CN109613648A - 一种全晶体波导耦合器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于全晶体波导的输入/输出耦合器的制备方法，其核心是利用全内反射原理，通过精密切割技术在波导样品适当位置制作全反镜，以实现波导模式信号的输入/输出属于集成光子学器件制备技术领域。其特点及优势主要包括：1.目前唯一可行的全晶体波导输入/输出耦合器制备方法；2.制备工艺简单，仅需在常规波导制备工艺的基础上增加若干次切割工艺；2.与传统光栅类耦合器相比，耦合效率得到显著提升；3.适用材料范围广，易于推广。
Description
技术领域
本发明属于集成光子学器件制备技术领域，特别涉及一种新型全晶体波导耦合器的制备方法。
背景技术
本发明所述的“全晶体波导”是指借助某些技术手段，对单一成分晶体块或晶体片的局域折射率进行调控，从而形成的波导及相关波导器件，主要包括离子注入/离子辐照波导、飞秒激光写入波导、金属离子热扩散波导、质子交换波导等。
波导耦合器是波导内模式信号与外界交换的窗口，是实现波导-光纤模式耦合的关键器件，也是实现光学芯片与芯片间能量传递的重要手段，在现代光通信系统中发挥着日益重要的作用。
目前常用的波导耦合器主要是基于光栅结构，而通讯波段对应的光栅周期通常为亚微米级，其制备需要借助于电子束光刻等先进技术，工艺较为复杂。另外，由于全晶体波导的模式尺寸较大（通常大于数微米），现有微纳加工技术不足以制备具有足够深宽比的光栅，因此该方法无法在全晶体波导中加以使用。
近年来，也有文章报道在硅波导（SOI波导）中，通过基于全反镜结构的波导耦合器，实现相邻芯片间的信号传递。然而，该方法是借助于硅材料特殊的各向异性刻蚀性质，全反镜反射角无法调节，且需要额外蒸镀金属层，因而推广价值有限。（Optics Express 16(19), 15052 (2008)）。
发明内容
针对以上困难，本发明提供一种基于精密微切割技术的新型全晶体波导耦合器的制备方法，该方法的核心是利用全内反射原理，通过精密切割技术在波导样品适当位置制作全反镜，以实现波导模式信号的输入/输出。该技术具有制备工艺简单、耦合效率高、适用范围广泛的特点，可应用于全晶体波导的光纤耦合，以及芯片间的信号传输等场合。
本申请采用的技术方案是：
一种全晶体波导耦合器的制备方法，当波导A距离晶片某侧边缘小于100微米时，步骤为：使用精密金刚石垂直于晶片侧边缘切割一凹槽，所述凹槽贯通波导A且与晶片上表面呈一定角度的夹角。
一种全晶体波导耦合器的制备方法，当波导A距离晶片两侧边缘均大于100微米时，步骤为：
（1）按照与波导A相同的工艺尺寸，制作与波导A端部交叉的波导B，所述波导B延伸至晶片的侧边缘，在距离该侧边缘小于100微米处的位置，制作另一波导C与侧边缘平行，所述A、B、C波导形成“之”字型结构；
（2）在波导A、B及波导B、C的连接处，分别切割一凹槽，所述凹槽与各波导呈一定夹角，以实现波导模式信号的偏折；
（3）在波导C侧的晶片侧面，切割一凹槽，所述凹槽贯通波导C且与晶片上表面呈一定角度的夹角。
进一步的，所述晶片的材质为铌酸锂（LiNbO3）晶体、钇铝石榴石（YAG）晶体、磷酸钛氧钾（KTP）晶体、光学陶瓷或玻璃材料。
进一步的，所述晶片的尺寸根据需求而定，并对各面进行光学抛光和清洁。
进一步的，各凹槽的深度完全覆盖波导模式。
本发明的有益效果：
1. 相比于光栅耦合器等传统波导耦合器，制备工艺极其简单，仅需要在原有波导器件的基础上利用金刚石刀进行数次切割。本发明所述方案可以在某些场合代替光栅耦合器，用于波导-光纤耦合，或波导器件的芯片间信号传递；
2. 耦合效率高。以Ti离子扩散制备的铌酸锂晶体光波导为例，经FDTD方法计算发现，在不使用折射率匹配液的情况下，两相距约5微米的芯片间，通讯波段（1550nm）对应的波导耦合效率已经可以达到约89%。而同样情况下如采用光栅耦合器，耦合效率通常小于30%；
3. 适用的材料范围广泛。可以广泛应用于铌酸锂（LiNbO3）晶体、钇铝石榴石（YAG）晶体、磷酸钛氧钾（KTP）等晶体，以及多种光学陶瓷及玻璃材料。
附图说明
图1为当波导A距离晶片某侧边缘小于100微米的示意图；
图2为波导A距离晶片两侧边缘均大于100微米时的示意图；
图3为实施例1的示意图；
图4为实施例2的示意图；
图5为实施例3的示意图。
其中，1全晶体波导，2凹槽，由金刚石刀垂直晶片侧面切割而成，3全反镜凹槽，用于光路偏转，由金刚石刀垂直晶片大面切割而成，4光纤，5硅波导，6硅衬底，7二氧化硅层，8硅光栅耦合器；白色箭头所指为光传播方向。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
实施例1
在Ti扩散铌酸锂波导中制备波导耦合器用于光纤耦合（器件结构如附图3所示）：
（1）将 LiNbO3 晶体切割成约 10×10×2 mm 的晶体片（具体尺寸根据需求而定），并对各面进行光学抛光；然后按次序使用乙醇、丙酮、异丙醇清洁其中一个 10×10mm 表面，必要时可采用二氧化碳清洗或低压氧等离子体清洗；
（2）在清洁后的 LiNbO3晶体表面沉积 100nm 厚的 Ti 金属层；
（3）使用预设的光刻掩模版制作A、B、C波导对应的 Ti 金属图形结构，具体步骤为：旋涂 AZ1518 光刻胶，前烘，紫外曝光，使用 AZ351B 溶液进行显影，后烘，使用 HF， HNO3混合溶液对暴露的 Ti 金属进行刻蚀；最后使用 AZ100 去胶；
（4） Ti 热扩散：1000℃下扩散 20 小时（或 1060℃下扩散 8.5 小时）；
（5） 在显微镜下对样品进行定位，然后使用金刚石刀切割A、B波导连接处及B、C波导连接处的两个沟槽；翻转晶体，在晶片侧面切割，形成全反射式波导耦合器。切割可使用树脂粘合刀片（P1A 系列， DISCO 公司，金刚石颗粒尺寸 6 μm）。切割时，样品与刀片的水平相对位置保持恒定，竖直方向下刀速度保持在 10 μm/s，转速为20-30 kr/min，切割深度需贯通C波导截面；
（6）光纤头垂直于晶片，将其水平位置调节至耦合器附近，并对光纤头与波导之间的距离做适当调节，以消除可能存在的Fabry-Perot谐振影响，使耦合效率达到最高。
实施例2
在飞秒写入YAG晶体波导中制备波导耦合器，以实现同类波导间的片间耦合（器件结构如附图4所示）：
（1）将 Yb:YAG 晶体（Yb 掺杂浓度化学计量比7%）切割成约 10×10×2 mm的晶体片，并对各面进行光学抛光，并使用乙醇、丙酮清洁表面；
（2）使用飞秒激光系统垂直一10×10 mm 晶面写入A、B、C波导；写入过程中，飞秒激光光源采用 775 nm 波长钛宝石激光器，脉冲宽度 150 fs，脉冲能量 1.3 μJ，重复频率 1kHz，通过显微物镜聚焦到晶体样品表面下约 100 μm 深度进行写入。写入双线间距 20 μm。写入过程中，光源位置固定，样品固定于电控载物台上，以10 μm/s 的速度平移，以形成双线波导；
（3）使用精密金刚石刀切割的方法，制作相应的反射沟槽及耦合器，结构同于实施例1；切割深度约 150 μm 左右。切割可使用 DISCO 公司生产的 P1A系列刀片（采用的金刚石颗粒尺寸为 5 μm）。下刀速度保持在 10 μm/s，转速为20-30 kr/min；
（4）用同样方法在另一片YAG晶片上制作类似波导及耦合器结构；
（5）将两片晶片相对摆放，调节相对位置，以实现最大的耦合效率。
实施例3
不同类型波导即铌酸锂波导与硅波导之间的片间耦合（器件结构如附图5所示）：
（1）采用如实施例1、2类似方案制作波导及耦合器；
（2）与另一晶片上的不同类型波导、波导耦合器进行耦合。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (5)
1.一种全晶体波导耦合器的制备方法，其特征在于，当波导A距离晶片某侧边缘小于100微米时，步骤为：使用精密金刚石垂直于晶片侧边缘切割一凹槽，所述凹槽贯通波导A且与晶片上表面呈一定角度的夹角。
2.一种全晶体波导耦合器的制备方法，其特征在于，当波导A距离晶片两侧边缘均大于100微米时，步骤为：
（1）按照与波导A相同的工艺尺寸，制作与波导A端部交叉的波导B，所述波导B延伸至晶片的侧边缘，在距离该侧边缘小于100微米处的位置，制作另一波导C与侧边缘平行，所述A、B、C波导形成“之”字型结构；
（2）在波导A、B及波导B、C的连接处，分别切割一凹槽，所述凹槽与各波导呈一定夹角，以实现波导模式信号的偏折；
（3）在波导C侧的晶片侧面，切割一凹槽，所述凹槽贯通波导C且与晶片上表面呈一定角度的夹角。
3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述晶片的材质为铌酸锂（LiNbO3）晶体、钇铝石榴石（YAG）晶体、磷酸钛氧钾（KTP）晶体、光学陶瓷或玻璃材料。
4.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述晶片的尺寸根据需求而定，并对各面进行光学抛光和清洁。
5.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，各凹槽的深度完全覆盖波导模式。
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