CN111965761B - 基于铌酸锂薄膜材料的光栅耦合器及其制造方法 - Google Patents

基于铌酸锂薄膜材料的光栅耦合器及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种基于铌酸锂薄膜材料的光栅耦合器及其制造方法,该光栅耦合器包括:基于铌酸锂薄膜材料的光栅耦合器,包括:绝缘体上铌酸锂光子芯片以及设置于其上方的光纤,该绝缘体上铌酸锂光子芯片由上而下依次包括:汇聚型光栅耦合机构、二氧化硅埋层和硅衬底。本装置耦合效率较高且具有较大的工作波长带宽,便于大规模集成和用于对铌酸锂光子集成芯片上的器件进行性能测试。

Description

基于铌酸锂薄膜材料的光栅耦合器及其制造方法
技术领域
本发明涉及的是一种无源光子器件领域的技术,具体是一种基于铌酸锂薄膜材料、用于光纤直接与芯片进行垂直耦合的光栅耦合器及其制造方法。
背景技术
现有的光栅耦合器主要是基于硅基材料的,硅基光电子学已经发展很长时间,技术较为成熟,但受限于硅的材料特性,硅基光电子学存在一定的局限性,而铌酸锂与硅相比拥有许多材料方面的优势,例如高电光系数、高非线性系数、宽透明波长范围等。
为了对于铌酸锂基光子集成芯片片上器件进行测试,一个关键步骤是光信号的输入与输出。现有的光栅耦合器的特点和缺陷在于:制作工艺复杂,且多数是基于硅基材料,很少有基于X方向切割的铌酸锂材料的光栅耦合器。并且没有对光栅耦合器的刻蚀深度、氧化硅包层厚度等器件参数进行全面的优化,导致光栅耦合器的耦合效率较低。
发明内容
本发明针对现有技术缺少对于TE偏振模式的传输光的基于铌酸锂的光栅耦合器,提出一种基于铌酸锂薄膜材料的光栅耦合器及其制造方法,耦合效率较高且具有较大的工作波长带宽,便于大规模集成和用于对铌酸锂光子集成芯片上的器件进行性能测试。
本发明是通过以下技术方案实现的:
本发明涉及一种基于铌酸锂薄膜材料的光栅耦合器,包括:基于铌酸锂薄膜材料的光栅耦合器,包括:绝缘体上铌酸锂光子芯片以及设置于其上方的光纤,该绝缘体上铌酸锂光子芯片由上而下依次包括:汇聚型光栅耦合机构、二氧化硅埋层和硅衬底。
所述的汇聚型光栅耦合机构,包括:铌酸锂光波导、锥形耦合区域、铌酸锂耦合光栅以及在铌酸锂耦合光栅和铌酸锂光波导上用于提高耦合效率的二氧化硅覆层。
所述的光纤具体放置于二氧化硅埋层的上方2.554μm处且光纤与水平方向的夹角为8°,传输的光为TE偏振。
所述的铌酸锂耦合光栅的周期为1.00μm,占空比为0.60。
本发明涉及上述基于铌酸锂薄膜材料的光栅耦合器的制备方法,包括以下步骤:
步骤1)在硅衬底上依次制作二氧化硅埋层和顶部铌酸锂层,形成绝缘体上铌酸锂光子芯片;
所述的顶部铌酸锂层的厚度为600nm,二氧化硅埋层的厚度为4.7μm,硅衬底的厚度为500μm。
步骤2)利用等离子体增强气相沉积法沉积得到用于保护铌酸锂图案的二氧化硅掩膜层;
步骤3)依次涂设导电胶和光刻胶并通过电子束光刻制备出波导和耦合光栅的图案形状;
步骤4)通过反应离子刻蚀以及采用氩离子刻蚀铌酸锂,之后清除光刻胶,形成带有二氧化硅覆层的铌酸锂波导层和耦合光栅层。
所述的铌酸锂光波导的刻蚀深度为495.34nm,耦合光栅的刻蚀深度为495.34nm。
技术效果
本发明整体解决了现有技术无法在铌酸锂基的光子集成芯片上实现高效率的光信号的输入与输出。
与现有技术相比,本发明可以在保持较高耦合效率以及较大工作波长带宽的基础上,实现铌酸锂光波导与顶部入射的光纤之间光信号的耦合,可以降低对铌酸锂光子芯片端面的加工精度要求,同时由于光栅耦合是光纤从顶部入射,这样的耦合结构设计降低了在测试过程时的对光纤的对准要求。本发明能够实现亚微米量级的铌酸锂光子芯片片上TE模式光栅耦合器且具有较高的加工精度和可控性,制备出的光栅耦合器侧壁光滑度高、光学传输损耗低且对于TE模式偏振光的耦合效率较高。
附图说明
图1为本发明绝缘体上铌酸锂光子芯片示意图;
图2为实施例制备流程示意图;
图3为汇聚型光栅耦合机构示意图;
图中:硅衬底1、二氧化硅埋层2、顶部铌酸锂层3、二氧化硅掩模层4、光刻胶5、导电胶6、光纤7、铌酸锂光波导8、锥形耦合区域9、铌酸锂耦合光栅10。
具体实施方式
如图1所示,为本实施例涉及一种基于铌酸锂薄膜材料的光栅耦合器,包括:绝缘体上铌酸锂光子芯片以及设置于其上方的光纤7,该绝缘体上铌酸锂光子芯片由上而下依次包括:汇聚型光栅耦合机构、二氧化硅埋层2和硅衬底1,其中:硅衬底1的厚度为500μm,二氧化硅埋层2的厚度为4.7μm。
如图1和图3所示,所述的汇聚型光栅耦合机构,包括:铌酸锂光波导8、锥形耦合区域9、铌酸锂耦合光栅10以及在铌酸锂耦合光栅10和铌酸锂光波导8上用于提高耦合效率的二氧化硅覆层4。
所述的二氧化硅覆层4能够进一步提高以8°倾斜角放置的光纤7与铌酸锂光波导8的光耦合。
如图2所示,所述的铌酸锂光波导8和铌酸锂耦合光栅10的刻蚀深度均为495.34nm。
如图3所示,所述的铌酸锂耦合光栅10的宽度AB为9.90μm,用于连接耦合光栅和波导的锥形耦合区域9(即ABCD)的半径为22μm,锥形耦合区域9的宽度从光栅区域宽度AB的9.90μm线性变化至波导宽度CD的0.8μm,以将铌酸锂耦合光栅10的光耦合进铌酸锂光波导8。
所述的铌酸锂耦合光栅10由亚微米周期性结构组成,周期数为20,周期为1.00μm,占空比为0.60。
本实施例涉及上述铌酸锂光栅耦合器的制作方法,具体步骤如下:
步骤1:在硅衬底(图3中未示出)上依次制作二氧化硅埋层2和顶部铌酸锂层3,形成绝缘体上铌酸锂光子芯片。在铌酸锂薄膜表面用等离子体增强化学沉积法沉积约0.91μm厚的二氧化硅掩膜层4。
步骤2:电子束光刻:将400nm厚的光刻胶5旋转涂在用于增加刻蚀深度的二氧化硅掩膜层上,再在光刻胶5上进一步涂设用于传导电子束电子的导电胶6。在正常的曝光结束后,导电胶会溶于水中。随后用甲基异丁基(甲)酮显影75秒,用异丙醇定影60秒。
步骤3:反应离子刻蚀二氧化硅膜层4:用反应离子刻蚀机刻蚀二氧化硅掩模层,直到暴露在光刻胶下的二氧化硅掩膜被完全去除。
步骤4:Ar+刻蚀铌酸锂层3:用氩离子反应刻蚀铌酸锂层,控制刻蚀时间即可得到所设计的刻蚀深度,进而制备出光栅层与波导层。
步骤5:清洗残留层:使用有机去胶液去除残余的光刻胶,之后对芯片进行清洁。
在具体实验过程中,等离子体增强化学沉积法沉积的二氧化硅掩膜层的厚度为0.91μm,采用导电胶SX AR-PC 5000/90.2,高分辨率率电子束正胶AR-P 6200和氩离子反应刻蚀铌酸锂(刻蚀参数为氩气80sccm,六氟化硫气体8sccm,离子功率为600W,刻蚀时间为5分钟,刻蚀温度为10℃)。
经过具体实际实验,在室温环境下,用激光器通入1550nm波长的光信号,光栅耦合器的耦合效率为40%左右,通过经过进一步的优化参数与制造工艺,耦合效率可以达到60%以上。
与现有技术相比,本装置能够在铌酸锂光子集成芯片上实现较高的耦合效率,且制造工艺较为简洁。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整,本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限,在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种基于铌酸锂薄膜材料的光栅耦合器,其特征在于,包括:基于铌酸锂薄膜材料的光栅耦合器,包括:绝缘体上铌酸锂光子芯片以及设置于其上方的光纤,该绝缘体上铌酸锂光子芯片由上而下依次包括:汇聚型光栅耦合机构、二氧化硅埋层和硅衬底,所述的汇聚型光栅耦合机构,包括:铌酸锂光波导、锥形耦合区域、铌酸锂耦合光栅以及在铌酸锂耦合光栅和铌酸锂光波导上用于提高耦合效率的二氧化硅覆层。
2.根据权利要求1所述的基于铌酸锂薄膜材料的光栅耦合器,其特征是,所述的光纤具体放置于二氧化硅埋层的上方2.554μm处且光纤与水平方向的夹角为8°,传输的光为TE偏振。
3.根据权利要求2所述的基于铌酸锂薄膜材料的光栅耦合器,其特征是,所述的铌酸锂耦合光栅的周期为1.00μm,占空比为0.60。
4.一种制备上述任一权利要求所述基于铌酸锂薄膜材料的光栅耦合器的方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1)在硅衬底上依次制作二氧化硅埋层和顶部铌酸锂层,形成绝缘体上铌酸锂光子芯片;
步骤2)利用等离子体增强气相沉积法沉积得到用于保护铌酸锂图案的二氧化硅掩膜层;
步骤3)依次涂设导电胶和光刻胶并通过电子束光刻制备出波导和耦合光栅的图案形状;
步骤4)通过反应离子刻蚀以及采用氩离子刻蚀铌酸锂,之后清除光刻胶,形成带有二氧化硅覆层的铌酸锂波导层和耦合光栅层。
5.根据权利要求4所述的方法,其特征是,所述的顶部铌酸锂层的厚度为600nm,二氧化硅埋层的厚度为4.7μm,硅衬底的厚度为500μm。
6.根据权利要求4所述的方法,其特征是,所述的铌酸锂光波导的刻蚀深度为495.34nm,耦合光栅的刻蚀深度为495.34nm。
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