基于鈮酸鋰光子線的光定向耦合器的制作方法

專利名稱：基于鈮酸鋰光子線的光定向耦合器的制作方法
技術領域：
本發明屬于光子學技術領域的關鍵部件之一，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：
LN光子線(即，鈮酸鋰光波導)1_8正在成為未來集成光子學的候選者，這是由于它具有尺寸結構小，優良的電-光、聲-光、及非線性光學特性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備(甚至在適度光學功率值也可能實現)。顯然，基于LN光子線的光定向耦合器是由LN光子線構成的集成光路的一個關鍵部件。然而， 據申請人所進行的資料檢索，到目前為止，尚無關于基于LN光子線的光定向耦合器的相關研究報道。以下是發明人檢索的相關文獻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。

發明內容
本發明的目的在于，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。為了實現上述任務。本發明采取如下的技術解決方案予以實現一種基于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稱的LN波導組成，其中，LN波導的高度為0. 73 μ m，LN波導的頂部寬度為
0.4 μ m 0. 55 μ m，波導的中心距為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LN0I)，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)，二氧化硅層是經過用等離子體增強化學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薄膜的表面用化學機械拋光工藝(CMP)處理后達到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下經過1個小時的退火，接著，在Oxford Plasmalab SystemlOO內，用100W射頻功率誘導地耦合成為等離子體，和70W射頻功率耦合至樣本表面，經60分鐘氬銑蝕刻，端面拋光，即得。本發明的基于LN光子線的光定向耦合器，所帶來的技術效果是1、在波導寬度w = 0. 5 μ m和工作波長λ = 1.陽μ m條件下(適合傳輸準-TE(qTE)和準-TM(qTM)單模)，定向耦合器的耦合長度L。與構成該定向耦合器的兩個平行光波導的軸間距S。之間的關系曲線。2、在構成該定向耦合器的兩個平行光波導的軸間距S。= 0.8 μ m和工作波長λ =
1.55 μ m的條件下，定向耦合器的耦合長度L。與構成該定向耦合器的單根光波導寬度W (適合傳輸準-TE(qTE)和準-TM(qTM)單模)之間的關系曲線。3、在耦合長度L。= 5. 8 μ m，工作波長λ = 1. 55 μ m,和光波導寬度w = 0. 5 μ m的條件下，定向耦合器的串噪音與光波長的關系曲線。4、給出了制作工藝。經申請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λ = 1. 55 μ m條件下，適合準TE (記為quasi-TE， 或qTE)和準TM模(記為quasi-TM，或qTM)的耦合長度L。隨波導間距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分布；圖4是在S。= 0. 8 μ m和工作波長λ = 1.55ym條件下L。隨w變化的曲線；圖5是與極化無關LN光子線定向耦合器的串噪音隨工作波長變化特性曲線；圖6是P1和p2，以及p2，的測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。以下結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。
具體實施例方式1、仿真結果和分析本實施例給出的基于LN光子線的光定向耦合器結構，如圖1所示，它由鈮酸鋰基底、二氧化硅覆層和平行對稱的鈮酸鋰波導組成。適合于該定向耦合器的波導參數是LN波導的折射率nM = 2. 2 ；SiO2區域的折射率叫迎=1.44 ；波導的高度h = 0. 73 μ m、頂部寬度w = 0. 4 0. 55 μ m，如此選擇以確保實現單模傳輸。構成該定向耦合器的兩個平行光波導(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(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。利用時域有限差分法商用軟件Optiwave FDTD對圖1所示的結構進行了仿真和分析。在固定w = 0.5ym的條件下(以保證單模傳輸)，分別計算出當波導間距S。在 0. 6μπι 0. 9μπι的范圍內變化時，相應的準TE模(記為quasi-TE，或qTE)和準TM模(記為quasi-TM，或qTM)的耦合長度L。，再經數據擬合得到L。 S。的關系曲線，如圖2所示。圖3表示在輸入端分別為qTE和qTM模激勵下，x_y截面折射率分布以及主要電場分布。圖2所顯示的主要特性是⑴qTM模單模的耦合長度L。大于qTE模單模的耦合長度L。，這是由于對于qTE模而言，電場主要沿沿χ方向分布，而對于qTM模而言，電場主要沿 y方向分布，如圖3所示，這樣，必然導致了 qTE模的耦合要比qTM模的耦合來的快，因此qTE 模的耦合長度自然要比qTM模的耦合長度短。然而，在少數情況下，有相反結果發生，即qTE 模的耦合長度要比qTM模的耦合長度長。這是由于，無論對于qTE模或qTM模，L。對于Sc 的關系均與正弦函數有關，由此將不可避免地導致兩種模式的耦合長度L。會周期性地交替改變。( 盡管總趨勢是，耦合長度L。隨波導間距S。的增大而增大，然而，在S。的某些區域內，L。卻保持不變。引起該現象的原因尚有待進一步探討。(3)尤其是，當S。在0.6μπι 0.71 μ m之內變化時，qTE模單模的耦合長度與qTM模單模的耦合長度不僅不改變，而且兩者的值幾乎保持相等。這是由于，在S。的這個取值范圍內，兩個平行的LN光波導幾乎結合成為一個新的單一波導，本發明正是利用這一特性，設計出了與極化無關的基于LN光子線的光定向耦合器結構。為了獲得適合qTE模單模和qTM模單模的耦合長度L。與單一 LN光子線寬度w之間的關系，在固定S。= 0.8 μ m，波導高度h = 0. 73 PnuSiO2層厚度=IJynuLN襯底厚度 =0. 5mm,和工作波長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設計和仿真該結構的特性，并提取出相應的耦合長度L。參數，圖4是根據上述參數擬合得到的L。隨w變化的曲線。由圖4并結合圖3可見，⑴適合qTM模單模的耦合長度L。大于適合qTE模單模的耦合長度L。，這是由于對于qTE模而言，電場主要沿χ方向分布，而對于qTM模而言，電場主要沿y方向分布，如圖3所示，這樣，必然導致了 qTE模的耦合要比qTM模的耦合來的快，因此qTE模的耦合長度自然要比qTM模的耦合長度短。然而，在少數情況下，有相反結果發生，即qTE模的耦合長度要比qTM模的耦合長度長。這是由于，無論對于qTE模或qTM 模，Lc對于S。的關系均與正弦函數有關，由此將不可避免地導致兩種模式的耦合長度L。會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。只有當大約w = 0. 405 μ m時，才允許出現qTE模單模極化；(3)耦合長度L。趨于隨 w變化而變化，然而，在w的某些取值范圍內，Lc不隨w變化而變化，引起這種現象原因還有待進一步探討。 由圖2和圖4可見，顯然，基于此結構的光定向耦合器，在一定程度上，具有良好抵抗由于外部環境溫度或壓力引起的結構參數S。和w變化從而導致耦合長度L。變化的特性。考慮到，在Sc由0.6 μ m至大約0.71 μ m的范圍內變化(工作波長λ = 1. 55 μ m) 時，適合qTE模單模的耦合長度與適合qTM模單模的耦合長度L。幾乎趨于一致，這樣，就使得幾乎與極化無關的基于LN光子線的光定向耦合器的設計與開發成為可能。為此，還需要知道該定向耦合器的串噪音隨工作波長分布特性。圖5顯示了利用商用軟件FDTD計算得到的與極化無關LN光子線定向耦合器的串噪音隨工作波長變化特性曲線，與該曲線相關的其它參數是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λ = 1. 55 μ m時的耦合長度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顯示與極化無關LN光子線定向耦合器的串噪音隨工作波長變化特性曲線。由此圖可見，串噪音低于_13dB的帶寬大約為27nm(對于qTE模單模)和大約21nm(對于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層是經過用等離子體增強化學氣相沉積(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機械拋光(CMP)工藝處理后達到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樣本是具有很強導光性能的平面波導，因此很適合用來制作鈮酸鋰光子線。光刻技術要求將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下經過1個小時的退火。接著，在Oxford PlasmalabSystemlOO內，用100W射頻功率誘導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60分鐘氬銑蝕刻，結果如圖7 (b)。最后，將樣本的端面經過精心拋光，從而實現高效的端射光耦合。3、結論本發明首次提出了基于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度與兩平行光波導軸間距的關系曲線，耦合長度與LN波導寬度的關系曲線，串噪音與工作波長的關系曲線，并給出了制作工藝。該光定向耦合器不僅具有超緊湊結構，和與極化無關的特點，而且還具有抵抗外部環境及壓力變化引起結構參數改變，從而導致耦合長度變化的優點。本發明受到了國家自然科學基金資助(基金編號61040064)。
權利要求
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稱的波導組成，其中，波導的高度為0. 73 μ m，波導的頂部寬度為0.4 μ m 0. 55 μ m, 波導的中心距為0. 6 μ m 0. 9 μ m。
2.如權利要求1所述的基于LN光子線的光定向耦合器，其特征在于，所述的波導的頂部寬度為0. 5μπι。
3.權利要求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，二氧化硅層是經過用等離子體增強化學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 薄膜的表面用化學機械拋光工藝處理后達到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下經過1個小時的退火，接著，在Oxford PlasmalabSystemlOO內，用100W射頻功率誘導地耦合成為等離子體，和70W射頻功率耦合至樣本表面，經60分鐘氬銑蝕刻，端面拋光，即得。
全文摘要
本發明公開了一種基于鈮酸鋰(縮寫為LN)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稱的LN波導組成，其中，LN波導的高度為0.73μm，頂部寬度為0.4μm～0.55μm，波導的中心距為0.6μm～0.9μm。工作波長λ＝1.55μm.適合于該定向耦合器的波導參數是LN波導的折射率nLN＝2.2；SiO2區域的折射率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度與兩平行LN光波導軸間距的關系曲線，耦合長度與LN波導寬度的關系曲線，串噪音與工作波長的關系曲線。該光定向耦合器不僅具有超緊湊結構，和與極化無關的特點，而且還具有抵抗外部環境及壓力變化引起結構參數改變，從而導致耦合長度變化的優點。
文檔編號G02B6/28GK102508338SQ20111037435
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月22日 優先權日2011年11月22日
發明者劉子晨, 陳明 申請人:西安郵電學院