CN113687556A - 一种基于双层铌酸锂薄膜的光子线脊波导倍频芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于双层铌酸锂薄膜的光子线脊波导倍频芯片及其制备方法。所述基于双层铌酸锂薄膜的光子线脊波导倍频芯片包括由顶层铌酸锂薄膜，中层二氧化硅、下层硅基衬底组成的复合结构，其特征在于，所述铌酸锂薄膜为双层铌酸锂薄膜结构，双层铌酸锂薄膜中的上层铌酸锂薄膜与下层铌酸锂薄膜的自发极化方向相反，铌酸锂薄膜呈脊波导结构。本发明提供的基于双层铌酸锂薄膜的光子线脊波导倍频芯片具有双层铌酸锂薄膜结构，上下两层铌酸锂薄膜的自发极化方向相反，消除了倍频光的高阶模上下两个旁瓣在模式重叠积分中相互抵消的效应，从而大大提高了模式相位匹配过程的转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于双层铌酸锂薄膜的光子线脊波导倍频芯片及其制备方法，属于光电子器件制备方法技术领域。
背景技术
铌酸锂晶体具有比较大的二阶非线性系数，容易生长出体积大、光学均匀性好的单晶，能够对光信号进行二阶甚至更高阶的处理；同时铌酸锂晶体还可以通过外加电场极化等手段制备出周期极化结构，从而实现准相位匹配。根据铌酸锂体材料的色散特性，在钛扩散铌酸锂波导中实现1.55微米波长处的倍频需要极化周期在8～10微米的极化畴结构。但是在基于铌酸锂薄膜的光子结构中，要想实现1.55微米的倍频则需要极化周期小于4微米的极化畴结构，这就对极化工艺提出了更加苛刻的要求，同时在准相位匹配过程中，二阶非线性转换的有效非线性系数降低到了材料自身非线性系数的2/π，这无疑会降低非线性转换的效率。铌酸锂薄膜的准相位匹配过程中的三个光子一般都是以基模的形态进行相互作用，因而模式重叠积分比较理想。
铌酸锂薄膜集成光子学结构通常采用脊波导，微环以及微盘等具体形态结构。其中脊波导是比较重要的一种基础结构，脊波导本身既可以作为直接的功能器件，如电光调制器、非线性频率转换器以及功能器件之间的连接器等，也可以通过空间上的旋转来构造其他器件，如微环谐振腔等。铌酸锂薄膜脊波导在短波长下往往是多模的，这就为我们利用其多模的模式色散特性提供了很大的便利。
铌酸锂薄膜脊波导中的模式相位匹配利用了多模脊波导的模式色散特性补偿了铌酸锂的材料色散效应，从而实现二阶非线性过程中三个光子的相位匹配。由于相位匹配动量空间中只存在三个光子的动量，因而只要三个光子的偏振满足要求，模式相位匹配就可以利用铌酸锂晶体的最大非线性系数d33(27pm/V)。另外，高阶模的分布与基模有较大差别。
中国专利申请CN106094263A公开了一种周期极化LNOI脊型波导及其制备方法。该发明专利涉及一种在铌酸锂单晶薄膜上制备出周期极化铁电畴结构并利用干法刻蚀技术制备脊波导的技术。该发明中的方法是基于外加电场在单层铌酸锂薄膜中制备出铁电畴结构，所使用的机制为准相位匹配，不能够在铌酸锂薄膜脊波导中实现有模式相位匹配及非线性频率转换。
中国专利文献CN110764188A公开了一种铌酸锂脊型光波导的制备方法。该专利中采用质子交换方法改变铌酸锂表面的畴结构，从而提高其在HF/HNO3刻蚀液中的刻蚀选择比，经过一段时间的刻蚀后在表面形成脊形结构。该专利所涉及的平面波导形成方法为质子交换方法，所使用湿法刻蚀的刻蚀选择比低，线宽精度低，适合在铌酸锂体材料上制备脊波导，而在铌酸锂双层薄膜上制备脊波导的效果则不理想。
中国专利申请CN109149047A公开了一种片上低损耗超细脊状波导的制备方法，结合超快激光脉冲以及化学机械抛光在铌酸锂薄膜上制备脊波导。该专利所涉及的铌酸锂薄膜为单层，从脊波导形成机理的角度来看，该专利所使用的方法为铬掩膜结合化学机械抛光，所使用的图形产生方法为超快激光直写，但是在亚微米图形产生的精度上不够理想。
中国专利申请CN110989076A公开了一种薄膜铌酸锂单偏振波导及其制备方法。该薄膜铌酸锂单偏振波导结构为从上至下包括上包层、铌酸锂薄膜波导芯层、下包层和衬底层，所述上包层和下包层的折射率均小于所述铌酸锂薄膜波导芯层的折射率，所述铌酸锂薄膜波导芯层包括脊波导和位于所述脊波导两侧的槽形区域；制备方法为：S1、通过光刻在薄膜铌酸锂上制备图形化刻蚀硬掩膜；S2、借助于刻蚀硬掩模，通过干法刻蚀去除脊波导两侧的部分铌酸锂材料；S3、去除刻蚀硬掩膜；S4、在脊波导上方覆盖低折射率包层材料。该发明的薄膜铌酸锂单偏振波导依然是单层结构，非线性频率转换效率低。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于双层铌酸锂薄膜的光子线脊波导倍频芯片及其制备方法，能够制备出微米量级且性能可以与准相位匹配相比拟的非线性铌酸锂薄膜波导芯片。
本发明采用以下技术方案：
一种基于双层铌酸锂薄膜的光子线脊波导倍频芯片，包括由顶层铌酸锂薄膜，中层二氧化硅、下层硅基衬底组成的复合结构，所述顶层铌酸锂薄膜为双层铌酸锂薄膜结构，双层铌酸锂薄膜中的上层铌酸锂薄膜与下层铌酸锂薄膜的自发极化方向相反，所述顶层铌酸锂薄膜呈脊波导结构。
根据本发明优选的，所述双层铌酸锂薄膜的总厚度为560～600nm，所述上层铌酸锂薄膜的厚度为260～280nm，下层铌酸锂薄膜的厚度为300～320nm。
根据本发明优选的，所述铌酸锂薄膜的切向为x切或z切。
根据本发明优选的，所述脊波导结构的宽度为0.9～1.4μm。
一种基于双层铌酸锂薄膜的光子线脊波导倍频芯片的制备方法，包括以下步骤：
在硅基衬底上沉积二氧化硅缓冲层，在二氧化硅缓冲层上通过键合方法制备自发极化方向相反的上层铌酸锂薄膜与下层铌酸锂薄膜，形成双层铌酸锂薄膜结构；将双层铌酸锂薄膜进行清洗后，在双层铌酸锂薄膜表面进行电子束光刻胶旋涂及电子束曝光，形成干法刻蚀所需的刻蚀掩膜，通过干法刻蚀使上层铌酸锂薄膜形成脊波导结构；接着对双层铌酸锂薄膜的两个端面先进行光学研磨抛光，再进行光纤端面耦合和紫外胶固化，即得基于双层铌酸锂薄膜的光子线脊波导倍频芯片。
根据本发明优选的，所述基于双层铌酸锂薄膜的光子线脊波导倍频芯片的制备方法，还包括以下步骤：
将双层铌酸锂薄膜进行清洗后，在双层铌酸锂薄膜上依次镀制钛膜和铬膜；然后经240～360℃下热退火2～4h后，继续在铬膜表面进行电子束光刻胶旋涂及电子束曝光，形成干法刻蚀所需的刻蚀掩膜。
根据本发明优选的，所述清洗的过程为：先使用去离子水对双层铌酸锂薄膜进行冲洗，去除无机物大颗粒；再使用肥皂水进行超声清洗，去除有机沾污及无机物微粒；最后用去离子水冲洗并使用氮气吹干。
根据本发明优选的，采用电子束蒸发镀膜方法镀制钛膜和铬膜。所采用的电子束蒸发镀膜设备可以为市售的商用通用设备；
根据本发明优选的，所述钛膜的厚度为8～20nm，铬膜的厚度为150～300nm。
根据本发明优选的，所述电子束光刻胶为负性光刻胶或者正性光刻胶，光刻胶旋涂的厚度为300～700nm。
根据本发明优选的，所述干法刻蚀为氩离子束离子束刻蚀或感应耦合等离子体刻蚀。
根据本发明优选的，所述光学研磨抛光过程为：
先使用W14的棕刚玉研磨粉、W7的棕刚玉研磨粉分别进行粗磨和精磨，然后使用金刚石研磨液进行粗抛，最后使用粒度在100±10nm的二氧化硅悬浮液进行精抛光，得到光滑平整的端面。
一种基于双层铌酸锂薄膜的光子线脊波导倍频芯片的制备方法，具体包括以下步骤：
(1)在硅基衬底上沉积二氧化硅缓冲层，在二氧化硅缓冲层上通过键合方法制备自发极化方向相反的上层铌酸锂薄膜与下层铌酸锂薄膜，形成双层铌酸锂薄膜结构；将双层铌酸锂薄膜样品进行清洗，去除表面的无机物大微粒和有机沾污；
(2)在双层铌酸锂薄膜表面镀制钛膜，钛膜作为中间层，可以增强铬膜和双层铌酸锂薄膜之间的粘附力，提高工艺稳定度；
(3)在钛膜上镀制铬膜，铬膜作为主要掩膜层，铬膜的抗腐蚀能力比较强，可以增强干法刻蚀中的刻蚀选择比；
(4)将步骤(3)得到的样品进行240～360℃热退火2～4h，增强铬膜的致密度；
(5)在铬膜表面进行电子束光刻胶旋涂及电子束曝光，形成干法刻蚀所需的刻蚀掩膜；
(6)将步骤(5)得到的样品进行干法刻蚀形成脊波导结构；
(7)对垂直于脊波导结构的样品两端进行光学研磨抛光；
(8)对波导进行通光实验以测试光波导性能；
(9)性能测试合格后(可根据实际需要设置测试项目及合格标准)，将抛光后的两个端面进行光纤端面耦合和紫外胶固化，光纤跳线两端分别作为输入和输出端，得到基于双层铌酸锂薄膜的光子线脊波导倍频芯片。
本发明未详尽之处，均可采用现有技术。
本发明的技术特点：
本申请发明人通过对基于铌酸锂薄膜脊波导的模式相位匹配的研究发现，如果铌酸锂的二阶非线性系数能够在深度方向上发生反转(即自发极化发生偏转)，那将会实现高效率的铌酸锂模式相位匹配。进一步的，发明人经过计算发现可以通过双层膜结构来实现铌酸锂的二阶非线性系数在深度方向上发生反转，做到了高效率的铌酸锂模式相位匹配，提升了非线性转化效率。本发明中的双层铌酸锂薄膜是铌酸锂薄膜领域的重大工艺创新，它打破了以往研究人员对铌酸锂薄膜在厚度方向上非线性特性、电光特性单一分布的传统理解，从而带来了非线性光学转换中新机理的实现和验证，为铌酸锂光子学提供了一个崭新的平台。
本发明的有益效果：
1、本发明提供的基于双层铌酸锂薄膜的光子线脊波导倍频芯片具有双层铌酸锂薄膜结构，上下两层铌酸锂薄膜的自发极化方向相反，根据铌酸锂晶体的性质，上下两层铌酸锂薄膜的非线性系数d33的负号也相反，这种特殊的设计消除了倍频光的高阶模上下两个旁瓣在模式重叠积分中相互抵消的效应，从而大大提高了模式相位匹配过程的转换效率；另外由于模式相位匹配的动量空间中只存在三个相互作用光子的动量，不存在额外的附加动量，因而模式相位匹配是一种直接相位匹配，其有效非线性系数即铌酸锂体材料的非线性系数d33，使得制备的基于双层铌酸锂薄膜的光子线脊波导倍频芯片高性能、低传输损耗、微米量级且有较高转换效率，归一化转化效率达到了3600～5600％/W/cm2，相较于现有的单层铌酸锂膜结构提高了18～113％。
2、本发明采用双层铌酸锂薄膜结构，双层铌酸锂薄膜结构可以直接利用比较成熟的单层铌酸锂薄膜的制备工艺，这就大大降低了新平台制备的难度，降低了工艺复杂度，优化了整个制备过程的兼容性和灵活性，可以直接利用单层铌酸锂薄膜的各种测试手段来表征双层铌酸锂薄膜的各项性能参数。
3、铌酸锂脊波导中实现有效的相位匹配的方式主要是基于周期极化结构的准相位匹配结构，这需要比较精确的铁电畴极化过程，如果筹极化过程得不到理想的占空比(1:1)，那么准相位匹配的效率将大大降低，而且铌酸锂的畴结构在干法刻蚀的过程中会因为刻蚀效率的差别而产生台阶，从而增加传输损耗。而本发明提供的基于双层铌酸锂薄膜的脊波导倍频芯片则避免了较为繁琐而苛刻的电场极化反转工艺，同时也避免了刻蚀所产生的台阶而额外增加的损耗。
附图说明：
图1为本发明基于双层铌酸锂薄膜的光子线脊波导倍频芯片的剖面结构示意图。
图2为本发明基于双层铌酸锂薄膜的光子线脊波导倍频芯片的立体结构示意图。
图3为实施例1中制备基于双层铌酸锂薄膜的光子线脊波导倍频芯片的工艺流程图。
图4为实施例1中制备的基于双层铌酸锂薄膜的光子线脊波导倍频芯片的剖面结构示意图；
其中：箭头代表上下两层铌酸锂薄膜的自发极化方向；(a)是上层铌酸锂薄膜自发极化方向向右，下层铌酸锂薄膜自发极化方向向左；(b)是上层铌酸锂薄膜自发极化方向向左，下层铌酸锂薄膜自发极化方向向右。
图5为实施例1～3中条状结构示意图；
其中：(a)是均匀的条状图形，(b)是光栅耦合器，(c)是端面绝热耦合器。
图6为实施例5中基于双层铌酸锂薄膜的光子线脊波导倍频芯片的剖面结构示意图；
其中：箭头代表上下两层铌酸锂薄膜的自发极化方向；(a)是上层铌酸锂薄膜自发极化方向向上，下层铌酸锂薄膜自发极化方向向下；(b)是上层铌酸锂薄膜自发极化方向向下，下层铌酸锂薄膜自发极化方向向上。
图7为实验例中测试波导器件性能方法的示意图。
图8为实验例中实施例1波导器件的基频光和倍频光的高阶模模式分布图；
图中：1、上层铌酸锂薄膜，2、下层铌酸锂薄膜，3、二氧化硅，4、硅基衬底。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1
如图1～2所示，一种基于双层铌酸锂薄膜的光子线脊波导倍频光子芯片，包括由顶层铌酸锂薄膜，中层二氧化硅2、下层硅基衬底4组成的复合结构，所述顶层铌酸锂薄膜为双层铌酸锂薄膜结构，双层铌酸锂薄膜中的上层铌酸锂薄膜1与下层铌酸锂薄膜2的自发极化方向相反，所述顶层铌酸锂薄膜通过干法刻蚀制备有脊波导结构。
所述双层铌酸锂薄膜的总厚度为580nm，所述上层铌酸锂薄膜的厚度为280nm，下层铌酸锂薄膜的厚度为300nm。
所述脊波导结构的宽度为1μm。
如图3所示，上述基于双层铌酸锂薄膜的光子线脊波导倍频芯片的制备方法，包括以下步骤：
(1)在长度2cm、宽度1cm硅基衬底上沉积二氧化硅缓冲层，在二氧化硅缓冲层上通过键合方法制备自发极化方向相反的上层铌酸锂薄膜与下层铌酸锂薄膜，形成x切双层铌酸锂薄膜结构；使用去离子水对双层铌酸锂薄膜进行冲洗，去除无机物大颗粒；再使用肥皂水进行超声清洗，去除有机沾污及无机物微粒；最后用去离子水冲洗并使用氮气吹干；
(2)利用电子束蒸发镀膜机在双层铌酸锂薄膜表面镀制15nm厚的钛膜；
(3)利用电子束蒸发镀膜机在钛膜上镀制100nm厚的铬膜；
(4)将步骤(3)得到的样品进行200℃热退火3h；
(5)在铬膜表面旋涂300nm厚的电子束光刻胶，使用商用电子束曝光机(e-beamlithography machine)在铬膜表面制备出条状结构，形成电子束光刻胶掩膜；
(6)将曝光后样品置入反应离子束刻蚀机中进行干法刻蚀，利用电子束光刻胶作为掩膜刻蚀铬膜和钛膜；再利用铬膜作为掩膜刻蚀铌酸锂薄膜，刻蚀深度为400nm，形成脊波导结构；
(7)对垂直于脊波导结构的样品两端先使用W14的棕刚玉研磨粉、W7的棕刚玉研磨粉分别进行粗磨和精磨，然后使用金刚石研磨液进行粗抛，最后使用粒度在100nm的二氧化硅悬浮液进行精抛光，得到光滑平整的端面；
(8)对波导进行通光实验以测试光波导性能；
(9)性能测试合格后(可根据实际需要设置测试项目及合格标准)，将抛光后的两个端面进行光纤端面耦合和紫外胶固化，光纤跳线两端分别作为输入和输出端，得到基于双层铌酸锂薄膜的高性能光子线脊波导倍频芯片。
本实施例制备的基于双层铌酸锂薄膜的光子线脊波导倍频芯片如图4所示，步骤(5)的条状结构为图5(a)所示，为宽度100nm均匀的条状图形。所述的条状结构也可以是图5(b)光栅耦合器或图5(c)端面绝热耦合器。本实施例利用x切铌酸锂双层薄膜形成的脊波导可以避免复杂、苛刻的外加电场极化技术，同时泵浦光和倍频光皆为TE偏振，能够利用铌酸锂材料最大的非线性系数，大大提高了器件的非线性转换效率以及兼容性和灵活性。
实施例2
一种基于双层铌酸锂薄膜的光子线脊波导倍频芯片的制备方法，包括以下步骤：
(1)在长度2cm、宽度1cm硅基衬底上沉积二氧化硅缓冲层，在二氧化硅缓冲层上通过键合方法制备自发极化方向相反的上层铌酸锂薄膜与下层铌酸锂薄膜，形成x切双层铌酸锂薄膜结构；使用去离子水对双层铌酸锂薄膜进行冲洗，去除无机物大颗粒；再使用肥皂水进行超声清洗，去除有机沾污及无机物微粒；最后用去离子水冲洗并使用氮气吹干；
(2)在双层铌酸锂薄膜表面旋涂200nm厚的电子束光刻胶，使用商用电子束曝光机在铌酸锂表面制备出条状结构，形成电子束光刻胶掩膜；
(3)将曝光后样品置入反应离子束刻蚀机中进行干法刻蚀，利用电子束光刻胶作为掩膜刻蚀铌酸锂薄膜，刻蚀深度为350nm，形成脊波导结构；
(4)对垂直于脊波导结构的样品两端先使用W14的棕刚玉研磨粉、W7的棕刚玉研磨粉分别进行粗磨和精磨，然后使用金刚石研磨液进行粗抛，最后使用粒度在90nm的二氧化硅悬浮液进行精抛光，得到光滑平整的端面；
(5)对波导进行通光实验以测试光波导性能；
(6)性能测试合格后(可根据实际需要设置测试项目及合格标准)，将抛光后的两个端面进行光纤端面耦合和紫外胶固化，光纤跳线两端分别作为输入和输出端，得到基于双层铌酸锂薄膜的高性能光子线脊波导倍频芯片。
本实施例，在x切铌酸锂双层薄膜上直接使用电子束光刻胶作为光刻胶掩膜，可以降低工艺复杂程度，提高图形转移的精度，提高成品率。步骤(3)的条状结构为图5(b)所示，为光栅耦合器。
实施例3
一种基于双层铌酸锂薄膜的高性能光子线脊波导倍频芯片的制备方法，包括以下步骤：
(1)在长度2cm、宽度1cm硅基衬底上沉积二氧化硅缓冲层，在二氧化硅缓冲层上通过键合方法制备自发极化方向相反的上层铌酸锂薄膜与下层铌酸锂薄膜，形成x切双层铌酸锂薄膜结构；使用去离子水对双层铌酸锂薄膜进行冲洗，去除无机物大颗粒；再使用肥皂水进行超声清洗，去除有机沾污及无机物微粒；最后用去离子水冲洗并使用氮气吹干；
(2)在双层铌酸锂薄膜表面旋涂400nm厚的电子束光刻胶，使用商用电子束曝光机在铌酸锂表面制备出条状结构，形成电子束光刻胶掩膜；
(3)将曝光后样品置入反应离子束刻蚀机中进行干法刻蚀，，利用电子束光刻胶作为掩膜刻蚀铌酸锂薄膜，刻蚀深度为500nm，形成脊波导结构；
(4)对垂直于脊波导结构的样品两端先使用W14的棕刚玉研磨粉、W7的棕刚玉研磨粉分别进行粗磨和精磨，然后使用金刚石研磨液进行粗抛，最后使用粒度在110nm的二氧化硅悬浮液进行精抛光，得到光滑平整的端面；
(5)对波导进行通光实验以测试光波导性能；
(6)性能测试合格后(可根据实际需要设置测试项目及合格标准)，将抛光后的两个端面进行光纤端面耦合和紫外胶固化，光纤跳线两端分别作为输入和输出端，得到基于双层铌酸锂薄膜的高性能光子线脊波导倍频芯片。
本实施例中，在x切铌酸锂双层薄膜上直接使用电子束光刻胶作为光刻胶掩膜，可以降低工艺复杂程度，提高图形转移的精度，提高成品率；波导芯片的泵浦光和倍频光皆为TM偏振。步骤(3)的条状结构为图5(c)所示，为端面绝热耦合器。
实施例4
方法如实施例2所述，不同的是：步骤(1)中，形成z切双层铌酸锂薄膜结构。
本实施例制备的基于双层铌酸锂薄膜的光子线脊波导倍频芯片如图6所示。
对比例1
国际知名学术期刊应用物理快报，Y.Niu,C.Lin,X.Liu,Y.Chen,X.Hu,Y.Zhang,X.Cai,Y.-X.Gong,Z.Xie,and S.Zhu,"Optimizing the efficiency of a periodicallypoled LNOI waveguide using in situ monitoring of the ferroelectric domains,"Appl.Phys.Lett.116,101104(2020).
在此篇文献中，研究人员利用x切单层铌酸锂薄膜中的准相位匹配，实现了光通信波段的倍频产生，其归一化转换效率为3061％/W/cm2。
对比例2
国际知名学术期刊Optica，C.Wang,C.Langrock,A.Marandi,M.Jankowski,M.Zhang,B.Desiatov,M.M.Fejer,and M.
"Ultrahigh-efficiency wavelengthconversion in nanophotonic periodically poled lithium niobate waveguides,"Optica 5,1438(2018).
在此篇文献中，研究人员利用x切单层铌酸锂薄膜中的准相位匹配，实现了光通信波段的倍频产生及探测，其归一化转换效率为2600％/W/cm2。
实验例
将实施例1～4以及对比例1～2得到的波导器件，在同一条件下测试相关性能，得到如下性能数据，如表1所示。
具体测试方法如下：如图7所示，利用波长可调谐激光器和锥形光纤将近红外激光耦合进入实施例1～4以及对比例1～2得到的波导器件，保持耦合效率稳定并扫描波长，同时记录倍频信号和基频光信号，测试完毕后将数据进行处理得到频率转化半宽度和归一化转换效率，其中实施例1波导器件的基频光和倍频光的高阶模模式分布图如图8所示。
表1：性能数据表
| 项目 | 频率转换波长(nm) | 频率转换半波宽度(nm) | 归一化转换效率 |
| 实施例1 | 1550.5nm | 2.3nm | 5540％/W/cm<sup>2</sup> |
| 实施例2 | 1551.2nm | 3.2nm | 4730％/W/cm<sup>2</sup> |
| 实施例3 | 1554.3nm | 2.6nm | 3620％/W/cm<sup>2</sup> |
| 实施例4 | 1552.6nm | 3.1nm | 4850％/W/cm<sup>2</sup> |
| 对比例1 | 1470nm | 3.4nm | 3061％/W/cm<sup>2</sup> |
| 对比例2 | 1510nm | 4.6nm | 2600％/W/cm<sup>2</sup> |
在对比例1当中，研究人员利用外加电场极化在铌酸锂薄膜上制备出了周期为6微米的周期畴反转结构，单层铌酸锂薄膜厚度为600nm，所制备脊波导顶部宽度为1.4微米，支持光通信波段下的单模传输，在制备脊波导之前需要对单层铌酸锂薄膜进行畴极化反转处理，而且脊波导器件的性能与极化质量息息相关。
在对比例2当中，研究人员利用外加电场极化在铌酸锂薄膜上制备出了周期为4微米的周期畴反转结构，单层铌酸锂薄膜厚度为600nm，所制备脊波导顶部宽度为1.44微米，支持光通信波段下的单模传输，在制备脊波导之前需要对单层铌酸锂薄膜进行畴极化反转处理，所制备畴反转结构的占空比为0.39，因此器件实际测得的归一化转换效率为2600％/W/cm2，是理论预测值的57％，这说明极化质量直接决定了以准相位匹配为转换机制的脊波导器件的性能。
实施例1～4在保证工艺适用性的前提下，光量子操控波长与对比例1～2相当，同时避免了铌酸锂薄膜周期极化处理，通过形成上层铌酸锂薄膜与下层铌酸锂薄膜的自发极化方向相反的双层铌酸锂薄膜结构，使得实施例1～4制备的基于双层铌酸锂薄膜的高性能光子线脊波导倍频芯片的归一化转化效率达到了3600～5600％/W/cm2，相较于对比例1提高了18～81％，相较于对比例2提高了39～113％，同时降低了工艺复杂度，优化了整个制备过程的兼容性和灵活性。
由图8可知，实施例1中基于双层铌酸锂薄膜的高性能光子线脊波导倍频芯片倍频光的TE01高阶模在整个模场区域中存在两个峰值，对应区域的光场振动相位反相，进而我们通过两层铌酸锂薄膜相反的二阶非线性系数进行补偿，得到高效的倍频转换效率。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于双层铌酸锂薄膜的光子线脊波导倍频芯片，其特征在于，包括由顶层铌酸锂薄膜，中层二氧化硅、下层硅基衬底组成的复合结构，所述顶层铌酸锂薄膜为双层铌酸锂薄膜结构，双层铌酸锂薄膜中的上层铌酸锂薄膜与下层铌酸锂薄膜的自发极化方向相反，所述顶层铌酸锂薄膜呈脊波导结构。
2.如权利要求1所述的基于双层铌酸锂薄膜的光子线脊波导倍频芯片，其特征在于，所述双层铌酸锂薄膜的总厚度为560～600nm，所述上层铌酸锂薄膜的厚度为260～280nm，下层铌酸锂薄膜的厚度为300～320nm。
3.如权利要求1所述的基于双层铌酸锂薄膜的光子线脊波导倍频芯片，其特征在于，所述铌酸锂薄膜的切向为x切、z切。
4.如权利要求1所述的基于双层铌酸锂薄膜的光子线脊波导倍频芯片，其特征在于，所述脊波导结构的宽度为0.9～1.4μm。
5.权利要求1所述的基于双层铌酸锂薄膜的光子线脊波导倍频芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在硅基衬底上沉积二氧化硅缓冲层，在二氧化硅缓冲层上通过键合方法制备自发极化方向相反的上层铌酸锂薄膜与下层铌酸锂薄膜，形成双层铌酸锂薄膜结构；将双层铌酸锂薄膜进行清洗后，在双层铌酸锂薄膜表面进行电子束光刻胶旋涂及电子束曝光，形成干法刻蚀所需的刻蚀掩膜，通过干法刻蚀使上层铌酸锂薄膜形成脊波导结构；接着对双层铌酸锂薄膜的两个端面先进行光学研磨抛光，再进行光纤端面耦合和紫外胶固化，即得基于双层铌酸锂薄膜的光子线脊波导倍频芯片。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括以下步骤：
将双层铌酸锂薄膜进行清洗后，在双层铌酸锂薄膜上依次镀制钛膜和铬膜；然后经240～360℃下热退火2～4h后，继续在铬膜表面进行电子束光刻胶旋涂及电子束曝光，形成干法刻蚀所需的刻蚀掩膜。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述清洗的过程为：先使用去离子水对双层铌酸锂薄膜进行冲洗，去除无机物大颗粒；再使用肥皂水进行超声清洗，去除有机沾污及无机物微粒；最后用去离子水冲洗并使用氮气吹干。
8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，采用电子束蒸发镀膜方法镀制钛膜和铬膜，所述钛膜的厚度为8～20nm，铬膜的厚度为150～300nm。
9.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述电子束光刻胶为负性光刻胶或者正性光刻胶，光刻胶旋涂的厚度为300～700nm；所述干法刻蚀为氩离子束离子束刻蚀或感应耦合等离子体刻蚀；所述光学研磨抛光过程为：先使用W14的棕刚玉研磨粉、W7的棕刚玉研磨粉分别进行粗磨和精磨，然后使用金刚石研磨液进行粗抛，最后使用粒度在100±10nm的二氧化硅悬浮液进行精抛光，得到光滑平整的端面。
10.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
(1)在硅基衬底上沉积二氧化硅缓冲层，在二氧化硅缓冲层上通过键合方法制备自发极化方向相反的上层铌酸锂薄膜与下层铌酸锂薄膜，形成双层铌酸锂薄膜结构；将双层铌酸锂薄膜样品进行清洗，去除表面的无机物大微粒和有机沾污；
(2)在双层铌酸锂薄膜表面镀制钛膜，钛膜作为中间层；
(3)在钛膜上镀制铬膜，铬膜作为主要掩膜层；
(4)将步骤(3)得到的样品进行240～360℃热退火2～4h；
(5)在铬膜表面进行电子束光刻胶旋涂及电子束曝光，形成干法刻蚀所需的刻蚀掩膜；
(6)将步骤(5)得到的样品进行干法刻蚀形成脊波导结构；
(7)对垂直于脊波导结构的样品两端进行光学研磨抛光；
(8)对波导进行通光实验以测试光波导性能；
(9)性能测试合格后(可根据实际需要设置测试项目及合格标准)，将抛光后的两个端面进行光纤端面耦合和紫外胶固化，光纤跳线两端分别作为输入和输出端，得到基于双层铌酸锂薄膜的光子线脊波导倍频芯片。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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