CN112346263A - 布拉格光栅芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种布拉格光栅芯片，其包括单晶硅基板、设置在单晶硅基板上的二氧化硅层、设置在二氧化硅层上的布拉格光栅、以及设置在布拉格光栅上的负热光系数材料，布拉格光栅上设置负热光系数材料，以此消除基于铌酸锂晶体的布拉格光栅对温度的敏感性，使得布拉格光栅芯片的反射谱中心波长在环境温度变化1k的漂移量基本为零，从而可实现由铌酸锂布拉格光栅构成的光滤波器、激光器等光电器件的光谱响应对温度变化不敏感。

Description

布拉格光栅芯片
技术领域
本发明涉及一种布拉格光栅芯片，属于光电器件领域。
背景技术
布拉格光栅结构具有反射特定波长光信号的性质，可用于制作光滤波器、激光器的谐振腔、传感器等光器件。而铌酸锂晶体具有良好的电光效应，基于铌酸锂晶体的布拉格光栅可以得到中心波长可调谐的谐振腔或滤波器。但是，铌酸锂的材料折射率受环境温度的变化而变化，其热光系数达到3.5×10-5左右，环境温度变化会导致基于铌酸锂晶体的布拉格光栅的反射谱中心波长发生明显的漂移，这会严重影响谐振腔、光滤波器、传感器的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种布拉格光栅芯片，其反射谱中心波长对环境温度变化不敏感。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种布拉格光栅芯片，所述布拉格光栅芯片包括单晶硅基板、设置在所述单晶硅基板上的二氧化硅层、设置在所述二氧化硅层上的布拉格光栅、以及设置在所述布拉格光栅上的负热光系数材料，所述布拉格光栅芯片的反射谱中心波长在环境温度变化1k的漂移量基本为零。
进一步地，所述布拉格光栅的材料为铌酸锂晶体材料。
进一步地，所述布拉格光栅包括若干沟槽，所述若干沟槽设置在所述布拉格光栅的顶面。
进一步地，所述布拉格光栅包括若干沟槽，所述若干沟槽设置在所述布拉格光栅的至少一个侧面。
进一步地，所述布拉格光栅的沟槽可以由矩形波导、梯型波导、脊型波导中的任一个刻蚀得到。
进一步地，所述布拉格光栅为均匀光栅、非均匀光栅、采样光栅中的任一种。
进一步地，所述布拉格光栅芯片还包括设置在所述负热光系数材料上的包层，所述包层的材料为二氧化硅或氮化硅。
进一步地，所述布拉格光栅芯片还包括设置在所述包层上的金属电极，所述金属电极通电得到中心波长可调谐的布拉格光栅芯片。
进一步地，所述负热光系数材料可选自包括二氧化钛、氧化锌、镁掺杂氧化锌、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、甲胺氯铅酸盐中的任一种或多种。
进一步地，所述热光系数材料的厚度基于光谱仿真确定。
本发明的有益效果在于：本发明在布拉格光栅上设置负热光系数材料，以此消除基于铌酸锂晶体的布拉格光栅对温度的敏感性，使得布拉格光栅芯片的反射谱中心波长在环境温度变化1k的漂移量基本为零，从而可实现由铌酸锂布拉格光栅构成的光滤波器、激光器等光电器件的光谱响应对温度变化不敏感。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本发明实施例一所示的铌酸锂布拉格光栅芯片的结构示意图；
图2为图1中AA’处的截面图；
图3为本发明实施例二所示的铌酸锂布拉格光栅芯片的结构示意图；
图4为图3中BB’处的截面图；
图5为本发明实施例三所示的铌酸锂布拉格光栅芯片的结构示意图；
图6为图5中CC’处的截面图；
图7为本发明实施例四所示的铌酸锂布拉格光栅芯片的结构示意图；
图8为图7中DD’处的截面图；
图9为本发明实施例五所示的铌酸锂布拉格光栅芯片的结构示意图；
图10为图9中EE’处的截面图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本发明所示的布拉格光栅芯片，其包括单晶硅基板、设置在单晶硅基板上的二氧化硅层、设置在二氧化硅层上的布拉格光栅、以及设置在布拉格光栅上的负热光系数材料，布拉格光栅芯片的反射谱中心波长在环境温度变化1k的漂移量基本为零，即对温度不敏感。
其中，布拉格光栅的材料为铌酸锂晶体材料，布拉格光栅包括若干沟槽，若干沟槽可设置在布拉格光栅的顶面，但是，若干沟槽也可设置在布拉格光栅的至少一个侧面，即若干沟槽设置在布拉格光栅的其中一个侧面上或者两个侧面上。布拉格光栅的沟槽可以由矩形波导、梯型波导、脊型波导中的任一个刻蚀得到，即可先制备矩形波导、梯型波导、脊型波导，再刻蚀得到布拉格光栅。但是，布拉格光栅的沟槽还可以由其他类型的波导刻蚀得到，在此不做具体限定。布拉格光栅为均匀光栅、非均匀光栅、采样光栅中的任一种，在此不做具体限定，布拉格光栅的具体结构可根据实际需要进行选择。
铌酸锂晶体材料和二氧化硅的折射率受环境温度的升高而增大，铌酸锂晶体材料的热光系数达到3.5×10-5左右，导致普通铌酸锂布拉格光栅结构的反射波长随着环境温度变化而漂移，为了消除温度对铌酸锂晶体材料和二氧化硅的影响，负热光系数材料可选自包括二氧化钛、氧化锌、镁掺杂氧化锌、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、甲胺氯铅酸盐中的任一种或多种，但也不仅限以此，在此不一一列举。通过在铌酸锂布拉格光栅上设置合适厚度的负温度系数材料层，解决了铌酸锂布拉格光栅反射波长的温度敏感性问题，进而可实现由铌酸锂布拉格光栅构成的光滤波器、激光器等光电器件的光谱响应对温度变化不敏感。
此外，布拉格光栅芯片还包括设置在负热光系数材料上的包层，以此保护负热光系数材料，包层的材料为二氧化硅或氮化硅。
布拉格光栅芯片还包括设置在包层上的金属电极，金属电极通电可得到中心波长可调谐的布拉格光栅芯片，以此可制备波长可调谐的谐振腔或滤波器等器件。
热光系数材料的厚度基于光谱仿真确定，即对于不同的铌酸锂布拉格光栅分布位置、光栅周期、光栅占空比、光栅槽深、不同的负热光系数材料的各种组合，所需的负热光系数材料的厚度也不同，该厚度可以通过对特定组合铌酸锂布拉光栅整体结构的光谱仿真来设置，以此得到对温度不敏感的布拉格光栅芯片。
关于布拉格光栅芯片的制备，其中，二氧化硅层可通过等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)、化学气相沉积法(CVD)或物理气相沉积(PVD)生长。
布拉格光栅的制备：通过利用电子束光刻技术(electron beam lithography)或光学光刻技术(optical lithography)定义波导的位置和形状；再采用离子束铣(ironmilling)、反应离子刻蚀(RIE)、电感耦合等离子体刻蚀(ICP-RIE)、或湿法蚀刻(WetEtch)、或晶体离子切片技术(Crystal Ion Slicing)完成波导制作；再通过光刻或刻蚀技术制备得到布拉格光栅。
对于负热光系数材料：二氧化钛通过反应溅射(Reactive Sputtering)、射频磁控溅射(RF Magnetron Sputtering)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、热化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、脉冲激光沉积(PLD)等工艺制备得到；氧化锌和镁掺杂氧化锌也可通过反应溅射(Reactive Sputtering)、射频磁控溅射(RF Magnetron Sputtering)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、热化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、脉冲激光沉积(PLD)等工艺制备得到；其他有机物材料可通过简单的旋涂法(Spin-Coating)制备得到。
下面结合具体实施例对本发明进行进一步说明。
实施例一 基于矩形波导顶面刻蚀形成的铌酸锂布拉格光栅芯片
参见图1和图2，本实施例中，布拉格光栅11结构分布于铌酸锂矩形波导的顶面，该铌酸锂布拉格光栅芯片包括单晶硅基板10、布拉格光栅11、设置在布拉格光栅11上的二氧化钛层22、以及设置在单晶硅基板10和布拉格光栅11之间的二氧化硅层13。图1中虚线表示布拉格光栅11的沟槽底面所在位置，布拉格光栅11的若干沟槽形成在矩形波导的顶面。
实施例二 基于矩形波导顶面刻蚀形成的可调谐铌酸锂布拉格光栅芯片
参见图3和图4，本实施例中，布拉格光栅21结构分布于铌酸锂矩形波导的顶面，该可调谐铌酸锂布拉格光栅芯片包括单晶硅基板20、布拉格光栅21、设置在布拉格光栅21上的二氧化钛层22、设置在单晶硅基板20和布拉格光栅21之间的二氧化硅层23、包覆布拉格光栅21和二氧化钛层22的二氧化硅包层24，以及设置在二氧化硅包层24上的金属电极25。图3中虚线表示布拉格光栅21的沟槽底面所在位置，布拉格光栅21的若干沟槽形成在矩形波导的顶面，将两个金属电极25通电，即可调节铌酸锂布拉格光栅芯片的中心波长。
实施例三 基于矩形波导侧面刻蚀形成的可调谐铌酸锂布拉格光栅芯片
参见图5和图6，本实施例中，布拉格光栅31结构分布于铌酸锂矩形波导的侧面，该可调谐铌酸锂布拉格光栅芯片包括单晶硅基板30、布拉格光栅31、设置在布拉格光栅31上的二氧化钛层32、设置在单晶硅基板30和布拉格光栅31之间的二氧化硅层33、包覆布拉格光栅31和二氧化钛层32的二氧化硅包层34，以及设置在二氧化硅包层34上的金属电极35。图5中虚线表示布拉格光栅31的沟槽底面所在位置，布拉格光栅31的若干沟槽形成在矩形波导的两个侧面，将两个金属电极35通电，即可调节铌酸锂布拉格光栅芯片的中心波长。
实施例四 基于脊型波导顶面刻蚀形成的可调谐铌酸锂布拉格光栅芯片
参见图7和图8，本实施例中，布拉格光栅41结构分布于铌酸锂脊型波导的顶面，该可调谐铌酸锂布拉格光栅芯片包括单晶硅基板40、布拉格光栅41、设置在布拉格光栅41上的二氧化钛层42、设置在单晶硅基板40和布拉格光栅41之间的二氧化硅层43、包覆布拉格光栅41和二氧化钛层42的二氧化硅包层44，以及设置在二氧化硅包层44上的金属电极45。图7中虚线表示布拉格光栅41的沟槽底面所在位置，其中，布拉格光栅41的若干沟槽形成在脊型波导的中心脊411顶面，中心脊411形成在平板层412上，将两个金属电极45通电，即可调节铌酸锂布拉格光栅芯片的中心波长。
实施例五 基于脊型波导侧面刻蚀形成的可调谐铌酸锂布拉格光栅芯片
参见图9和图10，本实施例中，布拉格光栅51结构分布于铌酸锂脊型波导的侧面，该可调谐铌酸锂布拉格光栅芯片包括单晶硅基板50、布拉格光栅51、设置在布拉格光栅51上的二氧化钛层52、设置在单晶硅基板50和布拉格光栅51之间的二氧化硅层53、包覆布拉格光栅51和二氧化钛层52的二氧化硅包层44，以及设置在二氧化硅包层54上的金属电极55。图9中虚线表示布拉格光栅51的沟槽底面所在位置，其中，布拉格光栅51的若干沟槽形成在脊型波导的中心脊511两个侧面，中心脊511形成在平板层512上，将两个金属电极55通电，即可调节铌酸锂布拉格光栅芯片的中心波长。
综上，本发明在布拉格光栅上设置负热光系数材料，以此消除基于铌酸锂晶体的布拉格光栅对温度的敏感性，使得布拉格光栅芯片的反射谱中心波长在环境温度变化1k的漂移量基本为零，从而可实现由铌酸锂布拉格光栅构成的光滤波器、激光器等光电器件的光谱响应对温度变化不敏感。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对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为准。

Claims (10)

1.一种布拉格光栅芯片，其特征在于，所述布拉格光栅芯片包括单晶硅基板、设置在所述单晶硅基板上的二氧化硅层、设置在所述二氧化硅层上的布拉格光栅、以及设置在所述布拉格光栅上的负热光系数材料，所述布拉格光栅芯片的反射谱中心波长在环境温度变化1k的漂移量基本为零。
2.如权利要求1所述的布拉格光栅芯片，其特征在于，所述布拉格光栅的材料为铌酸锂晶体材料。
3.如权利要求1所述的布拉格光栅芯片，其特征在于，所述布拉格光栅包括若干沟槽，所述若干沟槽设置在所述布拉格光栅的顶面。
4.如权利要求1所述的布拉格光栅芯片，其特征在于，所述布拉格光栅包括若干沟槽，所述若干沟槽设置在所述布拉格光栅的至少一个侧面。
5.如权利要求3或4所述的布拉格光栅芯片，其特征在于，所述布拉格光栅的沟槽可以由矩形波导、梯型波导、脊型波导中的任一个刻蚀得到。
6.如权利要求1所述的布拉格光栅芯片，其特征在于，所述布拉格光栅为均匀光栅、非均匀光栅、采样光栅中的任一种。
7.如权利要求1所述的布拉格光栅芯片，其特征在于，所述布拉格光栅芯片还包括设置在所述负热光系数材料上的包层，所述包层的材料为二氧化硅或氮化硅。
8.如权利要求7所述的布拉格光栅芯片，其特征在于，所述布拉格光栅芯片还包括设置在所述包层上的金属电极，所述金属电极通电得到中心波长可调谐的布拉格光栅芯片。
9.如权利要求1所述的布拉格光栅芯片，其特征在于，所述负热光系数材料可选自包括二氧化钛、氧化锌、镁掺杂氧化锌、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、甲胺氯铅酸盐中的任一种或多种。
10.如权利要求1所述的布拉格光栅芯片，其特征在于，所述热光系数材料的厚度基于光谱仿真确定。
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