[发明专利]铌酸锂薄膜多功能集成光学器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及光纤陀螺仪等光纤传感技术领域，特别是涉及一种铌酸锂薄膜多功能集成光学器件及其制造方法。

背景技术

光纤陀螺仪当前的技术发展方向之一是分立的集成光学器件的单片集成或混合集成，以实现光纤陀螺仪的小型化和高可靠性。目前所采用的集成技术方案主要有：采用双Y波导芯片对接、采用分光片的光收发模块以及采用环形器的光收发模块。

现有光学调制器的技术方案可参考以下专利文献：

1、新型双Y波导集成光学器件及其制作方法，申请号：201410136408.1

2、光纤传感用光收发组件，授权公告号：CN201508181 U

3、光纤陀螺集成模块和包含它的光纤陀螺系统，授权公告号：CN202994163 U。

然而上述技术方案存在着以下主要问题：

1)双Y波导芯片对接的方案，存在着集成芯片尺寸过长、器件整体尺寸过大的问题，不利于光纤陀螺系统的小型化，容易超出光纤陀螺系统对集成光学器件尺寸的限制；

2)采用分光片的光收发模块以及采用环形器的光收发模块的方案，使用的分光片或环形器为分立光学元件，虽然实现了集成光学器件的模块化、小型化以及无光纤熔接，但是这两种方案无疑有增加了一个分立光学元件，不利于光纤陀螺系统的高可靠性。

发明内容

本发明的目的提供一种铌酸锂薄膜多功能集成光学器件及其制造方法，以解决现有技术中存在的上述问题。

为实现本发明的目的，本发明提供了一种铌酸锂薄膜多功能集成光学器件，由波导耦合器部分I和Y波导调制器部分II组成，包括：基底材料1、下层电极2、下缓冲层3、铌酸锂薄膜4、光学波导5、Y波导调制器电极6、上缓冲层11、波导耦合器吸收层电极7；所述波导耦合器部分I由两个输入波导、Y分支区域、直通耦合波导和两个输出端口组成，输出功率比为50:50；所述Y波导调制器部分II由输入波导、Y分支区域和输出波导组成；所述基底材料1采用Z切Y传切向、厚度在0.1mm至2mm的铌酸锂体晶材料，或采用Z切石英晶体材料，也可采用硅晶体材料；所述下层电极2采用厚度为0.1μm至30μm的金或铝金属薄膜；下缓冲层3和上缓冲层11，采用厚度为0.1μm至5μm的二氧化硅或氧化铝薄膜；所述铌酸锂薄膜4采用具有单晶结构的的铌酸锂薄膜材料，薄膜厚度为0.1μm至10μm，薄膜材料切向为Z切Y传；光学波导5采用退火质子交换波导，其扩散宽度为1μm至7μm，扩散深度为1μm至7μm；Y波导调制器电极6采用厚度为0.1um至30um的金或铝薄膜，制作于上缓冲层上表面，其位置在Y分支波导的Y分支区域上方；波导耦合器吸收层电极7采用厚度为0.1um至30um的金或铝等金属薄膜，制作在波导耦合器上表面。

另外，本发明还提供了一种制作上述的铌酸锂薄膜多功能集成光学器件的方法，包括如下步骤：

1)在基底材料1的上表面，采用蒸发镀膜或溅射镀膜工艺制备一层厚度为0.1μm至30μm的金或铝的金属薄膜，作为下层电极2；

2)在下层电极2的上表面，采用蒸发镀膜或溅射镀膜工艺制备一层厚度为0.1um至5um的二氧化硅或氧化铝等氧化物薄膜，作为下缓冲层3；

3)将铌酸锂晶圆与基底材料1进行键合；

4)将键合后的铌酸锂晶圆进行研磨减薄和抛光，将铌酸锂材料的厚度减薄到0.1μm至10μm，形成铌酸锂薄膜4；

5)采用退火质子交换工艺在铌酸锂薄膜4上制备光学波导5，制成3dB波导耦合器和Y分支波导；

6)在铌酸锂薄膜4上表面，采用光刻工艺制备上缓冲层11的图形结构；

7)采用蒸发镀膜或溅射镀膜工艺制备一层厚度为0.1um至5um的二氧化硅或氧化铝薄膜，再通过剥离工艺制备出上缓冲层11结构；

8)采用光刻工艺制备Y分支波导调制器电极6和波导耦合器吸收层电极7的图形结构；

9)采用蒸发镀膜或溅射镀膜工艺制备一层厚度为0.1μm至30μm的金或铝薄膜，再通过剥离工艺制备出Y分支波导调制器电极6和波导耦合器吸收层电极7；

10)对铌酸锂薄膜多功能集成光学器件芯片端面进行抛光处理；

11)光纤端面耦合，完成铌酸锂薄膜多功能集成光学器件封装。