專利名稱：基于鈮酸鋰光子線的光極化分裂器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵部件之一，具體的說(shuō)，是一種基于鈮酸鋰光子線(縮寫為L(zhǎng)N)的超緊湊光極化分裂器。
背景技術(shù)：
LN光子線(即，鈮酸鋰光波導(dǎo))1_8正在成為未來(lái)集成光子學(xué)的候選者，這是由于它具有尺寸結(jié)構(gòu)小，優(yōu)良的電-光、聲-光、及非線性光學(xué)特性9，易受稀土元素離子參雜得到激光活性材料1°，特別有希望的高效率設(shè)備(甚至在適度光學(xué)功率值也可能實(shí)現(xiàn))。顯然，基于LN光子線的光極化分裂器是由LN光子線構(gòu)成的集成光路的一個(gè)關(guān)鍵部件。然而， 據(jù)申請(qǐng)人所進(jìn)行的資料檢索，到目前為止，尚無(wú)關(guān)于基于LN光子線的光定向耦合器的相關(guān)研究報(bào)道。以下是發(fā)明人檢索的相關(guān)文獻(xiàn)1 P.Rabiei，and W.H. Steier, “Lithium niobate ridge waveguides and modulators fabricated using smart guide，“ App 1. Phys. Lett. Vol. 86，no. 16， pp.161115-161118，Apr 2005。2D.Djukic，G. Cerda-Pons，R. M. Roth, R.M.Osgood，Jr. , S. Bakhru, and H. Bakhru,，，Electro-optically tunable second-harmonic-generation gratings in ion-exfoliated thin films of periodically poled lithium niobate, “App1.Phys. Lett. Vol. 90，no. 17，pp.171116—171119，April 2007。3A· Guarino，G. Poberaj, D. Rezzonico, R. Degl' innocenti，and P. Giinter, “Electro-optically tunable microring resonators in lithium niobate,” Nat. Photonics Vol. 1，no. 7，pp. 407-410，May 2007。4F. Schrempel, T. Gischkat，H. Hartung, T. Hoche E. B. Kley, A. Tiinnermann, and W. Wesch, “Ultrathin membranes in χ-cut lithium niobate, ” Opt. Lett.Vol. 34， no. 9，pp.1426-1428，April 2009。5T. Takaoka，M. Fujimura，and T. Suhara，“Fabrication of ridge waveguides in LiNb03 thin film crystal by proton-exchange accelerated etching, "Electron. Lett. Vol. 45，no. 18，pp. 940-941 (2009)。6G· Poberaj，M. Koechlin, F. Sulser, A. Guarino, J. Hajfler, and P. Giinter, “Ion-sliced lithium niobate thin films for active photonic devices,"Opt. Mater. Vol. 31，no. 7，pp. 1054-1058(2009)。7G.W.Buit， S.Diziain， and M. -P. Bernal, "Theoretical study of lithium niobate slab waveguides for integrated optics applications，，，Opt. Mater. Vol. 31， no. 10，pp. 1492-1497(2009)。8H.Hu，R. Ricken, and W. Sohler, "Lithium niobate photonic wires，，，Opt· Express, Vol. 17，no. 26，pp. 2426-242681，December 2009。
9R. S. Weis, and Τ. K. Gay lord，“Lithium niobate summary of physical properties and crystal structure，，，Appl. Phys.，A Mater. Sci. Process. Vol. 37,no. 4, pp. 191-203，March 1985。10W. Sohler， B. Das, D. Dey, S. Reza, H. Suche, and R. Ricken, "Erbium-doped lithium niobate waveguides lasers，” in 2005 IEICE Trans. Electron.E88 (C)， pp.990-997。llH.Hu，R. Ricken, and W. Sohler, Large area，crystal-bonded LiNb03 thin films and ridge waveguides of high refractive index contrast， Topical Meeting "Photorefractive Materials， Effects， and Devices-Control of Light and Matter，，(PR 09)，Bad Honnef，Germany 2009。On the poster，presented to PR 09， a photograph of a 3 inch LNOI wafer was shown. A manuscript to describe the LNOI-technology developed is in preparation。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種基于LN光子線的光極化分裂器，該極化分裂器可被用于基于鈮酸鋰光子線的高集成度光路，以適應(yīng)當(dāng)代日益發(fā)展光通信及傳感技術(shù)的迫切需要。為了實(shí)現(xiàn)上述任務(wù)。本發(fā)明采取如下的技術(shù)解決方案予以實(shí)現(xiàn)一種基于LN光子線的光極化分裂器，其特征在于，由鈮酸鋰基底、二氧化硅覆層和兩條平行的鈮酸鋰光波導(dǎo)組成，其中，其中，兩條平行的鈮酸鋰光波導(dǎo)的高度均為 0. 73μπι，波導(dǎo)的頂部寬度均為0. 5μπι ；構(gòu)成該極化分裂器的兩條平行的光波導(dǎo)的軸間距S。 =0. 74 μ m,耦合長(zhǎng)度 Lc = 49. 28 μ m。上述基于LN光子線的光極化分裂器的制備方法，其特征在于，該方法首先制作基于絕緣體的鈮酸鋰樣本(縮寫為L(zhǎng)N0I)，LN0I包括直接黏附在1. 3微米厚的二氧化硅(SiO2) 層上的730納米厚的單晶LN層(即LN薄膜)，二氧化硅層是經(jīng)過用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法涂敷在全等的Z切鈮酸鋰基底的Z面，即LN薄膜與厚度為Ium的LN基底有全等的晶體取向；LN薄膜的表面用化學(xué)機(jī)械拋光工藝(CMP)處理后達(dá)到0. 5納米的rms粗糙度； 然后將1. 7 μ m厚和0. 5 μ m寬的光阻條帶用作刻蝕掩膜。光阻在120°C下經(jīng)過1個(gè)小時(shí)的退火，接著，在Oxford Plasmalab SystemlOO內(nèi)，用100W射頻功率誘導(dǎo)地耦合成為等離子體，和70W射頻功率耦合至樣本表面，經(jīng)60分鐘氬銑蝕刻，端面拋光，即得。本發(fā)明的基于LN光子線的光定向耦合器，所帶來(lái)的技術(shù)效果是1、在上述給定的波導(dǎo)尺寸參數(shù)及光學(xué)參數(shù)的條件下(適合傳輸準(zhǔn)-TE(qTE)和準(zhǔn)-TM(qTM)單模)，在工作波長(zhǎng)λ = 1.55 μ m的情況下，對(duì)于準(zhǔn)-TE (qTE)單模的輸入光波，在較短的直波導(dǎo)輸出端可得到97. 31%的透射率；對(duì)于準(zhǔn)-TM(qTM)單模的輸入光波，在較長(zhǎng)的直波導(dǎo)輸出端可得到97. 25%的透射率。當(dāng)同時(shí)含有準(zhǔn)-TE(qTE)和準(zhǔn)-TM(qTM)單模的輸入光波，經(jīng)該光極化分裂器，在較短直波導(dǎo)輸出端可獲得準(zhǔn)-TE (qTE)波，其透射率為97. 31%，同時(shí)在較長(zhǎng)直波導(dǎo)輸出端可得到準(zhǔn)-TM(qTM)波，其透射率為97. 25%。2、該光極化分裂器具有緊湊的結(jié)構(gòu)。經(jīng)申請(qǐng)人的仿真和分析證明，該基于LN光子線的光極化分裂器可被用于基于鈮酸鋰光子線的高集成度光路，以適應(yīng)日益發(fā)展的光通信技術(shù)及光傳感技術(shù)的迫切需要。


圖1-1是本發(fā)明的基于LN光子線光極化分裂器的輸入端橫向截面圖；圖1-2是與圖1-1相對(duì)應(yīng)的基于LN光子線光極化分裂器的輸出端橫向截面圖；圖1-3是與圖1-1和圖1-2相對(duì)應(yīng)的光極化分裂器俯視圖；圖2是在上述給定尺寸參數(shù)和光學(xué)參數(shù)下，當(dāng)輸入準(zhǔn)-TE (qTE)單模光波時(shí)，利用商用軟件OptiFDTD獲得的磁場(chǎng)分布圖(輸入功率0. 7178W，輸出功率0. 6985W，通過率 97. 31% )；圖3是在上述給定尺寸參數(shù)和光學(xué)參數(shù)下，當(dāng)輸入準(zhǔn)-TM(qTM)單模光波時(shí)，利用商用軟件OptiFDTD獲得的電場(chǎng)分布圖(輸入功率0. 727W，輸出功率0. 707W，通過率 97. 25% )；圖4-1 (a，b)和圖4_2(a，b)是制作工藝示意圖，其中，圖4_la是基于絕緣體的鈮酸鋰樣本(LNOI)的光極化分裂器的輸入端，圖4- 是基于絕緣體的鈮酸鋰樣本(LNOI)的光極化分裂器的輸出端；而圖4-lb，圖4-2b和4-3表示最終樣品。以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
具體實(shí)施例方式1、仿真結(jié)果本實(shí)施例給出的基于LN光子線的光極化分裂器結(jié)構(gòu)，如圖1所示，它由鈮酸鋰基底、二氧化硅覆層和兩條平行的鈮酸鋰波導(dǎo)組成。兩條平行的鈮酸鋰光波導(dǎo)的高度均為 0. 73 μ m，波導(dǎo)的頂部寬度均為0. 5 μ m ；構(gòu)成該極化分裂器的兩條平行的光波導(dǎo)的軸間距Sc =0. 74 μ m,耦合長(zhǎng)度 Lc = 49. 28 μ m。鈮酸鋰基底厚度為1 μ m, 二氧化硅覆層厚度為1. 3 μ m。適合于該光極化分裂器的波導(dǎo)參數(shù)是LN波導(dǎo)的折射率nM = 2. 2 ；SiO2區(qū)域的折射率nSW2 = 1. 44 ；波導(dǎo)的高度h = 0. 73 μ m、頂部寬度w = 0. 5 μ m，如此選擇以確保實(shí)現(xiàn)單模傳輸。構(gòu)成該極化分裂器的兩條平行光波導(dǎo)(即光子線)的軸間距S。= 0.74ym，耦合長(zhǎng)度L。= 49. 28 μ m。工作波長(zhǎng)λ = 1. 55 μ m, SiO2層的底面與Z-切LN襯底的Z-面相連接，LN波導(dǎo)(即LN光子線)與SiO2層頂面相連接，而且LN襯底與LN光子線具有全向的晶體取向。利用商用軟件OptiFDTD對(duì)圖1所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真的結(jié)果顯示，該極化分裂器，對(duì)于準(zhǔn)-TE (qTE)單模的輸入光波，在較短直波導(dǎo)輸出端可得到97. 31%的透射率；對(duì)于準(zhǔn)-TM(qTM)單模的輸入光波，在較長(zhǎng)的直波導(dǎo)輸出端可得到97. 25%的透射率。當(dāng)同時(shí)含有準(zhǔn)-TE(qTE)和準(zhǔn)-TM(qTM)單模的輸入光波，經(jīng)該光極化分裂器，在較短直波導(dǎo)輸出端可獲得準(zhǔn)-TE(qTE)波，其透射率為97. 31 %，同時(shí)在較長(zhǎng)直波導(dǎo)輸出端可得到準(zhǔn)-TM(qTM)波， 其透射率為97. 25%。圖2和圖3給出由仿真得到的相應(yīng)磁場(chǎng)、電場(chǎng)分布圖。2、制作工藝為了制作鈮酸鋰(LN)光子線定向耦合器，須先制作基于絕緣體的鈮酸鋰樣本 LNOI (圖4-1-a和圖4-2-a所示)。這個(gè)樣本包括了直接黏附在1.3微米厚的二氧化硅
5(SiO2)層上的730納米厚的單晶LN層(LN薄膜)，SiO2層是經(jīng)過用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)法涂敷在全等的Z切鈮酸鋰基底(厚度為Ium)的Z面，即LN薄膜與厚度為 Ium的LN基底有全等的晶體取向；LN薄膜的表面須用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)工藝處理后達(dá)到 0. 5納米的rms粗糙度。由于折射率相差較大(ηω = 2. 2，nSi0 = 1. 44)，LNOI樣本是具有很強(qiáng)導(dǎo)光性能的平面波導(dǎo)，因此很適合用來(lái)制作鈮酸鋰光子線。光刻技術(shù)要求將1.7μπι厚和0.5μπι寬的光阻((HR 907-17)條帶用作刻蝕掩膜。為了提高掩膜的選擇性，光阻在120°C下經(jīng)過1個(gè)小時(shí)的退火。接著，在Oxford Plasmalab SystemlOO內(nèi)，用100W射頻功率誘導(dǎo)地耦合成為等離子體(ICP)，和70W射頻功率耦合至樣本表面，如此處理后的樣本經(jīng)60分鐘氬銑蝕刻，結(jié)果如圖4-1-b和圖4-2-b所示。
最后，將樣本的端面經(jīng)過精心拋光，從而實(shí)現(xiàn)高效的端射光耦合。3、結(jié)論首次提出了基于LN光子線的適合1.55 μ m波長(zhǎng)的超緊湊結(jié)構(gòu)光極化分裂器，利用商用軟件OptiFDTD仿真了該光極化分裂器的場(chǎng)分布圖，并給出了制作工藝。該光極化分裂器具有透射率高以及超緊湊結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)。本發(fā)明受到了國(guó)家自然科學(xué)基金資助(基金編號(hào)61040064)。
權(quán)利要求
1.一種基于LN光子線的光極化分裂器，其特征在于，由鈮酸鋰基底、二氧化硅覆層和兩條平行的鈮酸鋰光波導(dǎo)組成，其中，兩條平行的鈮酸鋰光波導(dǎo)的高度均為0. 73μπι，波導(dǎo)的頂部寬度均為0. 5μπι ；構(gòu)成該極化分裂器的兩條平行的光波導(dǎo)的軸間距Sc = 0. 74 μ m, 耦合長(zhǎng)度Lc = 49. 28 μ m。
2.如權(quán)利要求1所述的基于LN光子線的光極化分裂器，其特征在于，所述的鈮酸鋰基底厚度為1 μ m, 二氧化硅覆層厚度為1. 3 μ m。
3.權(quán)利要求1所述的基于LN光子線的光極化分裂器的制備方法，其特征在于，該方法首先制作基于絕緣體的鈮酸鋰樣本，樣本包括直接黏附在1. 3微米厚的二氧化硅層上的 730納米厚的單晶LN層，二氧化硅層是經(jīng)過用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法涂敷在全等的 Z切鈮酸鋰基底的Z面，即LN薄膜與厚度為Ium的LN基底有全等的晶體取向；LN薄膜的表面用化學(xué)機(jī)械拋光工藝處理后達(dá)到0. 5納米的rms粗糙度；然后將1. 7 μ m厚和0. 5 μ m寬的光阻條帶用作刻蝕掩膜，光阻在120°C下經(jīng)過1個(gè)小時(shí)的退火，接著，在Oxford Plasmalab SystemlOO內(nèi)，用100W射頻功率誘導(dǎo)地耦合成為等離子體，和70W射頻功率耦合至樣本表面，經(jīng)60分鐘氬銑蝕刻，端面拋光，即得。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于鈮酸鋰光子線的極化分裂器，由鈮酸鋰基底、二氧化硅覆層和兩條平行的鈮酸鋰光波導(dǎo)組成，其中，兩條平行的鈮酸鋰光波導(dǎo)的高度均為0.73μm，波導(dǎo)的頂部寬度均為0.5μm；構(gòu)成該極化分裂器的兩條平行的光波導(dǎo)的軸間距Sc＝0.74μm，耦合長(zhǎng)度Lc＝49.28μm。適合于該極化分裂器的波導(dǎo)參數(shù)是工作波長(zhǎng)為1.55μm；LN波導(dǎo)的折射率nLN＝2.2；SiO2區(qū)域的折射率nSiO2＝1.44；可被用于基于鈮酸鋰光子線的高集成度光路。利用OptiFDTD商用軟件仿真了該極化分裂器的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分布圖。該光定向耦合器不僅具有在工作波長(zhǎng)上透射率高的優(yōu)點(diǎn)，而且具有超緊湊結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)G02B6/28GK102540332SQ20121002324
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月2日
發(fā)明者席潔, 弟寅, 董軍, 陳樂建, 陳明 申請(qǐng)人:西安郵電學(xué)院