[发明专利]一种硅-铌酸锂异质集成扫描芯片及其制备方法、应用

说明书

本发明提出了一种硅‑铌酸锂异质集成扫描芯片，包括铌酸锂衬底、二氧化硅包层和基于硅波导的芯层；二氧化硅包层附在铌酸锂衬底上；芯层包括光分束单元、弯曲波导、热光移相器和出射波导阵列；光分束单元、弯曲波导和出射波导阵列位于上述二氧化硅包层内；热光移相器置于二氧化硅包层上；热光移相器位于所述弯曲波导上；光分束单元包括多个基于硅波导的分束器。本发明将硅波导基片上与铌酸锂材料的异质集成，基于光学相控阵技术，采用热光调制从而改变波导折射率，进而使光束相位变化，出射方向发生偏转，从而获取1520纳米～1620纳米光通信波段的高速低损耗光调制芯片结构。本发明还提出了该芯片的制备方法和应用。

技术领域

本发明涉及一种光通信波段的高速光调制芯片，尤其涉及一种硅-铌酸锂异质集成扫描芯片及其制备方法、应用。

背景技术

随着大数据时代的到来，通信网络带宽和容量规模快速增加，基于现有传统光信号处理器件，不仅带宽、速度遇到瓶颈，所消耗的能量也急剧增大，因而急需开发出超高速、低能耗的新型集成光电子器件。其中，光调制器作为光信息处理、光谱测量、光存储等多个领域的核心器件，已发展出基于电光、声光、磁光等效应的多种器件，而电光调制器通过外加电场的变化调控输出光的振幅或相位，在功耗、速度、集成性等方面都有一定的优势，研究也最为广泛。

铌酸锂晶体具有较大的非线性光学系数，同时还具有优良的光折变、压电和声学特性，又可用作倍频晶体材料，具有良好的物理机械性能，损伤阈值高、透光范围宽、透过率高、且材料成本相对较低，因此在光调制器方面的应用最为成熟，当前也有其他可用于集成电光调制芯片的材料如绝缘体上硅材料(SOI)。但由于硅材料本身的二阶非线性光学系数很小，很难实现电光调制，故常需通过外加载流子浓度的变化来调制材料的光学性质，进而实现光波的调制，如通过离子注入形成p-i-n型的结构，但这也导致了波导的传输损耗较大，且调制效率不高。因此，针对低损耗波导与铌酸锂材料的异质集成方面，目前为止，尚未出现针对1520纳米～1620纳米光通信波段给出在硅波导基片上与铌酸锂材料的异质集成的结构设计以及实现途径。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硅-铌酸锂异质集成扫描芯片及其制备方法、应用，将硅波导基片上与铌酸锂材料的异质集成，基于光学相控阵技术，采用热光调制从而改变波导折射率，进而使光束相位发生偏转，从而获取1520纳米～1620纳米光通信波段的高速低损耗光调制芯片结构。为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种硅-铌酸锂异质集成扫描芯片，包括铌酸锂衬底、二氧化硅包层和基于硅波导的芯层；所述二氧化硅包层附在所述铌酸锂衬底上；

所述芯层包括光分束单元、弯曲波导、热光移相器和出射波导阵列；光束依次经过光分束单元、弯曲波导、热光移相器和出射波导阵列，实现均匀分束、相位调制以及光束偏转；

所述光分束单元、弯曲波导和出射波导阵列位于所述二氧化硅包层内；所述热光移相器置于所述二氧化硅包层上；所述热光移相器位于所述弯曲波导上；

所述光分束单元包括多个基于硅波导的分束器；所述分束器的工作带宽为1520nm～1620nm。

优选地，所述分束器包括一个输入分束器和四个并联的输出分束器；所述输入分束器与输出分束器串联；所述输入分束器和输出分束器均设有1个输入端口和4个输出端口。

优选地，所述输出端口之间的间隔为1.02μm。

优选地，所述分束器包括依次连接的输入段、多模干涉耦合段和输出段；

所述输入段包括输入直波导段和与所述输入直波导段连接的输入锥形波导段；所述输入锥形波导段的大端连接所述多模干涉耦合段；

所述输出段包括4个输出锥形波导段和与所述输出锥形波导段分别连接的输出直波导段；所述输出锥形波导段的大端与所述多模干涉耦合段连接。