[發明專利]一種薄膜鈮酸鋰單偏振波導及其制備方法

有效

• 申請號: 201911279183.4
• 申請日: 2019-12-12
• 公開（公告）號: CN110989076B
• 公開（公告）日: 2021-05-18
• 發明（設計）人: 夏金松;劉宇恒;曾成
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G02B6/10
• 分類號: G02B6/10;G02B6/126;G02B6/136
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智

本發明公開了一種薄膜鈮酸鋰單偏振波導及其制備方法，屬于集成光子學領域。該波導從上至下包括上包層、鈮酸鋰薄膜波導芯層、下包層和襯底層；所述鈮酸鋰薄膜波導芯層包括脊形波導和位于所述脊形波導兩側的槽形區域；脊形波導的寬度和刻蝕深度小于TM0模式存在截止值，脊形波導中的TM0模式與和所述槽形區域中的TE1模式發生交叉耦合；槽形區域的寬度取值使得從所述脊形波導中TM0模式耦合到兩側槽形區域的TE1模式與泄漏到槽形區域的TM0模式發生相干相長。通過優化微納光波導結構的幾何參數，獲得僅支持TE0模式穩定傳輸的波導結構。本發明中的薄膜鈮酸鋰單偏振波導對光場的限制能力強，提高了器件的集成度，簡化了工藝流程。

技術領域

本發明屬于集成光子學領域，更具體地，涉及一種薄膜鈮酸鋰單偏振波導及其制備方法。

背景技術

以超大規模集成電路為代表的微電子技術已發展到了極高的水平，進一步提高集成電路性能的方向之一是將傳播速度更快、信息容量更大的光引進集成電路，形成光電子集成。在集成光子學領域當中，用來處理偏振態的器件是構成偏振相關集成光路的關鍵器件。單偏振波導的設計和其他集成光子學的器件的設計和工藝方法兼容，當集成光路的波導全部采用單偏振波導設計時，整個集成光路中TE0模式的信號光將占據絕對的主導地位。采用常規的SLED光源作為輸入光源可以實現30dB以上的偏振消光比。采用薄膜鈮酸鋰單偏振波導，在相同的芯片上還可以集成薄膜鈮酸鋰相位調制器、薄膜鈮酸鋰耦合器等器件。最為典型的應用場景就是集成式光纖陀螺，采用薄膜鈮酸鋰單偏振波導設計可以實現高偏振消光比，減少傳輸光路中的噪聲光信號的影響，提高Sagnac干涉環的靈敏度，實現大帶寬快速調制的同時整個系統占據很小的尺寸。

在現有技術中，實現薄膜鈮酸鋰單偏振波導的方法主要有退火質子交換方法和鈦擴散波導方法。這幾種傳統方法制作的薄膜鈮酸鋰單偏振波導對光場的限制能力弱，薄膜鈮酸鋰單偏振波導的彎曲半徑很大。另外，采用這些傳統方法制作單偏振波導的工藝流程比較復雜，并且不能和現有的CMOS半導體制作工藝兼容，難以實現大規模的密集集成。隨著現有光波導器件小型化、集成化的發展趨勢，亟需提供一種集成度更高且流程簡單的薄膜鈮酸鋰單偏振波導工藝方案以進一步推動產品的商業化應用。

發明內容

針對現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種薄膜鈮酸鋰單偏振波導及其制備方法，旨在解決現有鈮酸鋰單偏振波導難于大規模密集集成、工藝流程比較復雜的問題。

為實現上述目的，本發明提供了一種薄膜鈮酸鋰單偏振波導，從上至下包括上包層、鈮酸鋰薄膜波導芯層、下包層和襯底層，所述上包層和下包層的折射率均小于所述鈮酸鋰薄膜波導芯層的折射率，所述鈮酸鋰薄膜波導芯層包括脊形波導和位于所述脊形波導兩側的槽形區域；

其中，所述脊形波導的寬度和刻蝕深度小于TM0模式存在截止值，從而所述脊形波導中的TM0模式與和所述槽形區域中的TE1模式發生交叉耦合；

所述槽形區域的寬度取值使得從所述脊形波導中TM0模式耦合到兩側槽形區域的TE1模式與泄漏到槽形區域的TM0模式發生相干相長。

進一步地，所述脊形波導的寬度為800nm，刻蝕深度為140nm，所述槽形區域的寬度為4.2μm。

進一步地，在1310nm波長條件下，所述鈮酸鋰薄膜波導芯層對o光的折射率為2.15，對e光的折射率為2.22；所述上包層和下包層的折射率均為1.46。

進一步地，所述襯底層厚度為500μm，所述下包層厚度為4.7μm，所述鈮酸鋰薄膜波導芯層的總厚度為400nm，所述上包層的厚度為4μm。

進一步地，所述鈮酸鋰薄膜波導芯層的材料為單晶結構的鈮酸鋰薄膜材料，其厚度為200nm-4000nm。

優選地，所述上包層的材料為二氧化硅、氮化硅或空氣。

優選地，所述下包層的厚度大于1μm，材料為二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。