CN112835142A - 铌酸锂薄膜波导及其制备方法、光参量振荡器装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种铌酸锂薄膜波导，该铌酸锂薄膜波导能有效避免中红外光能量被二氧化硅层吸收的问题，并且结构简单，生成成本低。此外，本申请又公开了一种上述铌酸锂薄膜波导的制备方法。再者，本申请再公开了一种基于该铌酸锂薄膜波导的光参量振荡器装置，该装置能够将近红外的激光转化为中红外的激光，并且与现有的光参量振荡器相比，具有体积小、阈值低、效率高等特点。
Description
本申请要求“申请日为：2019.11.22、申请号为：201911159076.8、专利名称为：一种基于铌酸锂薄膜波导的光参量振荡器装置”的专利的优先权。
技术领域
本申请涉及波导技术领域，特别涉及一种铌酸锂薄膜波导。此外，本申请还涉及一种基于该铌酸锂波导的光参量振荡器装置。再者，本申请还涉及一种铌酸锂薄膜波导的制备方法。
背景技术
理论分析和实验研究均已证明，当一种频率较低的弱信号光束与另一种频率较高的强泵浦(激励)光束同时入射到非线性介质后，弱的入射信号将得到放大，强的泵浦光将有所减弱。与此同时，非线性介质还将辐射出频率等于上述两入射光频率之差的第三种相干光，称为“闲频光ωi”。以上这种非线性光学效应，即称为“光学参量放大效应”。
请参考图1，图1为现有技术中一种铌酸锂薄膜波导的结构示意图。在该常规LNOI结构中，铌酸锂晶体薄膜和二氧化硅层材料直接接触，并构成波导的包层。但是由于波导中，部分的能量会泄露到二氧化硅包层中，而二氧化硅层材料对于中红外光具有比较强的吸收，不利于中红外激光的产生和传输。
发明内容
本申请要解决的技术问题为提供一种铌酸锂薄膜波导，该铌酸锂薄膜波导能有效避免中红外光能量被二氧化硅层吸收的问题，并且结构简单，生成成本低。此外，本申请又一个要解决的技术问题为提供一种上述铌酸锂薄膜波导的制备方法。再者，本申请再一个要解决的技术问题为提供一种基于该铌酸锂薄膜波导的光参量振荡器装置，该装置能够将近红外的激光转化为中红外的激光，并且与现有的光参量振荡器相比，具有体积小、阈值低、效率高等特点。
为解决上述技术问题，本申请提供一种铌酸锂薄膜波导，包括铌酸锂基座、设于所述铌酸锂基座上的二氧化硅层、及设于所述二氧化硅层上的铌酸锂波导部；
所述铌酸锂波导部下方形成中空层；
所述铌酸锂基座的上表面形成所述中空层的底壁，所述铌酸锂波导部的下表面形成所述中空层的顶壁。
可选的，所述二氧化硅层由所述中空层分隔为两部分；该两部分的二氧化硅层的侧面形成对应的所述中空层的侧壁。
以下阐述上述实施例的技术效果：
在上述实施例中，本申请提供的铌酸锂薄膜波导，包括铌酸锂基座、设于所述铌酸锂基座上的二氧化硅层、及设于所述二氧化硅层上的铌酸锂波导部；所述铌酸锂波导部下方形成中空层；所述铌酸锂基座的上表面形成所述中空层的底壁，所述铌酸锂波导部的下表面形成所述中空层的顶壁。利用湿法腐蚀技术，可以将LNOI波导下方的二氧化硅衬底腐蚀掉，形成空气层，这样避免了二氧化硅和LN直接接触，LNOI波导中泄露的能量存在于空气中，不与二氧化硅直接接触，这样就避免了中红外光的能量在二氧化硅中被吸收。
此外，为解决上述技术问题，本申请还提供一种铌酸锂薄膜波导，包括铌酸锂基座、设于所述铌酸锂基座上的二氧化硅层；所述二氧化硅层上设有BCB衬底层，所述BCB衬底层上设有铌酸锂波导部。
以下阐述上述实施例的技术效果：
在上述实施例中，本申请提供的铌酸锂薄膜波导，包括铌酸锂基座、设于所述铌酸锂基座上的二氧化硅层；所述二氧化硅层上设有BCB衬底层，所述BCB衬底层上设有铌酸锂波导部。
避免二氧化硅对中红外吸收的另一种办法是采用非二氧化硅材料的衬底结构，可以采用衬底转移的方法来制备。例如，可以采用Benzocyclobuten(BCB)衬底。利用在二氧化硅和LN薄膜之间加入一层BCB材料，使二氧化硅不和LN直接接触，这样LNOI波导中泄露的能量存在于对中红外吸收非常微弱的BCB材料中，这样就避免了中红外光的能量在二氧化硅中被吸收。
LNOI是无法直接在SiO2或BCB等衬底材料上直接生长得到的。它的常规制备工艺利用的是衬底转移技术，通常使用SiO2材料作为衬底，这种材料和LN直接有着较好的键合和剥离能力。
再者，为解决上述技术问题，本申请提供一种铌酸锂薄膜波导的制备方法，包括：
在包括铌酸锂基座和二氧化硅层的硅晶圆上的设置BCB衬底；
用另一个第一铌酸锂薄膜波导与所述BCB衬底键合；所述第一铌酸锂薄膜波导包括第一铌酸锂基座、设于所述第一铌酸锂基座上的第一二氧化硅层、及设于第一二氧化硅层上的第一铌酸锂薄膜波导部；用所述第一铌酸锂薄膜波导部与所述BCB衬底键合；
去除所述第一铌酸锂基座和所述第一二氧化硅层。
可选，所述在包括铌酸锂基座和二氧化硅层的硅晶圆上的设置BCB衬底的步骤，包括：
通过旋涂方法在所述二氧化硅层上设置BCB衬底。
可选的，所述去除所述第一铌酸锂基座和所述第一二氧化硅层的步骤，包括：
通过机械抛光或干法刻蚀去除所述第一铌酸锂基座和所述第一二氧化硅层。
以下阐述上述实施例的技术效果：
在上述实施例中，该制备方法包括衬底准备、键合、机械抛光和干法刻蚀、及成品等四个步骤，先在硅晶圆上产生非二氧化硅材料的衬底(对于BCB材料旋涂既可)，再将LNOI和衬底进行键合，然后将LNOI的原衬底利用机械抛光和干法刻蚀等方法去除，最后得到BCB衬底的LNOI。
最后，为解决上述技术问题，本申请还提供一种基于铌酸锂薄膜波导的光参量振荡器装置，通过制备片上中红外光参量振荡器(OPO)，将近红外的激光转化成中红外激光；波导有布拉格光栅、环形光栅、环光栅等实现形式，以提高需要波段的中红外光源的透过率；利用湿法腐蚀技术，可以将LNOI波导下方的二氧化硅衬底腐蚀掉，形成空气层，这样避免了二氧化硅和LN直接接触，以减少LNOI波导中的中红外光的吸收；或者采用非二氧化硅材料的衬底结构，可以采用衬底转移的方法来制备：利用在二氧化硅和LN薄膜之间加入一层BCB材料，使二氧化硅不和LN直接接触，以减少LNOI波导中的中红外光的吸收。
以下阐述上述实施例的技术效果：
本发明可以解决低功耗、集成化、芯片化的中红外(MIR)光源的产生。本发明基于铌酸锂薄膜波导技术，通过制备片上中红外光参量振荡器(OPO)，将近红外的激光转化成中红外激光，与现有光参量振荡器相比，具有体积小、阈值低、效率高等特点。片上OPO微腔可以采用法布里-帕罗(FP)微腔、微环腔等实现形式。
附图说明
图1为现有技术中一种铌酸锂薄膜波导的结构示意图；
图2为本申请一种实施例中一种铌酸锂薄膜波导的结构示意图；
图3为本申请另一种实施例中一种铌酸锂薄膜波导的结构示意图；
图4为图3中的铌酸锂薄膜波导的制备方法流程图；
图5为光参量振荡器装置的原理图；
图6为本申请第一种实施例中基于铌酸锂波导的光参量振荡器装置的结构示意图；
图7为本申请第二种实施例中基于铌酸锂波导的光参量振荡器装置的结构示意图；
图8为本申请第三种实施例中基于铌酸锂波导的光参量振荡器装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。
需要说明的是，在本申请中(包括说明书附图中的标注)，LNOI、LN、PP、PPLN、PPLNOI等均是指的铌酸锂薄膜波导。在说明书附图中，LN/Si指的铌酸锂基座、SiO2指的二氧化硅,Air指的是中空层，M1和M2指的是两个共振腔。
请参考图2，图2为本申请一种实施例中一种铌酸锂薄膜波导的结构示意图。
在本申请一种示例中，如图2所示，一种铌酸锂薄膜波导，包括铌酸锂基座、设于所述铌酸锂基座上的二氧化硅层、及设于所述二氧化硅层上的铌酸锂波导部；所述铌酸锂波导部下方形成中空层；所述铌酸锂基座的上表面形成所述中空层的底壁，所述铌酸锂波导部的下表面形成所述中空层的顶壁。
在上述实施例中，本申请提供的铌酸锂薄膜波导，包括铌酸锂基座、设于所述铌酸锂基座上的二氧化硅层、及设于所述二氧化硅层上的铌酸锂波导部；所述铌酸锂波导部下方形成中空层；所述铌酸锂基座的上表面形成所述中空层的底壁，所述铌酸锂波导部的下表面形成所述中空层的顶壁。利用湿法腐蚀技术，可以将LNOI波导下方的二氧化硅衬底腐蚀掉，形成空气层，这样避免了二氧化硅和LN直接接触，LNOI波导中泄露的能量存在于空气中，不与二氧化硅直接接触，这样就避免了中红外光的能量在二氧化硅中被吸收。
具体的，如图2所示，所述二氧化硅层由所述中空层分隔为两部分；该两部分的二氧化硅层的侧面形成对应的所述中空层的侧壁。
此外，本申请还提供另一种实施例。具体的，请参考图3，图3为本申请另一种实施例中一种铌酸锂薄膜波导的结构示意图。
在该种实施例中，如图3所示，一种铌酸锂薄膜波导，包括铌酸锂基座、设于所述铌酸锂基座上的二氧化硅层；所述二氧化硅层上设有BCB衬底层，所述BCB衬底层上设有铌酸锂波导部。
在上述实施例中，本申请提供的铌酸锂薄膜波导，包括铌酸锂基座、设于所述铌酸锂基座上的二氧化硅层；所述二氧化硅层上设有BCB衬底层，所述BCB衬底层上设有铌酸锂波导部。
避免二氧化硅对中红外吸收的另一种办法是采用非二氧化硅材料的衬底结构，可以采用衬底转移的方法来制备。例如，可以采用Benzocyclobuten(BCB)衬底。利用在二氧化硅和LN薄膜之间加入一层BCB材料，使二氧化硅不和LN直接接触，这样LNOI波导中泄露的能量存在于对中红外吸收非常微弱的BCB材料中，这样就避免了中红外光的能量在二氧化硅中被吸收。
再者，本申请还提供一种铌酸锂薄膜波导部的制备方法。具体的，请参考图4，图4为图3中的铌酸锂薄膜波导的制备方法流程图。
如图4所示，该制备方法包括在包括铌酸锂基座和二氧化硅层的硅晶圆上的设置BCB衬底；
用另一个第一铌酸锂薄膜波导与所述BCB衬底键合；所述第一铌酸锂薄膜波导包括第一铌酸锂基座、设于所述第一铌酸锂基座上的第一二氧化硅层、及设于第一二氧化硅层上的第一铌酸锂薄膜波导部；用所述第一铌酸锂薄膜波导部与所述BCB衬底键合；
去除所述第一铌酸锂基座和所述第一二氧化硅层。
在上述实施例中，该制备方法包括衬底准备、键合、机械抛光和干法刻蚀、及成品等四个步骤，先在硅晶圆上产生非二氧化硅材料的衬底(对于BCB材料旋涂既可)，再将LNOI和衬底进行键合，然后将LNOI的原衬底利用机械抛光和干法刻蚀等方法去除，最后得到BCB衬底的LNOI。
需要说明的是，BCB衬底材料仅是一种举例，并不限于BCB衬底材料，其他衬底材料也可以解决技术问题，实现发明目的。因而本申请提供了如下实施例：
一种铌酸锂薄膜波导，包括铌酸锂基座、设于所述铌酸锂基座上的二氧化硅层；所述二氧化硅层上设有衬底层，所述衬底层上设有铌酸锂波导部。需要说明的是，在该实施例中，对于衬底层没有限制，因而任意一种衬底材料都可以在本实施例的保护范围之内。
上述实施例的技术效果，与以BCB为衬底的实施例的技术效果相同，在此不再赘述。
具体的，与该种实施例相对应的制备方法实施例则为：
一种铌酸锂薄膜波导的制备方法，包括：
在包括铌酸锂基座和二氧化硅层的硅晶圆上的设置衬底层；
用另一个第一铌酸锂薄膜波导与所述衬底层键合；所述第一铌酸锂薄膜波导包括第一铌酸锂基座、设于所述第一铌酸锂基座上的第一二氧化硅层、及设于第一二氧化硅层上的第一铌酸锂薄膜波导部；用所述第一铌酸锂薄膜波导部与所述衬底层键合；
去除所述第一铌酸锂基座和所述第一二氧化硅层。
显然，在该制备方法中，对于衬底层的材料也没有限制，因而任一种衬底材料的制备方法均应该在本实施例的保护范围之内。
上述实施例的技术效果，与以BCB为衬底的制备方法的技术效果相同，在此不再赘述。
除了以上铌酸锂薄膜波导及其制备方法的实施例，本申请还提供一种基于铌酸锂薄膜波导的光参量振荡器装置，通过制备片上中红外光参量振荡器(OPO)，将近红外的激光转化成中红外激光；波导有布拉格光栅、环形光栅、环光栅等实现形式，以提高需要波段的中红外光源的透过率；利用湿法腐蚀技术，可以将LNOI波导下方的二氧化硅衬底腐蚀掉，形成空气层，这样避免了二氧化硅和LN直接接触，以减少LNOI波导中的中红外光的吸收；或者采用非二氧化硅材料的衬底结构，可以采用衬底转移的方法来制备：利用在二氧化硅和LN薄膜之间加入一层BCB材料，使二氧化硅不和LN直接接触，以减少LNOI波导中的中红外光的吸收。
具体的，请参考图5，图5为光参量振荡器装置的原理图。
如图5所示，基于光学参量放大效应，进一步增加光学反馈装置共振腔，把周期极化的铌酸锂薄膜波导(PPLNOI)放在其中，这就是本申请提供的“基于铌酸锂薄膜光参量振荡器装置(简称OPO)”。让泵浦光波(Pumpωp)、信号光波ωs及闲频光波ωi中的一个或多个光场多次往返通过PPLNOI，当入射泵浦光超过一定阈值，信号光波ωs和闲频光波ωi由于参量放大得到的增益大于它们在共振腔内的损耗时，便在共振腔内形成持续的激光振荡。我们基于成熟的衬底转移技术制成PPLNOI，具有非线性系数大，中红外有高透明度，能实现有效的相位匹配，光学均匀性好、物化性能稳定和易于加工，有较高的损伤阈值，温度敏感性低等优良特性。
本发明使用基于铌酸锂薄膜波导(PPLNOI)的光参量振荡器(OPO)，波导有布拉格光栅、环形光栅、环光栅等实现形式，以提高闲频光ωi的透过率——即需要波段的中红外光源。本发明提出了解决LNOI结构中二氧化硅衬底对于中红外光吸收的解决方法和相应技术路线。本发明提出的方法通用，在x-切，z-切的LNOI波导上都能够实现。
在本申请第一种光参量振荡器装置的实施例中，具体请参考图6，图6为本申请第一种实施例中基于铌酸锂波导的光参量振荡器装置的结构示意图。
如图6所示，该种OPO为布拉格光栅FP微腔OPO。
工作过程：图中的左右两个布拉格光栅在LNOI中起到了反射光波的作用。其功能可以分别类比光参量振荡器原理图中的共振腔M1和共振腔M1。这样信号光波在左右两个布拉格光栅往复振荡，就可以形成片上的OPO谐振腔。图中的PP代表的是铌酸锂薄膜波导。
在本申请第二种光参量振荡器装置的实施例中，具体请参考图7，图7为本申请第二种实施例中基于铌酸锂波导的光参量振荡器装置的结构示意图。
如图7所示，该种OPO为环境FP微腔OPO。
工作过程：图中的左右两个环镜结构使得光波绕环一周，又反方向打回PPLNOI结构中，这样左右两个环镜在LNOI中起到了反射光波的作用。其功能可以分别类比光参量振荡器原理图中的共振腔M1和共振腔M1。这样信号光波在左右两个布拉格光栅往复振荡，就可以形成片上的OPO谐振腔。图中的PP代表的是铌酸锂薄膜波导。
在本申请第三种光参量振荡器装置的实施例中，具体请参考图8，图8为本申请第三种实施例中基于铌酸锂波导的光参量振荡器装置的结构示意图。
如图8所示，该种OPO为微环腔OPO。
工作过程，图中的左侧微环腔使得光波在该结构中不断绕圈传播，又反方向打回PPLNOI结构中，这样左右两个环镜在LNOI中起到了反射光波的作用。其功能可以分别类比光参量振荡器原理图中的共振腔M1和共振腔M1。这样信号光波在左右两个布拉格光栅往复振荡，就可以形成片上的OPO谐振腔。图中的PPLN代表的是铌酸锂薄膜波导。
以下阐述本申请的技术效果：
OPO的阈值、转化效率和波导内相互作用的三个波长ωp，ωs和ωi的场强有关，
LNOI波导的截面积小，光场局域性强，场强大，OPO阈值低，转化效率高。
LNOI波导中的OPO利用的是LN的二阶非线性，二阶非线性大小远高于三阶非线性，且LN材料的二阶非线性强度比其他二阶非线性材料强，所以相互作用强，OPO阈值低，转化效率高。
PPLN晶体二阶非线性过程的极化周期：
要实现二阶非线性OPO过程，要满足如下的相位匹配条件：
kp-ks-ki-G＝O
其中
是对应波长的波矢。
则极化周期Λ为：
本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。
Claims (9)
1.一种铌酸锂薄膜波导，包括铌酸锂基座、设于所述铌酸锂基座上的二氧化硅层、及设于所述二氧化硅层上的铌酸锂波导部；其特征在于，
所述铌酸锂波导部下方形成中空层；
所述铌酸锂基座的上表面形成所述中空层的底壁，所述铌酸锂波导部的下表面形成所述中空层的顶壁。
2.如权利要求1所述的一种铌酸锂薄膜波导，其特征在于，所述二氧化硅层由所述中空层分隔为两部分；该两部分的二氧化硅层的侧面形成对应的所述中空层的侧壁。
3.一种铌酸锂薄膜波导，包括铌酸锂基座、设于所述铌酸锂基座上的二氧化硅层；其特征在于，所述二氧化硅层上设有BCB衬底层，所述BCB衬底层上设有铌酸锂波导部。
4.一种铌酸锂薄膜波导的制备方法，其特征在于，包括：
在包括铌酸锂基座和二氧化硅层的硅晶圆上的设置BCB衬底；
用另一个第一铌酸锂薄膜波导与所述BCB衬底键合；所述第一铌酸锂薄膜波导包括第一铌酸锂基座、设于所述第一铌酸锂基座上的第一二氧化硅层、及设于第一二氧化硅层上的第一铌酸锂薄膜波导部；用所述第一铌酸锂薄膜波导部与所述BCB衬底键合；
去除所述第一铌酸锂基座和所述第一二氧化硅层。
5.如权利要求1所述的一种铌酸锂薄膜波导的制备方法，其特征在于，所述在包括铌酸锂基座和二氧化硅层的硅晶圆上的设置BCB衬底的步骤，包括：
通过旋涂方法在所述二氧化硅层上设置BCB衬底。
6.如权利要求1所述的一种铌酸锂薄膜波导的制备方法，其特征在于，所述去除所述第一铌酸锂基座和所述第一二氧化硅层的步骤，包括：
通过机械抛光或干法刻蚀去除所述第一铌酸锂基座和所述第一二氧化硅层。
7.一种基于铌酸锂薄膜波导的光参量振荡器装置，通过制备片上中红外光参量振荡器(OPO)，将近红外的激光转化成中红外激光；波导有布拉格光栅、环形光栅、环光栅等实现形式，以提高需要波段的中红外光源的透过率；利用湿法腐蚀技术，可以将LNOI波导下方的二氧化硅衬底腐蚀掉，形成空气层，这样避免了二氧化硅和LN直接接触，以减少LNOI波导中的中红外光的吸收；或者采用非二氧化硅材料的衬底结构，可以采用衬底转移的方法来制备：利用在二氧化硅和LN薄膜之间加入一层BCB材料，使二氧化硅不和LN直接接触，以减少LNOI波导中的中红外光的吸收。
8.一种铌酸锂薄膜波导，包括铌酸锂基座、设于所述铌酸锂基座上的二氧化硅层；其特征在于，所述二氧化硅层上设有衬底层，所述衬底层上设有铌酸锂波导部。
9.一种铌酸锂薄膜波导的制备方法，其特征在于，包括：
在包括铌酸锂基座和二氧化硅层的硅晶圆上的设置衬底层；
用另一个第一铌酸锂薄膜波导与所述衬底层键合；所述第一铌酸锂薄膜波导包括第一铌酸锂基座、设于所述第一铌酸锂基座上的第一二氧化硅层、及设于第一二氧化硅层上的第一铌酸锂薄膜波导部；用所述第一铌酸锂薄膜波导部与所述衬底层键合；
去除所述第一铌酸锂基座和所述第一二氧化硅层。
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- 2020-04-03 CN CN202010260513.1A patent/CN112835142A/zh active Pending
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