧的电压分别为V1和V1′，V2和V2′，以及V3和V3′，如图2所示，具体驱动电压公式可直接借鉴其它参考文献，不属于本发明创新内容。通过上述电压的加载，就可实现波片的可偏转性。尽管使用了与现有波导电控片现有技术类似的电控结构，但由于使用了铌酸锂薄膜材料为平台，提高了电场作用效率，可以显著降低电控驱动电压，减小由于压电效应带来的器件不稳定性，缩小器件体积，提高器件的响应速度。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (4)

1.一种钛扩散铌酸锂薄膜偏振控制器，该控制器包括输入光纤、输出光纤、基底、三个缓冲层、两层电极；其特征在于，三个缓冲层分别是二氧化硅下缓冲层(2)、二氧化硅中缓冲层(4)和二氧化硅上缓冲层(7)；两层电极分别是下层金电极(3)和上层金电极(8)，从所述基底(1)往上依次为所述二氧化硅下缓冲层(2)和所述下层金电极(3)，所述下层金电极(3)之上再设置铌酸锂薄膜(5)，所述铌酸锂薄膜(5)的+X向表面中间、沿晶体的Z方向设置钛扩散铌酸锂条波导(6)；所述二氧化硅上缓冲层(7)设置于铌酸锂薄膜(5)的上表面；所述上层金电极(8)设置于所述二氧化硅上缓冲层(7)的上表面；所述输入光纤、输出光纤分别与耦合封装在钛扩散铌酸锂条波导(6)上；
所述下层金电极(3)和上层金电极(8)将钛扩散铌酸锂薄膜偏振控制器在工作过程中分成三段，每一段都由对应的电极进行电光效应控制，通过感应场产生的TE模与TM模的转换使线性双折射的主轴转动，感应场产生的TE、TM模之间的相移使各段有固定位相延迟量π、产生三个可偏转波片。
2.如权利要求1所述的一种钛扩散铌酸锂薄膜偏振控制器，其特征在于，所述基底1选用硅或铌酸锂晶体。
3.一种钛扩散铌酸锂薄膜偏振控制器的制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤(1)、选用硅为基底(1)，采用热氧化方式在基底上制备二氧化硅下缓冲层(2)，厚度为1～2μm；
步骤(2)、在二氧化硅下缓冲层2的上表面溅射一层Au金属作为下层金电极(3)，在下层金电极(3的上表面镀一层二氧化硅中缓冲层(4)，厚度为200～500nm；
步骤(3)、在X切铌酸锂体材料的+X向表面沿晶体的Z方向制备钛扩散铌酸锂条波导(6)，再将铌酸锂体材料的+X表面直接键合到二氧化硅中缓冲层(4)表面，通过机械抛磨的方式将大部分铌酸锂抛去，留下厚度为5～20μm的铌酸锂薄膜(5)；
步骤(4)、在铌酸锂薄膜(5)的上表面镀一层二氧化硅上缓冲层(7)，厚度为200～500nm，然后在二氧化硅上缓冲层(7)的上表面溅射一层Au金属作为上层金电极(8)；
步骤(5)、最后将输入光纤、输出光纤分别与所制备的钛扩散铌酸锂条波导(6)进行耦合后封装，得到钛扩散铌酸锂薄膜偏振控制器。
4.如权利要求3所述的一种钛扩散铌酸锂薄膜偏振控制器的制造方法，其特征在于，所述步骤(1)中，如选用铌酸锂作为基底(1)，则还包括采用PECVD化学气相沉积法在铌酸锂基底(1)表面制备二氧化硅下缓冲层(2)的处理。
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