一种基于薄膜铌酸锂的片上起偏器及其制作方法

技术领域

本申请属于集成光学器件技术领域，具体涉及一种基于薄膜铌酸锂的片上起偏器及其制作方法。

背景技术

光纤陀螺经过40余年的发展，已广泛应用于海、陆、空、天各领域。传统光纤陀螺方案主要借助于分立光学器件，不仅限制了器件尺寸的进一步降低，同时分立光学器件之间需要相互光互联，导致生产过程复杂，产品良率难控，因此高精度光纤陀螺在小型化和低成本方面遇到瓶颈。基于集成光学芯片的光学陀螺能够充分发挥尺寸、重量、功耗和成本的优势，有望满足新一代航空航天高新装备对高精度、微小型陀螺惯性器件的迫切需求。

铌酸锂因其明显的压电效应、热电效应、电光效应和其它二阶非线性效应而被广泛研究。基于体材料铌酸锂的光学芯片已经广泛应用于光纤陀螺系统，其优势在于强电光响应以及高偏振消光比的单偏振波导。相较于传统的铌酸锂体材料光学器件，新型绝缘体上铌酸锂材料(LNOI)具有多种优势：LNOI纳米波导中芯层(铌酸锂)与外包层(二氧化硅)折射率差(0.67)比传统离子扩散制备的LN波导高一个数量级，可以提供较强的光学限制能力和小波导弯曲半径 (～20um)，使器件尺寸大幅缩小；较强的光学模式限制能力使得RF 行波电极可以被放置在更靠近LN纳米波导的地方，电极间距大幅缩小从而使电光调制效率最大化，器件半波电压大幅降低；基于LNOI 的光学芯片加工工艺兼容标准半导体工艺，而体材料铌酸锂的波导是用质子交换法或者钛扩散法制作，并且LNOI具备制作大尺寸晶圆的能力，因此新型LNOI光学芯片的制作成本相比体材料铌酸锂大幅降低。

基于LNOI的多功能集成光学芯片可以在一个芯片上集成光纤陀螺工作所需的分束/合束器、起偏器和相位调制器，结构紧凑，功能密集，增加了光路系统的可靠性。光纤陀螺系统要求芯片波导具有高偏振消光比，以降低相干偏振噪声对光纤陀螺系统带来的影响。然而，如何在薄膜铌酸锂平台上简单、低成本地实现高偏振消光比的波导，目前还没有比较成熟的研究，因此急需在片上简单以及高效地实现高偏振消光比的铌酸锂波导。

发明内容

本申请提出了一种基于薄膜铌酸锂的片上起偏器及其制作方法，通过设计不同的波导传输段，利用模式演化作用和模式杂化现象，实现了输入光中TM分量与TE分量的分离，得到纯TE光。

为实现上述目的，本申请提供了如下方案：

一种基于薄膜铌酸锂的片上起偏器，包括自下而上依次布置的基底层、缓冲层、波导芯层和波导上包层；

所述基底层、所述缓冲层和所述波导上包层用于保护所述波导芯层；

所述波导芯层中包含有起偏波导系统，所述起偏波导系统包括锥形波导传输段、连接波导段、非对称Y分支段、输出波导段、吸收波导段；所述锥形波导传输段、所述连接波导段和所述非对称Y分支段顺序连接；所述输出波导段的输入端和所述吸收波导段的输入端均连接所述非对称Y分支段的输出端。

优选的，所述波导芯层为铌酸锂材质。

优选的，所述锥形波导传输段包括顺序连接的第一锥形波导段、第二锥形波导段和第三锥形波导段；

所述第一锥形波导段、所述第二锥形波导段和所述第三锥形波导段的宽度顺次增大并且绝热。

优选的，所述连接波导段为直波导，且所述连接波导段的宽度与所述第三锥形波导段的输出端的宽度相同。

优选的，所述非对称Y分支段包括分支第一段和分支第二段；

所述分支第一段的宽度和所述分支第二段的宽度均保持不变，且所述分支第一段的宽度大于所述分支第二段的宽度，且所述分支第一段的宽度和所述分支第二段的宽度之和等于所述连接波导段的宽度；

所述分支第一段的宽度和所述分支第二段的宽度满足 |Neff8,TE1-NeffWn,TE0|<|Neff8,TE1-NeffWw,TM0|，其中， Neff8,TE1为所述连接波导段中TE1模式的有效折射率，NeffWn,TE0 为所述分支第二段中TE0模式的有效折射率，NeffWw,TM0为所述分支第一段中TM0模式的有效折射率；

所述分支第一段的输入端和所述分支第二段的输入端均连接所述连接波导段的输出端，且所述分支第一段和所述分支第二段之间的夹角不大于5度；

所述分支第一段的输出端连接所述输出波导段的输入端；

所述分支第二段的输出端连接所述吸收波导段的输入端。

优选的，所述吸收波导段的输出端封装有吸收材料。

优选的，若所述起偏波导系统为脊形波导，则所述波导上包层的材料的折射率应小于铌酸锂的折射率；

若所述起偏波导系统为条形波导，则所述波导上包层的材料的折射率与所述缓冲层的材料的折射率不同，且所述波导上包层的材料的折射率应小于铌酸锂的折射率。

本申请还公开了一种基于薄膜铌酸锂的片上起偏器制作方法，包括如下步骤：

在绝缘体上薄膜铌酸锂表面制备图形化的硬掩模；

在所述薄膜铌酸锂上制作起偏波导系统的波导部分；

去除所述硬掩膜，使所述起偏波导系统完全露出；

在所述起偏波导系统上封装吸收材料，得到完整的起偏波导系统；

在所述起偏波导系统上覆盖波导上包层，完成起偏器制作。

本申请的有益效果为：

本申请公开了一种基于薄膜铌酸锂的片上起偏器及其制作方法，利用模式转化将TM0模转化为TE1模，再利用用非对称Y分支波导的两个不同宽度的输出分支的设计，使得输入光中的TM分量与TE分量分离，最终输出的光均为TE0模式的光，在薄膜铌酸锂片上实现起偏功能，有助于实现基于单片集成光子芯片的光纤陀螺；采用薄膜铌酸锂平台便于减小器件尺寸，有利于器件的集成化和芯片的小型化；采用的是标准半导体工艺，工艺技术成熟，可以有效降低成本，提升器件的批量生产能力。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例一、二采用的薄膜铌酸锂平台的截面示意图；

图2为本申请实施例一、二的基于薄膜铌酸锂的片上起偏器的起偏波导系统结构示意图；

图3为采用本实施例一的TE和TM模式的模场传输示意图；其中 A为TE模式输入的起偏效果示意图，B为TM模式输入的起偏效果示意图；

图4为采用本实施例一的输出端口的透过率频谱仿真曲线示意图；

图5为采用本实施例二的TE和TM模式的模场传输示意图；其中， C为TE模式输入的起偏效果示意图，D为TM模式输入的起偏效果示意图；

图6为采用本实施例二的输出端口的透过率频谱仿真曲线；

图7为本申请实施例三的基于薄膜铌酸锂的片上起偏器制作方法流程示意图。

1、基底层；2、缓冲层；3、波导芯层；4、波导上包层；5、第一锥形波导段；6、第二锥形波导段；7、第三锥形波导段；8、连接波导段；9、分支第一段；10、分支第二段；11、输出波导段；12、吸收波导段；13、吸收材料。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

如图1所示，为本申请实施例一、二采用的薄膜铌酸锂平台的截面示意图，自下至上依次为基底层1、缓冲层2、波导芯层3和波导上包层4，起偏波导系统位于波导芯层3，为铌酸锂材质。

应当注意的是，波导芯层3的结构在垂直方向上是不对称的，若为脊形波导，则波导上包层4可以为任意折射率小于铌酸锂的材料；若为条形波导，则要求波导上包层4材质的折射率与芯片缓冲层2材质的折射率不同并且小于铌酸锂的折射率。

实施例一

在本实施例一中，采用脊形波导结构，相应的，基底层1采用硅材质，缓冲层2为二氧化硅，波导芯层3为铌酸锂，厚度为500nm，波导上包层4为二氧化硅。

如图2所示，为本申请实施例一的基于薄膜铌酸锂的片上起偏器的起偏波导系统结构示意图，延光传输方向(自左至右)，包括锥形波导传输段、连接波导段8、非对称Y分支段、输出波导段11、吸收波导段12，其中，锥形波导传输段、连接波导段8和非对称Y分支段顺序连接，输出波导段11的输入端和吸收波导段12的输入端均连接非对称Y分支段的输出端。上述所有波导均为脊形波导，脊高260nm。

具体的，锥形波导传输段包括顺次连接的第一锥形波导段5、第二锥形波导段6和第三锥形波导段7，三个波导段顺序连接，长度不等，且宽度顺次增大。这三个锥形波导段均为绝热缓变锥形波导结构，其中第二锥形波导段6是实现TM0-TE1模式变化的核心结构，其起始端和终止端的波导宽度覆盖模式杂化区域。在本实施例一中，具体的，第一锥形波导段5宽度从1μm增加到2.45μm，长度为70μm；第二锥形波导段6宽度从2.45μm增加到2.6μm，长度为150μm；第三锥形波导段7宽度从2.6μm增加到3μm，长度为100μm。

连接波导段8为直波导，且连接波导段8的宽度等于第三锥形波导段7的输出端的宽度，即宽度为3μm，长度取10μm。

非对称Y分支段包括分支第一段9和分支第二段10，其中，分支第一段9的宽度和分支第二段10的宽度均保持不变，且分支第一段9的宽度大于分支第二段10的宽度，且分支第一段9的宽度和分支第二段10的宽度之和等于连接波导段8的宽度。

具体的，分支第一段9的宽度和分支第二段10的宽度满足 |Neff8,TE1-NeffWn,TE0|<|Neff8,TE1-NeffWw,TM0|，其中， Neff8,TE1为连接波导段8中TE1模式的有效折射率，NeffWn,TE0为分支第二段10中TE0模式的有效折射率，NeffWw,TM0为分支第一段 9中TM0模式的有效折射率。

在本实施例一中，分支第一段9宽度为1.7μm，分支第二段10 宽度为1.3μm，分支第一段9的输入端和分支第二段10的输入端均连接连接波导段8的输出端；两个分支之间分散角不超过5度，以保证绝热。在本实施例一中，取0.65

分支第一段9的输出端连接输出波导段11的输入端；分支第二段10的输出端连接吸收波导段12的输入端，特别的，吸收波导段 12的弯曲半径为150μm。

吸收波导段12的输出端连接有吸收材料13，在本实施例一中，采用金作为吸收材料13。

入射光进入到起偏器后，入射光中的TE分量在第一锥形波导段 5、第二锥形波导段6、第三锥形波导段7以及连接波导段8中不发生变化，在非对称Y分支段由于模式演化作用以TE0模式进入分支第一段9并从输出波导段11输出；入射光中的TM分量经过第一锥形波导段5、第二锥形波导段6、第三锥形波导段7后由于模式杂化现象转换为TE1模式，通过非对称Y分支后进入分支第二段10和吸收波导段12中被金吸收，从而实现了输入光中TM分量与TE分量的分离，实现了TM偏振态的滤除，得到纯TE光。

图3为采用本实施例一的TE和TM模式的模场传输图，可以看出， TE和TM模式的路径都与设计相符合。图4采用本实施例一的输出端口的透过率频谱仿真曲线。输入的TE模式的损耗在1500-1600nm波段小于0.08dB；输入的TM模式损耗在1535nm处最大为41.8dB，并且在1510-1585nm波段内都大于20dB。

实施例二

在本实施例二中，也采用脊形波导结构，基底层1采用硅材质，缓冲层2为二氧化硅，波导芯层3为铌酸锂，厚度为500nm，波导上包层4为空气。

参见图2，为本申请实施例二的基于薄膜铌酸锂的片上起偏器的起偏波导系统结构示意图，延光传输方向(自左至右)，包括锥形波导传输段、连接波导段8、非对称Y分支段、输出波导段11、吸收波导段12，其中，锥形波导传输段、连接波导段8和非对称Y分支段顺序连接，输出波导段11的输入端和吸收波导段12的输入端均连接非对称Y分支段的输出端。上述所有波导均为脊形波导，脊高260nm。

具体的，在本实施例二中，锥形波导传输段包括顺次连接的第一锥形波导段5、第二锥形波导段6和第三锥形波导段7，三个波导段顺序连接，长度不等，且宽度顺次增大。这三个锥形波导段均为绝热缓变锥形波导结构，其中第二锥形波导段6是实现TM0-TE1模式变化的核心结构，其起始端和终止端的波导宽度覆盖模式杂化区域。在本实施例二中，具体的，第一锥形波导段5宽度从1μm增加到1.7μm，长度为10μm；第二锥形波导段6宽度从1.7μm增加到2.1μm，长度为150μm；第三锥形波导段7宽度从3.1μm增加到2.3μm，长度为10μm。

连接波导段8为直波导，且连接波导段8的宽度等于第三锥形波导段7的输出端的宽度，即宽度为2.3μm，长度取10μm。

非对称Y分支段包括分支第一段9和分支第二段10，其中，分支第一段9的宽度和分支第二段10的宽度均保持不变，且分支第一段9的宽度大于分支第二段10的宽度，且分支第一段9的宽度和分支第二段10的宽度之和等于连接波导段8的宽度。

具体的，分支第一段9的宽度和分支第二段10的宽度满足 |Neff8,TE1-NeffWn,TE0|<|Neff8,TE1-NeffWw,TM0|，其中， Neff8,TE1为连接波导段8中TE1模式的有效折射率，NeffWn,TE0为分支第二段10中TE0模式的有效折射率，NeffWw,TM0为分支第一段 9中TM0模式的有效折射率。

在本实施例二中，分支第一段9宽度为1.25μm，分支第二段10 宽度为1.05μm，分支第一段9的输入端和分支第二段10的输入端均连接连接波导段8的输出端；两个分支之间分散角不超过5度，以保证绝热。在本实施例二中，取0.38

分支第一段9的输出端连接输出波导段11的输入端；分支第二段10的输出端连接吸收波导段12的输入端，特别的，吸收波导段12的弯曲半径为150μm。

吸收波导段12的输出端连接有吸收材料13，在本实施例二中，采用金作为吸收材料13。

入射光进入到起偏器后，入射光中的TE分量在第一锥形波导段 5、第二锥形波导段6、第三锥形波导段7以及连接波导段8中不发生变化，在非对称Y分支段由于模式演化作用以TE0模式进入分支第一段9并从输出波导段11输出；入射光中的TM分量经过第一锥形波导段5、第二锥形波导段6、第三锥形波导段7后由于模式杂化现象转换为TE1模式，通过非对称Y分支后进入分支第二段10和吸收波导段12中被金吸收，从而实现了输入光中TM分量与TE分量的分离，实现了TM偏振态的滤除，得到纯TE光。

图5为采用本实施例二的TE和TM模式的模场传输图，可以看出， TE和TM模式的路径都与设计相符合。图6采用本实施例二的输出端口的透过率频谱仿真曲线。输入的TE模式的损耗在1500-1600nm波段小于0.05dB；输入的TM模式损耗在1521nm处最大为45dB，并且在1500-1590nm波段内都大于20dB。

实施例三

如图7所示，为本申请实施例三的一种基于薄膜铌酸锂的片上起偏器制作方法，包括如下步骤：

S1.在绝缘体上薄膜铌酸锂表面制备图形化的硬掩模，可采用的方法包括步进式光刻机、接触式光刻机、电子束直写、激光直写。

在本实施例三中，先利用电子束蒸发工艺在绝缘体上薄膜铌酸锂(Lithiumniobate on insulator，LNOI)表面生长一层铬，再利用电子束曝光和干法工艺图形化铬掩模，可采用的刻蚀方法包括感应耦合等离子体刻蚀(ICP)、反应离子刻蚀(RIE)。

S2.在薄膜铌酸锂上制作起偏波导系统的脊形波导部分，包括第一锥形波导段5、第二锥形波导段6和第三锥形波导段7、连接波导段8、非对称Y分支段、输出波导段11和吸收波导段12。可采用的刻蚀方法包括感应耦合等离子体刻蚀(ICP)、反应离子刻蚀(RIE)。

S3.去除硬掩膜，使起偏波导系统完全露出，在本实施例三中，采用铬腐蚀液去除剩余铬掩模。

S4.在起偏波导系统上制作吸收材料13，得到完整的起偏波导系统，其制备方法包括溅射、蒸镀、电镀。在本实施例三中，利用电子束蒸发和剥离工艺制备吸收区的金。

S5.在起偏波导系统上覆盖波导上包层4，完成起偏器制作。在本实施例三中，利用等离子体增强化学的气相沉积在波导上方覆盖二氧化硅包层。

以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。