CN115857091A - 一种铌酸锂薄膜mmi起偏分束器 - Google Patents
一种铌酸锂薄膜mmi起偏分束器 Download PDFInfo
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Abstract
本申请提供一种铌酸锂薄膜MMI起偏分束器，包括：波导层、波导保护层、硅基底；波导层包括：质子交换波导、MMI、过渡波导，它们集成于同一铌酸锂薄膜芯片上；过渡波导为双层锥形结构，满足绝热传输条件，用于质子交换波导与MMI的耦合；MMI包括：输入波导单元、多模干涉区、输出波导单元；与多模干涉区连接的输入输出波导均采用锥形结构，满足绝热传输条件；本发明解决了质子交换光波导与MMI之间的高效耦合的问题，并实现起偏分束的功能。
Description
技术领域
本申请涉及光电技术领域，具体涉及一种铌酸锂薄膜MMI起偏分束器
背景技术
铌酸锂薄膜光波导具有传统铌酸锂波导高电光系数、声光系数、良好的非线性效应，可实现高集成化集成光路，因而成为最有前景的光电子器件平台。在诸多光学功能中，分束合束和起偏是集成光电子平台最基础的两个功能。为实现分束合束功能，通常采用基于铌酸锂脊波导的多模干涉耦合器(MMI)，它具有波长不敏感，器件结构小，工艺容差性大，损耗小等诸多优势。通过特定结构的设计也可实现光束的起偏功能，把波导中的TE和TM光分开。但是仅仅靠MMI结构要同时实现分束和起偏功能，会导致设计复杂化，且功能间彼此影响，导致单一指标的降低。例如现有MMI实现的起偏作用的偏振消光比仅能达到20-25dB左右，具有很高的偏振噪声，这严重影响器件的性能，从而影响整个光集成模块的光路质量。
而传统的质子交换工艺制备的铌酸锂光波导天然地只支持TE或TM模式的传输，能实现很高的偏振消光比指标，通常可达30-50dB。此外，质子交换制备的光波导通常为扩散型光波导，与铌酸锂基形成较小的折射率差，从而光场在波导内传输时的模式尺寸较大。模场大易于与外部光纤耦合，但难以实现光器件的大规模集成。相比于质子交换波导，脊波导可以有效的减小弯曲损耗，提高了光学器件的集成度，不仅减小了光学模式的尺寸，还有效降低了铌酸锂电光调制器的半波电压。因此本专利提出将质子交换波导与脊波导同时实现在同一平台的方案，能够发挥两者各自的优势，从而提高铌酸锂芯片光路传输效率和功能指标。
然而，由于波导尺寸的不同，质子交换波导与铌酸锂薄膜脊波导之间难以进行高效的耦合。铌酸锂薄膜脊波导的模场面积通常不超过1um2，质子交换波导的模场面积是脊波导模场面积的3-4倍。在直接对接耦合时，会产生非常大的耦合损耗，采用何种方式实现二者之间的高效耦合是保证光束传输质量的关键问题。目前对于模斑转换的研究仅局限于光纤与波导之间，对于片上质子交换波导与脊波导之间光束的高效传输是亟待解决的问题。
发明内容
本申请解决的问题是质子交换光波导与MMI之间的高效耦合，既实现高标准的起偏功能，又具备了高效的分束能力，有利于集成化铌酸锂薄膜波导器件的大规模应用。
本发明经过大量仿真计算等验证工作，最终获得了下述结构方案：
如图1所示，一种铌酸锂薄膜MMI起偏分束器，包括：
硅基底101、波导保护层102、104、波导层103；
如图2所示，所述波导层103包括质子交换波导1031、MMI、过渡波导1032、1033；
所述波导层103集成于同一铌酸锂薄膜芯片上；
所述波导保护层包括波导层的下包层102与上包层104；
优选地，所述波导保护层102、104为氧化硅层。
优选地，所述质子交换波导1031通过气相质子交换方法制备。
优选地，所述MMI为1×2MMI,其成像原理基于多模波导的自映像效应；
如图4所示，所述MMI包括输入波导单元Ⅰ、多模干涉区Ⅱ、输出波导单元Ⅲ；所述输入波导单元Ⅰ包括第一输入锥形波导1034；所述输出波导单元Ⅲ包括第一输出锥形波导1036、第一输出单模波导1037、第二输出锥形波导1038、第二输出单模波导1039；输入波导单元Ⅰ、多模干涉区Ⅱ、输出波导单元Ⅲ依次连接；
所述第一输入波导1034为锥形脊波导，线性锥形结构满足绝热传输条件，能够减小窄波导与宽波导之间的模式转换带来的损耗，同时可以减小自映像的模式相位差，提高像质量；
优选地，所述第一输入波导1034中心对称输入；
所述MMI第一、第二输出波导1036、1038为锥形脊波导，两输出波导分布于MMI多模波导区域对称位置。
优选地，所述MMI多模干涉区1035的长度
对于TE光，σ＝0，对于TM光，σ＝1，WM为多模干涉区宽度，nr为芯层折射率，ns为包层折射率。
优选地，单模波导宽度应小于满足单模条件的最大波导宽度，锥形波导长度在40-70um，多模干涉区的宽度为5-7um，长度为15-20um，两输出波导的间距为0.8-1.2um。
优选地，所述MMI波导结构为脊波导，刻蚀率在0.4-0.6之间。
优选地，MMI与所述质子交换波导1031同时进行气相质子交换制备；
优选地，所述MMI利用电子束光刻(RIE)和电感耦合等离子体刻蚀(ICP)制备完成；
对于一输入光场，所述1×2MMI的两输出光场之间的相位差为0，即输出的两个光场之间同相。
优选地，在制备上述过渡波导1032、1033之前，采用电感耦合等离子体刻蚀技术(ICP)将质子交换波导1031与MMI之间的铌酸锂薄膜刻蚀掉。
优选地，所述过渡波导1032、1033材料采用氮氧化硅,折射率在氧化硅层和波导层的折射率之间调控；
优选地，过渡波导1032、1033设计为双层锥形结构；下层锥形波导1033宽端与质子交换波导1031对接，两波导厚度一致，宽度宽于质子交换波导1031宽度，尖端部分覆盖于MMI第一输入锥形波导1034，尖端宽度小于2.5um；上层锥形波导1032宽端与下层锥形波导1033宽端的宽度一致，波导尖端截止于MMI第一输入锥形波导1034处，尖端宽度小于300nm；上层锥形波导1032左侧覆盖于质子交换波导1031上。
优选地，过渡波导1032、1033锥形结构的设计满足绝热传输条件。
优选地，过渡波导1032、1033采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)，反应方程式为：N2+NH3+N2O+SiH4→SiONx+(N2+H2)，通过控制N2O和SiH4的比例来调控氮氧化硅的折射率，通过电子束光刻(RIE)和电感耦合等离子体刻蚀(ICP)制备，双层锥形结构采用两步光刻工艺制备完成。图6为本发明制备完成后各个截面的示意图。
通过仿真对光场在波导内的传输进行模拟，如图7所示，光场传输的基本过程为：光从气相质子交换波导1031输入，输出光为线偏振光(TE或TM)，该光束首先经过过渡波导1032、1033，通过对过渡波导结构尺寸的设计以及对折射率的调控，使质子交换波导1031与过渡波导1032、1033耦合面耦合效率达到最高，光束由质子交换波导1031耦合进入过渡波导，随着上层锥形波导1032的宽度逐渐变窄，光场逐渐压缩至下层锥形波导1033，完成垂直方向的模场转换，接着耦合至折射率较大的第一输入锥形脊波导1034，在锥形波导内满足绝热传输条件耦合至多模干涉区1035，基于自映像效应发生多模干涉，在产生首个二重自映像的位置，光束在多模干涉区1035末端分为两束，并耦合至相应的两个锥形输出波导1036、1038，最后经两个单模波导1037、1039输出。至此，完成了由质子交换波导1031输出的大模场光斑转换为两个小模场光斑的过程，实现光起偏分束的功能。
本发明具有的优点和积极效果：
能够实现质子交换波导与MMI的高效耦合，实现光束稳定高效地传输，起到高标准的起偏分束功能；摒弃了质子交换波导还需设置分体式模斑转换器的传统方法，使模斑转换结构与波导结构集成于同一铌酸锂芯片，实现器件的小型化，集成度更高，更适合批量生产。
附图说明：
图1示出了本发明实施例的截面示意图；
图2示出了本发明实施例的二维俯视示意图；
图3示出了本发明实施例中过渡波导与MMI连接的三维立体图；
图4示出了本发明实施例中MMI的二维俯视示意图；
图5示出了本发明实施例制备的完整工艺流程图；
图6示出了本发明实施例制备完成后不同截面的结构示意图；
图7示出了本发明实施例光场在波导中的传输示意图；
图8示出了本发明实施例不同截面光束输出模斑图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面将结合本发明实施例和附图对本发明进行进一步描述。
图1示出了本发明实施例的截面示意图，如图1所示，一种铌酸锂薄膜MMI起偏分束器包括：Si基底101、SiO2下包层102、位于下包层上的波导层103、SiO2上包层104。图2示出了本发明实施例的二维俯视示意图，波导层包括质子交换波导1031、上层过渡波导1032、下层过渡波导1033以及MMI。图3示出了本发明实施例中过渡波导与MMI连接的三维立体图，图4示出了本发明实施例中MMI的二维俯视示意图，MMI包括输入波导单元Ⅰ、多模干涉区Ⅱ、输出波导单元Ⅲ。输入波导单元Ⅰ包括：第一输入锥形脊波导1034；输出波导单元Ⅱ包括：第一输出锥形脊波导1036、第一输出单模脊波导1037、第二输出锥形脊波导1038、第二输出单模脊波导1039；输入波导单元Ⅰ、多模干涉区Ⅱ、输出波导单元Ⅲ依次连接。
本实施例中，所采用基材料为x切铌酸锂晶体，质子交换制备的铌酸锂光波导只支持TE模式的传输。
铌酸锂薄膜厚度为0.6um。质子交换波导1031采用气相质子交换的方法，具有高折射率变化量，且相比于传统质子交换，波导线宽更窄，不再需要退火，对晶体结构损伤性更小。本实施例中质子交换波导1031的宽度为2um，交换的深度即为铌酸锂薄膜的厚度为0.6um，折射率对比度为0.05。
上述质子交换波导1031通过过渡波导1032、1033耦合至1×2MMI，本实施例中，第一输入锥形波导1034中心对称输入，波导1034尖端宽度为0.8um，宽端为1.6um，长度为40um，锥度变化率为20nm/um，第一与第二输出锥形波导1036、1038尺寸与此相同，但宽端与尖端与此反向。与第一输入锥形波导1034连接的是多模干涉区1035，宽度W为5um，长度L为15.5um，光束在产生首个二重自映像的位置在多模干涉区1035末端分为两束，与第一、第二输出锥形波导1036、1038耦合，再经单模波导1037、1039输出，两输出波导间距为1.2um。所述1×2MMI为脊波导结构，总厚度为铌酸锂薄膜厚度为0.6um，刻蚀深度为0.3um。MMI与所述质子交换波导1031同时进行气相质子交换，质子交换完成后，通过电子束光刻(EBL)和电感耦合等离子体刻蚀(ICP)得到MMI波导设计图形。
过渡波导1032、1033实现上述质子交换波导1031与MMI的高效耦合。本实施例中，过渡波导为双层锥形结构，材料为氮氧化硅，折射率设置为1.8，与质子交换波导1031输出端面对接，下层锥形波导1033宽端宽度为2.7um，尖端宽度为2um，长度L2为20um，锥度变化率为35nm/um，厚度为0.6um，此锥形波导尖端部分沉积在第一输入锥形波导1032上，覆盖长度L3为10um。上层锥形波导1032宽端的宽度与波导1033宽端相同为2.7um，厚度为0.3um，尖端截止于右侧第一锥形波导1034输入处，宽度为200nm。另外，上层锥形波导1032左侧覆盖在质子交换波导1031上层。
制备过渡波导时，首先利用ICP技术刻蚀质子交换波导和MMI之间的0.6um的铌酸锂薄膜，刻蚀完成后，在300℃，NH3,N2O,SiH4混合气体环境下利用PECVD方法沉积制备过渡波导(氮氧化硅)，反应方程式为N2+NH3+N2O+SiH4→SiONx+(N2+H2)，通过控制N2O和SiH4的比例来调控氮氧化硅的折射率，采用电子束光刻(EBL)技术和电感耦合等离子体刻蚀(ICP)工艺获得上层锥形波导1032，同样利用EBL和ICP套刻下层锥形波导1033。上述波导层制备完成后，在铌酸锂晶体表面沉积氧化硅薄膜作为保护层104，最后利用化学机械抛光(CMP)对晶片端面抛光。本发明实施例的制备完整工艺流程如图5所示，图6即为本发明实施例制备完成后不同截面的结构示意图。
通过上述流程可完成本申请所述的一种铌酸锂薄膜MMI起偏分束器的制备。通过仿真模拟了本实施例中光场在波导内的传输情况，如图7所示，光束由质子交换波导1031耦合进入过渡波导(氮氧化硅)1032、1033，随着上层锥形波导1032的宽度逐渐变窄，光场逐渐压缩至下层锥形波导1033，完成垂直方向的模场转换，接着耦合至折射率较大的第一输入锥形脊波导1034，在锥形波导内满足绝热传输条件耦合至多模干涉区1035，基于自映像效应发生多模干涉，在产生首个二重自映像的位置，光束在多模干涉区1035末端分为两束，并耦合至相应的两个锥形输出波导1036、1038，最后经两个单模波导1037、1039输出，完成了由模场面积为1.5um2到0.7um2的转换，图8所示为本实施例中不同截面的光束输出模斑图。所述1×2MMI的两输出光场之间的相位差为0，即输出的两个光场同相，且均为TE模式。输出场能量保留98％左右，分光比1：1，可以实现两输出光场光功率的均分，消光比达到40dB左右。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。
Claims (8)
1.一种铌酸锂薄膜MMI起偏分束器，包括：
硅基底、波导保护层、波导层；
所述波导层包括质子交换波导、MMI、过渡波导；
所述波导层集成于同一铌酸锂薄膜芯片上。
2.根据权利要求1所述的一种铌酸锂薄膜MMI起偏分束器，其特征在于：
所述波导保护层包括波导层的下包层与上包层；
所述波导保护层为氧化硅层。
3.根据权利要求1所述的一种铌酸锂薄膜MMI起偏分束器，其特征在于：
质子交换波导通过气相质子交换方法制备。
4.根据权利要求1所述的一种铌酸锂薄膜MMI起偏分束器，其特征在于：
所述MMI为1×2MMI,其成像原理基于多模波导的自映像效应；
包括输入波导单元、多模干涉区、输出波导单元；
输入波导单元包括第一输入锥形波导,中心对称输入；
输出波导单元包括第一输出锥形波导、第一输出单模波导、第二输出锥形波导、第二输出单模波导；
输入波导单元、多模干涉区、输出波导单元依次连接；
锥形结构的设计满足绝热传输条件。
5.根据权利要求4所述的MMI,其特征在于:
MMI与权利要求3所述的质子交换波导同时进行气相质子交换制备；
利用电子束光刻(RIE)和电感耦合等离子体刻蚀(ICP)制备完成；
波导结构为脊波导。
6.根据权利要求1所述的一种铌酸锂薄膜MMI起偏分束器,其特征在于：
在制备所述过渡波导之前，采用电感耦合等离子体刻蚀技术(ICP)将质子交换波导与MMI之间的铌酸锂薄膜刻蚀掉。
7.根据权利要求1所述的一种铌酸锂薄膜MMI起偏分束器，其特征在于：
过渡波导材料采用氮氧化硅，折射率在氧化硅层和波导层的折射率之间调控；
波导设计为双层锥形结构；
下层锥形波导宽端与质子交换波导对接，两波导厚度一致，宽度宽于质子交换波导宽度，尖端部分覆盖于MMI第一输入锥形波导；
上层锥形波导宽端与下层锥形波导宽端的宽度一致，波导尖端截止于MMI第一输入锥形波导处；
上层锥形波导左侧覆盖于质子交换波导上；
锥形结构的设计满足绝热传输条件。
8.根据权利要求7所述的过渡波导，其特征在于：
过渡波导采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)制备；
通过电子束光刻(RIE)和电感耦合等离子体刻蚀(ICP)制备完成；
双层锥形结构通过两步光刻工艺完成。
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