CN111308612A - 一种反mmi型波导马赫-曾德干涉器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种反MMI型波导马赫‑曾德干涉器的制备方法，在各种类型的条形光波导的基础上，制作两个沟槽；沟槽内侧壁所围成的区域与原条形波导区域重合，即将原波导重构为脊型波导；所述脊型波导的宽度与原条形波导宽度等于或小于原条形波导。该方案可以极大简化波导马赫‑曾德干涉器的制备过程，并可将干涉器的总长度减少到数微米至数十微米量级，从而为基于各类低折射率对比波导的集成光学芯片开发，以及高性能的微型波导传感器制备提供了新的思路。
Description
技术领域
本发明属于光波导器件领域，特别涉及到一种反MMI型波导马赫-曾德干涉器的制备方法。
背景技术
波导马赫-曾德（Mach-Zehnder）干涉器是一种基础的波导干涉器结构，也是集成光学芯片构建的基础元件之一，在信号处理、光通讯、光学传感等领域具有重要的应用价值。目前，基于硅基波导及其他高折射率对比波导，如LNOI波导（绝缘体上的铌酸锂波导）的马赫-曾德干涉器制备较为成熟。但对于各类低折射率对比的波导（即通常所谓“弱”波导），如离子注入晶体波导、飞秒激光写入玻璃波导、聚合物波导等，马赫-曾德干涉器的制备仍然面临诸多困难。这限制了各类低折射率对比波导的进一步集成化和功能化。
具体来说，困难主要来自于两个方面：其一，由于低折射率对比波导的芯区和衬底折射率差较小，波导弯曲损耗显著，因此通常需要较长的工作距离才能把波导分为两路，从而形成干涉器结构。例如，离子注入晶体波导的折射率变化幅度通常为10-4至10-3量级，需要数毫米甚至数厘米的弯曲半径才能够有效降低弯曲损耗。其二，由于同样的原因，波导的有效折射率调控范围过窄，导致干涉器的两臂需要积累较长的距离差，才能形成有效的干涉效应，因此需要较长的干涉区长度。由于以上原因，如果将传统的分支型马赫-曾德干涉器结构照搬到低折射率对比波导中，则所需的干涉器长度往往超过数毫米。例如，J.Ajates等于2017年报道的基于飞秒激光写入Nd:YAG晶体波导的马赫-曾德干涉器，其器件长度超过8毫米。这十分不利于波导干涉器件的小型化和集成化，限制了基于各类低折射率对比波导的集成光路开发。
发明内容
为克服上述不足，本发明提供一种新型波导马赫-曾德干涉器的制备方法。该方案可以极大简化波导马赫-曾德干涉器的制备过程，并可将干涉器的总长度减少到数微米至数十微米量级，从而为基于各类低折射率对比波导的集成光学芯片开发，以及高性能的微型波导传感器制备提供了新的思路。
本申请采用的技术方案是：
一种反MMI型波导马赫-曾德干涉器的制备方法：
在各种类型的条形光波导的基础上，制作两个沟槽；沟槽内侧壁所围成的区域与原条形波导区域重合，即将原波导重构为脊型波导；所述脊型波导的宽度与原条形波导宽度等于或小于原条形波导。
优选方案为，所述两条沟槽之间填充有低折射率介质，所述低折射率介质为折射率低于原条形波导衬底材料的介质。
优选方案为，所述两条沟槽的边缘为直线，所述直线互相平行。
优选方案为，所述两条沟槽相对于波导中轴线成对称。
优选方案为，所述两条沟槽的入射或出射端构建锥形结构，即两条沟槽内侧壁间距渐变。
上述制备方法获得的干涉器在制备波导传感器方面的应用。
本发明所述新型波导马赫-曾德干涉器的工作原理是基于一种新的波导模式现象，即在竖直方向满足弱导条件，而在水平方向具有较大折射率差对比的情况下，波导中存在一类“离轴”模式。该类模式的有效折射率不符合传统导波光学理论的要求，即：传统理论要求波导模式的有效折射率高于周围衬底折射率中的最大值，而我们发现，上述波导的“离轴”模式，其有效折射率可以远低于衬底折射率，且具有较低的传输损耗（例如附图6所示为两个典型“离轴”模式，其有效折射率分别为1.752480，1.303242，均远低于衬底折射率1.83）。由于学界尚未对该类模式进行命名，本申请中暂称之为“离轴”模式。（意指：从几何光学的角度看，该类模式的光线行进方向远离波导中轴线）当入射条形波导的模式信号到达沟槽作用区时，由于结构突变，会激发出不同阶的“离轴”模式。由于这些模式之间的有效折射率相差很大，因此可以在极短的干涉区域内形成显著的干涉效应。（例如附图7所示，为信号进入沟槽作用区后的演化规律，可见明显因干涉造成的强弱对比图样）当信号到达出射端的条形波导时，各阶模式的能量则会被部分耦合回条形波导，从而干涉信号可以被探测到。由于传统的波导MMI（多模干涉）结构可以概括为单模波导-较宽的多模波导-单模波导复合结构，而我们提出的结构特点为：单模波导-更窄的“多模”波导-单模波导，因此我们将其称为“反MMI”波导马赫-曾德干涉器结构。
本发明的有益效果：
1. 制备方法简单，仅需要在在传统工艺制备的条形波导上刻蚀形成两个沟槽即可实现；
2. 所制备的马赫-曾德干涉器尺寸非常小，总长度仅数微米至数十微米即可实现良好的干涉效果，很好的解决了低折射率对比波导中马赫-曾德干涉器的小型化问题。例如，对于离子注入YAG晶体波导，干涉区仅为50微米，即可实现800nm波长附近平均自由光谱范围为10nm的干涉谱。而传统的分支型YAG晶体波导干涉器通常工作距离大于数毫米；
3. 通过改变两沟槽的长度，即可实现对干涉谱的自由光谱范围的调节；
4. 可用于开发高灵敏度的紧凑型波导传感器。
附图说明
图1为波导马赫-曾德干涉器结构示意图（俯视图）；
图2为波导马赫-曾德干涉器结构示意图（干涉区截面图）；
图3为实施例1将沟槽长度设置为10μm时的透射谱；
图4为实施例1将沟槽长度设置为20μm时的透射谱；
图5为实施例1将沟槽长度设置为50μm时的透射谱；
图6为实施例1中脊型波导区域的两个典型“离轴”模式场分布（BPM法仿真结果）；图中白色实线代表晶体/空气界面；各黑色实线分别代表沟槽和波导的边界轮廓线。
图7为实施例1中，电磁场传输过程中的具体分布情况（FDTD法仿真结果）；图中白色虚线代表沟槽的边界轮廓线。图的下方为信号输入方向。
图8为实施例2的透射谱；
图9为实施例3传感器的效果图；
图10为实施例5的结构示意图（俯视图）。
其中，1为波导；2为沟槽；3为晶体衬底。
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在钇铝石榴石（YAG）晶体中制备马赫-曾德干涉器的方法：
步骤A，在光学抛光的1cm×1cm×1mm的YAG晶体片的上表面，使用光刻结合离子注入的方法制备一根条形波导。其中，注入采用15MeV能量的C5+离子，倾斜7°角入射，注入区宽度为8μm，注入剂量为2×1014/cm2。
步骤B，在波导某位置利用聚焦离子束刻蚀或飞秒激光刻蚀等方法刻蚀形成两个沟槽，沟槽宽度5μm，深度8μm，长度可根据具体器件需求设计。（附图3-5分别为沟槽长度10μm，20μm，50μm对应的透射谱）两沟槽以波导中轴线为对称轴，内侧壁间距为5μm。
实施例2在铌酸锂晶体中制备马赫-曾德干涉器的方法：
步骤A，在光学抛光的1cm×1cm×1mm的Z-切铌酸锂晶片的上表面，使用光刻辅助的溅射工艺，沉积一条钛金属条。钛金属条的宽度为7μm，厚度为50nm。
步骤B，将晶体片置于氩气环境下，在960摄氏度下维持恒温6小时，以实现钛金属离子的热扩散，形成波导结构。
步骤C，在波导某特定位置利用聚焦离子束刻蚀或飞秒激光刻蚀等方法刻蚀形成两个沟槽，沟槽宽度6μm，深度10μm，长度15μm。两沟槽以波导中轴线为对称轴，内侧壁间距为5μm（透射谱如附图6所示）。
实施例3在钇铝石榴石（YAG）晶体中制备马赫-曾德干涉型折射率传感器的方法：
步骤A，在光学抛光的1cm×1cm×1mm的YAG晶体片的上表面，使用光刻结合离子注入的方法制备一根条形波导。其中，注入采用15MeV能量的C5+离子，倾斜7°角入射，注入区宽度为8μm，注入剂量为2×1014/cm2。
步骤B，在波导某特定位置利用聚焦离子束刻蚀或飞秒激光刻蚀等方法刻蚀形成两个沟槽，沟槽宽度5μm，深度8μm，长度为5μm。两沟槽以波导中轴线为对称轴，内侧壁间距为5μm。
步骤C，使用时，将待测液体滴于波导干涉器上。使用宽谱光源作为激发光源，在出射端使用光谱器记录透射谱，即可得到待测液体的折射率（效果如附图7）。
实施例4非对称型波导马赫-曾德干涉器的方法：
步骤A，在光学抛光的1cm×1cm×1mm的YAG晶体片的上表面，使用光刻结合离子注入的方法制备一根条形波导。其中，注入采用15MeV能量的C5+离子，倾斜7°角入射，注入区宽度为8μm，注入剂量为2×1014/cm2。
步骤B，在波导某特定位置利用聚焦离子束刻蚀或飞秒激光刻蚀等方法刻蚀形成两个沟槽，沟槽宽度5μm，深度8μm，长度为20μm。两沟槽相对于条形波导中轴线呈非对称分布。其中一个沟槽的内侧壁与条形波导中轴线间距为1.5μm，另一个沟槽的内侧壁与条形波导中轴线间距为3.5μm。
实施例5出射端为锥型的波导马赫-曾德干涉器的方法：
步骤A，在光学抛光的1cm×1cm×1mm的YAG晶体片的上表面，使用光刻结合离子注入的方法制备一根条形波导。其中，注入采用15MeV能量的C5+离子，倾斜7°角入射，注入区宽度为8μm，注入剂量为2×1014/cm2。
步骤B，在波导某特定位置利用聚焦离子束刻蚀或飞秒激光刻蚀等方法刻蚀形成两个沟槽。沟槽分为两部分，第一部分，两个沟槽相互平行，长度为20μm，该部分作为信号输入端；第二部分，两个沟槽相互倾斜并具有15°夹角，该部分在波导中轴线上的投影长度为40μm，作为信号输出端。两沟槽相对于波导中轴线呈对称分布。（结构示意图见附图10）
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 (6)
1.一种反MMI型波导马赫-曾德干涉器的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：
在条形光波导结构的基础上制备两条沟槽；所述两条沟槽内侧壁所围成的区域与原条形波导区域重合，即将原波导重构为脊型波导；所述脊型波导的宽度与原条形波导宽度相等或小于原条形波导。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述两条沟槽之间填充有低折射率介质，所述低折射率介质为折射率低于原条形波导衬底材料的介质。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述两条沟槽的边缘为直线，所述直线互相平行。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述两条沟槽相对于波导中轴线成对称分布。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述两条沟槽的入射或出射端构建锥形结构，即两条沟槽内侧壁间距渐变。
6.如权利要求1-5任一所述的制备方法获得的干涉器在制备波导传感器方面的应用。
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