CN116626810A - 一种超大带宽的薄膜铌酸锂偏振旋转分束器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超大带宽的薄膜铌酸锂偏振旋转分束器及其制备方法，包括分束器主体，所述分束器主体包括形成在薄膜铌酸锂平台上的波导层，所述薄膜铌酸锂平台上设置有缓冲层和包层，所述缓冲层位于所述波导层下方，所述包层位于所述波导层上方；所述波导层包括输入波导、第二弯曲波导、第一弯曲波导、第二输出波导和第一输出波导；输入波导、第二弯曲波导和第二输出波导固定连接，第一弯曲波导和第一输出波导固定连接。本发明既实现了器件结构的简单化，又能达到大带宽和大工艺容差的效果。
Description
技术领域
本发明涉及集成光学器件技术领域，特别是涉及一种超大带宽的薄膜铌酸锂偏振旋转分束器及其制备方法。
背景技术
近年来，薄膜铌酸锂逐渐发展成为热门的光子集成平台之一，目前基于薄膜铌酸锂平台已经开发出了许多的光子器件，比如电光调制器，光频梳，非线性器件等。偏振是光的一个重要的物理性质，偏振旋转分束器的作用是把一束光中的TE偏振态和TM偏振态分离开来，并同时把TM偏振转化成TE偏振。其在薄膜铌酸锂光子链路中有巨大的作用，比如通过对偏振进行调控可以实现偏振复用以提升通信容量；以及针对相干传输系统的偏振衰落进行补偿；还可以用于光子链路中的起偏器。因此高性能的偏振旋转分束器是铌酸锂光子平台不可缺少的功能器件。
目前基于铌酸锂的偏振旋转分束器的实现原理主要分为模式耦合以及模式演化。模式耦合的原理是通过合理的结构设计打破了波导水平或者垂直方向的对称性，因此可以实现不同偏振态之间的相互耦合转化。该类型器件的优点是结构简单，尺寸小。但同时缺点也很明显，严格的相位匹配条件限制了工作带宽范围以及工艺容差，并不适合大规模批量制作以及商用。
模式演化型的器件的原理通常是首先利用模式杂化效应将TM0模式演化为TE1模式，之后再进一步把TE1模式和TE0模式分离开来，通常使用的结构包括非对称定向耦合器、非对称Y分支以及多模干涉耦合器等。非对称定向耦合器的结构同样具有带宽窄，工艺容差小的缺点；非对称Y分支具有尖端尺寸小，加工较困难的缺点；而多模干涉耦合器需要首先控制相位，增加了器件结构的复杂度。
现有技术中薄膜铌酸锂平台的偏振旋转分束器虽然已经进行了一定的研究，但是目前的方案都还有其局限性。
因此亟需一种超大带宽的薄膜铌酸锂偏振旋转分束器及其制备方法，用来解决上述问题，为实现不同偏振态的基模之间的绝热演化，既可以实现了器件结构的简单化，又能达到大带宽和大工艺容差的效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种超大带宽的薄膜铌酸锂偏振旋转分束器及其制备方法，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种超大带宽的薄膜铌酸锂偏振旋转分束器，包括：
分束器主体，所述分束器主体包括形成在薄膜铌酸锂平台上的波导层，所述薄膜铌酸锂平台上设置有缓冲层和包层，所述缓冲层位于所述波导层下方，所述包层位于所述波导层上方；所述波导层包括输入波导、第二弯曲波导、第一弯曲波导、第二输出波导和第一输出波导；所述输入波导、所述第二弯曲波导和所述第二输出波导固定连接，所述第一弯曲波导和所述第一输出波导固定连接。
优选的，所述输入波导的传输方向延所述薄膜铌酸锂平台上铌酸锂晶轴的Y轴方向分布。
优选的，所述第一弯曲波导、所述第二弯曲波导的弧度为90°，所述第一弯曲波导、所述第二弯曲波导末端的切线方向与所述薄膜铌酸锂平台上铌酸锂晶轴的Z轴方向平行设置。
优选的，所述第一弯曲波导的宽度小于所述第二弯曲波导的宽度。
优选的，所述第一弯曲波导、所述第二弯曲波导的曲率半径为恒定或者变化的。
优选的，所述第一弯曲波导与所述第二弯曲波导之间的距离大于0且小于1μm。
优选的，所述第二弯曲波导与所述第一弯曲波导之间的距离小于所述第二输出波导与所述第一输出波导之间的距离。
优选的，所述包层、所述缓冲层的折射率小于所述薄膜铌酸锂平台上铌酸锂的折射率。
优选的，所述分束器主体的工作波段范围为1200nm至2000nm。
一种超大带宽的薄膜铌酸锂偏振旋转分束器制备方法，包括以下步骤：
S1、掩模制作：在薄膜铌酸锂平台表面制备掩模；
S2、波导制作：根据S中的掩模在薄膜铌酸锂平台表面制备波导层；
S3、包层覆盖：在S2中形成的波导层上方覆盖包层。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
1、本发明提供的一种超大带宽的薄膜铌酸锂偏振旋转分束器及其制备方法，在薄膜铌酸锂平台上利用超模波导实现了基模的偏振旋转以及分束，无需经过高阶模，既保证了器件的高工作带宽和大制作容差，又简化了结构，节省器件尺寸，有助于和其他器件单片集成共同构成薄膜铌酸锂集成光子回路。
2、本发明提供的一种超大带宽的薄膜铌酸锂偏振旋转分束器及其制备方法，采用标准半导体工艺对器件进行加工制备，工艺技术较为成熟，可以降低成本，提升器件的批量生产能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
图1为本发明分束器主体的结构示意图；
图2为本发明薄膜铌酸锂芯片的截面结构示意图；
图3为本发明超模波导传输方向沿Y轴时模式分布图；
图4为本发明超模波导传输方向沿Z轴时模式分布图；
图5为本发明分束器主体的透射谱测试曲线；
图6为本发明分束器主体的工艺流程图；
其中，1、输入波导；2、第二弯曲波导；3、第一弯曲波导；4、第二输出波导；5、第一输出波导；6、包层；7缓冲层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1-5，本发明提供一种超大带宽的薄膜铌酸锂偏振旋转分束器，包括：
分束器主体，分束器主体包括形成在薄膜铌酸锂平台上的波导层，薄膜铌酸锂平台上设置有缓冲层7和包层6，缓冲层7位于波导层下方，包层6位于波导层上方；波导层包括输入波导1、第二弯曲波导2、第一弯曲波导3、第二输出波导4和第一输出波导5；输入波导1、第二弯曲波导2和第二输出波导4固定连接，第一弯曲波导3和第一输出波导5固定连接。
分束器主体的工作原理：输入光的TE偏振分量进入波导层后，其激发的模式为波导层的一阶模，能量主要分布在第二弯曲波导2中，且为TE偏振态，在传输过程中模式不会发生变化，并最终从第二输出波导4输出；输入光的TM分量进入波导层后激发的模式为二阶模，能量主要分布在第二弯曲波导2中，且为TM偏振态。由于铌酸锂为各向异性材料，当波导层的传输方向发生变化时，其中模式的折射率也会发生变化，当波导法线方向的折射率逐渐增大时，二阶模中的TE偏振分量会逐渐占据主导地位，并且能量会逐步集中到第一弯曲波导3中。因此TM模式的输入光的能量会随着传输方向的改变逐渐演化至第一弯曲波导3中，并且变为TE偏振态，最终该模式从第一输出波导中输出。从而实现了输入光TE和TM偏振态的分离，并同时将TM转换成TE偏振态。
进一步优化方案，输入波导1的传输方向延薄膜铌酸锂平台上铌酸锂晶轴的Y轴方向分布。
以保证和电光调制器等常用器件方向保持一致，便于单片集成。
进一步优化方案，第一弯曲波导3、第二弯曲波导2的弧度为90°，第一弯曲波导3、第二弯曲波导2末端的切线方向与薄膜铌酸锂平台上铌酸锂晶轴的Z轴方向平行设置。
进一步优化方案，第一弯曲波导3的宽度小于第二弯曲波导2的宽度。
进一步优化方案，第一弯曲波导3、第二弯曲波导2的曲率半径为恒定或者变化的。
第一弯曲波导3、第二弯曲波导2可以为固定曲率半径或者变化曲率半径，其形状为圆弧、欧拉螺旋线、贝塞尔曲线等中的一种，且第一弯曲波导3、第二弯曲波导2的形状一致。
进一步优化方案，第一弯曲波导3与第二弯曲波导2之间的距离大于0且小于1μm。
第一弯曲波导3与第二弯曲波导2之间的距离与倏逝波耦合条件相适配。
进一步优化方案，第二弯曲波导2与第一弯曲波导3之间的距离小于第二输出波导4与第一输出波导5之间的距离。
参考图1，通过第一输出波导5与第二输出波导4之间距离的逐步增大将第一弯曲波导3和第二弯曲波导2的间距分开，实现光的输出。
进一步优化方案，包层6、缓冲层7的折射率小于薄膜铌酸锂平台上铌酸锂的折射率。
包层6、缓冲层7的折射率小于铌酸锂的折射率，以使得光能够限制在铌酸锂波导中。
进一步优化方案，分束器主体的工作波段范围为1200nm-2000nm。
参考图5，一种超大带宽的薄膜铌酸锂偏振旋转分束器制备方法，包括以下步骤：
S1、掩模制作：在薄膜铌酸锂平台表面制备掩模；
利用光刻工艺在薄膜铌酸锂平台表面上制备图形化的掩模，具体的光刻采用方法包括步进式光刻机、接触式光刻机、电子束直写、激光直写。
具体的利电子束蒸发工艺在薄膜铌酸锂平台表面上制备一层铬，随后利用电子束曝光和干法工艺图形化铬掩模。
S2、波导制作：根据S1中的掩模在薄膜铌酸锂平台表面制备波导层；
利用刻蚀工艺在掩模位置处制备输入波导1、第二弯曲波导2、第一弯曲波导3、第二输出波导4、和第一输出波导5，具体的刻蚀方法包括感应耦合等离子体刻蚀(ICP)、反应离子刻蚀(RIE)。
S3、包层覆盖：在S2中形成的波导层上方覆盖包层；
波导层制备完成后，去除刻蚀的掩模，去除掩模后在波导层上方覆盖二氧化硅包层。
具体的用铬腐蚀液去除剩余铬掩模，利用等离子体增强化学的气相沉积在波导上方覆盖二氧化硅包层。
参考图1-4，分束器主体形成在X切薄膜铌酸锂材料上，波导层形成在顶层铌酸锂中，为脊波导，脊高为260nm。输入波导1传输方向沿铌酸锂晶轴Y方向，宽度为1.1μm；第二弯曲波导2的宽度同样为1.1μm，并且弯曲半径为1000μm，弧度为π/2；第一弯曲波导3的宽度为0.65μm，弧度同样为π/2，与第二弯曲波导2之间的距离为0.3μm；第二输出波导4、第一输出波导5的作用是把第二弯曲波导2、第一弯曲波导3分开并分别输出。
第二弯曲波导2、第一弯曲波导3组成的超模波导，入射光经过输入波导1后进入第二弯曲波导2、第一弯曲波导3组成的超模波导，入射光中的TE分量激发为超模波导的第一阶模式，其能量主要分布在第二弯曲波导2中，并且TE偏振为主；TM分量激发为超模波导的第二阶模式，其能量主要分布在第二弯曲波导2中，并且TM偏振为主，其模式分布图如图2所示。
随着第二弯曲波导2、第一弯曲波导3的传输方向从沿铌酸锂晶体Y轴方向变为沿Z轴方向，由于铌酸锂材料双折射的作用，超模波导中的模式发生了变化。其中第一阶模式没有变化，其能量主要分布在第二弯曲波导2中，并且TE偏振为主；第二阶模式能量主要分布在第一弯曲波导3中，并且TE偏振为主，其模式分布图如图3所示。
因此，可以看到，输入光中的TE模式在第二弯曲波导2、第一弯曲波导3组成的超模波导中不会发生模式变化，并最终从第二输出波导4中输出，偏振态为TE偏振态；输入光中的TM模式在第二弯曲波导2、第一弯曲波导3组成的超模波导中会发生模式演化，并最终从第一输出波导5中输出，偏振态为TE偏振态。因此最终实现了输入光中TE和TM分量的分开，并同时把TM偏振态转换为TE偏振态。
基于以上的结构参数，针对C+L波段分别测量了输入TE模式和输入TM模式时候第二输出波导4、第一输出波导5的透射谱，其结果如图4所示。当TE模式输入时，在1520nm-1600nm波段范围内，第二输出波导4处测量的损耗小于1dB，第一输出波导5处测量的偏振消光比大于20dB；当TM模式输入时，在1520nm-1600nm波段范围内，第一输出波导5处测量的损耗小于1dB，第二输出波导4处测量的偏振消光比大于20dB。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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发明，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发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种超大带宽的薄膜铌酸锂偏振旋转分束器，其特征在于，包括：
分束器主体，所述分束器主体包括形成在薄膜铌酸锂平台上的波导层，所述薄膜铌酸锂平台上设置有缓冲层(7)和包层(6)，所述缓冲层(7)位于所述波导层下方，所述包层(6)位于所述波导层上方；所述波导层包括输入波导(1)、第二弯曲波导(2)、第一弯曲波导(3)、第二输出波导(4)和第一输出波导(5)；所述输入波导(1)、所述第二弯曲波导(2)和所述第二输出波导(4)固定连接，所述第一弯曲波导(3)和所述第一输出波导(5)固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种超大带宽的薄膜铌酸锂偏振旋转分束器，其特征在于：所述输入波导(1)的传输方向延所述薄膜铌酸锂平台上铌酸锂晶轴的Y轴方向分布。
3.根据权利要求2所述的一种超大带宽的薄膜铌酸锂偏振旋转分束器，其特征在于：所述第一弯曲波导(3)、所述第二弯曲波导(2)的弧度为90°，所述第一弯曲波导(3)、所述第二弯曲波导(2)末端的切线方向与所述薄膜铌酸锂平台上铌酸锂晶轴的Z轴方向平行设置。
4.根据权利要求3所述的一种超大带宽的薄膜铌酸锂偏振旋转分束器，其特征在于：所述第一弯曲波导(3)的宽度小于所述第二弯曲波导(2)的宽度。
5.根据权利要求4所述的一种超大带宽的薄膜铌酸锂偏振旋转分束器，其特征在于：所述第一弯曲波导(3)、所述第二弯曲波导(2)的曲率半径为恒定或者变化的。
6.根据权利要求5所述的一种超大带宽的薄膜铌酸锂偏振旋转分束器，其特征在于：所述第一弯曲波导(3)与所述第二弯曲波导(2)之间的距离大于0且小于1μm。
7.根据权利要求6所述的一种超大带宽的薄膜铌酸锂偏振旋转分束器，其特征在于：所述第二弯曲波导(2)与所述第一弯曲波导(3)之间的距离小于所述第二输出波导(4)与所述第一输出波导(5)之间的距离。
8.根据权利要求7所述的一种超大带宽的薄膜铌酸锂偏振旋转分束器，其特征在于：所述包层(6)、所述缓冲层(7)的折射率小于所述薄膜铌酸锂平台上铌酸锂的折射率。
9.根据权利要求1所述的一种超大带宽的薄膜铌酸锂偏振旋转分束器，其特征在于：所述分束器主体的工作波段范围为1200nm-2000nm。
10.一种超大带宽的薄膜铌酸锂偏振旋转分束器制备方法，根据权利要求1所述的一种超大带宽的薄膜铌酸锂偏振旋转分束器所使用的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、掩模制作：在薄膜铌酸锂平台表面制备掩模；
S2、波导制作：根据S1中的掩模在薄膜铌酸锂平台表面制备波导层；
S3、包层覆盖：在S2中形成的波导层上方覆盖包层。
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|---|---|---|---|
| CN202310616508.3A Active CN116626810B (zh) | 2023-05-29 | 2023-05-29 | 一种超大带宽的薄膜铌酸锂偏振旋转分束器及其制备方法 |
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| CN (1) | CN116626810B (zh) |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5436992A (en) * | 1994-10-18 | 1995-07-25 | National Science Council | Lithium niobate optical TE-TM mode splitter |
| US5475771A (en) * | 1993-04-02 | 1995-12-12 | Nec Corporation | Polarization splitter haivng an anisotropic optical waveguide |
| US20080019637A1 (en) * | 2005-09-08 | 2008-01-24 | Little Brent E | Polarization Beam Splitter-Polarization Rotator Structure |
| US20170315294A1 (en) * | 2014-11-03 | 2017-11-02 | Consorzio Nazionale Interuniversitario Per Le Telecomunicazioni (Cnit) | Integrated photonic polarisation rotator and splitter and related method |
| CN109844621A (zh) * | 2016-08-12 | 2019-06-04 | 哈佛学院院长等 | 微机械薄膜锂铌酸锂电光装置 |
| CN115373159A (zh) * | 2021-05-17 | 2022-11-22 | 上海交通大学 | 硅-铌酸锂混合集成偏振分束旋转器 |
| CN115752424A (zh) * | 2022-12-12 | 2023-03-07 | 北京自动化控制设备研究所 | 一种基于lnoi的光纤陀螺用片上起偏器 |
| CN115857201A (zh) * | 2022-12-20 | 2023-03-28 | 华南师范大学 | 一种基于薄膜铌酸锂密集双波导的偏振无关的电光调制器 |
| CN116027483A (zh) * | 2023-03-28 | 2023-04-28 | 济南量子技术研究院 | 一种基于铌酸锂薄膜脊型波导的偏振分束器 |
-
2023
- 2023-05-29 CN CN202310616508.3A patent/CN116626810B/zh active Active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| Publication number | Publication date |
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| CN116626810B (zh) | 2024-04-12 |
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