CN117590628A - 基于薄膜铌酸锂波导的光学器件、制备方法及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于薄膜铌酸锂波导的光学器件、制备方法及工作方法，属于光学领域，包括集成设置于同一芯片上且沿光路依次布置的光分束器、光片上起偏器和光调制器，光分束器与光片上起偏器之间以及光片上起偏器与光调制器之间均通过薄膜铌酸锂波导进行光互联；薄膜铌酸锂波导包括由下到上依次设置的Si基底层、SiO2下包层、薄膜铌酸锂波导芯层、SiO2上包层和金属电极层。本发明采用上述结构的基于薄膜铌酸锂波导的光学器件、制备方法及工作方法，通过薄膜铌酸锂波导进行各器件之间的级联，保证了波导结构的一致性以及器件整体结构的小型化。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种基于薄膜铌酸锂波导的光学器件、制备方法及工作方法。
背景技术
基于光学传感原理的光学测量系统，如基于Saganc效应的惯性角动量测量系统、基于红外光特性的红外传感系统等，普遍具备高精度、高灵敏度的优势，其器件性能的不断升级优化目前仍是十分热门的研究方向；但传统的由分立器件组成的光学测量系统，存在体积大、自身干扰难以去除、器件一致性难保证等问题，限制了上述系统的进一步发展。
片上硅基光学目前是光通信、传感等领域的研究热点，也是光电集成领域最具研究价值的方向之一，其可通过微纳加工手段，实现片上结构的微纳尺寸加工，结构尺寸仅数毫米甚至数十微米量级，同时利用片上光波导代替光纤实现片上光互联，从而替代传统光功能器件；还可通过利用统一的芯层、包层材料，进一步提高片上光互联系统的集成程度和一致性，目前常见的光波导芯层材料有Si，SiN，SiO2，InP，LiNbO3等。
其中，由于LiNbO3（铌酸锂材料)具备较为优良的电光系数和二阶非线性效应，已被作为光调制器的功能材料，但是受限于加工工艺和波导结构，铌酸锂存在传输损耗过大的问题，故始终未在被正式应用于其他光学器件；对于片上光学器件，目前广为应用的薄膜铌酸锂波导，具备更小的器件尺寸和更低的表面粗糙度，可尽量减小损耗对于器件性能的影响，再结合铌酸锂自身具备的高电光系数的特点，对于目前已被广为研究的光分束器、光起偏器、光调制器等，具备实现全铌酸锂片上集成的前景，目前尚未有可靠的全铌酸锂集成光互联芯片方案被提出。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种基于薄膜铌酸锂波导的光学器件、制备方法及工作方法，通过薄膜铌酸锂波导进行各器件之间的级联，保证了波导结构的一致性以及器件整体结构的小型化。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于薄膜铌酸锂波导的光学器件，包括集成设置于同一芯片上且沿光路依次布置的光分束器、光片上起偏器和光调制器，光分束器与光片上起偏器之间以及光片上起偏器与光调制器之间均通过薄膜铌酸锂波导进行光互联；
薄膜铌酸锂波导包括由下到上依次设置的Si基底层、SiO2下包层、薄膜铌酸锂波导芯层、SiO2上包层和金属电极层。
优选的，Si基底层的材质为Si；
薄膜铌酸锂波导芯层为单模波导的脊波导结构，且薄膜铌酸锂波导芯层采用x切铌酸锂材料；
金属电极层为矩形金属层。
优选的，光分束器为Y分支光分束器；
Y分支光分束器包括一端经薄膜铌酸锂波导与光片上起偏器级联的直波导以及分别与直波导的另一端耦合的第一分支波导和第二分支波导，第一分支波导和第二分支波导远离直波导的一端分别设置有第一光输入端口和第二光输入端口。
优选的，光分束器为1×2MMI光分束器，1×2MMI光分束器的一端经薄膜铌酸锂波导与光片上起偏器级联，另一端经两路锥形波导分别连接有第一光输入端口和第二光输入端口。
优选的，第一光输入端口和第二光输入端口之间的距离大于1.5μm。
优选的，根据目前设置的铌酸锂波导层的厚度，通过Comsol进行多物理场仿真，得出光调制器的接地电极和信号电极之间的距离大于0.65µm。
优选的，光分束器经两个薄膜铌酸锂波导分别与光片上起偏器级联，再连接光调制器，光片上起偏器的偏振消光比不小于40dB。
优选的，光片上起偏器包括上波导和下波导，上波导和下波导均为弯曲波导，弯曲波导包括输入波导和输出波导，上波导的输入波导和下波导的输入波导为同心圆弧波导，光片上起偏器的重要结构参数包括波导同心角，上下波导间距，以及上下波导的弯曲半径同心圆弧的圆心角为13-15°，上波导的半径大于100µm，下波导的弯曲半径为上波导半径加波导间距，波导间距为0.4-0.6µm。
一种基于薄膜铌酸锂波导的光学器件的制备方法，包括以下步骤：
S1、在Si基底层上沉积SiO2下包层，得到SOI晶圆基片；
S2、通过异质集成工艺在SOI晶圆基片上生长铌酸锂薄膜；
S3、利用电子束光刻或离子束光刻，刻蚀铌酸锂薄膜，对铌酸锂薄膜图案化，得到薄膜铌酸锂波导；
S4、在薄膜铌酸锂波导上沉积SiO2上包层，利用化学液体反应结合机械摩擦施加力的方法，实现上包层表面光滑并保证厚度；
S5、在SiO2上包层上添加金属电极层。
一种基于薄膜铌酸锂波导的光学器件的工作方法，包括以下步骤：
光束通过第一光输入端口或者第二光输入端口输入光分束器，两路薄膜铌酸锂波导分别传输至两个光片上起偏器上进行起偏，再经薄膜铌酸锂波导传输至光调制器，光调制器将光束分为两束，起偏后的光被调制后两束光分别通过上波导的输出波导和下波导的输出波导输出。
本发明具有以下有益效果：
1、通过薄膜铌酸锂波导进行各器件之间的级联，保证了波导结构的一致性以及器件整体结构的小型化；
2、同时集成了光分束器、光片上起偏器和光调制器，能够实现对于输入光的传输、相位调制和起偏的功能，对于从后续系统返回的光，可实现分束，从而实现在光学测量系统中的应用，光调制器调制效率理论可达0.5V·cm，片上起偏器的理论偏振消光比可达22dB，整体芯片插入损耗为10~12dB，对于未来更多种类薄膜铌酸锂器件的片上集成、铌酸锂相关测试系统的小型化、轻量化奠定一定基础；
3、SOI基全铌酸锂芯片可以适配目前已有的铌酸锂硅基光学工艺生产条件，具备量产化的前景，形成PDK后可实现规模化，并实现大幅降低相关光学测试系统的生产成本。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的一种基于薄膜铌酸锂波导的光学器件的薄膜铌酸锂波导的截面图；
图2为本发明的一种基于薄膜铌酸锂波导的光学器件的器件连接图；
图3为本发明的一种基于薄膜铌酸锂波导的光学器件的Y分支光分束器结构示意图；
图4为本发明的一种薄膜铌酸锂波导的1×2MMI光分束器结构示意图；
图5为本发明的一种薄膜铌酸锂波导的片上光调制器结构示意图；
图6为本发明的一种薄膜铌酸锂波导的片上光起偏器结构示意图。
其中：1、薄膜铌酸锂波导；11、Si基底层；12、SiO2下包层；13、薄膜铌酸锂波导芯层；14、SiO2上包层；15、金属电极层；2、Y分支光分束器；21、第一分支波导；22、第二分支波导；3、1×2MMI光分束器；31、锥形波导；4、光调制器；41、接地电极；42、信号电极；5、光片上起偏器；51、上波导；52、下波导。
具体实施方式
为了使本发明实施例公开的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本发明实施例，并不用于限定本发明实施例。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的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。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。
需要说明的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或服务器不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“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；可以是机械连接，也可以是电连接；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发明中的具体含义。
如图1-图2所示，一种薄膜铌酸锂波导1的光学器件，包括集成设置于同一芯片上且沿光路依次布置的光分束器、光片上起偏器5和光调制器4，光分束器与光片上起偏器5之间以及光片上起偏器5与光调制器4之间均通过薄膜铌酸锂波导1进行光互联；薄膜铌酸锂波导1包括由下到上依次设置的Si基底层11、SiO2下包层12、薄膜铌酸锂波导芯层13、SiO2上包层14和金属电极层15。且Si基底层11的材质为Si；薄膜铌酸锂波导芯层13为单模波导的脊波导结构，且薄膜铌酸锂波导芯层13采用x切铌酸锂材料；金属电极层15为矩形金属层。薄膜铌酸锂材料自身具备优秀的电光系数和二阶非线性效应，且相对体材料铌酸锂整体损耗可以降低到更低的量级，故非常适用于制备片上光调制器4。
其中Si材料折射率约为3.49，薄膜铌酸锂材料折射率约为2.22，SiO2材料折射率约为1.45，通过各层折射率差，保证对于光传输模场的高效约束，并确保薄膜铌酸锂波导1的传输损耗在一定可控的范围内。
如图3所示，光分束器为Y分支光分束器2；Y分支光分束器2包括一端经薄膜铌酸锂波导1与光调制器4级联的直波导以及分别与直波导的另一端耦合的第一分支波导21和第二分支波导22，第一分支波导21和第二分支波导22远离直波导的一端分别设置有第一光输入端口和第二光输入端口。
或者，如图4所示，光分束器为1×2MMI光分束器3，1×2MMI光分束器3的一端经薄膜铌酸锂波导1与光调制器4级联，另一端经两路锥形波导31分别连接有第一光输入端口和第二光输入端口；降低了1×2MMI结构整体损耗，通过该方式可实现模式匹配，每一端口与光纤之间的耦合损耗约0.5dB。
光分束器的分光比可达理论值1：1。
第一光输入端口和第二光输入端口之间的距离大于1.5μm，避免与端口1/2耦合的有源器件之间发生串扰。
如图5所示，通过Comsol进行多物理场仿真，得出在目前的波导芯层、包层厚度下，确定金属电极的厚度和长度，得出在所需调制器性能情况下，光调制器的接地电极和信号电极之间的距离大于0.65µm，避免金属电极（接地电极41和信号电极42）的吸收造成薄膜铌酸锂波导1较强的损耗。本实施例中的光调制器4为Y分支调制器，其主要用于对通过系统级联端口输入调制器的光进行分束，以及相位调制，并通过输出端口输入后续器件。
光分束器经过两个薄膜铌酸锂波导1分别与两路光片上起偏器5级联，再进入光调制器4，光片上起偏器5的偏振消光比不小于40dB。满足了不同测试系统对于器件偏振消光比的需求。
如图6所示，光片上起偏器5包括上波导51和下波导52，上波导51和下波导52均为弯曲波导，弯曲波导包括输入波导和输出波导，上波导51的输入波导和下波导52的输入波导为同心圆弧波导，光片上起偏器的重要结构参数包括波导同心角a，上下波导间距d，以及上波导的弯曲半径R，同心圆弧的圆心角为13-15°，上波导51的弯曲半径R大于100µm，下波导52的弯曲半径为上波导半径R加波导间距d，波导间距d为0.4-0.6µm。
下波导52中传输的TE模式光被耦合到上波导51中，从上波导51的输出波导中输出至后续系统；下波导52中继续传输的TM模式光至耗散区。
一种薄膜铌酸锂波导1的光学器件的制备方法，包括以下步骤：
S1、在Si基底层11上沉积SiO2下包层12，得到SOI晶圆基片；
S2、通过异质集成工艺在SOI晶圆基片上生长铌酸锂薄膜；
S3、利用电子束光刻或离子束光刻，刻蚀铌酸锂薄膜，对铌酸锂薄膜图案化，得到薄膜铌酸锂波导1；
S4、在薄膜铌酸锂波导1上沉积SiO2上包层14；
S5、在SiO2上包层14上添加金属电极层15。
一种薄膜铌酸锂波导1的光学器件的工作方法，包括以下步骤：
光束通过第一光输入端口或者第二光输入端口输入光分束器，再经薄膜铌酸锂波导1传输至光调制器4，光调制器4将光束分为两束，被调制后再经过两路薄膜铌酸锂波导1分别传输至两个光片上起偏器5上进行起偏，起偏后的两束光分别通过上波导51的输出波导和下波导52的输出波导输出。
因此，本发明采用上述结构的基于薄膜铌酸锂波导的光学器件、制备方法及工作方法，通过薄膜铌酸锂波导进行各器件之间的级联，保证了波导结构的一致性以及器件整体结构的小型化。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于薄膜铌酸锂波导的光学器件，其特征在于：包括集成设置于同一芯片上且沿光路依次布置的光分束器、光片上起偏器和光调制器，光分束器与光片上起偏器之间以及光片上起偏器与光调制器之间均通过薄膜铌酸锂波导进行光互联；
薄膜铌酸锂波导包括由下到上依次设置的Si基底层、SiO2下包层、薄膜铌酸锂波导芯层、SiO2上包层和金属电极层。
2.根据权利要求1所述的一种基于薄膜铌酸锂波导的光学器件，其特征在于：Si基底层的材质为Si；
薄膜铌酸锂波导芯层为单模波导的脊波导结构，且薄膜铌酸锂波导芯层采用x切铌酸锂材料；
金属电极层为矩形金属层。
3.根据权利要求1所述的一种基于薄膜铌酸锂波导的光学器件，其特征在于：光分束器为Y分支光分束器；
Y分支光分束器包括一端经薄膜铌酸锂波导与光片上起偏器级联的直波导以及分别与直波导的另一端耦合的第一分支波导和第二分支波导，第一分支波导和第二分支波导远离直波导的一端分别设置有第一光输入端口和第二光输入端口。
4.根据权利要求1所述的一种基于薄膜铌酸锂波导的光学器件，其特征在于：光分束器为1×2MMI光分束器，1×2MMI光分束器的一端经薄膜铌酸锂波导与光片上起偏器级联，另一端经两路锥形波导分别连接有第一光输入端口和第二光输入端口。
5.根据权利要求3或4所述的一种基于薄膜铌酸锂波导的光学器件，其特征在于：第一光输入端口和第二光输入端口之间的距离大于1.5μm。
6.根据权利要求5所述的一种基于薄膜铌酸锂波导的光学器件，其特征在于：光调制器的接地电极和信号电极之间的距离大于0.65µm。
7.根据权利要求1所述的一种基于薄膜铌酸锂波导的光学器件，其特征在于：光分束器经过两个薄膜铌酸锂波导分别与两路光片上起偏器级联，再进入光调制器，光片上起偏器的偏振消光比不小于40dB。
8.根据权利要求7所述的一种基于薄膜铌酸锂波导的光学器件，其特征在于：光片上起偏器包括上波导和下波导，上波导和下波导均为弯曲波导，弯曲波导包括输入波导和输出波导，上波导的输入波导和下波导的输入波导为同心圆弧波导，光片上起偏器的重要结构参数包括波导同心角，上下波导间距，以及上下波导的弯曲半径，同心圆弧的圆心角为13-15°，上波导的半径大于100µm，下波导的弯曲半径为上波导半径加波导间距，波导间距为0.4-0.6µm。
9.如上述权利要求8所述的一种基于薄膜铌酸锂波导的光学器件的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、在Si基底层上沉积SiO2下包层，得到SOI晶圆基片；
S2、通过异质集成工艺在SOI晶圆基片上生长铌酸锂薄膜；
S3、利用电子束光刻或离子束光刻，刻蚀铌酸锂薄膜，对铌酸锂薄膜图案化，得到薄膜铌酸锂波导；
S4、在薄膜铌酸锂波导上沉积SiO2上包层，利用化学液体反应结合机械摩擦施加力的方法，实现上包层表面光滑并保证厚度；
S5、在SiO2上包层上添加金属电极层。
10.如上述权利要求8所述的一种基于薄膜铌酸锂波导的光学器件的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：
光束通过第一光输入端口或者第二光输入端口输入光分束器分为两束，再经薄膜铌酸锂波导传输至光起偏器，起偏后的光通过光调制器，被调制后再经过两路薄膜铌酸锂波导分别传输至上波导的输出波导和下波导的输出波导输出。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115220158A (zh) * | 2022-06-06 | 2022-10-21 | 上海图灵智算量子科技有限公司 | 基于铌酸锂光芯片的光电转换模块 |
| CN117891090A (zh) * | 2024-03-13 | 2024-04-16 | 北京航空航天大学 | 一种调制接收用铌酸锂薄膜集成芯片及其工作方法 |
| CN118050849A (zh) * | 2024-04-16 | 2024-05-17 | 北京航空航天大学 | 基于铌酸锂的光学陀螺用光引擎、加工方法及工作方法 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107957630A (zh) * | 2016-10-18 | 2018-04-24 | 天津领芯科技发展有限公司 | 铌酸锂薄膜多功能集成光学器件及其制造方法 |
| US20200363693A1 (en) * | 2019-05-17 | 2020-11-19 | Shanghai Jiao Tong University | Silicon-based lithium niobate film electro-optic modulator array and integration method thereof |
| CN113848611A (zh) * | 2021-09-29 | 2021-12-28 | 上海安湃芯研科技有限公司 | 一种基于薄膜铌酸锂的片上起偏器及其制作方法 |
| CN114063212A (zh) * | 2021-11-19 | 2022-02-18 | 上海安湃芯研科技有限公司 | 一种单片集成的基于薄膜铌酸锂的分束调制芯片 |
| CN115016154A (zh) * | 2022-04-15 | 2022-09-06 | 北京工业大学 | 一种基于铌酸锂薄膜的偏振滤波型强度调制器 |
| CN115356867A (zh) * | 2022-08-09 | 2022-11-18 | 松山湖材料实验室 | 铌酸锂薄膜集成芯片、光电子器件和光纤陀螺 |
| CN115857091A (zh) * | 2022-12-19 | 2023-03-28 | 合肥芯智华光子科技有限公司 | 一种铌酸锂薄膜mmi起偏分束器 |
| CN116009294A (zh) * | 2023-01-29 | 2023-04-25 | 北京航空航天大学 | 一种与氮化硅异质集成的铌酸锂薄膜相位调制器 |
-
2024
- 2024-01-18 CN CN202410073710.0A patent/CN117590628B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107957630A (zh) * | 2016-10-18 | 2018-04-24 | 天津领芯科技发展有限公司 | 铌酸锂薄膜多功能集成光学器件及其制造方法 |
| US20200363693A1 (en) * | 2019-05-17 | 2020-11-19 | Shanghai Jiao Tong University | Silicon-based lithium niobate film electro-optic modulator array and integration method thereof |
| CN113848611A (zh) * | 2021-09-29 | 2021-12-28 | 上海安湃芯研科技有限公司 | 一种基于薄膜铌酸锂的片上起偏器及其制作方法 |
| CN114063212A (zh) * | 2021-11-19 | 2022-02-18 | 上海安湃芯研科技有限公司 | 一种单片集成的基于薄膜铌酸锂的分束调制芯片 |
| CN115016154A (zh) * | 2022-04-15 | 2022-09-06 | 北京工业大学 | 一种基于铌酸锂薄膜的偏振滤波型强度调制器 |
| CN115356867A (zh) * | 2022-08-09 | 2022-11-18 | 松山湖材料实验室 | 铌酸锂薄膜集成芯片、光电子器件和光纤陀螺 |
| CN115857091A (zh) * | 2022-12-19 | 2023-03-28 | 合肥芯智华光子科技有限公司 | 一种铌酸锂薄膜mmi起偏分束器 |
| CN116009294A (zh) * | 2023-01-29 | 2023-04-25 | 北京航空航天大学 | 一种与氮化硅异质集成的铌酸锂薄膜相位调制器 |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115220158A (zh) * | 2022-06-06 | 2022-10-21 | 上海图灵智算量子科技有限公司 | 基于铌酸锂光芯片的光电转换模块 |
| CN117891090A (zh) * | 2024-03-13 | 2024-04-16 | 北京航空航天大学 | 一种调制接收用铌酸锂薄膜集成芯片及其工作方法 |
| CN118050849A (zh) * | 2024-04-16 | 2024-05-17 | 北京航空航天大学 | 基于铌酸锂的光学陀螺用光引擎、加工方法及工作方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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