专利名称：基于铌酸锂光子线的光定向耦合器的制作方法
技术领域：
本发明属于光子学技术领域的关键部件之一，具体的说，是一种基于铌酸锂光子线的超紧凑光定向耦合器。
背景技术：
LN光子线(即，铌酸锂光波导)1_8正在成为未来集成光子学的候选者，这是由于它具有尺寸结构小，优良的电-光、声-光、及非线性光学特性9，易受稀土元素离子参杂得到激光活性材料1°，特别有希望的高效率设备(甚至在适度光学功率值也可能实现)。显然，基于LN光子线的光定向耦合器是由LN光子线构成的集成光路的一个关键部件。然而， 据申请人所进行的资料检索，到目前为止，尚无关于基于LN光子线的光定向耦合器的相关研究报道。以下是发明人检索的相关文献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。
发明内容
本发明的目的在于，提出了一种基于LN光子线的光定向耦合器，该定向耦合器可被用于基于铌酸锂光子线的高集成度光路。为了实现上述任务。本发明采取如下的技术解决方案予以实现一种基于LN光子线的光定向耦合器，其特征在于，由铌酸锂基底、二氧化硅覆层和平行对称的LN波导组成，其中，LN波导的高度为0. 73 μ m，LN波导的顶部宽度为
0.4 μ m 0. 55 μ m，波导的中心距为0. 6 μ m 0. 9 μ m。上述基于LN光子线的光定向耦合器的制备方法，其特征在于，该方法首先制作基于绝缘体的铌酸锂样本(缩写为LN0I)，LNOI包括直接黏附在1. 3微米厚的二氧化硅 (Si02)层上的730纳米厚的单晶LN层(即LN薄膜)，二氧化硅层是经过用等离子体增强化学气相沉积法涂敷在全等的Z切铌酸锂基底的Z面，即LN薄膜与厚度为0. 5mm的LN基底有全等的晶体取向；LN薄膜的表面用化学机械抛光工艺(CMP)处理后达到0.5纳米的rms 粗糙度；然后将1. 7 μ m厚和0. 5 μ m宽的光阻条带用作刻蚀掩膜。光阻在120°C下经过1个小时的退火，接着，在Oxford Plasmalab SystemlOO内，用100W射频功率诱导地耦合成为等离子体，和70W射频功率耦合至样本表面，经60分钟氩铣蚀刻，端面抛光，即得。本发明的基于LN光子线的光定向耦合器，所带来的技术效果是1、在波导宽度w = 0. 5 μ m和工作波长λ = 1.阳μ m条件下(适合传输准-TE(qTE)和准-TM(qTM)单模)，定向耦合器的耦合长度L。与构成该定向耦合器的两个平行光波导的轴间距S。之间的关系曲线。2、在构成该定向耦合器的两个平行光波导的轴间距S。= 0.8 μ m和工作波长λ =
1.55 μ m的条件下，定向耦合器的耦合长度L。与构成该定向耦合器的单根光波导宽度W (适合传输准-TE(qTE)和准-TM(qTM)单模)之间的关系曲线。3、在耦合长度L。= 5. 8 μ m，工作波长λ = 1. 55 μ m,和光波导宽度w = 0. 5 μ m的条件下，定向耦合器的串噪音与光波长的关系曲线。4、给出了制作工艺。经申请人的仿真和分析证明，该基于LN光子线的光定向耦合器可被用于基于铌酸锂光子线的高集成度光路。
图1是本发明的基于LN光子线定向耦合器的横向截面图；图2是在w = 0. 5μπι和工作波长λ = 1. 55 μ m条件下，适合准TE (记为quasi-TE， 或qTE)和准TM模(记为quasi-TM，或qTM)的耦合长度L。随波导间距S。变化曲线；图3是在输入端分别为qTE模和qTM模情况下，x_y截面折射率分布以及主要电场分布；图4是在S。= 0. 8 μ m和工作波长λ = 1.55ym条件下L。随w变化的曲线；图5是与极化无关LN光子线定向耦合器的串噪音随工作波长变化特性曲线；图6是P1和p2，以及p2，的测试位置以及折射率分布；图7是制作工艺示意图，其中，图7(a)是基于绝缘体的铌酸锂样本(LNOI)，图 7(b)是最终样品。以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施例方式1、仿真结果和分析本实施例给出的基于LN光子线的光定向耦合器结构，如图1所示，它由铌酸锂基底、二氧化硅覆层和平行对称的铌酸锂波导组成。适合于该定向耦合器的波导参数是LN波导的折射率nM = 2. 2 ；SiO2区域的折射率叫迎=1.44 ；波导的高度h = 0. 73 μ m、顶部宽度w = 0. 4 0. 55 μ m，如此选择以确保实现单模传输。构成该定向耦合器的两个平行光波导(即光子线)的轴间距S。的取值范围为0. 6 μ m 0. 9 μ m。工作波长λ = 1. 55 μ m, SiO2层的底面与Z-切LN衬底的Z-面相连接，LN波导(即LN光子线)与SiO2层顶面相连接，而且LN衬底与LN光子线具有全向的晶体取向。利用时域有限差分法商用软件Optiwave FDTD对图1所示的结构进行了仿真和分析。在固定w = 0.5ym的条件下(以保证单模传输)，分别计算出当波导间距S。在 0. 6μπι 0. 9μπι的范围内变化时，相应的准TE模(记为quasi-TE，或qTE)和准TM模(记为quasi-TM，或qTM)的耦合长度L。，再经数据拟合得到L。 S。的关系曲线，如图2所示。图3表示在输入端分别为qTE和qTM模激励下，x_y截面折射率分布以及主要电场分布。图2所显示的主要特性是⑴qTM模单模的耦合长度L。大于qTE模单模的耦合长度L。，这是由于对于qTE模而言，电场主要沿沿χ方向分布，而对于qTM模而言，电场主要沿 y方向分布，如图3所示，这样，必然导致了 qTE模的耦合要比qTM模的耦合来的快，因此qTE 模的耦合长度自然要比qTM模的耦合长度短。然而，在少数情况下，有相反结果发生，即qTE 模的耦合长度要比qTM模的耦合长度长。这是由于，无论对于qTE模或qTM模，L。对于Sc 的关系均与正弦函数有关，由此将不可避免地导致两种模式的耦合长度L。会周期性地交替改变。( 尽管总趋势是，耦合长度L。随波导间距S。的增大而增大，然而，在S。的某些区域内，L。却保持不变。引起该现象的原因尚有待进一步探讨。(3)尤其是，当S。在0.6μπι 0.71 μ m之内变化时，qTE模单模的耦合长度与qTM模单模的耦合长度不仅不改变，而且两者的值几乎保持相等。这是由于，在S。的这个取值范围内，两个平行的LN光波导几乎结合成为一个新的单一波导，本发明正是利用这一特性，设计出了与极化无关的基于LN光子线的光定向耦合器结构。为了获得适合qTE模单模和qTM模单模的耦合长度L。与单一 LN光子线宽度w之间的关系，在固定S。= 0.8 μ m，波导高度h = 0. 73 PnuSiO2层厚度=IJynuLN衬底厚度 =0. 5mm,和工作波长λ = 1. 55μπι的条件下，使W由0. 4 μ m改变至0. 55 μ m，用商用软件 FDTD设计和仿真该结构的特性，并提取出相应的耦合长度L。参数，图4是根据上述参数拟合得到的L。随w变化的曲线。由图4并结合图3可见，⑴适合qTM模单模的耦合长度L。大于适合qTE模单模的耦合长度L。，这是由于对于qTE模而言，电场主要沿χ方向分布，而对于qTM模而言，电场主要沿y方向分布，如图3所示，这样，必然导致了 qTE模的耦合要比qTM模的耦合来的快，因此qTE模的耦合长度自然要比qTM模的耦合长度短。然而，在少数情况下，有相反结果发生，即qTE模的耦合长度要比qTM模的耦合长度长。这是由于，无论对于qTE模或qTM 模，Lc对于S。的关系均与正弦函数有关，由此将不可避免地导致两种模式的耦合长度L。会以一定的方式交替地改变。(2)在W = 0.4 μπι，不存在qTE模单模极化，而仅有qTM模单模极化。只有当大约w = 0. 405 μ m时，才允许出现qTE模单模极化；(3)耦合长度L。趋于随 w变化而变化，然而，在w的某些取值范围内，Lc不随w变化而变化，引起这种现象原因还有待进一步探讨。 由图2和图4可见，显然，基于此结构的光定向耦合器，在一定程度上，具有良好抵抗由于外部环境温度或压力引起的结构参数S。和w变化从而导致耦合长度L。变化的特性。考虑到，在Sc由0.6 μ m至大约0.71 μ m的范围内变化(工作波长λ = 1. 55 μ m) 时，适合qTE模单模的耦合长度与适合qTM模单模的耦合长度L。几乎趋于一致，这样，就使得几乎与极化无关的基于LN光子线的光定向耦合器的设计与开发成为可能。为此，还需要知道该定向耦合器的串噪音随工作波长分布特性。图5显示了利用商用软件FDTD计算得到的与极化无关LN光子线定向耦合器的串噪音随工作波长变化特性曲线，与该曲线相关的其它参数是Sc = 0. 7 μ m，w = 0. 5 μ m，h = 73 μ m，SiO2层厚度=1. 3 μ m，LN衬底厚度 =0.5mm，传播距离=5. 8 μ m(即在工作波长λ = 1. 55 μ m时的耦合长度L。)，在此，串噪音定义如下IOlg(VP1)上式中，P1和P2分别代表在输入端和输出端的光功率，如图.6所示。P1和P2可利用Optiwave FDTD商用软件求出，图6也显示在0. 5h (即0. 35 μ m)条件下，模型的折射率分布。已知图5显示与极化无关LN光子线定向耦合器的串噪音随工作波长变化特性曲线。由此图可见，串噪音低于_13dB的带宽大约为27nm(对于qTE模单模)和大约21nm(对于qTM模单模)。2、制作工艺为了制作铌酸锂(LN)光子线定向耦合器，须先制作基于绝缘体的铌酸锂样本 LNOI (图7(a)所示)。这个样本包括了直接黏附在1.3微米厚的二氧化硅(SiO2)层上的730纳米厚的单晶LN层(LN薄膜)，SiO2层是经过用等离子体增强化学气相沉积(PECVD) 法涂敷在全等的Z切铌酸锂基底(厚度为0. 5mm)的Z面，即LN薄膜与厚度为0. 5mm的LN 基底有全等的晶体取向；LN薄膜的表面须用化学机械抛光(CMP)工艺处理后达到0.5纳米的rms粗糙度。由于折射率相差较大(ηω = 2. 2，nSi0 = 1. 44)，LNOI样本是具有很强导光性能的平面波导，因此很适合用来制作铌酸锂光子线。光刻技术要求将1.7μπι厚和0.5μπι宽的光阻((HR 907-17)条带用作刻蚀掩膜。为了提高掩膜的选择性，光阻在120°C下经过1个小时的退火。接着，在Oxford PlasmalabSystemlOO内，用100W射频功率诱导地耦合成为等离子体(ICP)JP 70W射频功率耦合至样本表面，如此处理后的样本经60分钟氩铣蚀刻，结果如图7 (b)。最后，将样本的端面经过精心抛光，从而实现高效的端射光耦合。3、结论本发明首次提出了基于LN光子线的超紧凑光定向耦合器，利用OptiveFDTD商用软件仿真了该耦合器的耦合长度与两平行光波导轴间距的关系曲线，耦合长度与LN波导宽度的关系曲线，串噪音与工作波长的关系曲线，并给出了制作工艺。该光定向耦合器不仅具有超紧凑结构，和与极化无关的特点，而且还具有抵抗外部环境及压力变化引起结构参数改变，从而导致耦合长度变化的优点。本发明受到了国家自然科学基金资助(基金编号61040064)。
权利要求
1.一种基于LN光子线的光定向耦合器，其特征在于，由铌酸锂基底、二氧化硅覆层和平行对称的波导组成，其中，波导的高度为0. 73 μ m，波导的顶部宽度为0.4 μ m 0. 55 μ m, 波导的中心距为0. 6 μ m 0. 9 μ m。
2.如权利要求1所述的基于LN光子线的光定向耦合器，其特征在于，所述的波导的顶部宽度为0. 5μπι。
3.权利要求1或2所述的基于LN光子线的光定向耦合器的制备方法，其特征在于，该方法首先制作基于绝缘体的铌酸锂样本，样本包括直接黏附在1. 3微米厚的二氧化硅层上的730纳米厚的单晶LN层，二氧化硅层是经过用等离子体增强化学气相沉积法涂敷在全等的Z切铌酸锂基底的Z面，即LN薄膜与厚度为0. 5mm的LN基底有全等的晶体取向；LN 薄膜的表面用化学机械抛光工艺处理后达到0. 5纳米的rms粗糙度；然后将1. 7 μ m厚和 0.5μπι宽的光阻条带用作刻蚀掩膜，光阻在120°C下经过1个小时的退火，接着，在Oxford PlasmalabSystemlOO内，用100W射频功率诱导地耦合成为等离子体，和70W射频功率耦合至样本表面，经60分钟氩铣蚀刻，端面抛光，即得。
全文摘要
本发明公开了一种基于铌酸锂(缩写为LN)光子线的光定向耦合器，由铌酸锂基底、二氧化硅覆层和平行对称的LN波导组成，其中，LN波导的高度为0.73μm，顶部宽度为0.4μm～0.55μm，波导的中心距为0.6μm～0.9μm。工作波长λ＝1.55μm.适合于该定向耦合器的波导参数是LN波导的折射率nLN＝2.2；SiO2区域的折射率nSiO2＝1.44；可被用于基于铌酸锂光子线的高集成度光路。利用OptiveFDTD商用软件仿真了该定向耦合器的耦合长度与两平行LN光波导轴间距的关系曲线，耦合长度与LN波导宽度的关系曲线，串噪音与工作波长的关系曲线。该光定向耦合器不仅具有超紧凑结构，和与极化无关的特点，而且还具有抵抗外部环境及压力变化引起结构参数改变，从而导致耦合长度变化的优点。
文档编号G02B6/28GK102508338SQ20111037435
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月22日 优先权日2011年11月22日
发明者刘子晨, 陈明 申请人:西安邮电学院