[发明专利]一种薄膜铌酸锂单偏振波导及其制备方法

说明书

本发明公开了一种薄膜铌酸锂单偏振波导及其制备方法，属于集成光子学领域。该波导从上至下包括上包层、铌酸锂薄膜波导芯层、下包层和衬底层；所述铌酸锂薄膜波导芯层包括脊形波导和位于所述脊形波导两侧的槽形区域；脊形波导的宽度和刻蚀深度小于TM0模式存在截止值，脊形波导中的TM0模式与和所述槽形区域中的TE1模式发生交叉耦合；槽形区域的宽度取值使得从所述脊形波导中TM0模式耦合到两侧槽形区域的TE1模式与泄漏到槽形区域的TM0模式发生相干相长。通过优化微纳光波导结构的几何参数，获得仅支持TE0模式稳定传输的波导结构。本发明中的薄膜铌酸锂单偏振波导对光场的限制能力强，提高了器件的集成度，简化了工艺流程。

技术领域

本发明属于集成光子学领域，更具体地，涉及一种薄膜铌酸锂单偏振波导及其制备方法。

背景技术

以超大规模集成电路为代表的微电子技术已发展到了极高的水平，进一步提高集成电路性能的方向之一是将传播速度更快、信息容量更大的光引进集成电路，形成光电子集成。在集成光子学领域当中，用来处理偏振态的器件是构成偏振相关集成光路的关键器件。单偏振波导的设计和其他集成光子学的器件的设计和工艺方法兼容，当集成光路的波导全部采用单偏振波导设计时，整个集成光路中TE0模式的信号光将占据绝对的主导地位。采用常规的SLED光源作为输入光源可以实现30dB以上的偏振消光比。采用薄膜铌酸锂单偏振波导，在相同的芯片上还可以集成薄膜铌酸锂相位调制器、薄膜铌酸锂耦合器等器件。最为典型的应用场景就是集成式光纤陀螺，采用薄膜铌酸锂单偏振波导设计可以实现高偏振消光比，减少传输光路中的噪声光信号的影响，提高Sagnac干涉环的灵敏度，实现大带宽快速调制的同时整个系统占据很小的尺寸。

在现有技术中，实现薄膜铌酸锂单偏振波导的方法主要有退火质子交换方法和钛扩散波导方法。这几种传统方法制作的薄膜铌酸锂单偏振波导对光场的限制能力弱，薄膜铌酸锂单偏振波导的弯曲半径很大。另外，采用这些传统方法制作单偏振波导的工艺流程比较复杂，并且不能和现有的CMOS半导体制作工艺兼容，难以实现大规模的密集集成。随着现有光波导器件小型化、集成化的发展趋势，亟需提供一种集成度更高且流程简单的薄膜铌酸锂单偏振波导工艺方案以进一步推动产品的商业化应用。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种薄膜铌酸锂单偏振波导及其制备方法，旨在解决现有铌酸锂单偏振波导难于大规模密集集成、工艺流程比较复杂的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种薄膜铌酸锂单偏振波导，从上至下包括上包层、铌酸锂薄膜波导芯层、下包层和衬底层，所述上包层和下包层的折射率均小于所述铌酸锂薄膜波导芯层的折射率，所述铌酸锂薄膜波导芯层包括脊形波导和位于所述脊形波导两侧的槽形区域；

其中，所述脊形波导的宽度和刻蚀深度小于TM0模式存在截止值，从而所述脊形波导中的TM0模式与和所述槽形区域中的TE1模式发生交叉耦合；

所述槽形区域的宽度取值使得从所述脊形波导中TM0模式耦合到两侧槽形区域的TE1模式与泄漏到槽形区域的TM0模式发生相干相长。

进一步地，所述脊形波导的宽度为800nm，刻蚀深度为140nm，所述槽形区域的宽度为4.2μm。

进一步地，在1310nm波长条件下，所述铌酸锂薄膜波导芯层对o光的折射率为2.15，对e光的折射率为2.22；所述上包层和下包层的折射率均为1.46。

进一步地，所述衬底层厚度为500μm，所述下包层厚度为4.7μm，所述铌酸锂薄膜波导芯层的总厚度为400nm，所述上包层的厚度为4μm。

进一步地，所述铌酸锂薄膜波导芯层的材料为单晶结构的铌酸锂薄膜材料，其厚度为200nm-4000nm。

优选地，所述上包层的材料为二氧化硅、氮化硅或空气。

优选地，所述下包层的厚度大于1μm，材料为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。