CN115128850A - 带滤模结构的铌酸锂薄膜y波导芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种带滤模结构的铌酸锂薄膜Y波导芯片及其制备方法，其中的芯片结构包括铌酸锂薄膜及在所述铌酸锂薄膜上制作的Y波导；还包括：滤模结构，设置于所述Y波导的公共端，且所述滤模结构的高度为根据所述铌酸锂薄膜的厚度、所述Y波导的厚度和宽度得到的设定值，所述滤模结构用于滤除输入光中的一个模式。本申请通过在Y波导的公共端设计滤模结构，能够滤除进入Y波导中的光信号中的一个模式，从而实现Y波导的单偏振工作状态，满足光纤陀螺应用需要。

Description

带滤模结构的铌酸锂薄膜Y波导芯片及其制备方法

技术领域

本申请涉及光电子器件技术领域，特别涉及一种带滤模结构的铌酸锂薄膜Y波导芯片及其制备方法。

背景技术

Y波导是干涉式闭环光纤陀螺系统中五大光学元器件之一，Y波导在光纤陀螺中被作为相位调制器件广泛应用，它是一种以铌酸锂晶体为基底的集成光波导器件，一般采用钛扩散技术和质子交换技术制作而成，又称多功能集成光波导器件。如图1所示，Y波导工作的基本原理是在波导两侧加入电极，通过电极电压改变铌酸锂晶体的电场来改变波导的折射率，使通过波导的光波产生相位差，从而实现对顺、逆两束光相位的动态调制。Y波导集偏振器、光分支器和相位调制器于一体，具有良好的幅频特性，集成度高，体积小的特点，可实现高频率、多谐波调制，不仅减小了光纤陀螺的体积，而且提高了光纤陀螺的稳定性和可靠性。

作为光纤陀螺核心器件的Y波导，要求具有较高的分束比、芯片偏振消光比和较低的半波电压，目前，常选用铌酸锂薄膜通过刻蚀工艺制作Y波导，铌酸锂薄膜具有三层结构，用于制作Y波导的铌酸锂与衬底二氧化硅具有较大的折射率差，因此具有较强的光限制能力和较小的弯曲半径（≥10μm），可以实现器件小型化和低半波电压，且该材料也有利于光纤陀螺的进一步集成化。但是，铌酸锂薄膜Y波导还存在如下问题需要解决：单偏振工作模式的实现。在光纤陀螺中，Y波导需具有起偏的作用，而采用铌酸锂薄膜刻蚀出的波导具有双偏振模式，可同时传输TE和TM两种工作模式，如针对X切Y传铌酸锂薄膜Y波导，仅需要传输TE模式，因此需要设计滤模器来滤除TM模式，实现单偏振工作状态。

因此，现有铌酸锂薄膜Y波导结构还需要进一步改进。

发明内容

本申请要解决的技术问题是现有铌酸锂薄膜Y波导无法实现单偏振工作模式的问题，为此，本申请提出了一种带滤模结构的铌酸锂薄膜Y波导芯片及其制备方法。

针对上述技术问题，本申请提供如下技术方案：

本申请实施例提供一种带滤模结构的铌酸锂薄膜Y波导芯片，包括铌酸锂薄膜及在所述铌酸锂薄膜上制作的Y波导；还包括：

滤模结构，设置于所述Y波导的公共端，且所述滤模结构的高度为根据所述铌酸锂薄膜的厚度、所述Y波导的厚度和宽度得到的设定值，所述滤模结构用于滤除输入光中的一个模式。

一些实施例提供的带滤模结构的铌酸锂薄膜Y波导芯片中，所述滤模结构包括多个，多个所述滤模结构通过级联的方式依次相连，相邻两滤模结构之间成型有间隔槽。

一些实施例提供的带滤模结构的铌酸锂薄膜Y波导芯片中，所述滤模结构的长度为200±20μm。

一些实施例提供的带滤模结构的铌酸锂薄膜Y波导芯片中，所述滤模结构的两侧壁均向所述滤模结构的外侧倾斜；

所述间隔槽的槽底宽度为100±20μm。

一些实施例提供的带滤模结构的铌酸锂薄膜Y波导芯片中，所述铌酸锂薄膜的厚度为500nm；所述Y波导的公共端的宽度为1±0.1μm，厚度为200±10nm时，所述滤模结构的高度小于160nm，所述高度指所述滤模结构的表面与所述铌酸锂薄膜的表面之间的距离。

一些实施例提供的带滤模结构的铌酸锂薄膜Y波导芯片中，所述滤模结构的所述高度为140±10nm。

一些实施例提供的带滤模结构的铌酸锂薄膜Y波导芯片中，所述滤模结构的外周部设置有包层，所述包层的厚度为300±10nm。

一些实施例提供的带滤模结构的铌酸锂薄膜Y波导芯片中，所述包层上设置有一组金属电极，一组所述金属电极对称地设置于所述滤模结构的两侧；一组所述金属电极之间的间距为7±1μm；每一所述金属电极的宽度为5±2μm。

本申请一些实施例中还提供一种带滤模结构的铌酸锂薄膜Y波导芯片的制备方法，包括如下步骤：

制备Y波导：在铌酸锂薄膜上刻蚀Y波导，所述Y波导的厚度为200±10nm，宽度为1±0.1μm；

制备滤模结构：在所述Y波导的公共端制作一层铬膜；在所述铬膜上制作滤模结构图形；根据所述滤模结构图形对需要刻蚀的铌酸锂薄膜部分进行刻蚀，得到滤模结构。

一些实施例提供的带滤模结构的铌酸锂薄膜Y波导芯片的制备方法中，还包括如下步骤：

制备金属电极：在所述滤模结构的外周部制作包层；在所述包层上位于所述滤模结构的两侧，对称地制作一组金属电极。

本申请的技术方案相对现有技术具有如下技术效果：

本申请提供的方案中，带滤模结构的铌酸锂薄膜Y波导芯片包括铌酸锂薄膜及在铌酸锂薄膜上制作的Y波导，还包括滤模结构，设置于Y波导的公共端，且滤模结构的高度为根据铌酸锂薄膜厚度得到的设定值，滤模结构用于滤除输入光中的一个模式。本申请通过在Y波导的公共端设计滤模结构，能够滤除进入Y波导中的光信号中的一个模式，从而实现Y波导的单偏振工作状态，满足光纤陀螺应用需要。

附图说明

下面将通过附图详细描述本申请中优选实施例，将有助于理解本申请的目的和优点，其中:

图1为现有技术中Y波导芯片的结构示意图；

图2为本申请一个实施例所述带滤模结构的铌酸锂薄膜Y波导芯片的结构示意图；

图3为图2所示带滤模结构的铌酸锂薄膜Y波导芯片的侧视图；

图4为图2所示滤模构部分的示意图；

图5为本申请一个实施例所述滤模结构的模式有效折射率随波导刻蚀深度的色散曲线；

图6为本申请一个实施例所述带滤模结构的铌酸锂薄膜Y波导芯片的制备工艺流程图；

图7a-图7d为本申请一个实施例所述带滤模结构的铌酸锂薄膜Y波导芯片制备过程中不同阶段的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

此外，下面所描述的本申请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。

本申请实施例提供一种带滤模结构的铌酸锂薄膜Y波导芯片，如图2所示（与图1相比，图2未示出Y波导分支两侧的电极结构），包括铌酸锂薄膜10及在所述铌酸锂薄膜上制作的Y波导101；还包括滤模结构102，所述滤模结构102设置于所述Y波导101的公共端，且所述滤模结构102的高度为根据所述铌酸锂薄膜10的厚度、所述Y波导101的厚度和宽度得到的设定值，所述滤模结构102用于滤除输入光中的一个模式。

如图2和图3所示，以X切Y传铌酸锂薄膜Y波导芯片为例，波导沿Y方向传播，所述Y波导102可以通过ICP（电感耦合等离子体）刻蚀工艺制作于所述铌酸锂薄膜10上，该制作方法较为成熟，在本申请中不再赘述。本方案中，在Y波导101的公共端（也是输入端）设计了滤模结构102，滤模结构102的高度根据所述铌酸锂薄膜10的厚度、所述Y波导101的厚度和宽度得到，如此能够通过滤模结构102的高度的设计Y波导101公共端的高度渐变，实现滤除输入光中TM模式的功能，满足光纤陀螺对单偏振Y波导的需求。

在现有的光纤陀螺中，假设输入光为单偏振模式，但由于定轴及耦合对准的误差会导致进入铌酸锂薄膜Y波导的光存在TE模式和TM模式两种偏振态分量，铌酸锂薄膜Y波导本身也支持两种模式传输，因此TM模式会干扰工作光TE模式的传输，导致芯片消光比偏低，不满足陀螺精度的要求。具体地，参考图3，本方案中，所述滤模结构102的原理为：通过对铌酸锂薄膜10的厚度、Y波导101的高度h ₀（刻蚀深度）和宽度w ₀的设计，能实现Y波导101的TE模式和TM模式同时传输，例如：铌酸锂薄膜10的厚度为500nm，w ₀=1μm时，刻蚀深度h ₀≥160nm时，Y波导101同时传输TE模式和TM模式。而如果刻蚀深度h ₀＜160nm时，Y波导101仅支持TE模式传输而不支持TM模式传输，TM模式泄露到芯片的上包层内，基于该原理，所述滤模结构102的高度为根据所述铌酸锂薄膜10的厚度、所述Y波导101的厚度和宽度得到，从而制备滤模结构102，实现TM模式的滤除。本申请以上方案，引入了滤模结构102来提升铌酸锂薄膜Y波导芯片的单偏振工作能力，提高芯片消光比。而且，滤模结构102在Y波导的公共端上直接制作，不额外增加芯片长度，滤模结构102的整体长度为700μm，使整个芯片的结构更加紧凑。

在一些方案中，如图2和图4所述，所述滤模结构102包括多个，多个所述滤模结构102通过级联的方式依次相连，相邻两滤模结构102之间成型有间隔槽105。在本方案中，通过级联设计多个滤模结构102的方式，进一步提升其滤模能力。进一步地，一些实施例提供的带滤模结构的铌酸锂薄膜Y波导芯片中，所述滤模结构102的长度l ₂设置为200±20μm，其制备工艺可选择ICP刻蚀工艺实现。由于ICP工艺对侧壁的阴影效应，会出现斜面，所述滤模结构102的两侧壁均向所述滤模结构102的外侧倾斜；所述间隔槽105的截面为梯形状，且上宽下窄，其槽底的宽度l ₁设置为100±20μm。本方案中，利用滤模结构102两侧的斜面可以降低TE模式由于高度突变引入的损耗。本申请实施例中“±”是指在加工中允许的误差的含义，例如100±20μm，是指希望加工100μm的尺寸，但是允许存在上下20μm的误差。

如前所述，所述滤模结构102的厚度根据铌酸锂薄膜Y波导芯片的各部分的厚度进行设计，如图所示，目前较为成熟的铌酸锂薄膜晶圆分为三层，分别为硅（Si）、二氧化硅（SiO₂）和铌酸锂薄膜LN，其各层的厚度依次为500μm、4.7μm和500nm，其中针对铌酸锂薄膜厚度的选取需要根据设计要求确定。

在本实施例得到方案中，所述铌酸锂薄膜10的厚度为500nm；所述Y波导101的公共端的宽度为1±0.1μm，厚度为200±10nm时，所述滤模结构102的高度h ₀小于160nm，所述高度指所述滤模结构102的表面与所述铌酸锂薄膜10的表面之间的距离。进一步优选地，所述滤模结构102的所述高度h ₀为140±10nm。如图4所示，相邻滤模结构102之间的间隔槽105的槽底高度为h ₁必然小于140nm。针对本实施例提供的铌酸锂薄膜Y波导芯片，如图5所示，提出了TE模式和TM模式的有效折射率（纵坐标）随波导刻蚀深度h ₀（横坐标）变化的色散曲线，因此，当h ₀＜160nm时，Y波导能够滤除TM模式。

进一步地，以上方案中的带滤模结构的铌酸锂薄膜Y波导芯片中，所述滤模结构102的外周部设置有包层103，所述包层103的厚度为300±10nm。所述包层103可采用氮化硅或二氧化硅等材料得到，通过设置包层103能够吸收被滤除的TM模式光。

进一步地，所述包层103上设置有一组金属电极104，一组所述金属电极104对称地设置于所述滤模结构102的两侧；一组所述金属电极104之间的间距为7±1μm；每一所述金属电极104的宽度为5±2μm，金属电极的材料可选择Au。本方案中，在滤模结构102两侧制作金属电机104，来实现对泄露光的吸收，进一步滤除泄漏光，提升器件的单偏振特性。

本申请一些实施例中还提供一种带滤模结构的铌酸锂薄膜Y波导芯片的制备方法，如图6、图7a-7d所示，所述工艺包括如下步骤：

步骤一：制备Y波导，在铌酸锂薄膜上刻蚀Y波导，所述Y波导的厚度为200±10nm，宽度为1±0.1μm。本步骤中，可通过成熟的ICP刻蚀工艺，在铌酸锂薄膜上刻蚀深度为200±10nm，宽度为1±0.1μm的脊型Y波导，保证TE模式低损耗传输，本步骤中，整体芯片长度约为15±0.5mm。

步骤二：制备滤模结构，在所述Y波导101的公共端制作一层铬膜106；在所述铬膜106上制作滤模结构图形；根据所述滤模结构图形对需要刻蚀的铌酸锂薄膜部分进行刻蚀，得到滤模结构。本步骤中，如图7a所示，可采用磁控溅射工艺制作铬膜106，之后通过光刻显影，将滤模结构102呈现在光刻胶上，然后，去除光刻胶，刻蚀掉多余的铬膜，漏出需要刻蚀的铌酸锂薄膜滤模结构，采用ICP进行刻蚀，得到如图7b所示滤模结构102。

以上方案中，采用薄膜刻蚀得到铌酸锂薄膜Y波导结构，可以实现小型化、集成化和低能耗的Y波导芯片，通过在Y波导公共设计滤模结构102实现单偏振工作状态，满足光纤陀螺应用需要。

进一步地，以上方案中的制备方法，还包括如下步骤：

步骤三：制备金属电极104，在所述滤模结构102的外周部制作包层103；在所述包层103上位于所述滤模结构102的两侧，对称地制作一组金属电极104。本步骤中，可采用PECVD在滤模结构102的外周部蒸发一层SiO₂或者氮化硅包层，之后在SiO₂或者氮化硅包层上方制作电极。电极104设置在滤模结构的两侧，制作于包层上，沿滤模结构对称分布，间距设置为7±1μm，宽度为5±2μm，如此设置的电极能更好地吸收进入包层内的光。

通过上述方法，采用铌酸锂薄膜制作Y波导芯片，可以实现芯片的小型化、便于后续集成；在铌酸锂薄膜Y波导的公共端设计滤模结构，可以实现TM模式的滤除，保证芯片工作在单偏振状态，本方案中得到的芯片偏振消光比可达到-30dB；滤模结构的设置不额外增加长度，结构紧凑。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本申请的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种带滤模结构的铌酸锂薄膜Y波导芯片，包括铌酸锂薄膜及在所述铌酸锂薄膜上制作的Y波导；其特征在于，还包括：

滤模结构，设置于所述Y波导的公共端，且所述滤模结构的高度为根据所述铌酸锂薄膜的厚度、所述Y波导的厚度和宽度得到的设定值，所述滤模结构用于滤除输入光中的一个模式。

2.根据权利要求1所述的带滤模结构的铌酸锂薄膜Y波导芯片，其特征在于：

所述滤模结构包括多个，多个所述滤模结构通过级联的方式依次相连，相邻两滤模结构之间成型有间隔槽。

3.根据权利要求2所述的带滤模结构的铌酸锂薄膜Y波导芯片，其特征在于：

所述滤模结构的长度为200±20μm。

4.根据权利要求3所述的带滤模结构的铌酸锂薄膜Y波导芯片，其特征在于：

所述滤模结构的两侧壁均向所述滤模结构的外侧倾斜；

所述间隔槽的槽底宽度为100±20μm。

5.根据权利要求1-4任一项所述的带滤模结构的铌酸锂薄膜Y波导芯片，其特征在于：

所述铌酸锂薄膜的厚度为500nm；所述Y波导的公共端的宽度为1±0.1μm，厚度为200±10nm时，所述滤模结构的高度小于160nm，所述高度指所述滤模结构的表面与所述铌酸锂薄膜的表面之间的距离。

6.根据权利要求5所述的带滤模结构的铌酸锂薄膜Y波导芯片，其特征在于：

所述滤模结构的所述高度为140±10nm。

7.根据权利要求6所述的带滤模结构的铌酸锂薄膜Y波导芯片，其特征在于：

所述滤模结构的外周部设置有包层，所述包层的厚度为300±10nm。

8.根据权利要求7所述的带滤模结构的铌酸锂薄膜Y波导芯片，其特征在于：

所述包层上设置有一组金属电极，一组所述金属电极对称地设置于所述滤模结构的两侧；一组所述金属电极之间的间距为7±1μm；每一所述金属电极的宽度为5±2μm。

9.一种带滤模结构的铌酸锂薄膜Y波导芯片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

制备Y波导：在铌酸锂薄膜上刻蚀Y波导，所述Y波导的厚度为200±10nm，宽度为1±0.1μm；

制备滤模结构：在所述Y波导的公共端制作一层铬膜；在所述铬膜上制作滤模结构图形；根据所述滤模结构图形对需要刻蚀的铌酸锂薄膜部分进行刻蚀，得到滤模结构。

10.根据权利要求9所述的带滤模结构的铌酸锂薄膜Y波导芯片的制备方法，其特征在于，还包括如下步骤：

制备金属电极：在所述滤模结构的外周部制作包层；在所述包层上位于所述滤模结构的两侧，对称地制作一组金属电极。

Images