一种调制接收用铌酸锂薄膜集成芯片及其工作方法

本发明涉及光学，尤其是涉及一种调制接收用铌酸锂薄膜集成芯片及其工作方法。

背景技术：

1、光学传感原理广泛用于光学测量系统，例如基于sagnac效应的惯性角动量测量系统，基于光栅检测的牛顿第二定律加速度传感系统等。精度高和灵敏度高是光传感测量系统的主要优势，目前研究方向主要集中在不断升级和优化器件性能以及如何降低生产成本，传统的光学测量系统通常由分立器件组成，存在体积庞大、自身干扰难以去除以及器件一致性难以保证等问题。同时，与传统的力学传感相比，分立光学传感器件的成本更高，且难以小型化等问题也限制了上述传感测量系统的进一步发展。

2、集成光学模块是目前光通信、传感等领域的研究热点，是未来光电磁学相关领域的主要发展方向，利用在集成电子领域发展较早，目前较为成熟的微纳加工手段，可实现分立光学器件的小型化与集成化，如利用光波导代替光纤实现不同光器件之间的光互联，用波导耦合器代替传统的光纤耦合器实现片上光分束，芯片光纤间耦合等，通过利用统一的芯层、包层材料，既可进一步提高系统的集成度和一致性，也可以在很大程度上减小工艺设计的复杂度，缩短工艺流程，提高加工效率，降低生产成本，同时缩减功能芯片的体积，在集成光学模块中，光波导是不同器件及器件间互联的基本组成部分，常见的集成光学器件有光源，光探测器，光隔离器，光起偏器，光分束器，光调制器，微光谐振器等。

3、在应用广泛的波导芯层材料之中，铌酸锂材料具有较为相对较高的电光系数和优良的线性电光效应，广泛应用于制作光调制器器件，传统的铌酸锂波导制作工艺多基于钛离子扩散，由于其与包层的折射率对比度较小，光场限制能力更弱，传输损耗过大，调制效率偏低等因素，未能在集成光学模块中发挥材料本身具有的优势，随着加工工艺的进步，目前基于电子束光刻，反应离子刻蚀等一系列工艺可以制作与包层折射率对比度更大薄膜铌酸锂脊波导，可以实现器件尺寸和更低的表面粗糙度，更低的传输损耗和更高的调制效率，促进并加速了光调制器之外的铌酸锂分立光模块的发展，包括光分束器、光起偏器以及光探测器等，基于离子扩散的铌酸锂激光器等器件，基于最新工艺的薄膜铌酸锂脊波导结构具备实现全铌酸锂片上集成的前景，但目前尚未有可靠的全铌酸锂集成光互联芯片方案被提出。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种调制接收用铌酸锂薄膜集成芯片及其工作方法，实现了芯片一致性和整体结构的小型化，并保证了各器件的具有与分立器件相当的较高性能。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种调制接收用铌酸锂薄膜集成芯片，包括本体，本体从下到上依次设置的基底层、二氧化硅下包层、铌酸锂薄膜层以及二氧化硅上包层，包括沿光路依次布置在本体内的光分束器、光调制器以及光探测器，光分束器、光调制器以及光探测器通过铌酸锂脊波导结构进行光互联。

3、优选的，在本体的输入端、光分束器与光调制器之间以及光分束器与光探测器之间的至少一处设置有光起偏器；

4、光起偏器包括上波导和下波导，上波导的输入段与下波导的耦合段平行设置，耦合段长为50-100μm，平行间距为0.3-0.8μm，上波导的宽度为0.5-1.5μm，上波导还包括连接段和te输出段，连接段包括两个首尾连接的90°弯曲波导，且两个90°弯曲波导方向相反，90°弯曲波导的弯曲半径大于100μm，连接段一端与输入段相连接，连接段另一段与te输出段相连接，te输出段与输入段平行设置；

5、下波导宽度为1-2μm，下波导还包括与耦合段相连接的u型耗散段，u型耗散段底部为半圆形，半圆形的半径大于150μm。

6、优选的，光起偏器、光分束器、光调制器以及光探测器的波导芯层均为脊波导结构，波导芯层采用x切铌酸锂材料。

7、优选的，光分束器为双y分支光分束器或2×2mmi光分束器；

8、双y分支光分束器包括第一单y分支、第二单y分支和连接波导，第一单y分支与第二单y分支通过连接波导相连接，第一单y分支和第二单y分支的长度大于300μm，第一单y分支和第二单y分支的两个分支间距大于150μm；

9、2×2mmi光分束器的长度为50-100μm，宽度为5-15μm，2×2mmi光分束器的两个输出端间距大于1.5μm。

10、2×2mmi光分束器的耦合锥波导的底部宽度大于1.5μm，耦合锥波导的长度大于10μm。

11、优选的，光调制器的信号输出电极和接地电极设置在二氧化硅上包层内，信号输出电极和接地电极的间距大于1μm，信号输出电极和接地电极的宽度为10-50μm，信号输出电极和接地电极的长度为5-10mm，信号输出电极和接地电极的厚度大于3μm。

12、优选的，光探测器的铌酸锂薄膜层设置有阵列波导光栅，阵列波导光栅中的每个光栅宽度为1-2μm，相邻光栅间距为0.3-1μm，光探测器的二氧化硅上包层上通过键合用聚合物层设置有磷化铟吸收层，磷化铟吸收层的两侧设置有信号检测电极。

13、优选的，光探测器与光分束器之间设置有散光透镜，散光透镜与铌酸锂脊波导结构相对设置，光探测器包括设置有磷化铟吸收层的光电转换电路层。

14、优选的，二氧化硅下包层和二氧化硅上包层的折射率低于铌酸锂薄膜层的折射率。

15、一种调制接收用铌酸锂薄膜集成芯片的工作方法，光信号由片外通过铌酸锂脊波导结构输入至光分束器并分为两束，两束光信号分别进入光调制器进行信号调制，调制后的光信号直接输出与后续器件相连接，经过光调制器返回的光信号经过光分束器进入光探测器进行光电转换。

16、因此，本发明采用上述一种调制接收用铌酸锂薄膜集成芯片及其工作方法，具有以下有益效果：

17、1、实现了多种片上薄膜铌酸锂器件的光学互联，在保证原有分立器件性能的同时，实现了器件整体结构的小型化。

18、2、同时集成了基于薄膜铌酸锂脊波导结构的光起偏器、光分束器、光调制器和光探测器，具有偏振分光、光场调制以及光电转换等功能，芯片的整体插入损耗为11~12db，光调制器理论调制效率为0.7v·cm，单级光起偏器理论偏振消光比为26db，光探测器的光电响应度理论可达1a/w，对薄膜铌酸锂的应用进行了研究性探索，为未来集成更多薄膜铌酸锂光电器件，进一步实现小型化，使其能执行更多复杂功能提供了初步的方案。

19、3、调制探测功能的实现均基于薄膜铌酸锂，与目前较为成熟的cmos工艺相兼容，具备量产的工艺基础，具备完整加工产线后可实现生产规模化，相较于分立器件而言，可大幅度降低铌酸锂光学器件的生产和测试成本。

20、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种调制接收用铌酸锂薄膜集成芯片，包括本体，本体从下到上依次设置的基底层、二氧化硅下包层、铌酸锂薄膜层以及二氧化硅上包层，其特征在于：包括沿光路依次布置在本体内的光分束器、光调制器以及光探测器，光分束器、光调制器以及光探测器通过铌酸锂脊波导结构进行光互联。

2.根据权利要求1所述的一种调制接收用铌酸锂薄膜集成芯片，其特征在于：在本体的输入端、光分束器与光调制器之间以及光分束器与光探测器之间的至少一处设置有光起偏器；

3.根据权利要求2所述的一种调制接收用铌酸锂薄膜集成芯片，其特征在于：光起偏器、光分束器、光调制器以及光探测器的波导芯层均为脊波导结构，波导芯层采用x切铌酸锂材料。

4.根据权利要求1所述的一种调制接收用铌酸锂薄膜集成芯片，其特征在于：光分束器为双y分支光分束器或2×2mmi光分束器；

5.根据权利要求1所述的一种调制接收用铌酸锂薄膜集成芯片，其特征在于：光调制器的信号输出电极和接地电极设置在二氧化硅上包层内，信号输出电极和接地电极的间距大于1μm，信号输出电极和接地电极的宽度为10-50μm，信号输出电极和接地电极的长度为5-10mm，信号输出电极和接地电极的厚度大于3μm。

6.根据权利要求1所述的一种调制接收用铌酸锂薄膜集成芯片，其特征在于：光探测器的铌酸锂薄膜层设置有阵列波导光栅，阵列波导光栅中的每个光栅宽度为1-2μm，相邻光栅间距为0.3-1μm，光探测器的二氧化硅上包层上通过键合用聚合物层设置有磷化铟吸收层，磷化铟吸收层的两侧设置有信号检测电极。

7.根据权利要求1所述的一种调制接收用铌酸锂薄膜集成芯片，其特征在于：光探测器与光分束器之间设置有散光透镜，散光透镜与铌酸锂脊波导结构相对设置，光探测器包括设置有磷化铟吸收层的光电转换电路层。

8.根据权利要求1所述的一种调制接收用铌酸锂薄膜集成芯片，其特征在于：二氧化硅下包层和二氧化硅上包层的折射率低于铌酸锂薄膜层的折射率。

9.如权利要求1-8任意一项所述的一种调制接收用铌酸锂薄膜集成芯片的工作方法，其特征在于：光信号由片外通过铌酸锂脊波导结构输入至光分束器并分为两束，两束光信号分别进入光调制器进行信号调制，调制后的光信号直接输出与后续器件相连接，经过光调制器返回的光信号经过光分束器进入光探测器进行光电转换。

技术总结
本发明公开了一种调制接收用铌酸锂薄膜集成芯片及其工作方法，属于光学技术领域，芯片包括本体，本体从下到上依次设置的基底层、二氧化硅下包层、铌酸锂薄膜层以及二氧化硅上包层，包括沿光路依次布置在本体内的光分束器、光调制器以及光探测器，光分束器、光调制器以及光探测器通过铌酸锂脊波导结构进行光互联。采用上述结构的一种调制接收用铌酸锂薄膜集成芯片及其工作方法，实现了芯片一致性和整体结构的小型化，并保证了各器件的具有与分立器件相当的较高性能。

技术研发人员：冯丽爽,焦洪臣,裴文轩,周震,冯迪,李鑫宇,王思源
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/24