專利名稱：基于鈮酸鋰光子線的光定向耦合器的制作方法
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，是一種基于鈮酸鋰光子線的超緊湊光定向耦合器。
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光子線的光定向耦合器是由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 andmodulators fabricated using smart guide，“ App1. 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, andH. Bakhru，"Electro-opticalIy tunable second-harmonic-generation gratings inion-exfοliated thin films of periodically poled lithium niobate，，，Appl. Phys. Lett. Vol. 90，no. 17，pp.171116—171119，April 2007。3A· Guarino，G. Poberaj, D. Rezzonico, R.Degl，innocenti，and P. GCinter， “Electro-optically tumable microring resonators in lithium niobate,” Nat. PhotonicsVol. 1，no. 7，pp. 407-410，May 2007。4F. Schrempel，T. Gischkat，H. Hartung，T. Hoche，E. B. Kley, A. TCinnermann, and W. Wesch, “Ultrathin membranes in χ-cut lithium niobate, ” Opt. Lett.Vol. 34， no. 9，pp.1426-1428，April 2009。5 T. Takaoka，M. Fuj imura，and T. Suhara，“Fabrication of ridge waveguidesin LiNb03 thin film crystal by proton-exchange accelerated etching，” Electron. Lett. Vol. 45，no. 18，pp. 940-941 (2009) 06G. Poberaj，M. Koechlin, F. Sulser, A. Guarino, J. Hajf Ier, and P.GCinter, “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 niobateslab 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. Gaylord, "Lithium niobate summary of physicalproperties and crystal structure，“ App1.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. Ric ken， “Erbium-dopedlithium 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 thinfilms and ridge waveguides of high refractive index contrast， Topical Meeting "Photorefractive Materials， Effects， and Devices-Control of Light and Matter，，(PR09)，Bad Honnef，Germany 2009。On the poster，presented to PR 09， a photographof a 3inch LNOI wafer was shown.A manuscript to describe the LNOI-technologydeveloped is in preparation。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提出了一種基于LN光子線的光定向耦合器，該定向耦合器可被用于基于鈮酸鋰光子線的高集成度光路。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光子線的光定向耦合器，其特征在于，由鈮酸鋰基底、二氧化硅覆層和平行對(duì)稱的LN波導(dǎo)組成，其中，LN波導(dǎo)的高度為0. 73 μ m，LN波導(dǎo)的頂部寬度為
0.4 μ m 0. 55 μ m，波導(dǎo)的中心距為0. 6 μ m 0. 9 μ m。上述基于LN光子線的光定向耦合器的制備方法，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)，LNOI包括直接黏附在1. 3微米厚的二氧化硅 (Si02)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0. 5mm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、在波導(dǎo)寬度w = 0. 5 μ m和工作波長(zhǎng)λ = 1.陽(yáng)μ m條件下(適合傳輸準(zhǔn)-TE(qTE)和準(zhǔn)-TM(qTM)單模)，定向耦合器的耦合長(zhǎng)度L。與構(gòu)成該定向耦合器的兩個(gè)平行光波導(dǎo)的軸間距S。之間的關(guān)系曲線。2、在構(gòu)成該定向耦合器的兩個(gè)平行光波導(dǎo)的軸間距S。= 0.8 μ m和工作波長(zhǎng)λ =
1.55 μ m的條件下，定向耦合器的耦合長(zhǎng)度L。與構(gòu)成該定向耦合器的單根光波導(dǎo)寬度W (適合傳輸準(zhǔn)-TE(qTE)和準(zhǔn)-TM(qTM)單模)之間的關(guān)系曲線。3、在耦合長(zhǎng)度L。= 5. 8 μ m，工作波長(zhǎng)λ = 1. 55 μ m,和光波導(dǎo)寬度w = 0. 5 μ m的條件下，定向耦合器的串噪音與光波長(zhǎng)的關(guān)系曲線。4、給出了制作工藝。經(jīng)申請(qǐng)人的仿真和分析證明，該基于LN光子線的光定向耦合器可被用于基于鈮酸鋰光子線的高集成度光路。


圖1是本發(fā)明的基于LN光子線定向耦合器的橫向截面圖；圖2是在w = 0. 5μπι和工作波長(zhǎng)λ = 1. 55 μ m條件下，適合準(zhǔn)TE (記為quasi-TE， 或qTE)和準(zhǔn)TM模(記為quasi-TM，或qTM)的耦合長(zhǎng)度L。隨波導(dǎo)間距S。變化曲線；圖3是在輸入端分別為qTE模和qTM模情況下，x_y截面折射率分布以及主要電場(chǎng)分布；圖4是在S。= 0. 8 μ m和工作波長(zhǎng)λ = 1.55ym條件下L。隨w變化的曲線；圖5是與極化無(wú)關(guān)LN光子線定向耦合器的串噪音隨工作波長(zhǎng)變化特性曲線；圖6是P1和p2，以及p2，的測(cè)試位置以及折射率分布；圖7是制作工藝示意圖，其中，圖7(a)是基于絕緣體的鈮酸鋰樣本(LNOI)，圖 7(b)是最終樣品。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)說明。
具體實(shí)施例方式1、仿真結(jié)果和分析本實(shí)施例給出的基于LN光子線的光定向耦合器結(jié)構(gòu)，如圖1所示，它由鈮酸鋰基底、二氧化硅覆層和平行對(duì)稱的鈮酸鋰波導(dǎo)組成。適合于該定向耦合器的波導(dǎo)參數(shù)是LN波導(dǎo)的折射率nM = 2. 2 ；SiO2區(qū)域的折射率叫迎=1.44 ；波導(dǎo)的高度h = 0. 73 μ m、頂部寬度w = 0. 4 0. 55 μ m，如此選擇以確保實(shí)現(xiàn)單模傳輸。構(gòu)成該定向耦合器的兩個(gè)平行光波導(dǎo)(即光子線)的軸間距S。的取值范圍為0. 6 μ m 0. 9 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。利用時(shí)域有限差分法商用軟件Optiwave FDTD對(duì)圖1所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真和分析。在固定w = 0.5ym的條件下(以保證單模傳輸)，分別計(jì)算出當(dāng)波導(dǎo)間距S。在 0. 6μπι 0. 9μπι的范圍內(nèi)變化時(shí)，相應(yīng)的準(zhǔn)TE模(記為quasi-TE，或qTE)和準(zhǔn)TM模(記為quasi-TM，或qTM)的耦合長(zhǎng)度L。，再經(jīng)數(shù)據(jù)擬合得到L。 S。的關(guān)系曲線，如圖2所示。圖3表示在輸入端分別為qTE和qTM模激勵(lì)下，x_y截面折射率分布以及主要電場(chǎng)分布。圖2所顯示的主要特性是⑴qTM模單模的耦合長(zhǎng)度L。大于qTE模單模的耦合長(zhǎng)度L。，這是由于對(duì)于qTE模而言，電場(chǎng)主要沿沿χ方向分布，而對(duì)于qTM模而言，電場(chǎng)主要沿 y方向分布，如圖3所示，這樣，必然導(dǎo)致了 qTE模的耦合要比qTM模的耦合來(lái)的快，因此qTE 模的耦合長(zhǎng)度自然要比qTM模的耦合長(zhǎng)度短。然而，在少數(shù)情況下，有相反結(jié)果發(fā)生，即qTE 模的耦合長(zhǎng)度要比qTM模的耦合長(zhǎng)度長(zhǎng)。這是由于，無(wú)論對(duì)于qTE模或qTM模，L。對(duì)于Sc 的關(guān)系均與正弦函數(shù)有關(guān)，由此將不可避免地導(dǎo)致兩種模式的耦合長(zhǎng)度L。會(huì)周期性地交替改變。( 盡管總趨勢(shì)是，耦合長(zhǎng)度L。隨波導(dǎo)間距S。的增大而增大，然而，在S。的某些區(qū)域內(nèi)，L。卻保持不變。引起該現(xiàn)象的原因尚有待進(jìn)一步探討。(3)尤其是，當(dāng)S。在0.6μπι 0.71 μ m之內(nèi)變化時(shí)，qTE模單模的耦合長(zhǎng)度與qTM模單模的耦合長(zhǎng)度不僅不改變，而且兩者的值幾乎保持相等。這是由于，在S。的這個(gè)取值范圍內(nèi)，兩個(gè)平行的LN光波導(dǎo)幾乎結(jié)合成為一個(gè)新的單一波導(dǎo)，本發(fā)明正是利用這一特性，設(shè)計(jì)出了與極化無(wú)關(guān)的基于LN光子線的光定向耦合器結(jié)構(gòu)。為了獲得適合qTE模單模和qTM模單模的耦合長(zhǎng)度L。與單一 LN光子線寬度w之間的關(guān)系，在固定S。= 0.8 μ m，波導(dǎo)高度h = 0. 73 PnuSiO2層厚度=IJynuLN襯底厚度 =0. 5mm,和工作波長(zhǎng)λ = 1. 55μπι的條件下，使W由0. 4 μ m改變至0. 55 μ m，用商用軟件 FDTD設(shè)計(jì)和仿真該結(jié)構(gòu)的特性，并提取出相應(yīng)的耦合長(zhǎng)度L。參數(shù)，圖4是根據(jù)上述參數(shù)擬合得到的L。隨w變化的曲線。由圖4并結(jié)合圖3可見，⑴適合qTM模單模的耦合長(zhǎng)度L。大于適合qTE模單模的耦合長(zhǎng)度L。，這是由于對(duì)于qTE模而言，電場(chǎng)主要沿χ方向分布，而對(duì)于qTM模而言，電場(chǎng)主要沿y方向分布，如圖3所示，這樣，必然導(dǎo)致了 qTE模的耦合要比qTM模的耦合來(lái)的快，因此qTE模的耦合長(zhǎng)度自然要比qTM模的耦合長(zhǎng)度短。然而，在少數(shù)情況下，有相反結(jié)果發(fā)生，即qTE模的耦合長(zhǎng)度要比qTM模的耦合長(zhǎng)度長(zhǎng)。這是由于，無(wú)論對(duì)于qTE模或qTM 模，Lc對(duì)于S。的關(guān)系均與正弦函數(shù)有關(guān)，由此將不可避免地導(dǎo)致兩種模式的耦合長(zhǎng)度L。會(huì)以一定的方式交替地改變。(2)在W = 0.4 μπι，不存在qTE模單模極化，而僅有qTM模單模極化。只有當(dāng)大約w = 0. 405 μ m時(shí)，才允許出現(xiàn)qTE模單模極化；(3)耦合長(zhǎng)度L。趨于隨 w變化而變化，然而，在w的某些取值范圍內(nèi)，Lc不隨w變化而變化，引起這種現(xiàn)象原因還有待進(jìn)一步探討。 由圖2和圖4可見，顯然，基于此結(jié)構(gòu)的光定向耦合器，在一定程度上，具有良好抵抗由于外部環(huán)境溫度或壓力引起的結(jié)構(gòu)參數(shù)S。和w變化從而導(dǎo)致耦合長(zhǎng)度L。變化的特性?？紤]到，在Sc由0.6 μ m至大約0.71 μ m的范圍內(nèi)變化(工作波長(zhǎng)λ = 1. 55 μ m) 時(shí)，適合qTE模單模的耦合長(zhǎng)度與適合qTM模單模的耦合長(zhǎng)度L。幾乎趨于一致，這樣，就使得幾乎與極化無(wú)關(guān)的基于LN光子線的光定向耦合器的設(shè)計(jì)與開發(fā)成為可能。為此，還需要知道該定向耦合器的串噪音隨工作波長(zhǎng)分布特性。圖5顯示了利用商用軟件FDTD計(jì)算得到的與極化無(wú)關(guān)LN光子線定向耦合器的串噪音隨工作波長(zhǎng)變化特性曲線，與該曲線相關(guān)的其它參數(shù)是Sc = 0. 7 μ m，w = 0. 5 μ m，h = 73 μ m，SiO2層厚度=1. 3 μ m，LN襯底厚度 =0.5mm，傳播距離=5. 8 μ m(即在工作波長(zhǎng)λ = 1. 55 μ m時(shí)的耦合長(zhǎng)度L。)，在此，串噪音定義如下IOlg(VP1)上式中，P1和P2分別代表在輸入端和輸出端的光功率，如圖.6所示。P1和P2可利用Optiwave FDTD商用軟件求出，圖6也顯示在0. 5h (即0. 35 μ m)條件下，模型的折射率分布。已知圖5顯示與極化無(wú)關(guān)LN光子線定向耦合器的串噪音隨工作波長(zhǎng)變化特性曲線。由此圖可見，串噪音低于_13dB的帶寬大約為27nm(對(duì)于qTE模單模)和大約21nm(對(duì)于qTM模單模)。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7(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(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0. 5mm)的Z面，即LN薄膜與厚度為0. 5mm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 PlasmalabSystemlOO內(nèi)，用100W射頻功率誘導(dǎo)地耦合成為等離子體(ICP)JP 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7 (b)。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)論本發(fā)明首次提出了基于LN光子線的超緊湊光定向耦合器，利用OptiveFDTD商用軟件仿真了該耦合器的耦合長(zhǎng)度與兩平行光波導(dǎo)軸間距的關(guān)系曲線，耦合長(zhǎng)度與LN波導(dǎo)寬度的關(guān)系曲線，串噪音與工作波長(zhǎng)的關(guān)系曲線，并給出了制作工藝。該光定向耦合器不僅具有超緊湊結(jié)構(gòu)，和與極化無(wú)關(guān)的特點(diǎn)，而且還具有抵抗外部環(huán)境及壓力變化引起結(jié)構(gòu)參數(shù)改變，從而導(dǎo)致耦合長(zhǎng)度變化的優(yōu)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光子線的光定向耦合器，其特征在于，由鈮酸鋰基底、二氧化硅覆層和平行對(duì)稱的波導(dǎo)組成，其中，波導(dǎo)的高度為0. 73 μ m，波導(dǎo)的頂部寬度為0.4 μ m 0. 55 μ m, 波導(dǎo)的中心距為0. 6 μ m 0. 9 μ m。
2.如權(quán)利要求1所述的基于LN光子線的光定向耦合器，其特征在于，所述的波導(dǎo)的頂部寬度為0. 5μπι。
3.權(quán)利要求1或2所述的基于LN光子線的光定向耦合器的制備方法，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0. 5mm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 0.5μπι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 PlasmalabSystemlOO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(縮寫為L(zhǎng)N)光子線的光定向耦合器，由鈮酸鋰基底、二氧化硅覆層和平行對(duì)稱的LN波導(dǎo)組成，其中，LN波導(dǎo)的高度為0.73μm，頂部寬度為0.4μm～0.55μm，波導(dǎo)的中心距為0.6μm～0.9μm。工作波長(zhǎng)λ＝1.55μm.適合于該定向耦合器的波導(dǎo)參數(shù)是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OptiveFDTD商用軟件仿真了該定向耦合器的耦合長(zhǎng)度與兩平行LN光波導(dǎo)軸間距的關(guān)系曲線，耦合長(zhǎng)度與LN波導(dǎo)寬度的關(guān)系曲線，串噪音與工作波長(zhǎng)的關(guān)系曲線。該光定向耦合器不僅具有超緊湊結(jié)構(gòu)，和與極化無(wú)關(guān)的特點(diǎn)，而且還具有抵抗外部環(huán)境及壓力變化引起結(jié)構(gòu)參數(shù)改變，從而導(dǎo)致耦合長(zhǎng)度變化的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02B6/28GK102508338SQ20111037435
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月22日
發(fā)明者劉子晨, 陳明 申請(qǐng)人:西安郵電學(xué)院