CN209979892U - 一种新型铌酸锂光学波导晶片 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种新型铌酸锂光学波导晶片，包括：铌酸锂晶片和光学波导，所述铌酸锂晶片为光学级晶体，其晶向为X切Y传或Z切Y传或X切Z传或Y切Z传等四种中的一种，所述光学波导为氧化锌扩散铌酸锂光学波导。本实用新型所提出的氧化锌扩散铌酸锂光学波导具有如下优势：(1)能够同时传输TE和TM两种偏振模式，具有比钛扩散光学波导更高的光损伤阈值，更适合应用于需要传输较高光功率的光传输系统；(2)具有较高的光损伤阈值，可以同时传输两种偏振模式，不存在其中一种偏振模式被滤波的现象；(3)制备工艺简单、成品率高、成本低，更适合于批量生产。
Description
技术领域
本实用新型创造属于光纤传感、光纤通信、微波光子学、量子通信等技术领域，尤其涉及一种新型铌酸锂光学波导晶片。
背景技术
(1)原有技术介绍
铌酸锂光学波导是相位调制器、强度调制器、偏振控制器、非线性波长转换器等铌酸锂集成光学器件的核心部分。目前，铌酸锂光学波导常见的制备方法有钛扩散技术和退火质子交换技术，所形成的钛扩散波导和质子交换波导具有插入损耗低、长期稳定性好、工作波长范围广等特点，在光纤陀螺、光纤电流互感器、高速光通信、相干光通信、微波光子链路、量子通信等领域有着十分广泛的应用。
(2)原有技术存在的问题或缺陷
钛扩散光波导可同时传输TE或TM两种偏振模式，常应用于在光纤电流互感器、相干光通信、量子纠缠光源等需要同时传输两种光学偏振态模式的场合。
但是，钛扩散铌酸锂光学波导的一个主要问题是光功率阈值很低。例如，对于1550nm的连续波激光光束，钛扩散光波导的光功率阈值一般在10mW左右。对于更短的光波长的激光光束，由于激光的功率密度更高，钛扩散铌酸锂光学波导的光折变现象以及由此导致的光损伤问题也更加明显。因此，对于短波长激光光束(如500nm～1100nm)或是需要使用更高光功率的激光光束时，一般需要对钛扩散光学波导晶片进行加热以提高波导晶片的抗光折变性能，例如加热至200℃可以一定程度地提高钛扩散光学波导的光功率阈值。钛扩散光学波导较低的光功率阈值这一缺点则严重地限制了基于钛扩散光学波导的铌酸锂集成光学器件在需要传输较高光功率的系统中的应用。
与钛扩散光学波导相比，采用质子交换技术制备的铌酸锂光学波导则具有较高的光功率阈值，对于1550nm的连续波激光光束一般在100mW以上。但是，质子交换波导属于单偏振型光波导，即只能传输TE或TM偏振态的其中一种。这是因为，质子交换光学波导会使非寻常光的折射率ne增加，并使寻常光的折射率no降低。光学波导的导波原理则是光折射率的局部增加以实现对光波的局部束缚。以X切Y传的铌酸锂晶体为例，只有折射率为ne的TE模式会沿着光学波导通道传输，而折射率为no的TM模式则会泄露出光学波导通道。因此，虽然质子交换光学波导具有更高的光损伤阈值，但其单偏振特性对于需要同时传输两种偏振模式的应用场合来说则无法满足使用需求。
因此，在某些需要同时传输两种偏振态模式的应用场合，为提高钛扩散铌酸锂光学波导的光损伤阈值，现有技术采用以下两种方式：
(1)采用高温热扩散的工艺，将Mg扩散至铌酸锂晶片的表面，在铌酸锂表面形成富含Mg的薄层，再在铌酸锂晶片的表面进行钛扩散，形成双掺杂的钛扩散光学波导；
(2)选择特种铌酸锂晶体，如掺杂有Mg的光学级铌酸锂晶体或近化学计量比的光学级铌酸锂晶体，这些特种铌酸锂晶体具有比同组份的光学级铌酸锂晶体更高的光损伤阈值，并在这些特种铌酸锂晶体上制备钛扩散光学波导。
但是上述两种现有技术方案均存在着制备工艺复杂、制备技术成熟度不高等问题，导致制备成本较高、成品率较低，不能满足批量生产的要求。
实用新型内容
针对上述现有技术中存在的问题，
本实用新型目的在于，提出一种新型铌酸锂光学波导晶片，其创新在于：与现有钛扩散技术或质子交换技术不同，本实用新型采用氧化锌扩散技术在铌酸锂晶片中制备光学波导。所述光学波导一方面可实现同时传输TE和TM两种偏振模式，另一方面又具有比钛扩散光学波导更高的光功率阈值。
本实用新型的原理是：光学波导可实现导光功能的根本原因在于，离子的掺杂实现了光波导区域折射率相对于周围区域的晶体折射率的提高。Ti4+的掺杂可实现寻常光折射率和异常光折射率的同时提高，因而实现了TE和TM两种偏振模式的同时传输。H+的掺杂仅实现异常光折射率ne的提高，而寻常光折射率 no是降低的，因此仅可实现一种偏振模式的传输，而另一种偏振模式则会被过滤掉。Zn2+的掺杂也可实现寻常光折射率和异常光折射率的同时提高，因此也可像Ti4+掺杂一样实现TE和TM两种偏振模式的同时传输。此外，在铌酸锂晶体中掺杂二价原子Mg2+、Zn2+或三价原子Sc3+、In3+等有利于提升铌酸锂晶体的抗光损伤能力，即光功率阈值。因此，本实用新型通过对含有Zn2+的氧化锌薄膜进行高温热扩散，得到可传输双偏振模式并且具有高光功率阈值的氧化锌扩散铌酸锂光学波导。
为实现本实用新型目的，本实用新型提出的技术方案在于：
一种新型铌酸锂光学波导晶片，包括：铌酸锂晶片和光学波导，
所述铌酸锂晶片为光学级晶体，其晶向为X切Y传或Z切Y传或X切Z 传或Y切Z传等四种中的一种，所述光学波导为氧化锌扩散铌酸锂光学波导，波导宽度在1μm至20μm，波导深度在1μm至20μm。
优选地，为了利用铌酸锂晶体的最大电光系数γ33，所述铌酸锂晶片1的晶向选择X切Y传或Z切Y传。
所述铌酸锂晶片的厚度为0.1mm至2mm。
优选地，所述铌酸锂晶片的厚度为0.5mm或1mm。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
(1)与现有技术制备的钛扩散铌酸锂光学波导相比，本实用新型所提出的氧化锌扩散铌酸锂光学波导也可以同时传输TE和TM两种偏振模式，具有比钛扩散光学波导更高的光损伤阈值，更适合应用于需要传输较高光功率的光传输系统；
(2)与现有技术制备的质子交换铌酸锂光学波导相比，本实用新型所提出的氧化锌扩散铌酸锂光学波导也可以具有较高的光损伤阈值，但可以同时传输两种偏振模式，不存在其中一种偏振模式被滤波的现象；
(3)与现有技术采用的在局部掺杂铌酸锂晶片或特种铌酸锂晶体中制备的钛扩散光学波导晶片相比，本实用新型所提出的氧化锌扩散铌酸锂光学波导晶片的制备工艺简单、成品率高、成本低，更适合于批量生产。
附图说明
图1为本实用新型提出的新型铌酸锂光学波导晶片的结构示意图；
图2a至图2d为本实用新型第一种方法制备新型铌酸锂光学波导晶片的工艺过程示例；
图3a至图3d为本实用新型第二种方法制备的新型铌酸锂光学波导晶片的工艺过程示例；
图中，各个标记所对应的名称分别为：1、铌酸锂晶片；2、氧化锌扩散光学波导；3、光刻胶掩膜；4、氧化锌薄膜；4-1；条形氧化锌薄膜。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、部件或者模块、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，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、产品或设备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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本实用新型，下面结合附图对本实用新型作进一步详细描述，应该理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
如图1所示，本实施例提供了一种新型铌酸锂光学波导晶片，包括：铌酸锂晶片1和光学波导2；
所述铌酸锂晶片1采用光学级晶体，其晶向为X切Y传或X切Z传或Y 切Z传或Z切Y传等四种中的一种；
所述光学波导2为氧化锌扩散铌酸锂光学波导，波导宽度在1μm至20μm，波导深度在1μm至20μm。
优选地，为了利用铌酸锂晶体的最大电光系数γ33，所述铌酸锂晶片1的晶向选择X切Y传或Z切Y传。
优选地，所述铌酸锂晶片1的厚度为0.1mm至2mm。
优选地，所述铌酸锂晶片1的厚度为0.5mm或1mm。
一种新型铌酸锂光学波导晶片的制造方法，其制造方法的流程图如图2a至图2d所示，具体包括以下步骤：
步骤1：采用半导体工艺中常规的光刻技术，在铌酸锂晶片1的表面制作出具有光学波导2的图形的光刻胶掩膜3；
步骤2：采用电子束蒸发或磁控溅射或离子溅射等镀膜工艺手段之一，在光刻胶掩膜上制备一层厚度在10nm至150nm的氧化锌薄膜4；
步骤3：通过剥离工艺在所述铌酸锂晶片1的表面留下光学波导2图形的条形氧化锌薄膜4-1，条形氧化锌薄膜4-1的厚度在10nm至150nm，宽度在1μm 至20μm；
步骤4：将所述铌酸锂晶片1放置在高温扩散炉中，通入湿氧，待扩散炉的温度从室温升至1000℃至1100℃的条件下，恒温5～12小时，关闭扩散炉，待炉温降至室温后，取出铌酸锂晶片1，得到含有氧化锌扩散光学波导2的铌酸锂波导晶片1。
另一种新型铌酸锂光学波导晶片的制造方法，其制造方法的流程图如图3a 至图3d所示，具体包括以下步骤：
步骤1：采用电子束蒸发或磁控溅射或离子溅射等镀膜工艺手段之一，在铌酸锂晶片1的表面制备一层厚度在10nm至150nm的氧化锌薄膜4；
步骤2：采用光刻工艺在氧化锌薄膜4的表面制作出具有光学波导2的图形的光刻胶掩膜3；
步骤3：采用湿法腐蚀或干法刻蚀等工艺对光刻胶掩模3以外的区域进行腐蚀或刻蚀，在所述铌酸锂晶片1的表面留下光学波导2图形的条形氧化锌薄膜 4-1，条形氧化锌薄膜4-1的厚度在10nm至150nm，宽度在1μm至20μm；
步骤4：将所述铌酸锂晶片1放置在高温扩散炉中，通入湿氧，待扩散炉的温度从室温升至1000℃至1100℃的条件下，恒温5～12小时，关闭扩散炉，待炉温降至室温后，取出铌酸锂晶片1，得到含有氧化锌扩散光学波导2的铌酸锂波导晶片1。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (4)
1.一种新型铌酸锂光学波导晶片，包括：铌酸锂晶片(1)和光学波导，其特征在于，
所述铌酸锂晶片(1)为光学级晶体，其晶向为X切Y传或Z切Y传或X切Z传或Y切Z传四种中的一种，
所述光学波导为氧化锌扩散光学波导(2)。
2.根据权利要求1所述的新型铌酸锂光学波导晶片，其特征在于，所述光学波导的波导宽度在1μm至20μm，波导深度在1μm至20μm。
3.根据权利要求1所述的新型铌酸锂光学波导晶片，其特征在于，所述铌酸锂晶片(1)的厚度为0.1mm至2mm。
4.根据权利要求3所述的新型铌酸锂光学波导晶片，其特征在于，所述铌酸锂晶片(1)的厚度为0.5mm或1mm。
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