CN116107025B - 一种硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂y波导混合集成结构 - Google Patents

一种硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂y波导混合集成结构 Download PDF

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Abstract

本申请公开一种硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构，属于光电子器件，其包括薄膜铌酸锂Y波导和设置于薄膜铌酸锂Y波导的直波导上的硅等离子体波导，硅等离子体波导包括条形波导和条形波导周围的硅基底，条形波导上设计光栅，光栅朝向直波导的方向设置，硅基底上设置有金属层。本申请提供的技术方案中，采用铌酸锂薄膜制作Y波导芯片，可以实现小型化、低半波电压、便于后续集成，而且通过在薄膜铌酸锂Y波导的直波导上设计硅等离子体波导，可以使薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构实现高偏振消光比的工作状态，并且不会引入过高的插入损耗，本方案工艺过程可控、制作成本低、满足光纤陀螺应用需要。

Description

一种硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构
技术领域
本申请涉及光电子器件技术领域，特别涉及一种高偏振消光比的硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构。
背景技术
如图1所示，Y波导（铌酸锂多功能集成光学器件）是干涉式闭环光纤陀螺系统中五大光学元器件之一。Y波导是一种在光纤陀螺中被广泛应用的相位调制器件，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。铌酸锂单晶具有优良的非线性和电光特性，因此是制作Y波导最常用的衬底材料。如图2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，可实现高频率、多谐波调制，并且其集成度高，体积小，不仅减小了光纤陀螺的体积，而且提高了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，现有Y波导多采用体铌酸锂晶体制作，采用质子交换制作的体铌酸锂波导具有较低的折射率差，属于弱限制波导，弯曲损耗大，不适合制作耦合器，采用现有材料很难进一步实现陀螺的高集成和小体积，而铌酸锂薄膜作为一种体铌酸锂的升级材料，它具有三层结构，波导通过刻蚀工艺制作，用于制作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，另外该材料也有利于光纤陀螺的进一步集成化。
虽然铌酸锂薄膜制作Y波导具有体积小、能耗低、易于集成等优点，但还存在一个关键问题有待解决：单偏振工作模式的实现。在陀螺中，Y波导需要具有起偏的作用，而采用铌酸锂薄膜刻蚀出的波导具有双偏振模式，同时可以传输TE和TM两种工作模式，针对x切y传铌酸锂波导，仅需要TE模式传输，因此需要设计起偏器来滤除TM模式，实现单偏振工作状态。
目前，基于不同结构的起偏器已经被设计研究出来，通常采用混合表面等离子体波导。表面等离子体波导的原理是利用光波的全反射而产生的倏逝波来激发表面等离子体激元（Surface Plasmons Polaritons，SPPs）。在光波导中，用较薄的金属层来取代波导最外层，金属中游离的电子相互作用，与介质间的耦合便激发出了SPPs。利用混合表面等离子体波导设计的起偏器一般采用波导上方直接制作金属层来实现，虽然能够实现较高的消光比，但由于金属层设置在铌酸锂上，对工作光的吸收比较大，因此插入损耗较大。
发明内容
本申请要解决的技术问题是现有薄膜铌酸锂Y波导的消偏结构存在的插入损耗比较大的问题，为此，本申请提出了一种高偏振消光比的硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构。
针对上述技术问题，本申请提供如下技术方案：
第一方面，本申请技术方案提供一种硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构，包括：
薄膜铌酸锂Y波导；
硅等离子体波导，设置于所述薄膜铌酸锂Y波导的直波导上；
所述硅等离子体波导包括条形波导和条形波导周围的硅基底，所述条形波导上设计光栅，所述光栅朝向所述直波导的方向设置，所述硅基底上设置有金属层。
一些方案中所述的硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构，所述金属层为银层，所述银层的厚度在50-100nm范围内。
一些方案中所述的硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构，所述条形波导上的所述光栅的周期在3-10μm范围内。
一些方案中所述的硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构，所述硅等离子体波导通过紫外胶固定于所述直波导上。
一些方案中所述的硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构，所述薄膜铌酸锂Y波导采用刻蚀工艺制作，其刻蚀深度在200-300nm范围内。
一些方案中所述的硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构，所述薄膜铌酸锂Y波导的薄膜厚度在500-600nm范围内，宽度在1.2-1.5μm范围内。
一些方案中所述的硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构，所述条形波导的刻蚀宽度在200-300nm范围内，所述条形波导的高度在100-150nm范围内。
第二方面，本申请技术方案提供一种硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构的调节方法，包括：
步骤一：将消偏光源经单模光纤组件与薄膜铌酸锂Y波导的输入端连接；
步骤二：将所述薄膜铌酸锂Y波导的一个输出端经保偏光纤组件连接至消光比测试仪；启动所述消偏光源后，所述消光比测试仪达到稳定输出后完成连接；
步骤三：在所述薄膜铌酸锂Y波导的直波导上方点设紫外胶匹配液，将硅等离子体波导设置于所述紫外胶匹配液上，调节所述硅等离子体波导的位置直到所述消光比测试仪显示的偏振消光比达到需求值；
步骤四：通过紫外灯固化所述紫外胶匹配液。
一些方案中所述的硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构的调节方法，所述步骤三中，通过调节架夹持所述硅等离子体波导，所述调节架具有X/Y/Z三轴方向的自由度；通过所述调节架对所述硅等离子体波导的位置进行调整；完成所述硅等离子体波导的位置调节后移除所述调节架。
第三方面，本申请技术方案提供一种光纤陀螺，所述光纤陀螺包括第一方面任一项所述的硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构。
本申请的技术方案相对现有技术具有如下技术效果：
本申请提供的硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构，包括薄膜铌酸锂Y波导和设置于薄膜铌酸锂Y波导的直波导上的硅等离子体波导，硅等离子体波导包括条形波导和条形波导周围的硅基底，条形波导上设计光栅，光栅朝向直波导的方向设置，硅基底上设置有金属层。通过光栅的引入将要进入薄膜铌酸锂Y波导的TM模式的基模与硅基底的TM一阶平板波导模式发生耦合，进入硅基底的TM一阶模式，由于条形波导的周围金属层表面的等离子体波效应而被吸收掉，实现偏振滤波功能。因此，本申请提供的技术方案中，采用铌酸锂薄膜制作Y波导芯片，可以实现小型化、低半波电压、便于后续集成，而且通过在薄膜铌酸锂Y波导的直波导上设计硅等离子体波导，可以使薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构实现高偏振消光比的工作状态，并且本方案中金属层设置在硅等离子体上，不与铌酸锂薄膜接触，不会吸收过多的工作光，所以不会引入过高的插入损耗，本方案工艺过程可控、制作成本低、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为光纤陀螺系统的结构示意图；
图2为Y波导的结构示意图；
图3为本申请一实施例所述高偏振消光比的硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构的平面示意图；
图4为本申请一实施例所述高偏振消光比的硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构的立体示意图；
图5为本申请一实施例所述硅等离子体波导与直波导的配合关系示意图；
图6为本申请一实施例所述硅等离子体波导的结构示意图；
图7为本申请一实施例所述硅等离子体波导的平面示意图；
图8为本申请一实施例所述硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构的调节方法流程图；
图9为本申请一实施例所述硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构的调节系统的示意图。
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。
如图3和图4所示，本申请实施例提供一种硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构，包括薄膜铌酸锂Y波导1和硅等离子体波导2。其中，所述硅等离子体波导2设置于所述薄膜铌酸锂Y波导1的直波导上；如图5-图7所示，所述硅等离子体波导2包括条形波导21和条形波导周围的硅基底，所述条形波导21上设计光栅22，所述光栅22朝向所述直波导的方向设置，所述硅基底上设置有金属层23。结合图5所示，当光栅22一侧设置在直波导上时，由于光栅22时凸起的，所以金属层23不会接触到直波导。
以上方案中，通过光栅22的引入将要进入薄膜铌酸锂Y波导1的TM模式的基模与硅基底的TM一阶平板波导模式发生耦合，进入硅基底的TM一阶模式，在条形波导21的两侧有金属层23，利用金属层23的表面等离子体波效应，TM模式会被吸收掉，实现偏振滤波功能。本实施例提供的以上技术方案中，采用铌酸锂薄膜制作Y波导芯片，可以实现小型化、低半波电压、便于后续集成，而且通过在薄膜铌酸锂Y波导1的直波导上设计硅等离子体波导2，可以使薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构实现高偏振消光比的工作状态，且不会引入过高的插入损耗，工艺过程可控、制作成本低、满足光纤陀螺应用需要。
以上方案中，所述硅等离子体波导2通过紫外胶3固定于所述直波导上。通过紫外胶3的固定方式较为成熟，其引入的损耗能够被很好的控制在允许误差范围内。
以上方案中，金属层23可以选择具有等离子体波效应的金属材料通过溅射等工艺制备得到。优选地，所述金属层23为银层，所述银层的厚度在50-100nm范围内。
具体地，如图所示，硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构，包括薄膜铌酸锂Y波导1，和在输入端设计的硅等离子体波导2结构，利用硅等离子体波导2滤除TM模式，实现高芯片偏振消光比的工作状态，满足光纤陀螺应用需要。具体实现时，所述薄膜铌酸锂Y波导1采用刻蚀工艺制作完成，包括输入直波导，MMI（多模波导），弯曲波导，输出波导和模斑转换器，优选所述薄膜铌酸锂Y波导1的薄膜厚度在500-600nm范围内，宽度在1.2-1.5μm范围内，刻蚀深度为200-300nm，宽度为1.2-1.5μm。硅等离子体波导2采用硅片制作而成，硅片上刻蚀宽度为200-300nm，高度为100-150nm的条形波导21，条形波导21上设计光栅22，光栅22的周期可选范围为3-10μm，条形波导21的两侧和周边采用磁控溅射工艺制作一层50-100nm厚度的银层。
本申请实施例还提供一种硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构的调节方法，如图8和图9所示，包括：
步骤一：将消偏光源经单模光纤组件与薄膜铌酸锂Y波导的输入端连接。如图所示，消偏光源的输出端连接单模光纤组件的输入端，单模光纤组件的输出端与薄膜铌酸锂Y波导的输入端连接。
步骤二：将所述薄膜铌酸锂Y波导的一个输出端经保偏光纤组件连接至消光比测试仪；启动所述消偏光源后，所述消光比测试仪达到稳定输出后完成连接。如图所示，薄膜铌酸锂Y波导的输出端连接保偏光纤组件的输入端，保偏光纤组件的输出端连接消光比测试仪。当连接完成后，可以开启消偏光源，通过光纤组件进行对准调光，保持所述消光比测试仪具有稳定的光功率输出。
步骤三：在薄膜铌酸锂Y波导的直波导上方点设紫外胶匹配液，将硅等离子体波导设置于紫外胶匹配液上，调节所述硅等离子体波导的位置直到所述消光比测试仪显示的偏振消光比达到需求值。偏振消光比是保偏光纤组件的尾纤非工作轴向输出光功率与工作轴向输出光功率的比值，单位为分贝，用dB表示。需求值可以是小于30dB的一个值。
步骤四：通过紫外灯固化所述紫外胶匹配液。
在设置需求值时，已经考虑了紫外胶匹配液固化为紫外胶的过程中对于整个装置消光比的影响，所以固化完成后，硅等离子体波导2便被稳定 地设置于直波导上。
以上方案中，所述步骤三中，通过调节架夹持所述硅等离子体波导，所述调节架具有X/Y/Z三轴方向的自由度；通过所述调节架对所述硅等离子体波导的位置进行调整；完成所述硅等离子体波导的位置调节后移除所述调节架。也即，通过调节架移动X/Y/Z三轴方向，观察消光比测试仪显示的偏振消光比和输出功率，来判断是否是最佳耦合位置，达到最佳位置后，利用紫外灯固化紫外胶匹配液。
本方案提供的硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构，采用铌酸锂薄膜制作Y波导芯片，可以实现小型化、低半波电压、便于后续集成的效果；在铌酸锂薄膜Y波导的输入段设计起偏器结构，可以实现TM模式的滤除，保证器件工作在单偏振状态，芯片偏振消光比可达到30dB；等离子体硅波导整体长度为10-30μm，通过空间耦合的方式与薄膜铌酸锂薄膜进行装配，不额外增加长度，结构紧凑；依据现有硅波导和薄膜铌酸锂波导工艺平台可以实现批量化流片，通过后续在线装配耦合的方式完成起偏器制作，降低了工艺难度、扩大了工艺容差。
一些实施例中还提供一种光纤陀螺，所述光纤陀螺包括以上实施例任一项方案所述的硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构。其中，硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构可以用于替代图1所示的相位调制部分的Y波导。本方案提供的光纤陀螺，Y波导具有起偏的作用，针对x切y传铌酸锂波导，仅传输TE模式传输，具有单偏振工作状态。
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 (7)

1.一种硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构的调节方法，其特征在于，所述硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构包括：薄膜铌酸锂Y波导；硅等离子体波导，设置于所述薄膜铌酸锂Y波导的直波导上；所述硅等离子体波导包括条形波导和条形波导周围的硅基底，所述条形波导上设计光栅，所述光栅朝向所述直波导的方向设置，所述硅基底上设置有金属层；所述方法包括：
步骤一：将消偏光源经单模光纤组件与薄膜铌酸锂Y波导的输入端连接；
步骤二：将所述薄膜铌酸锂Y波导的一个输出端经保偏光纤组件连接至消光比测试仪；启动所述消偏光源后，所述消光比测试仪达到稳定输出后完成连接；
步骤三：在所述薄膜铌酸锂Y波导的直波导上方点设紫外胶匹配液，将硅等离子体波导设置于所述紫外胶匹配液上，调节所述硅等离子体波导的位置直到所述消光比测试仪显示的偏振消光比达到需求值；
步骤四：通过紫外灯固化所述紫外胶匹配液。
2.根据权利要求1所述的硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构的调节方法，其特征在于：
所述步骤三中，通过调节架夹持所述硅等离子体波导，所述调节架具有X/Y/Z三轴方向的自由度；通过所述调节架对所述硅等离子体波导的位置进行调整；完成所述硅等离子体波导的位置调节后移除所述调节架。
3.根据权利要求2所述的硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构的调节方法，其特征在于：
所述的硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构中，所述金属层为银层，所述银层的厚度在50-100nm范围内。
4.根据权利要求3所述的硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构的调节方法，其特征在于：
所述的硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构中，所述条形波导上的所述光栅的周期在3-10μm范围内。
5.根据权利要求4所述的硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构的调节方法，其特征在于：
所述的硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构中，所述薄膜铌酸锂Y波导采用刻蚀工艺制作，其刻蚀深度在200-300nm范围内。
6.根据权利要求5所述的硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构的调节方法，其特征在于：
所述的硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构中，所述薄膜铌酸锂Y波导的薄膜厚度在500-600nm范围内，宽度在1.2-1.5μm范围内。
7.根据权利要求6所述的硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构的调节方法，其特征在于：
所述的硅等离子体辅助的薄膜铌酸锂Y波导混合集成结构中，所述条形波导的刻蚀宽度在200-300nm范围内，所述条形波导的高度在100-150nm范围内。
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