CN112782876A - 一种铌酸锂调制器芯片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤通信和传感技术领域，特别是涉及一种铌酸锂调制器芯片及其制作方法，铌酸锂调制器芯片的制作方法包括：在铌酸锂基片上表面制作一层掩膜；在所述掩膜上沿Y轴方向刻蚀出光波导掩膜窗口，并在所述光波导掩膜窗口内的铌酸锂基片上表面制作光波导；在所述光波导两侧分别制作金属电极，并对所述铌酸锂基片的光输入面、光输出面以及±Z面进行切割，形成铌酸锂调制器芯片；在铌酸锂调制器芯片的±Z面分别制作导电薄膜，并在铌酸锂调制器芯片的下表面制作导电涂覆层，使±Z面的导电薄膜通过所述导电涂覆层连接导通。本方案可有效降低变温过程中铌酸锂晶体热释电效应对铌酸锂调制器性能的影响，提高铌酸锂调制器的全温性能。
Description
【技术领域】
本发明涉及光纤通信以及传感技术领域，特别是涉及一种铌酸锂调制器芯片及其制作方法。
【背景技术】
铌酸锂调制器是一种非常重要的光调制器，可以对光波的相位、幅度以及偏振态进行调制，被广泛的应用于高速光纤通信网络、光纤传感器等方面。然而，由于铌酸锂晶体具有热释电性能，当其温度发生变化时，铌酸锂晶体会表现出自发极化的现象，在晶体的±Z面形成一个电场。此电场方向与铌酸锂晶体的最大电光系数γ33重叠，会改变铌酸锂波导的有效折射率，从而影响铌酸锂调制器的全温光学性能。
鉴于此，克服上述现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。
【发明内容】
本发明需要解决的技术问题是：
由于铌酸锂晶体具有热释电性能，当其温度发生变化时，铌酸锂晶体会表现出自发极化的现象，在晶体的±Z面形成一个电场。此电场方向与铌酸锂晶体的最大电光系数γ33重叠，会改变铌酸锂波导的有效折射率，从而影响铌酸锂调制器的全温光学性能。
本发明通过如下技术方案达到上述目的：
第一方面，本发明提供了一种铌酸锂调制器芯片，包括铌酸锂基片1；
所述铌酸锂基片1的上表面制作有光波导3和金属电极4；
所述铌酸锂基片1的±Z面分别制作有导电薄膜5；
所述铌酸锂基片1的下表面设有导电涂覆层6，使得所述铌酸锂基片1的±Z面的导电薄膜5通过所述导电涂覆层6连接导通。
优选地，所述导电薄膜5为C膜或者ITO膜。
优选地，所述导电涂覆层6为碳导电胶。
第二方面，本发明还提供了一种铌酸锂调制器芯片的制作方法，用于制作上述第一方面所述的铌酸锂调制器芯片，包括：
在铌酸锂基片1上表面制作一层掩膜2；
在所述掩膜2上沿Y轴方向刻蚀出光波导掩膜窗口，并在所述光波导掩膜窗口内的铌酸锂基片1上表面制作光波导3；
在所述光波导3两侧分别制作金属电极4，并对所述铌酸锂基片1的光输入面、光输出面以及±Z面进行切割，形成铌酸锂调制器芯片；
在所述铌酸锂调制器芯片的±Z面分别制作导电薄膜5，并在所述铌酸锂调制器芯片的下表面制作导电涂覆层6，使±Z面的导电薄膜5通过所述导电涂覆层6连接导通。
优选地，所述掩膜2为SiO2掩膜或者Si3N4掩膜。
优选地，采用退火质子交换法在所述铌酸锂基片1上表面制作光波导3。
优选地，所述铌酸锂基片1为X切铌酸锂基片，所述光波导3为X切Y传光波导。
优选地，所述导电薄膜5为C膜或者ITO膜。
优选地，采用溅射法、电子束蒸发或离子镀的方法在所述铌酸锂调制器芯片的±Z面分别制作导电薄膜5。
优选地，所述导电涂覆层6为碳导电胶。
与传统技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种铌酸锂调制器芯片及其制作方法，在铌酸锂调制器芯片的±Z面分别制备一层导电薄膜，并通过在铌酸锂调制器芯片的下表面涂覆一层导电胶，将±Z面的导电薄膜连接导通。这使得在变温过程中铌酸锂±Z面产生的自发极化电场迅速被补偿，减小变温过程对铌酸锂光波导有效折射率的影响，进而有效降低变温过程中铌酸锂晶体热释电效应对铌酸锂调制器性能的影响，极大地提高了铌酸锂调制器的全温性能。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种铌酸锂晶体的热释电效应示意图；
图2为本发明实施例提供的一种铌酸锂调制器芯片的XZ横截面示意图；
图3为本发明实施例提供的一种铌酸锂调制器芯片的制作方法流程图；
图4为本发明实施例提供的一种在铌酸锂基片上表面制作掩膜后形成的XZ横截面示意图；
图5为本发明实施例提供的一种在铌酸锂基片上表面制作光波导后形成的XZ横截面示意图；
图6为本发明实施例提供的一种在铌酸锂基片上表面制作电极并切割后形成的XZ横截面示意图；
图7为本发明实施例提供的一种在铌酸锂基片±Z面分别制作导电薄膜后形成的XZ横截面示意图；
其中，附图标记如下：1、铌酸锂基片；2、掩模；3、光波导；4、金属电极；5、导电薄膜；6、导电涂覆层。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。
在本发明各实施例中，符号“/”表示同时具有两种功能的含义，而对于符号“A和/或B”则表明由该符号连接的前后对象之间的组合包括“A”、“B”、“A和B”三种情况。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面就参考附图和实施例结合来详细说明本发明。
实施例1：
铌酸锂光波导的热释电效应可参考图1：铌酸锂调制器芯片包括铌酸锂基片1和光波导3，铌酸锂基片1采用铌酸锂晶体。铌酸锂调制器芯片利用的是铌酸锂晶体的电光效应来把电信号转化为光信号，为了得到最佳调制效率，需充分利用铌酸锂的最大电光系数γ33。由于γ33平行于铌酸锂晶体的Z轴，应选择X切Y传的光波导3。同时基于铌酸锂晶体的热释电性能，当其温度发生变化时铌酸锂晶体会表现出自发极化的现象；铌酸锂晶体的自发极化轴同样与铌酸锂晶体的Z轴平行，即铌酸锂晶体的温度发生变化时，正负自由电荷会随着自发极化的作用分别集中于铌酸锂调制器芯片±Z面的表面，形成一个内电场。此电场方向与铌酸锂晶体的最大电光系数γ33重叠，会改变铌酸锂波导的有效折射率，进而影响铌酸锂调制器的全温光学性能。
为解决上述问题，本发明实施例提供了一种铌酸锂调制器芯片，其XZ横截面如图2所示，该铌酸锂调制器芯片主要包括铌酸锂基片1、光波导3、金属电极4、导电薄膜5和导电涂覆层6。具体结构如下：
所述铌酸锂基片1的上表面制作有光波导3，所述光波导3的两侧分别制作有金属电极4；所述铌酸锂基片1的±Z面分别制作有导电薄膜5；所述铌酸锂基片1的下表面设有导电涂覆层6，且所述导电涂覆层6接触±Z面的导电薄膜5底部，使得所述铌酸锂基片1的±Z面的导电薄膜5通过所述导电涂覆层6连接导通。如此一来，在变温过程中，由热释电现象堆积在±Z面的自由电荷会通过对应导电薄膜5迁徙至底部的所述导电涂覆层6处中和，自由电荷减少导致热释电效应产生的内电场同时也减小，因此能够有效的降低温度变化对铌酸锂调制器芯片性能的影响，提高铌酸锂调制器芯片的全温光学性能。
进一步地，所述铌酸锂基片1为X切铌酸锂基片，所述光波导3为X切Y传光波导，如图2所示；其中，所述光波导3可采用退火质子交换法制作在所述铌酸锂基片1上表面。
进一步地，所述导电薄膜5可采用C膜或者ITO膜，并可通过溅射法、电子束蒸发或离子镀的方法分别制作在所述铌酸锂调制器芯片的±Z面。其中，所述C膜即碳膜；所述ITO膜采用掺锡氧化铟(IndiumTinOxide)，一般简称为ITO，它是一种n型半导体材料，具有高的导电率、高的可见光透过率、高的机械硬度和良好的化学稳定性。
进一步地，所述导电涂覆层6可采用碳导电胶。
本发明实施例提供的上述铌酸锂调制器芯片中，芯片±Z面分别制作有导电薄膜，芯片下表面制作有导电涂覆层，可将±Z面的导电薄膜连接导通。这使得在变温过程中铌酸锂±Z面产生的自发极化电场迅速被补偿，减小变温过程对铌酸锂光波导有效折射率的影响，进而有效降低变温过程中铌酸锂晶体热释电效应对铌酸锂调制器性能的影响，极大地提高了铌酸锂调制器的全温性能。
实施例2：
在上述实施例1的基础上，本发明实施例进一步提供了一种铌酸锂调制器芯片的制作方法，用于制作实施例1中所述的铌酸锂调制器芯片。如图3所示，本发明实施例提供的制作方法主要包括以下步骤：
步骤10，在铌酸锂基片1上表面制作一层掩膜2。
其中，所述铌酸锂基片1为X切铌酸锂基片，所述掩膜2为SiO2掩膜或者Si3N4掩膜，在所述铌酸锂基片1上表面制作掩膜2后，形成如图4所示的结构。
步骤20，在所述掩膜2上沿Y轴方向刻蚀出光波导掩膜窗口，并在所述光波导掩膜窗口内的铌酸锂基片1上表面制作光波导3。
在图4所示结构的基础上，进一步在所述掩膜2上沿Y轴方向刻蚀出光波导图形，也就是所述光波导掩膜窗口，然后基于该光波导图形，采用退火质子交换法在所述铌酸锂基片1上表面制作光波导3，形成如图5所示的结构。其中，所述光波导3为X切Y传光波导。
步骤30，在所述光波导3两侧分别制作金属电极4，并对所述铌酸锂基片1的光输入面、光输出面以及±Z面进行切割，形成铌酸锂调制器芯片。
在图5所示结构的基础上，在所述光波导3的左右两侧分别制作铌酸锂调制电极图形，形成两个金属电极4；然后对所述铌酸锂基片1的光输入面、光输出面以及±Z面进行切割，形成铌酸锂调制器芯片，如图6所示。其中，光输入面和光输出面也就是图中的±Y面，即前后表面。
步骤40，在所述铌酸锂调制器芯片的±Z面分别制作导电薄膜5，并在所述铌酸锂调制器芯片的下表面制作导电涂覆层6，使±Z面的导电薄膜5通过所述导电涂覆层6连接导通。
在图6所示结构的基础上，采用溅射法、电子束蒸发或离子镀的方法在所述铌酸锂基片1的±Z面分别制作导电薄膜5，并对光输入面和光输出面进行抛光处理，形成如图7所示的结构。然后，在所述铌酸锂基片1的下表面涂一层导电涂覆层6，且所述导电涂覆层6接触±Z面的导电薄膜5底部，形成如图2所示的结构，使得±Z面的导电薄膜5通过所述导电涂覆层6连接导通。如此一来，在变温过程中，由热释电现象堆积在±Z面的自由电荷会通过对应导电薄膜5迁徙至底部的所述导电涂覆层6处中和，自由电荷减少导致热释电效应产生的内电场同时也减小，因此能够有效的降低温度变化对铌酸锂调制器芯片性能的影响，提高铌酸锂调制器芯片的全温光学性能。
其中，所述导电薄膜5可采用C膜或者ITO膜，所述C膜即碳膜；所述ITO膜采用掺锡氧化铟(IndiumTinOxide)，一般简称为ITO，它是一种n型半导体材料，具有高的导电率、高的可见光透过率、高的机械硬度和良好的化学稳定性。所述导电涂覆层6可采用碳导电胶。
本发明实施例提供的上述制作方法中，在铌酸锂调制器芯片的±Z面分别制备一层导电薄膜，并通过在铌酸锂调制器芯片的下表面涂覆一层导电涂覆层，将±Z面的导电薄膜连接导通。这使得在变温过程中铌酸锂±Z面产生的自发极化电场迅速被补偿，减小变温过程对铌酸锂光波导有效折射率的影响，进而有效降低变温过程中铌酸锂晶体热释电效应对铌酸锂调制器性能的影响，极大地提高了铌酸锂调制器的全温性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种铌酸锂调制器芯片，其特征在于，包括铌酸锂基片(1)；
所述铌酸锂基片(1)的上表面制作有光波导(3)和金属电极(4)；
所述铌酸锂基片(1)的±Z面分别制作有导电薄膜(5)；
所述铌酸锂基片(1)的下表面设有导电涂覆层(6)，使得所述铌酸锂基片(1)的±Z面的导电薄膜(5)通过所述导电涂覆层(6)连接导通。
2.根据权利要求1所述的铌酸锂调制器芯片，其特征在于，所述导电薄膜(5)为C膜或者ITO膜。
3.根据权利要求1所述的铌酸锂调制器芯片，其特征在于，所述导电涂覆层(6)为碳导电胶。
4.一种铌酸锂调制器芯片的制作方法，其特征在于，包括：
在铌酸锂基片(1)上表面制作一层掩膜(2)；
在所述掩膜(2)上沿Y轴方向刻蚀出光波导掩膜窗口，并在所述光波导掩膜窗口内的铌酸锂基片(1)上表面制作光波导(3)；
在所述光波导(3)两侧分别制作金属电极(4)，并对所述铌酸锂基片(1)的光输入面、光输出面以及±Z面进行切割，形成铌酸锂调制器芯片；
在所述铌酸锂调制器芯片的±Z面分别制作导电薄膜(5)，并在所述铌酸锂调制器芯片的下表面制作导电涂覆层(6)，使±Z面的导电薄膜(5)通过所述导电涂覆层(6)连接导通。
5.根据权利要求4所述的铌酸锂调制器芯片的制作方法，其特征在于，所述掩膜(2)为SiO2掩膜或者Si3N4掩膜。
6.根据权利要求4所述的铌酸锂调制器芯片的制作方法，其特征在于，采用退火质子交换法在所述铌酸锂基片(1)上表面制作光波导(3)。
7.根据权利要求4所述的铌酸锂调制器芯片的制作方法，其特征在于，所述铌酸锂基片(1)为X切铌酸锂基片，所述光波导(3)为X切Y传光波导。
8.根据权利要求4-7任一所述的铌酸锂调制器芯片的制作方法，其特征在于，所述导电薄膜(5)为C膜或者ITO膜。
9.根据权利要求4-7任一所述的铌酸锂调制器芯片的制作方法，其特征在于，采用溅射法、电子束蒸发或离子镀的方法在所述铌酸锂调制器芯片的±Z面分别制作导电薄膜(5)。
10.根据权利要求4-7任一所述的铌酸锂调制器芯片的制作方法，其特征在于，所述导电涂覆层(6)为碳导电胶。
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