專利名稱：基于鈮酸鋰光子線的光波長分離器的制作方法
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 (lithium niobate，即LiNb03，即LN)光子線的超緊湊與極化無關光波長分離器。
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光子線的光波長分離器是由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光子線的光波長分離器的相關研究報道。以下是發明人檢索的相關文獻1 P.Rabiei，and W.H. Steier, “Lithium niobate ridge waveguides and modulators 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, 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 LiNb03thin 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。
發明內容
本發明的目的在于，提供一種基于LN光子線的光波長分離器，該波長分離器可被用于基于鈮酸鋰光子線的高集成度光路，以適應當代日益發展的光通信及傳感技術的迫切需要。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光子線的光波長分離器，其特征在于，由鈮酸鋰基底、二氧化硅覆層和兩條鈮酸鋰光波導組成；其中，一條是直的鈮酸鋰光波導，另一條是具有相同波導寬度和高度的部分直、部分彎曲的鈮酸鋰光波導，鈮酸鋰光波導的高度均為0. 73μπι，鈮酸鋰光波導的頂部寬度均為0. 5 μ m ；構成該波長分離器的兩條光波導(即光子線)平行部分的軸間距Sc = 0.75 μ m,耦合長度L。= 19. 6 μ m,輸出端口波導間距2. 6 μ m，輸出端口波導彎曲部分由兩條平行的貝氏曲線組合而成。上述貝氏曲線是由以下五個點確定的(9. 8，0.625)，(12. 325,0. 75), (14.85， 1. 5625)，(17. 375，2. 375)，(19. 9,2. 5)上述基于LN光子線的光波長分離器的制備方法，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)，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，在100W射頻功率誘導下耦合成為等離子體，在70W射頻功率下耦合至鈮酸鋰樣本表面，經60分鐘氬銑蝕刻，端面拋光，即得。本發明的基于LN光子線的光波長分離器，所帶來的技術效果是1、在上述給定的波導尺寸參數及光學參數的條件下(適合傳輸準-TE(qTE)和準-TM(qTM)單模)，對于工作波長λ = 1.31 μ m的輸入光波，在直波導輸出端可得到 99. 4%的透射率；對于工作波長λ = 1.55 μ m的輸入光波，在彎曲波導輸出端可得到 94. 9%的透射率。當同時含有波長1. 31 μ m和1. 55 μ m的輸入光波，經該光波長分離器，在直波導輸出端可獲得波長為1. 31 μ m、透射率為99. 4%的輸出光波，同時在彎曲波導輸出端可得到波長為1. 55 μ m、透射率為94. 9%的輸出光波。2、該光波長分離器工作時與極化無關，并具有緊湊的結構。經申請人的仿真和分析證明，該基于LN光子線的光波長分離器可被用于基于鈮酸鋰光子線的高集成度光路，以適應日益發展的光通信技術及光傳感技術的迫切需要。
圖1-1是本發明的基于LN光子線光波長分離器的輸入端橫向截面圖；圖1-2是與圖1-1相對應的基于LN光子線光波長分離器的輸出端橫向截面圖；圖1-3是與圖1-1和圖1-2相對應的光波長分離器俯視圖；圖中，光波長分離器的耦合長度19. 6 μ m。其中右上角彎曲部分由兩條平行的貝氏曲線組合而成，貝氏曲線由以下五個點確定(9. 8，0.625)，(12. 325，0. 75)，(14. 85,1. 5625), (17. 375,2. 375), (19.9， 2. 5)。圖2是在上述給定尺寸參數和光學參數下，當輸入光波波長λ = 1. 31 μ m時， 利用商用軟件COMSOL獲得的電場分布圖(輸入功率0. 318W，輸出功率0. 316W，通過率 99. 4% )。圖3是在上述給定尺寸參數和光學參數下，當輸入光波波長λ = 1. 55 μ m時，利用商用軟件COMSOL獲得的電場分布圖(輸入功率0. 3^25W，輸出功率0. 30959W，通過率94. 9% )。圖4-l_a，b和圖4_2_a，b是制作工藝示意圖，其中，圖4_l_a是基于絕緣體的鈮酸鋰樣本(LNOI)的光波長分離器的輸入端，4-2-a是基于絕緣體的鈮酸鋰樣本(LNOI)的光波長分離器的輸出端；而圖4-l-b，4-2-b和4-3表示最終樣品。圖5A、圖5B和圖5C是一個具體的計算實例，其中圖5A表示入射端，圖5B表示出射端，圖5C表示最終樣品。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、仿真結果本實施例給出的基于LN光子線的光波長分離器結構，如圖1所示，它由鈮酸鋰基底、二氧化硅覆層和兩條鈮酸鋰波導組成。其中，一條是直的鈮酸鋰光波導，另一條是具有相同波導寬度和高度的部分直、部分彎曲的鈮酸鋰光波導。適合于該光波長分離器器的波導參數是波導的折射率nM = 2. 2 ；SiO2區域的折射率nSiQ2 = I- 44 ；LN波導的高度h = 0. 73 μ m、頂部寬度w = 0. 5 μ m，如此選擇以確保實現單模傳輸。構成該波長分離器的兩條光波導(即光子線)平行部分的軸間距S。= 0. 75 μ m, 耦合長度L。= 19.6μπι，輸出端口波導間距2.6μπι，輸出端口波導彎曲部分由兩條平行的貝氏曲線組而成，而貝氏曲線是由以下五個點確定的(9. 8，0. 625)，(12. 325,0. 75)， (14. 85，1. 5625)，(17. 375，2. 375)，(19. 9，2. 5)。工作波長 λ ！ = 1. 31 μ m，λ 2 = 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。
一個具體的計算實例如圖5，例如，所設計的光波長分離器，其耦合長度為a，兩波導邊緣間距為b，入射端如圖5A所示，出射端如圖5B所示，俯視圖如圖5C所示，圖中右上角彎曲部分由兩條平行的貝氏曲線組合而成，而貝氏曲線是一下五個點確定的(a/2,0. 5+b/2) ； (0. 625*a+0. 25*c, 0. 5+b) ； (0. 75*a+0. 5氺c，1. 5+b/4)； (0. 875*a+0. 75*c，2. 5_b/2) ； (a+c，2. 5)。上式中c為彎曲部分的調節常數。利用商用軟件COMSOL對圖1所示的結構(a = 19. 6，b = 0. 25，c = 0. 3)進行了仿真的結果顯示該波長分離器，對于工作波長λ = 1. 31 μ m的輸入光波，在直波導輸出端口可獲得99. 4%的透射率；對于工作波長λ = 1.55μπι的輸入光波，在彎曲波導輸出端口可獲得94. 9%的透射率。當同時含有波長1.31 μ m和1. 55 μ m的輸入光波，經該光波長分離器，在直輸出端口可獲得波長為1. 31 μ m、透射率為99. 4%的輸出光波，同時在彎曲波導輸出端口可獲得波長為1. 55 μ m、透射率為94. 9%的輸出光波。圖2和圖3給出由仿真得到的相應電場分布圖。2、制作工藝為了制作鈮酸鋰(LN)光子線光波長分離器，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 Plasmalab SystemlOO內，用100W射頻功率誘導地耦合成為等離子體(ICP)，及在70W射頻功率下耦合至樣本表面，如此處理后的樣本經60分鐘氬銑蝕刻，結果如圖4-1-b、圖4-2-b 和圖4-3所示。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、結論首次提出了基于LN光子線的超緊湊結構與極化無關光波長分離器，利用商用軟件COMSOL仿真了該光波長分離器的場分布圖，并給出了制作工藝。該光波長分離器具有透射率高、與極化無關、以及超緊湊結構等特點。本發明受到了國家自然科學基金(基金編號61040064)資助。
權利要求
1.一種基于LN光子線的光波長分離器，其特征在于，由鈮酸鋰基底、二氧化硅覆層和兩條鈮酸鋰光波導組成；其中，一條是直的鈮酸鋰光波導，另一條是具有相同波導寬度和高度的部分直、部分彎曲的鈮酸鋰光波導，鈮酸鋰光波導的高度均為0. 73μπι，鈮酸鋰光波導的頂部寬度均為0. 5μπι ；構成該波長分離器的兩條光波導平行部分的軸間距Sc = 0. 75 μ m,耦合長度L。= 19. 6 μ m，輸出端口波導間距2. 6 μ m，輸出端口波導彎曲部分由兩條平行的貝氏曲線組合而成。
2.如權利要求1所述的基于LN光子線的光波長分離器，其特征在于，所述的貝氏曲線是由以下五個點確定的:(9.8,0. 625)，(12. 325，0. 75)，(14. 85，1. 5625)，(17. 375，2. 375)， (19. 9,2. 5)。
3.權利要求1所述的基于LN光子線的光波長分離器的制備方法，其特征在于，該方法首先制作基于絕緣體的鈮酸鋰樣本，鈮酸鋰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 Plasmalab System 100內，在100W射頻功率誘導下耦合成為等離子體，在70W射頻功率下耦合至鈮酸鋰樣本表面，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光子線的光波長分離器，由鈮酸鋰基底、二氧化硅覆層和兩條鈮酸鋰光波導組成；其中，一條是直的鈮酸鋰光波導，另一條是具有相同波導寬度和高度的部分直、部分彎曲的鈮酸鋰光波導，鈮酸鋰光波導的高度均為0.73μm，頂部寬度均為0.5μm；構成該波長分離器的兩條光波導平行部分的軸間距Sc＝0.75μm，耦合長度Lc＝19.6μm，輸出端口波導間距2.6μm，輸出端口波導彎曲部分由兩條平行的貝氏曲線組合而成。適合于該波長分離器的波導參數是工作波長分別為1.31μm和1.55μm；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。該光波長分離器不僅具在工作波長上透射率高的優點，而且具有與極化無關和超緊湊結構的特點。
文檔編號G02F1/365GK102540621SQ20121002228
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月2日 優先權日2012年2月2日
發明者席潔, 弟寅, 楊祎, 梁猛, 陸蓉, 陳樂建, 陳明 申請人:西安郵電學院