CN113644542A - 基于掺铒铌酸锂薄膜的稳频和调频激光器及制备方法 - Google Patents

基于掺铒铌酸锂薄膜的稳频和调频激光器及制备方法 Download PDF

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Abstract

一种基于掺铒铌酸锂薄膜的稳频和调频激光器及制备方法，激光器包括掺铒铌酸锂薄膜、二氧化硅包层、衬底、第一锥形波导区、第一光栅区、第二光栅区、第二锥形波导区、第一电极对、第二电极对、泵浦激光器、第一隔离器、第一锥形光纤、第二锥形光纤、波分复用器、第二隔离器和控制电源。本发明采用绝缘体上掺铒铌酸锂薄膜作为基质材料，通过在掺铒铌酸锂上沉积氮化硅薄膜并制备第一锥形波导区、第一光栅区、第二光栅区、第二锥形波导区、第一电极对、第二电极对，实现对激光器频率的电控，即能在不同泵浦功率下实现激光器稳频输出，又能实现在给定泵浦功率下的激光器调频输出，具有广阔的应用前景。

Description

基于掺铒铌酸锂薄膜的稳频和调频激光器及制备方法
技术领域
本发明涉及激光器，特别是一种基于掺铒铌酸锂薄膜的稳频和调频激光器及制备方法。
背景技术
在光通讯波段的集成激光器是集成光子领域的研究热点，从半导体材料到掺铒波导，各种类型的激光器研究层出不穷。近期，掺铒铌酸锂薄膜因其兼顾了铒离子的增益特性和铌酸锂材料的电光特性，受到广泛关注。相比于III-V族半导体的增益介质，铒离子具有更长的上能级粒子寿命，因此可以实现片上低噪声光放大器和低噪声激光器。而铌酸锂薄膜通过将光场局限在一个亚微米尺度的模斑内，可以大幅增强原本铌酸锂晶体中的电光效应。目前已报导的掺铒铌酸锂薄膜的激光器主要基于微环或回音壁模式(WGM)，其原理是利用环形腔的频率选择特性，结合铒离子在1531nm附近的增益峰，实现对特定频率信号的增益，结合合理的波导设计，已经实现了1531nm附近单模单频激光器的输出。但已有的掺铒铌酸锂薄膜激光器有以下这些问题：
首先，激光器的环形谐振腔对泵浦激光器同样具有频率选择特性，由于工艺误差，无法精确控制泵浦激光器波长与环形腔的谐振频率相一致，导致泵浦激光器功率耦合进谐振腔的耦合效率无法保证。其次，由于掺铒铌酸锂薄膜波导中的热光效应和光折变效应，随着泵浦功率的增大，波导折射率会发生变化，导致谐振腔的谐振频率随之改变，激光器输出频率也相应变化，现有的工作并不能在不同泵浦功率下，保持激光器输出频率的稳定。最后，对一些需要产生快速频率扫描的应用场景，如面向激光雷达应用的调频连续波激光器，现有的环形腔的掺铒薄膜铌酸锂激光器也无法胜任，因为如果直接在环形腔上制作电极，虽然通过铌酸锂的电光效应，可以实现对折射率和谐振频率的调谐，但泵浦波长所在的谐振频率也会相应改变，导致耦合进谐振腔的泵浦功率也随之变化。
综述所述，需要在掺铒薄膜铌酸锂平台上设计一种新型激光器结构，使其能通过片上电极结合铌酸锂的电光特性对激光器输出频率进行调节和稳定，同时这种调节又不能影响泵浦功率的耦合，不但如此，还需要考虑薄膜铌酸锂因为制备工艺对器件性能的劣化。
此外，作为与本发明相关的几种对比技术，在此进行逐一描述和分析。
技术一：环形谐振腔的掺铒薄膜铌酸锂激光器(Li,“A single-frequencysingle-resonator laser on erbium-doped lithium niobate on insulator,”arXiv2106.11666,2021)，即上文中提到的技术。如上文分析，其泵浦功率耦合、泵浦功率改变下的频率稳定性、电控频率调谐性上都存在不足。
技术二：薄膜铌酸锂直接刻蚀制备的高速电光调制器(Wang,“Integratedlithium niobate electro-optic modulators operating at CMOS-compatiblevoltages,”Nature,Vol.562,101-104,2018)。通过对薄膜铌酸锂进行刻蚀，制备出脊型波导，并在波导两侧制作电极，实现高速电光调制。这种脊型波导的制备技术的局限在于：由于铌酸锂是一种十分难加工的晶体材料，虽然通过优化干法刻蚀工艺可以制备出较低损耗的铌酸锂直波导或弯曲波导，但如果要加工大面积的精细结构，如波导光栅，则十分困难。此外，薄膜铌酸锂脊型波导的侧壁通常有一个倾斜角度，如70度，对于波导光栅这种紧密排布的结构，光栅的间隙会随着侧壁而在靠下方的部分减小甚至相连，极大影响光栅的选频特性和传输损耗。
技术三：在掺铒铌酸锂薄膜上直接刻蚀波导和光栅(在先申请201911389509.9)，制备分布反馈布拉格光栅激光器。这个技术是技术二在掺铒铌酸锂薄膜中的具体应用，因此也保留了技术二在制备精细结构如波导光栅上的缺陷，即制备的光栅选频特性较差，传输损耗较高。
技术四：基于加载条的混合波导(Ahmed,“High-efficiency lithium niobatemodulator for K band operation,”APL Photonics,Vol.5,091302,2020)。通过在铌酸锂薄膜上沉积一层CMOS工艺友好的材料，如氮化硅或氧化硅，随后利用标准干法刻蚀工艺，对这层材料进行刻蚀，形成条形结构(称为加载条)，与下方未刻蚀的铌酸锂薄膜形成复合波导。这样既保留了铌酸锂薄膜的电光特性，又避免了对铌酸锂薄膜的刻蚀加工。利用这种方式，可以在加载条上刻蚀布拉格光栅，实现较好的选频特性和较低的传输损耗。加载条混合波导技术也是本发明采用的设计思路，但将会针对掺铒薄膜铌酸锂的特性进行优化设计。
技术五：基于钛扩散波导的掺铒铌酸锂激光器(Sohler,“Erbium-Doped LithiumNiobate Waveguide Lasers,”IEICE Trans.Eelectron.,Vol.E88–C,990-997,2005)。通过在掺铒铌酸锂晶体中制备钛扩散波导，并结合热固化光栅和电极等结构，实现片上激光器。但钛扩散形成的波导芯与周围无钛的铌酸锂的折射率差很小，一般只有10-3～10-4。而腔内的热效应和光折变效应对折射率的改变可以达到10-4～10-5，此时会显著改变模场分布，导致泵浦模斑与激光模斑交叠变差，影响输出功率，恶化输出模斑质量。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于掺铒铌酸锂薄膜的稳频和调频激光器及制备方法。本发明采用绝缘体上掺铒铌酸锂薄膜作为基质材料，通过在掺铒铌酸锂上沉积氮化硅薄膜并制备光栅、电极等结构，实现对激光器频率的电控，即能实现在不同泵浦功率下的激光器稳频输出，又能实现在给定泵浦功率下的激光器调频输出，具有广阔的应用前景。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于掺铒铌酸锂薄膜的稳频和调频激光器，其特点在于包括：
芯片，该芯片自下向上依次是衬底、二氧化硅包层和掺铒铌酸锂薄膜，在所述的掺铒铌酸锂薄膜上沉积有氮化硅薄膜，该氮化硅薄膜经过刻蚀后形成的具有一定宽度的条形结构称为加载条，该加载条与下方的掺铒铌酸锂薄膜构成复合波导；
所述的掺铒铌酸锂薄膜是x切y传，即掺铒铌酸锂薄膜的法线沿x轴，光信号传播方向沿y轴，晶轴是z轴；
所述的氮化硅薄膜从输入到输出，沿着铌酸锂晶体的y轴方向依次排列有第一锥形波导区、第一光栅区、第二光栅区和第二锥形波导区；
所述的第一锥形波导区是一段较窄宽度的直波导级联一段宽度逐渐增加的锥形波导，该直波导的宽度要求对泵浦光波长是单TE基模传输；
所述的第一光栅区由一段直波导、以及位于该直波导的两端且具有相同周期的光栅组成，形成信号光的谐振腔；
所述的第二光栅区包含一段布拉格光栅，用于将泵浦光反射回谐振腔；
所述的第二锥形波导区是一段宽度逐渐减小的锥形波导级联一段较窄宽度的直波导，该锥形波导的输入端宽度等于第二光栅区的最小宽度，锥形波导输出端的宽度确保在此波导宽度下，所述的复合波导在激光工作波段上只支持单TE模，直波导的宽度与锥形波导输出端的宽度相同；
在所述的第一光栅区和第二光栅区的两边，即z方向，分别有两条与光栅区平行的第一金属电极对和第二金属电极对。
所述的氮化硅薄膜的厚度不超过所述的掺铒铌酸锂薄膜厚度的四分之一，典型为100nm。
进一步，本发明还包括外围光学器件，具体的：泵浦激光器通过单模保偏光纤输出，经第一隔离器通过第一单模保偏锥形光纤与芯片上的第一锥形波导区中的直波导进行耦合，芯片上第二锥形波导区的输出直波导与第二单模保偏锥形光纤的输入端耦合，该第二单模保偏锥形光纤的输出端经波分复用器分为两路：一路输出是残余泵浦光，不作为系统输出，另一路输出是芯片上发出的激光，经过第二隔离器输出。
所述的第一金属电极对和第二金属电极对，通过金线键合的方式与片外的控制电源进行连接。
所述的第一光栅区的直波导的宽度等于第一光栅区光栅的最大宽度，且直波导的长度可变；当直波导长度等于一倍光栅周期时，第一光栅区即成为一个相移光栅，与下方的掺铒铌酸锂薄膜，构成一个分布反馈布拉格(DFB)激光器；当直波导长度大于一倍光栅周期时，第一光栅区即成为一个法布里-波罗腔，与下方的掺铒铌酸锂薄膜构成一个分布布拉格反射(DBR)激光器。
上述基于掺铒铌酸锂薄膜的稳频和调频激光器的制备方法，包括下列步骤：
步骤1.提供衬底，可以是硅、铌酸锂或其他材料，起支撑作用，厚度一般在几百微米；
步骤2.在所述的衬底的表面形成二氧化硅包层作为波导的下包层，该二氧化硅包层的厚度大于等于2微米；
步骤3.在所述的二氧化硅包层上制备掺铒铌酸锂薄膜，所述的掺铒铌酸锂薄膜的厚度为0.4～0.8微米，铌酸锂是x切，铒离子的掺杂浓度是0.5～1.5mol％；
步骤4.在所述的掺铒铌酸锂薄膜上利用低压化学气相沉积(LPCVD)工艺沉积氮化硅薄膜；氮化硅薄膜厚度不超过掺铒铌酸锂薄膜厚度的四分之一，典型值为100nm；
步骤5.利用干法刻蚀在所述的氮化硅薄膜上制备器件，器件从输入到输出依次是：第一锥形波导区、第一光栅区、第二光栅区和第二锥形波导区；所有器件的厚度都等于氮化硅薄膜的厚度，故只需一次干法刻蚀即可制备完成，器件的排列方向沿着铌酸锂晶体的y轴方向，使信号光可以在所述的氮化硅薄膜和掺铒铌酸锂薄膜构成的复合波导中沿着y轴方向传播，所述的掺铒铌酸锂薄膜的晶轴方向是z轴。
泵浦波长指在1475nm～1485nm之间的某个波长，激光器工作波长指1530nm～1625nm之间的某个波长；氮化硅薄膜经过刻蚀后，形成的具有一定宽度的条形结构称为加载条，氮化硅加载条与下方掺铒铌酸锂薄膜构成复合波导，单横电(TE)模指上述复合波导中只支持基模的TE模，不支持其他高级模式；
氮化硅薄膜上的第一锥形波导区是一段较窄宽度的直波导级联一段宽度逐渐增加的锥形波导，直波导宽度要求对泵浦光波长是单TE基模传输，典型宽度是1微米，直波导的作用是模式滤波，确保从外部耦合进波导的泵浦光是单TE模，长度典型值是100微米，直波导后级联的锥形波导起到绝热模斑展宽的功能，其与直波导相连处具有与直波导相同的波导宽度，随后宽度沿y轴方向逐渐增加，锥形波导另一端的典型宽度是3微米，锥形波导的长度要求泵浦光的基模TE模斑在其中是绝热演化，即当泵浦光传播到锥形波导较宽的一端时，波导中仍然只有基模TE，而没有激发出高阶模式，长度典型值是500微米；
第一锥形波导区后是第一光栅区，包含两段具有相同周期的布拉格光栅，光栅通过在氮化硅薄膜侧壁刻蚀周期性的结构来实现，即周期性的改变波导光栅的宽度，光栅对应的基模TE模式的反射波长是激光器的工作波长，光栅的最小波导宽度与相连的锥形波导的最大宽度相同，光栅的最大波导宽度不超过其最小波导宽度的1.1倍，确保光栅引入的宽度变化对其中传播的光场是一种弱扰动，降低传输损耗。两段光栅的长度相同，并确保单个光栅在其谐振频率上对光信号的反射大于90％，典型值为单个光栅长度大于1mm，两段光栅中间有一段直波导，直波导的宽度等于光栅的最大宽度，直波导的长度可变：
当直波导长度等于一倍光栅周期时，第一光栅区即成为一个相移光栅，结合下方的掺铒铌酸锂薄膜，构成一个分布反馈布拉格(DFB)激光器；当直波导长度大于一倍光栅周期时，第一光栅区即成为一个法布里-波罗腔，与下方的掺铒铌酸锂薄膜构成一个分布布拉格反射(DBR)激光器；
第一光栅区后是第二光栅区，包含有一段布拉格光栅，光栅通过在氮化硅薄膜侧壁刻蚀周期性的结构来实现，即周期性的改变波导光栅的宽度。光栅对应的基模TE模式的反射波长等于泵浦波长，光栅的最小、最大波导宽度与第一光栅反射区中的光栅最小、最大宽度相同。光栅的长度应确保对泵浦波长的反射率大于90％，典型长度是1mm。第二光栅区的作用是将残余的泵浦光反射回激光器谐振腔(即第一光栅区)，提升泵浦效率；
第二光栅区后是第二锥形波导区，包含一个宽度逐渐减小的锥形波导和一段宽度较小的直波导，锥形波导的输入端宽度等于第二反射区中光栅的最小宽度，锥形波导的输出端宽度应确保在此波导宽度下，氮化硅加载条与掺铒铌酸锂薄膜构成的复合波导在激光工作波段上只支持单TE模，典型值是1微米。锥形波导的长度要求激光的基模TE模斑在其中是绝热演化，即当激光传播到锥形波导较窄的一端时，波导中只有基模TE，且没有激发出高阶模式并产生损耗，长度典型值是500微米。直波导的宽度与锥形波导输出端的宽度相同；
在第一光栅区和第二光栅区的两侧，分别有两条与光栅区平行的第一金属电极对和第二金属电极对，金属电极通过标准的剥离(Lift-off)工艺制备，材料是金、铜或其他具有较高电导率的金属，金属电极与光栅的最小间距应确保金属电极不会对光栅内的泵浦光和激光产生额外吸收损耗，最小间距的典型值是4微米，金属电极上应有一块宽度较大的区域用以与外部控制电源进行金线键合；
泵浦激光器通过单模保偏光纤输出，经过工作在泵浦激光波长上的第一隔离器，随后通过第一单模保偏锥形光纤，与芯片上的第一锥形波导区中的直波导进行耦合，通过调节锥形光纤与直波导的相对位置和角度，确保光纤中的单模泵浦光耦合到波导内的基模TE模式；
芯片上第二锥形波导区的输出直波导与第二锥形光纤耦合，通过调节直波导与锥形光纤的相对位置和角度，确保直波导中的基模TE模式耦合到光纤中的单模，锥形光纤经过一个1480/1550波分复用器，该波分复用器工作波长包含泵浦波长和激光器工作波长，波分复用器的一路输出是残余泵浦光，不作为系统输出，另一路输出是芯片上发出的激光，经过第二隔离器后，通过单模光纤输出。
芯片上第一光栅区和第二光栅区两侧的第一电极对和第二电极对，通过金线键合的方式与片外的控制电源进行连接。
本发明的工作原理是：泵浦激光通过锥形光纤耦合到片上的基模TE模式。芯片最前端的直波导确保不会激发出其他高阶模式。随后泵浦光通过锥形波导将模斑横向绝热展宽，且不激发出高阶模式，随后输入到第一光栅区形成增益。第一光栅区是激光器的谐振腔，虽然其波导宽度较宽，支持除基模TE之外的高阶模式，但由于激光器工作波长上的基模TE模式与泵浦波长的基模TE模式模斑匹配最好，具有最大的交叠面积，因此能够获得最大增益，从而相比于其他高阶模式在增益竞争中胜出，成为唯一的激光器振荡模式。在激光器的工作区域选择较宽的多模波导的好处是可以增大模斑横截面积，容纳更多泵浦功率，提升激光器输出功率，其次还能减小基模TE模斑与粗糙氮化硅加载条侧壁的交叠，减小损耗，提升谐振腔的品质因子，减小激光器输出线宽。而较小的加载条厚度使得模斑的大部分能量仍然集中在掺铒铌酸锂薄膜中，从而能够在较短的长度上就获得较大的增益。第二光栅区将残余的泵浦光发射回激光器谐振腔(即第一光栅区)，可以提升泵浦光的利用率，提升泵浦效率。而泵浦激光器后接的隔离器可以避免反射回的后向残余泵浦光进入泵浦激光器造成干扰。从第一光栅区输出的激光经过第二光栅区后进入第二锥形波导区，首先通过一段锥形波导进行模斑的绝热压缩，将模斑横向宽度变窄，在进入单模直波导与第二锥形光纤耦合输出。第二锥形波导区的目的是将长宽比很大的激光模斑变成长宽比较小的激光模斑，与锥形光纤的圆形模斑相匹配，减小耦合损耗。锥形光纤随后经过1480/1550模分复用器，进一步将残余泵浦光滤除，并通过隔离器将激光输出。通过在第一光栅区和第二光栅区的两对电极上施加电压，可以产生沿z轴方向的电场，与铌酸锂薄膜的晶轴方向一致，具有最强的电光效应，从而改变第一光栅区和第二光栅区中光栅的折射率，实现对光栅谐振频率的微调，调节的频率范围相对于光栅原始的谐振频率的比值可以达到10-4，可以补偿因热光效应和光折变效应导致的激光器输出频率变化和泵浦频率与第二光栅区光栅谐振频率的失配(典型的相对频率变化量是10-5)。而当泵浦功率一定时，可以在第一光栅区的电极上施加调制电压，实现对激光器输出频率的快速调谐。频率的调谐范围相对于原始输出频率的比值也是10-4。
同现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、本发明采用掺铒铌酸锂薄膜与氮化硅加载条构成的复合波导，即保留了掺铒铌酸锂薄膜的增益特性和电光特性，又避免了在掺铒铌酸锂薄膜上直接加工会引入高损耗的精细光栅结构。同时，通过采用较薄的加载条，使得光场大部分仍然在掺铒铌酸锂薄膜中，确保在较短长度上就能获得较大增益。进一步的，采用较宽的多模波导构成谐振腔配合模斑的绝热展宽和压缩，最大限度的降低腔内损耗，提升腔内功率，获得具有较高功率、较窄线宽的激光输出。最后，通过在第一光栅区和第二光栅区两侧制作控制电极，可以实时控制两个区域的光栅谐振波长，既可实时补偿光栅谐振波长的漂移，又可以人为引入光栅谐振波长偏移，实现对输出激光波长的控制，在相干光通信中的稳频激光器和激光雷达中的调频连续波激光器上都具有重要的应用前景。
2、相比于对比技术一(环形谐振腔的掺铒薄膜铌酸锂激光器)，本发明实现了对激光波长和泵浦波长的单独控制，可以通过第一、第二光栅区的两对电极，分开实现对激光波长的调谐和对泵浦波长的补偿。
3、相比于技术二(薄膜铌酸锂直接刻蚀制备的高速电光调制器)和技术三(在掺铒铌酸锂薄膜上直接刻蚀波导和光栅制作激光器)，本发明避免了对铌酸锂薄膜进行直接刻蚀，从而避免了在铌酸锂薄膜上加工高损耗的波导光栅。采用的氮化硅加载条对CMOS加工十分友好，可制备出低损耗光栅，且不需要如抛光、湿法刻蚀等后续再加工。
4、相比于对比技术四(加载条混合波导)，本发明通过对加载条厚度进行限制，确保大部分模斑仍然位于掺铒铌酸锂薄膜中，从而使得光信号能够在较短的波导长度上获得较大的增益。不但如此，本发明还设计了多模波导谐振腔，并结合锥形波导进行模斑缩放，最大程度减小谐振腔内损耗并提升腔内功率功率，获得具有较高功率和较窄线宽的激光输出，并与输出锥形光纤之间具有较小的耦合损耗。
5、相比于对比技术五(基于钛扩散波导的掺铒铌酸锂激光器)，本发明由氮化硅加载条和掺铒铌酸锂薄膜构成的复合波导，波导芯(折射率约2.0)与包层(二氧化硅折射率约1.5，空气折射率1)的折射率差达到0.5以上。因此，由热光效应和光折变效应引入的微小折射率改变，几乎不会对波导内的模斑分布产生影响，从而确保了泵浦模斑与激光模斑的有效交叠和输出激光的模斑质量。
附图说明
图1是本发明基于掺铒铌酸锂薄膜的稳频和调频激光器的示意图。
图中：1-掺铒铌酸锂薄膜，2-二氧化硅包层，3-衬底，4-第一锥形波导区，5-第一光栅区，6-第二光栅区，7-第二锥形波导区，8-第一电极对，9-第二电极对，10-泵浦激光器，11-第一隔离器，12-第一锥形光纤，13-第二锥形光纤，14-波分复用器，15-第二隔离器，16-控制电源。
图2是本发明中掺铒铌酸锂薄膜和氮化硅加载条构成的复合波导中的典型模斑分布，其中，a和b为泵浦波长在加载条尺寸为100nm×1μm和100nm×3μm时的模斑分布，c和d为激光波长在加载条尺寸为100nm×1μm和100nm×3μm时的模斑分布。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。本发明的实施方式包括但是不限于以下实施例。
先请参阅图1，图1是本发明基于掺铒铌酸锂薄膜的稳频和调频激光器的示意图，如图所示，一种基于掺铒铌酸锂薄膜的稳频和调频激光器，包括：芯片，该芯片自下向上依次是衬底3、二氧化硅包层2和掺铒铌酸锂薄膜1，在所述的掺铒铌酸锂薄膜1上沉积有氮化硅薄膜，该氮化硅薄膜经过刻蚀后形成的具有一定宽度的条形结构称为加载条，该加载条与下方的掺铒铌酸锂薄膜1构成复合波导；所述的氮化硅薄膜从输入到输出，沿着铌酸锂晶体的y轴方向依次排列有第一锥形波导区4、第一光栅区5、第二光栅区6和第二锥形波导区7。
所述的第一光栅区5由一段直波导、以及位于该直波导的两端且具有相同周期的光栅组成，形成信号光的谐振腔；该直波导的宽度等于光栅的最大宽度，直波导的长度可变，当直波导长度等于一倍光栅周期时，第一光栅区即成为一个相移光栅，结合下方的掺铒铌酸锂薄膜，构成一个分布反馈布拉格(DFB)激光器。当直波导长度大于一倍光栅周期时，第一光栅区即成为一个法布里-波罗腔，与下方的掺铒铌酸锂薄膜构成一个分布布拉格反射(DBR)激光器。所述的第一锥形波导区4是一段较窄宽度的直波导级联一段宽度逐渐增加的锥形波导，直波导的宽度要求对泵浦光波长是单TE基模传输。所述的第二光栅区6为一段布拉格光栅，用于将泵浦光反射回谐振腔；所述的第二锥形波导区7包含一个宽度逐渐减小的锥形波导和一段宽度较小的直波导，锥形波导的输入端宽度等于第二光栅区的最小宽度，锥形波导输出端的宽度应确保在此波导宽度下，氮化硅加载条与掺铒铌酸锂薄膜1构成的复合波导在激光工作波段上只支持单TE模，直波导的宽度与锥形波导输出端的宽度相同；在所述的第一光栅区5和第二光栅区6的两边即z方向，分别有两条与光栅区平行的第一金属电极对8和第二金属电极对9。
泵浦激光器1通过单模保偏光纤输出，经第一隔离器2通过第一单模保偏锥形光纤12与芯片上的第一锥形波导区4中的直波导进行耦合，芯片上第二锥形波导区7的输出直波导与第二单模保偏锥形光纤13的输入端耦合，该第二单模保偏锥形光纤13的输出端经波分复用器14分为两路：一路输出是残余泵浦光，不作为系统输出，另一路输出是芯片上发出的激光，经过第二隔离器15输出。
所述的第一金属电极对8和第二金属电极对9，通过金线键合的方式与片外的控制电源16进行连接。
基于掺铒铌酸锂薄膜的稳频和调频激光器的制备方法，包括下列步骤：
1)选用绝缘体上掺铒铌酸锂薄膜1作为基质材料，芯片自上向下依次是衬底3、二氧化硅包层2和掺铒铌酸锂薄膜1，所述的掺铒铌酸锂薄膜1的厚度为0.4～0.8微米，铌酸锂是x切，铒离子的掺杂浓度是0.5～1.5mol％；所述的二氧化硅包层2，厚度大于2微米，作为波导的下包层；所述的衬底3的材料，可以是硅、铌酸锂或其他材料，起支撑作用，厚度一般在几百微米；
2)在基质材料上利用低压化学气相沉积(LPCVD)工艺沉积氮化硅薄膜，薄膜厚度不超过掺铒铌酸锂薄膜厚度的四分之一，典型值为100nm；
3)利用干法刻蚀在氮化硅薄膜上制备器件，器件从输入到输出依次是：第一锥形波导区4、第一光栅区5、第二光栅区6、第二锥形波导区7，所有器件的厚度都等于氮化硅薄膜的厚度，故只需一次干法刻蚀即可制备完成，器件的排列方向沿着铌酸锂晶体的y轴方向，信号光在氮化硅、掺铒铌酸锂薄膜构成的复合波导中沿着y轴方向传播，掺铒铌酸锂薄膜的晶轴方向是z轴；
4)泵浦波长指在1475nm～1485nm之间的某个波长，激光器工作波长指1530nm～1625nm之间的某个波长；氮化硅薄膜经过刻蚀后，形成的具有一定宽度的条形结构称为加载条，氮化硅加载条与下方掺铒铌酸锂薄膜构成复合波导，单横电(TE)模指上述复合波导中只支持基模的TE模，不支持其他高级模式；
5)氮化硅薄膜上的第一锥形波导区4是一段较窄宽度的直波导级联一段宽度逐渐增加的锥形波导，直波导宽度要求对泵浦光波长是单TE基模传输，典型宽度是1微米，直波导的作用是模式滤波，确保从外部耦合进波导的泵浦光是单TE模，长度典型值是100微米，直波导后级联的锥形波导起到绝热模斑展宽的功能，其与直波导相连处具有与直波导相同的波导宽度，随后宽度沿y轴方向逐渐增加，锥形波导另一端的典型宽度是3微米，锥形波导的长度要求泵浦光的基模TE模斑在其中是绝热演化，即当泵浦光传播到锥形波导较宽的一端时，波导中仍然只有基模TE，而没有激发出高阶模式，长度典型值是500微米；
6)第一锥形波导区4后是第一光栅区5，包含两段具有相同周期的布拉格光栅，光栅通过在氮化硅薄膜侧壁刻蚀周期性的结构来实现，即周期性的改变波导光栅的宽度，光栅对应的基模TE模式的反射波长是激光器的工作波长，光栅的最小波导宽度与相连的锥形波导的最大宽度相同，光栅的最大波导宽度不超过其最小波导宽度的1.1倍，确保光栅引入的宽度变化对其中传播的光场是一种弱扰动，降低传输损耗。两段光栅的长度相同，并确保单个光栅在其谐振频率上对光信号的反射大于90％，典型值为单个光栅长度大于1mm，两段光栅中间有一段直波导，直波导的宽度等于光栅的最大宽度，直波导的长度可变：
当直波导长度等于一倍光栅周期时，第一光栅反射区即成为一个相移光栅，结合下方的掺铒铌酸锂薄膜，构成一个分布反馈布拉格(DFB)激光器；当直波导长度大于一倍光栅周期时，第一光栅反射区即成为一个法布里-波罗腔，与下方的掺铒铌酸锂薄膜构成一个分布布拉格反射(DBR)激光器；
7)第一光栅区5后是第二光栅区6，包含有一段布拉格光栅，光栅通过在氮化硅薄膜侧壁刻蚀周期性的结构来实现，即周期性的改变波导光栅的宽度，光栅对应的基模TE模式的反射波长等于泵浦波长，光栅的最小、最大波导宽度与第一光栅反射区中的光栅最小、最大宽度相同，第二光栅反射区的作用是将残余的泵浦光反射回激光器谐振腔(即第一光栅区)，提升泵浦效率；
8)第二光栅区6后是第二锥形波导区7，包含一个宽度逐渐减小的锥形波导和一段宽度较小的直波导，锥形波导的输入端宽度等于第二反射区中光栅的最小宽度，锥形波导的输出端宽度应确保在此波导宽度下，氮化硅加载条与掺铒铌酸锂薄膜构成的复合波导在激光工作波段上只支持单TE模，典型值是1微米。直波导的宽度与锥形波导输出端的宽度相同；
9)在第一光栅区5和第二光栅区6的两侧，分别有两条与光栅区平行的第一金属电极对8和第二金属电极对9，金属电极通过标准的剥离(Lift-off)工艺制备，材料是金、铜或其他具有较高电导率的金属，金属电极与光栅的最小间距应确保金属电极不会对光栅内的泵浦光和激光产生额外吸收损耗，最小间距的典型值是4微米，金属电极上应有一块宽度较大的区域用以与外部控制电源进行金线键合；
10)除了上述的芯片上器件外，本发明还包括外围光学器件和连接：泵浦激光器1通过单模保偏光纤输出，经过工作在泵浦激光波长上的第一隔离器2，随后通过第一单模保偏锥形光纤12，与芯片上的第一锥形波导区4中的直波导进行耦合，通过调节锥形光纤与直波导的相对位置和角度，确保光纤中的单模泵浦光耦合到波导内的基模TE模式；
11)芯片上第二锥形波导区7的输出直波导与第二锥形光纤13耦合，通过调节直波导与锥形光纤的相对位置和角度，确保直波导中的基模TE模式耦合到光纤中的单模，锥形光纤经过一个1480/1550波分复用器14，该波分复用器14工作波长包含泵浦波长和激光器工作波长，波分复用器的一路输出是残余泵浦光，不作为系统输出，另一路输出是芯片上发出的激光，经过第二隔离器15后，通过单模光纤输出。
12)芯片上第一光栅区和第二光栅区两侧的第一电极对8和第二电极对9，通过金线键合的方式与片外的控制电源16进行连接。
实施例
优选实施例中，掺铒铌酸锂薄膜厚度0.6微米，二氧化硅包层厚度2微米，衬底硅材料厚度400微米。氮化硅薄膜厚度100nm。第一锥形波导区和第二锥形波导区具有相同参数，直波导宽度1微米，长度100微米，锥形波导最小宽度1微米，最大宽度3微米，长度500微米。金属电极与光栅的最小间距4微米。1480nm，激光波长和第一光栅区的谐振波长都是1531nm，泵浦波长和第二光栅区的谐振波长都是1480nm。
图1给出了本发明的结构示意图，图2给出了在上述优选实施例的参数下，泵浦波长和激光波长在复合波导内的基模TE模斑分布，其中加载条的横截面尺寸分别是100nm×1μm和100nm×3μm。
以上对本发明的一个优选实施例进行了详细说明，但并不用于限定本发明的实施范围。凡在本发明申请范围所作的修改、均等变化及改进等，都应仍包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种基于掺铒铌酸锂薄膜的稳频和调频激光器，其特征在于包括：
芯片，该芯片自下向上依次是衬底(3)、二氧化硅包层(2)和掺铒铌酸锂薄膜(1)，在所述的掺铒铌酸锂薄膜(1)上沉积有氮化硅薄膜，该氮化硅薄膜经过刻蚀后形成的具有一定宽度的条形结构称为加载条，该加载条与下方的掺铒铌酸锂薄膜(1)构成复合波导；
所述的氮化硅薄膜从输入到输出，沿着铌酸锂晶体的y轴方向依次排列有第一锥形波导区(4)、第一光栅区(5)、第二光栅区(6)和第二锥形波导区(7)；
所述的第一锥形波导区(4)是一段较窄宽度的直波导级联一段宽度逐渐增加的锥形波导，该直波导的宽度要求对泵浦光波长是单TE基模传输；
所述的第一光栅区(5)由一段直波导、以及位于该直波导的两端且具有相同周期的光栅组成，形成信号光的谐振腔；
所述的第二光栅区(6)为一段布拉格光栅，用于将泵浦光反射回谐振腔；
所述的第二锥形波导区(7)是一段宽度逐渐减小的锥形波导级联一段较窄宽度的直波导，该锥形波导的输入端宽度等于第二光栅区(6)的最小宽度，锥形波导输出端的宽度确保在此波导宽度下，所述的复合波导在激光工作波段上只支持单TE模，直波导的宽度与锥形波导输出端的宽度相同；
在所述的第一光栅区(5)和第二光栅区(6)的两边，即z方向，分别有两条与光栅区平行的第一金属电极对(8)和第二金属电极对(9)。
2.根据权利要求1所述的基于掺铒铌酸锂薄膜的稳频和调频激光器，其特征在于，所述的掺铒铌酸锂薄膜是x切y传，即掺铒铌酸锂薄膜的法线沿x轴，光信号传播方向沿y轴，晶轴是z轴。
3.根据权利要求1所述的基于掺铒铌酸锂薄膜的稳频和调频激光器，其特征在于，所述的氮化硅薄膜的厚度不超过所述的掺铒铌酸锂薄膜(1)厚度的四分之一。
4.根据权利要求1-3任一所述的基于掺铒铌酸锂薄膜的稳频和调频激光器，其特征在于，所述的氮化硅薄膜的厚度为100nm。
5.根据权利要求1所述的基于掺铒铌酸锂薄膜的稳频和调频激光器，其特征在于，泵浦激光器(10)通过单模保偏光纤输出，经第一隔离器(2)通过第一单模保偏锥形光纤(12)与芯片上的第一锥形波导区(4)中的直波导进行耦合，芯片上第二锥形波导区(7)的输出直波导与第二单模保偏锥形光纤(13)的输入端耦合，该第二单模保偏锥形光纤(13)的输出端经波分复用器(14)分为两路：一路输出是残余泵浦光，不作为系统输出，另一路输出是芯片上发出的激光，经过第二隔离器(15)输出。
6.根据权利要求1所述的于掺铒铌酸锂薄膜的稳频和调频激光器，其特征在于，所述的第一金属电极对(8)和第二金属电极对(9)，通过金线键合的方式与片外的控制电源(16)进行连接。
7.根据权利要求1所述的基于掺铒铌酸锂薄膜的稳频和调频激光器，其特征在于，所述的第一光栅区(5)的直波导的宽度等于第一光栅区(5)光栅的最大宽度，且直波导的长度可变：当直波导长度等于一倍光栅周期时，第一光栅区(5)即成为一个相移光栅，与下方的掺铒铌酸锂薄膜(1)构成一个分布反馈布拉格(DFB)激光器；当直波导长度大于一倍光栅周期时，第一光栅区(5)即成为一个法布里-波罗腔，与下方的掺铒铌酸锂薄膜(1)构成一个分布布拉格反射(DBR)激光器。
8.一种基于掺铒铌酸锂薄膜的稳频和调频激光器芯片的制备方法，其特征在于该方法包括下列步骤：
步骤1.提供衬底(3)；
步骤2.在所述的衬底(3)的表面形成二氧化硅包层(2)作为波导的下包层；
步骤3.在所述的二氧化硅包层(2)上制备掺铒铌酸锂薄膜(1)，铌酸锂是x切，铒离子的掺杂浓度是0.5～1.5mol％；
步骤4.在所述的掺铒铌酸锂薄膜(1)上利用低压化学气相沉积(LPCVD)工艺沉积氮化硅薄膜；
步骤5.利用干法刻蚀在所述的氮化硅薄膜上制备器件，器件从输入到输出依次是：第一锥形波导区(4)、第一光栅区(5)、第二光栅区(6)和第二锥形波导区(7)；器件的排列方向沿着铌酸锂晶体的y轴方向，使信号光可以在所述的氮化硅薄膜和掺铒铌酸锂薄膜构成的复合波导中沿着y轴方向传播，所述的掺铒铌酸锂薄膜的晶轴方向是z轴。
9.根据权利要求8所述的基于掺铒铌酸锂薄膜的稳频和调频激光器芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤1中所述的衬底(3)的材料，是硅、铌酸锂或其他材料，起支撑作用，厚度在几百微米。
10.根据权利要求8所述的基于掺铒铌酸锂薄膜的稳频和调频激光器芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤3中所述的掺铒铌酸锂薄膜(1)的厚度为0.4～0.8微米，所述的二氧化硅包层(2)厚度大于2微米。
11.根据权利要求8所述的基于掺铒铌酸锂薄膜的稳频和调频激光器芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤5中所有器件的厚度都等于所述的氮化硅薄膜的厚度。
12.根据权利要求8所述的基于掺铒铌酸锂薄膜的稳频和调频激光器芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤5中所述的氮化硅薄膜经过刻蚀后，形成的具有一定宽度的条形结构称为氮化硅加载条，该氮化硅加载条与下方掺铒铌酸锂薄膜构成复合波导。
13.根据权利要求8所述的基于掺铒铌酸锂薄膜的稳频和调频激光器芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤5中所述的第一光栅区(5)后是第二光栅区(6)，该第二光栅区(6)为一段布拉格光栅，通过在氮化硅薄膜侧壁刻蚀周期性的结构来实现，即周期性的改变波导光栅的宽度，光栅对应的基模TE模式的反射波长等于泵浦波长，光栅的最小、最大波导宽度与第一光栅区中的光栅最小、最大宽度相同，第二光栅区的作用是将残余的泵浦光反射回激光器谐振腔，即第一光栅区，提升泵浦效率；
所述的第二光栅区(6)后是第二锥形波导区(7)，该第二锥形波导区(7)包含一个宽度逐渐减小的锥形波导和一段宽度较小的直波导，锥形波导的输入端宽度等于第二反射区中光栅的最小宽度，锥形波导的输出端宽度应确保在此波导宽度下，氮化硅加载条与掺铒铌酸锂薄膜构成的复合波导在激光工作波段上只支持单TE模，典型值是1微米，直波导的宽度与锥形波导输出端的宽度相同。
14.根据权利要求9所述的基于掺铒铌酸锂薄膜的稳频和调频激光器芯片的制备方法，其特征在于该方法还包括，在所述的第一光栅区和第二光栅区两侧分别设置第一电极对(8)和第二电极对(9)；该第一电极对(8)和第二电极对(9)通过金线键合的方式与片外的控制电源(16)进行连接。
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