专利名称：基于铌酸锂光子线的光波长分离器的制作方法
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 (lithium niobate，即LiNb03，即LN)光子线的超紧凑与极化无关光波长分离器。
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光子线的光波长分离器是由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光子线的光波长分离器的相关研究报道。以下是发明人检索的相关文献1 P.Rabiei，and W.H. Steier, “Lithium niobate ridge waveguides 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。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于LN光子线的光波长分离器，该波长分离器可被用于基于铌酸锂光子线的高集成度光路，以适应当代日益发展的光通信及传感技术的迫切需要。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光子线的光波长分离器，其特征在于，由铌酸锂基底、二氧化硅覆层和两条铌酸锂光波导组成；其中，一条是直的铌酸锂光波导，另一条是具有相同波导宽度和高度的部分直、部分弯曲的铌酸锂光波导，铌酸锂光波导的高度均为0. 73μπι，铌酸锂光波导的顶部宽度均为0. 5 μ m ；构成该波长分离器的两条光波导(即光子线)平行部分的轴间距Sc = 0.75 μ m,耦合长度L。= 19. 6 μ m,输出端口波导间距2. 6 μ m，输出端口波导弯曲部分由两条平行的贝氏曲线组合而成。上述贝氏曲线是由以下五个点确定的(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光子线的光波长分离器的制备方法，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)，LN0I包括直接黏附在1. 3微米厚的二氧化硅(SiO2) 层上的730纳米厚的单晶LN层(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，在100W射频功率诱导下耦合成为等离子体，在70W射频功率下耦合至铌酸锂样本表面，经60分钟氩铣蚀刻，端面抛光，即得。本发明的基于LN光子线的光波长分离器，所带来的技术效果是1、在上述给定的波导尺寸参数及光学参数的条件下(适合传输准-TE(qTE)和准-TM(qTM)单模)，对于工作波长λ = 1.31 μ m的输入光波，在直波导输出端可得到 99. 4%的透射率；对于工作波长λ = 1.55 μ m的输入光波，在弯曲波导输出端可得到 94. 9%的透射率。当同时含有波长1. 31 μ m和1. 55 μ m的输入光波，经该光波长分离器，在直波导输出端可获得波长为1. 31 μ m、透射率为99. 4%的输出光波，同时在弯曲波导输出端可得到波长为1. 55 μ m、透射率为94. 9%的输出光波。2、该光波长分离器工作时与极化无关，并具有紧凑的结构。经申请人的仿真和分析证明，该基于LN光子线的光波长分离器可被用于基于铌酸锂光子线的高集成度光路，以适应日益发展的光通信技术及光传感技术的迫切需要。
图1-1是本发明的基于LN光子线光波长分离器的输入端横向截面图；图1-2是与图1-1相对应的基于LN光子线光波长分离器的输出端横向截面图；图1-3是与图1-1和图1-2相对应的光波长分离器俯视图；图中，光波长分离器的耦合长度19. 6 μ m。其中右上角弯曲部分由两条平行的贝氏曲线组合而成，贝氏曲线由以下五个点确定(9. 8，0.625)，(12. 325，0. 75)，(14. 85,1. 5625), (17. 375,2. 375), (19.9， 2. 5)。图2是在上述给定尺寸参数和光学参数下，当输入光波波长λ = 1. 31 μ m时， 利用商用软件COMSOL获得的电场分布图(输入功率0. 318W，输出功率0. 316W，通过率 99. 4% )。图3是在上述给定尺寸参数和光学参数下，当输入光波波长λ = 1. 55 μ m时，利用商用软件COMSOL获得的电场分布图(输入功率0. 3^25W，输出功率0. 30959W，通过率94. 9% )。图4-l_a，b和图4_2_a，b是制作工艺示意图，其中，图4_l_a是基于绝缘体的铌酸锂样本(LNOI)的光波长分离器的输入端，4-2-a是基于绝缘体的铌酸锂样本(LNOI)的光波长分离器的输出端；而图4-l-b，4-2-b和4-3表示最终样品。图5A、图5B和图5C是一个具体的计算实例，其中图5A表示入射端，图5B表示出射端，图5C表示最终样品。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、仿真结果本实施例给出的基于LN光子线的光波长分离器结构，如图1所示，它由铌酸锂基底、二氧化硅覆层和两条铌酸锂波导组成。其中，一条是直的铌酸锂光波导，另一条是具有相同波导宽度和高度的部分直、部分弯曲的铌酸锂光波导。适合于该光波长分离器器的波导参数是波导的折射率nM = 2. 2 ；SiO2区域的折射率nSiQ2 = I- 44 ；LN波导的高度h = 0. 73 μ m、顶部宽度w = 0. 5 μ m，如此选择以确保实现单模传输。构成该波长分离器的两条光波导(即光子线)平行部分的轴间距S。= 0. 75 μ m, 耦合长度L。= 19.6μπι，输出端口波导间距2.6μπι，输出端口波导弯曲部分由两条平行的贝氏曲线组而成，而贝氏曲线是由以下五个点确定的(9. 8，0. 625)，(12. 325,0. 75)， (14. 85，1. 5625)，(17. 375，2. 375)，(19. 9，2. 5)。工作波长 λ ！ = 1. 31 μ m，λ 2 = 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。
一个具体的计算实例如图5，例如，所设计的光波长分离器，其耦合长度为a，两波导边缘间距为b，入射端如图5A所示，出射端如图5B所示，俯视图如图5C所示，图中右上角弯曲部分由两条平行的贝氏曲线组合而成，而贝氏曲线是一下五个点确定的(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为弯曲部分的调节常数。利用商用软件COMSOL对图1所示的结构(a = 19. 6，b = 0. 25，c = 0. 3)进行了仿真的结果显示该波长分离器，对于工作波长λ = 1. 31 μ m的输入光波，在直波导输出端口可获得99. 4%的透射率；对于工作波长λ = 1.55μπι的输入光波，在弯曲波导输出端口可获得94. 9%的透射率。当同时含有波长1.31 μ m和1. 55 μ m的输入光波，经该光波长分离器，在直输出端口可获得波长为1. 31 μ m、透射率为99. 4%的输出光波，同时在弯曲波导输出端口可获得波长为1. 55 μ m、透射率为94. 9%的输出光波。图2和图3给出由仿真得到的相应电场分布图。2、制作工艺为了制作铌酸锂(LN)光子线光波长分离器，须先制作基于绝缘体的铌酸锂样本 LNOI (图4-1-a和图4-2-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 Plasmalab SystemlOO内，用100W射频功率诱导地耦合成为等离子体(ICP)，及在70W射频功率下耦合至样本表面，如此处理后的样本经60分钟氩铣蚀刻，结果如图4-1-b、图4-2-b 和图4-3所示。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、结论首次提出了基于LN光子线的超紧凑结构与极化无关光波长分离器，利用商用软件COMSOL仿真了该光波长分离器的场分布图，并给出了制作工艺。该光波长分离器具有透射率高、与极化无关、以及超紧凑结构等特点。本发明受到了国家自然科学基金(基金编号61040064)资助。
权利要求
1.一种基于LN光子线的光波长分离器，其特征在于，由铌酸锂基底、二氧化硅覆层和两条铌酸锂光波导组成；其中，一条是直的铌酸锂光波导，另一条是具有相同波导宽度和高度的部分直、部分弯曲的铌酸锂光波导，铌酸锂光波导的高度均为0. 73μπι，铌酸锂光波导的顶部宽度均为0. 5μπι ；构成该波长分离器的两条光波导平行部分的轴间距Sc = 0. 75 μ m,耦合长度L。= 19. 6 μ m，输出端口波导间距2. 6 μ m，输出端口波导弯曲部分由两条平行的贝氏曲线组合而成。
2.如权利要求1所述的基于LN光子线的光波长分离器，其特征在于，所述的贝氏曲线是由以下五个点确定的:(9.8,0. 625)，(12. 325，0. 75)，(14. 85，1. 5625)，(17. 375，2. 375)， (19. 9,2. 5)。
3.权利要求1所述的基于LN光子线的光波长分离器的制备方法，其特征在于，该方法首先制作基于绝缘体的铌酸锂样本，铌酸锂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 Plasmalab System 100内，在100W射频功率诱导下耦合成为等离子体，在70W射频功率下耦合至铌酸锂样本表面，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光子线的光波长分离器，由铌酸锂基底、二氧化硅覆层和两条铌酸锂光波导组成；其中，一条是直的铌酸锂光波导，另一条是具有相同波导宽度和高度的部分直、部分弯曲的铌酸锂光波导，铌酸锂光波导的高度均为0.73μm，顶部宽度均为0.5μm；构成该波长分离器的两条光波导平行部分的轴间距Sc＝0.75μm，耦合长度Lc＝19.6μm，输出端口波导间距2.6μm，输出端口波导弯曲部分由两条平行的贝氏曲线组合而成。适合于该波长分离器的波导参数是工作波长分别为1.31μm和1.55μm；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。该光波长分离器不仅具在工作波长上透射率高的优点，而且具有与极化无关和超紧凑结构的特点。
文档编号G02F1/365GK102540621SQ20121002228
公开日2012年7月4日 申请日期2012年2月2日 优先权日2012年2月2日
发明者席洁, 弟寅, 杨祎, 梁猛, 陆蓉, 陈乐建, 陈明 申请人:西安邮电学院