CN111367013B - 一种铌酸锂微环与波导集成器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铌酸锂微环与波导集成器件及其制备方法，利用化学机械抛光技术将两片铌酸锂薄膜基片上的微环和波导分别进行抛光减薄，再将这两片铌酸锂薄膜基片对齐贴合并用胶水固化，进而实现铌酸锂微环与波导集成器件。本发明基于化学机械抛光工艺的铌酸锂微环与波导集成器件具有空间形状可任意设计、尺寸可调、稳固集成的特点，在光信号处理、精密测量、非线性光学和量子光学等高科技领域具有很大应用前景。

Description

一种铌酸锂微环与波导集成器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种微纳集成光子学器件及其制备技术领域，特别是一种利用化学机械抛光工艺制备铌酸锂微环与波导集成器件的方法。本发明适用于在各种薄膜材料表面制备由微环与波导组成可集成光学器件的微纳结构。
背景技术
集成光学的概念于1969年被美国贝尔实验室的Miller提出，从此揭开了光子学器件集成技术研究的序幕。硅基光子学由于目前非常成熟的硅基电子学制备工艺，一直都是集成光学最大研究热点，而铌酸锂光子器件因其强非线性效应和高电光效应两大独特优势已经在超高速光电信号转化、弱光非线性光学和光学频率梳等领域异军突起，因此铌酸锂光子学成为是当前集成光学的热点研究领域之一【参见文献：G.Poberaj,et al.Laser&photonics reviews,2012,6(4):488-503；A.Boes,et al.Laser&Photonics Reviews,2018,12(4):1700256；Y.Kong,et al.Advanced Materials,2020,32(3):1806452.】。
正如集成电子电路发展历程一样，光子集成也朝着高集成和微型化方向发展，而目前铌酸锂晶体制备技术还没有硅基光子学的制备工艺那么成熟，因此铌酸锂光子集成器件的发展一直受到限制。虽然目前电子束光刻结合离子束刻蚀的半导体工艺可用于制备铌酸锂光子集成器件，但所需设备造价昂贵，工艺复杂，不利于大规模批量生产。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术不能在铌酸锂薄膜上制备微环与波导集成结构而提供的一种基于化学机械抛光工艺的铌酸锂微环与波导集成器件及其制备方法。
实现本发明目的的具体技术方案是：
一种铌酸锂微环与波导集成器件的制备方法，该方法包括下列步骤：
步骤1：选取基片
取一片基底为铌酸锂、基底上覆有二氧化硅层、二氧化硅层表面制备有微环铌酸锂的铌酸锂薄膜基片；
再取一片基底为铌酸锂、基底上覆有二氧化硅层、二氧化硅层表面制备有铌酸锂波导的铌酸锂薄膜基片；其中：
所述微环和波导的厚度均为50nm-10μm，宽度均为200nm-10μm，微环和波导两边均留有5μm-100μm的沟形结构；
所述基底厚度为400μm-600μm；所述二氧化硅层厚度为2μm-5μm；
步骤2：化学机械抛光
将所述的两片铌酸锂薄膜基片固定在一台化学机械抛光机上，使用化学抛光液对其表面进行化学机械抛光，使其微环和波导与周围区域有20nm-500nm高度差；
步骤3：将两个基片对齐贴合
将抛光后的微环铌酸锂薄膜基片正放置精密的五维位移台上，然后将抛光后的波导铌酸锂薄膜基片反放置在另外一台精密的五维位移台上；并在显微成像下通过调整两个五维位移台将所述波导铌酸锂薄膜基片从上而下地接触贴合在所述微环铌酸锂薄膜基片上，并使微环和波导对齐重合；
步骤4：微环与波导临界耦合
通过一根光纤透镜或物镜将可调谐激光耦合进铌酸锂波导的入射端，再将铌酸锂波导的出射端的透射谱信号通过另一根光纤透镜或者物镜导入光电探测器；通过实时监控透射谱使其微环与波导达到临界耦合；
步骤5：使用紫外胶固化实现集成
将达到临界耦合的所述微环和波导的铌酸锂薄膜两个基片通过紫外胶固化，得到所述铌酸锂微环与波导集成器件。
所述铌酸锂微环和波导的厚度和宽度保持一致。
所述化学抛光液中包含直径大小20-60nm的二氧化硅颗粒，抛光液偏碱性。
所述微环和波导两边都留有沟形结构，宽度为5-100μm，为了实现铌酸锂微环和波导与外界空气包层形成足够大的折射率差。
一种上述方法制得的铌酸锂微环与波导集成器件。
与现有技术相比较，本发明的优点在于：
(1)、通过化学机械抛光工艺制备的铌酸锂微环与波导集成器件耦合间距最小可以控制到40nm，这比电子束光刻结合离子束刻蚀工艺控制的精度还要高，不仅可以实验通信波段(红外)的有效耦合，还能实现可见波段的有效耦合。
(2)通过化学机械抛光工艺制备的铌酸锂微环与波导集成器件表面平均粗糙度可达0.1nm，微环的Q值可高达107，波导损耗低至0.01dB/cm。
(3)通过上下贴合并用紫外胶固化可实现微环与波导稳固集成，直接对微环与波导集成器件进行封装，不仅不需要覆盖二氧化硅等低折射率包层封装，而且还有利于控制微环和波导的色散条件，封装集成后的器件性能几乎不受外界环境影响。
(4)通过化学机械抛光工艺制备的铌酸锂微环与波导集成器件制备工艺步骤简单，完全不需要极其严格的制备环境(洁净度、压强、温度湿度等条件)，相比于传统的电子束光刻结合离子束刻蚀的半导体工艺，造价低廉很多。
附图说明
图1为本发明中两基片结构示意图；
图2为本发明中化学机械抛光的流程示意图；
图3为本发明中铌酸锂微环与波导集成器件的制备流程示意图；
图4为本发明制得器件的俯视图；
图5为本发明制得器件的实验测得的透射谱图和品质因子图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
本发明的制备方法包括下列步骤：
步骤1：准备两片表面分别制备微环和波导的铌酸锂薄膜基片
参阅图1，两片铌酸锂薄膜基片：第一片是表面制备铌酸锂微环的铌酸锂薄膜基片1；第二片是表面制备铌酸锂波导的铌酸锂薄膜基片2。微环3和波导4的厚度50nm-10μm，宽度200nm-10μm，微环和波导两边都留有5μm-100μm的沟形结构5。微环和波导下面是是二氧化硅层6，厚度2μm-5μm，二氧化硅层下面是铌酸锂基底层7，厚度400μm-600μm左右；
所述表面制备有微环和波导的铌酸锂薄膜基片，可参考文献【专利申请号：201810982116.8；期刊文章：Wu R,Wang M,Xu J,et al.Long low-loss-litium niobateon insulator waveguides with sub-nanometer surface roughness[J].Nanomaterials,2018,8(11):910】来制备。
步骤2：化学机械抛光
参阅图2(图1中铌酸锂薄膜基片1的侧视图)，将所述表面制备微环3的铌酸锂薄膜基片固定在一台化学机械抛光机上，使用化学抛光液对其表面进行化学机械抛光，由于微环3的宽度远低于周围区域8，微环3的抛光速率会快于周围区域8，因此通过控制抛光时间可以精确控制微环3减薄高度，相对于周围区域8下降20nm-500nm；
同样，表面制备有波导4的铌酸锂薄膜基片的化学机械抛光过程与上述相同；
步骤3：将两个基片对齐贴合
参阅图3，首先将化学机械抛光后的表面制备微环铌酸锂薄膜基片1正放置精密的五维位移台上，然后将化学机械抛光后的表面制备波导铌酸锂薄膜基片2反放置在另外一台精密的五维位移台上。并在显微成像下通过调整两个五维位移台将所述表面制备波导的铌酸锂薄膜基片2从上而下地接触贴合在所述表面制备微环的铌酸锂薄膜基片1上，从而得到铌酸锂微环与波导集成器件9。参阅图4俯视图，要保证微环和波导在耦合区10完成对齐重合。因为微环3和波导4的高度低于周围区域8，在两个基片完全接触贴合时，微环与波导仍有空气间隔，间隔大小为40nm-1μm；
步骤4：微环与波导临界耦合
通过一根光纤透镜或物镜将可调谐激光耦合进铌酸锂波导的入射端，再将铌酸锂波导的出射端的透射谱信号通过另一根光纤透镜或者物镜导入光电探测器。通过实时监控透射谱可知微环与波导是否达到临界耦合；
步骤5：使用紫外胶固化实现集成
将已经达到临界耦合的铌酸锂微环与波导集成器件9通过紫外胶水固化一起从而实现稳固集成。
参阅图5，其中a图是制备完毕的直径400μm铌酸锂微环与波导集成器件12在实验中在波长1550nm-1560nm间产生透射谱，自由光谱范围(FSR)周期为0.81nm，图b是在1557.5nm处的品质因子(Q)高达3.0*106。
下表列出本发明实施例2、实施例3和实施例4的相关参数，制备方法与实施例1相同，区别在于具体参数不同。
Figure BDA0002409183990000041
上述实施例表明，本发明基于化学机械抛光工艺的铌酸锂微环与波导集成器件，通过化学机械抛光改善了微环和波导边沿的粗糙度的同时也能减薄微环和波导的厚度，保证在两个基片贴合的时候微环和波导保留百纳米的空气间隔。本发明可自由选择铌酸锂薄膜的厚度，有利于充分利用了铌酸锂薄膜材料本身的性质，拓宽铌酸锂微环与波导集成器件的应用范围。

Claims (4)

1.一种铌酸锂微环与波导集成器件的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
步骤1：选取基片
取一片基底为铌酸锂、基底上覆有二氧化硅层、二氧化硅层表面制备有铌酸锂微环的铌酸锂薄膜基片；
再取一片基底为铌酸锂、基底上覆有二氧化硅层、二氧化硅层表面制备有铌酸锂波导的铌酸锂薄膜基片；其中：
所述微环和波导的厚度均为50nm-10μm，宽度均为200nm-10μm，微环和波导两边均留有5μm-100μm直凹的沟形结构；
所述基底厚度为400μm-600μm；所述二氧化硅层厚度为2μm -5μm；
步骤2：化学机械抛光
将所述的两片铌酸锂薄膜基片固定在一台化学机械抛光机上，使用化学抛光液对其表面进行化学机械抛光，使其微环和波导与周围区域有20nm-500nm高度差；
步骤3：将两个基片相切重合
将抛光后的微环铌酸锂薄膜基片正放置精密的五维位移台上，然后将抛光后的波导铌酸锂薄膜基片反放置在另外一台精密的五维位移台上；并在显微成像下通过调整两个五维位移台将所述波导铌酸锂薄膜基片从上而下地接触贴合在所述微环铌酸锂薄膜基片上，并使微环和波导相切重合；
步骤4：微环与波导临界耦合
通过一根光纤透镜或物镜将可调谐激光耦合进铌酸锂波导的入射端，再将铌酸锂波导的出射端的透射谱信号通过另一根光纤透镜或者物镜导入光电探测器；通过实时监控透射谱使其微环与波导达到临界耦合；
步骤5：使用紫外胶固化实现集成
将达到临界耦合的所述微环和波导的铌酸锂薄膜两个基片通过紫外胶固化，得到所述铌酸锂微环与波导集成器件。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铌酸锂微环和波导的厚度和宽度保持一致。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述化学抛光液中包含直径大小20-60nm的二氧化硅颗粒，抛光液偏碱性。
4.一种权利要求1所述方法制得的铌酸锂微环与波导集成器件。
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