一种基于铌酸锂薄膜的集成光频梳芯片结构及制备方法

本发明属于集成光学和微波光子领域，涉及一种基于铌酸锂薄膜的外调制法光学频率梳产生方法。

背景技术：

1、光学频率梳指的是在频谱上由一系列间隔均匀且具有稳定的相干相位关系的频率分量所组成的光谱，其独特的优势，如平坦度高、频率稳定、谱线相关性好等，在微波光子研究领域诸如超快光信号检测和测量以及微波光子信号处理等方向，光频梳均发挥着不可或缺的作用。因此，很有必要设计出一种结构，用以产生高质量的光频梳。

2、采用外调制法产生光频梳具有谱线之间相干性较好，在频率域内光谱谱线等间隔排列的优点，是比较容易实现且被广泛使用的光频梳产生方案。常见的基于调制器的光频梳产生方案包括利用单个电光调制器或电光调制器级联实现。本发明利用级联强度调制器和相位调制器的方法，通过控制调制器的驱动电压、偏置电压以及调节驱动信号的频率、相位等参数来控制产生的光频梳的梳齿个数、梳齿间隔、平坦度等。

3、铌酸锂薄膜因其宽透明窗口、高非线性系数和优异的电光特性，长期以来被认为是集成光子器件的重要材料平台，特别是相比较传统广泛应用于电光调制器领域的铌酸锂体材料而言薄膜的弯曲半径更小，这对于光频梳意味着更低的半波电压和更高的调谐范围。

4、目前最常见的实现铌酸锂薄膜波导的方法仍然是直接刻蚀，但是通过直接刻蚀的方法形成的波导结构很难拥有平滑的边界，其侧壁粗糙度过大会严重增加器件设计的难度，导致波导损耗严重。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于铌酸锂薄膜外调制法光频梳产生方法，不仅能够实现高质量光频梳的产生，还可以降低半波电压，进而使器件的功耗更低，实现更大规模光电集成。

2、本发明采用的具体方案：结构基于顶层400nm厚x切铌酸锂的lnoi晶圆，包括衬底，位于衬底之上的缓冲层，位于缓冲层之上的波导层，波导层由方向耦合器作为光分束设计的马赫-曾德尔干涉仪波导结构型的电光调制器级联相位调制器构成，相位调制器为施加电场来改变材料的折射率，从而改变通过该臂传播的光相位。

3、所述lnoi级联调制结构是核心区域，光波输入到定向耦合器中，输入功率被平均分配到第一个定向耦合器的两端输出波导中。这两个波导形成马赫-曾德尔干涉仪的两个臂。其中一臂通过施加电场改变通过该臂传播的光相位，两波共同输入另一个定向耦合器，通过金电极改变外加电压可以连续控制两个波导中输出的光强。当外部半导体激光器发射的激光进入马赫-曾德尔强度调制器时，调节驱动电压和直流偏置电压，产生频梳光源，再利用相位调制器来对光频梳进行光谱展宽。

4、所述lnoi光频梳结构中衬底起支撑作用；缓冲层起隔绝光场向衬底泄漏作用，晶圆为顶层铌酸锂厚度400nm。

5、所述lnoi结构的制作为首先利用电子束曝光(ebl)技术在lnoi晶圆顶层铌酸锂上定义出输入铌酸锂波导、级联结构波导和输出铌酸锂波导的图案，再利用电感耦合等离子体(icp)蚀刻技术向下转移定义图案

6、本发明的有益效果为：级联外调制方案可以产生更多梳齿数目以及平坦度更高的光频梳，同时薄膜的弯曲半径更小，更低的半波电压和更高的调谐范围便于大规模光电集成。

技术特征：

1.一种基于铌酸锂薄膜的集成光频梳芯片，其特征在于：包括衬底，位于衬底之上的缓冲层，位于缓冲层之上为铌酸锂薄膜，顶层铌酸锂层厚度为400nm，切向为x切，由输入铌酸锂波导、马赫-曾德尔强度调制器、相位调制器和输出铌酸锂波导构成，调制器的波导层均由顶层铌酸锂刻蚀而成，刻蚀时保留50-70μm铌酸锂薄膜以提高折射率差；

2.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜的集成光频梳芯片，其特征在于：强度和相位调制器的电极采用共面波导行波电极结构，分为调制区和过渡连接区，调制区决定调制器的半波电压和带宽。

3.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜的集成光频梳芯片，其特征在于：蒸镀电极之前，在铌酸锂表面溅射一层280-300nm金属铬膜，同时溅射一层sio2作为波导的上包层。

4.根据权利要求1所述的一种基于铌酸锂薄膜的集成光频梳芯片，其特征在于：首先经过电子束曝光定义波导形状，经过刻蚀转移形状到波导层，化学机械抛光对覆盖铬层的铌酸锂薄膜波导进行同步磨抛，铬层去除后波导成为脊形结构，增大波导输出模场直径的同时降低达到侧壁粗糙度的效果。

技术总结
一种基于铌酸锂薄膜的集成光频梳芯片结构及制备方法，涉及集成光学和微波光子领域。本发明结构自下而上由LN衬底、SiO<subgt;2</subgt;缓冲层和铌酸锂薄膜波导层三部分组成，其中波导层包括输入输出波导、马赫‑曾德尔强度调制器和相位调制器的波导结构。当外部半导体激光器发射的激光进入强度调制器时，调节射频信号电压和直流偏置电压产生频梳光源，再利用相位调制器来对光频梳进行光谱展宽。同时针对制备工艺中直接刻蚀的波导结构损耗过大问题，本发明提出一种电子束曝光结合化学机械抛光工艺降低侧壁粗糙度的方法，使整个结构更为紧凑、高效，更有利于实现大规模光电器件集成。

技术研发人员：杨登才,王卓,杨锋,宝剑锋
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13