[发明专利]一种铌酸锂薄膜光波导结构、芯片及其制备方法

说明书

本发明公开了一种铌酸锂薄膜光波导结构、芯片及其制备方法，其中，铌酸锂薄膜光波导结构，包括下包层、薄膜基板和上包层，下包层形成于基底晶片的上方，薄膜基板放置于下包层的上方；还包括下述结构中的一种：第一：薄膜基板的上表面形成有脊形结构，脊形结构为在薄膜基板的上表面形成得到的凸起结构；上包层由形成于脊形结构的左侧、右侧以及上方的介质材料构成；第二：薄膜基板进行完全的刻蚀处理，形成独立的薄膜基板芯层，薄膜基板芯层放置于下包层的上方，上包层由形成于薄膜基板芯层的左侧、右侧以及上方的介质材料构成。本申请结构能够降低光波导的折射率差，减少高阶光波模式在铌酸锂薄膜光波导中的存在，并增大光波模式的空间分布尺寸。

技术领域

本发明应用于光纤通信、光纤传感、量子通信等技术领域，尤其涉及一种铌酸锂薄膜光波导结构、芯片及其制备方法。

背景技术

近年来，随着大尺寸铌酸锂薄膜键合晶圆的制备技术的成熟，基于铌酸锂薄膜材料制备的各种无源光器件和有源光电器件，如光分路器、电光调制器、声光调制器等，体现出了明显优于铌酸锂块状材料的性能，如光波导弯曲半径更小、光调制驱动电压更低、光电集成度更高等，可以制作出体积更小、功耗更低、集成度更高的新型铌酸锂光电器件。

基于铌酸锂薄膜材料制备所得的光波导的显著特征之一是较大的折射率差。例如，对于上包层为空气、下包层为二氧化硅的铌酸锂薄膜基板，其与上包层材料之间的折射率差在1.1～1.2，其与下包层材料之间的折射率差在0.6～0.8。相比之下，在铌酸锂块状材料中制备所得的光波导的折射率差一般在0.01的水平，远小于铌酸锂薄膜光波导。因此，铌酸锂薄膜光波导对光波有着很强的束缚性，可以制作出尺寸更小、弯曲半径更小的光器件。

但是，铌酸锂薄膜基板与上包层、下包层之间较大的折射率差以及不对称的折射率差分布，容易导致如下问题的出现：

(1)对于较大空间尺寸的铌酸锂薄膜光波导，容易激发出高阶光波模式，会导致光波导插入损耗的增加以及基于此光波导而形成的电光调制器的调制相位的混乱。减小光波导空间尺寸可以有效地减少高阶光波模式的出现，但也不可避免地会降低光波导模场的空间分布尺寸，引起其与光纤之间由于光波导模式匹配程度的下降而引起的耦合损耗的增大；

(2)铌酸锂薄膜基板与包层介质之间不对称的折射率分布，会引起光波模式的空间分布呈椭圆形状，而光纤的光波模式呈圆形分布，因此铌酸锂薄膜光波模式与光纤之间由于光波模式的不匹配会而引起二者间耦合损耗的增大。

发明内容

针对上述问题，本发明的第一目的在于，提出一种铌酸锂薄膜光波导结构，通过在铌酸锂薄膜基板的上方沉积非金属介质材料薄膜作为上包层，降低光波导的折射率差，减少高阶光波模式在铌酸锂薄膜光波导中的存在，并增大光波模式的空间分布尺寸。

本发明的第二目的在于，提出一种铌酸锂薄膜光波导芯片，使用上述第一目的所提出的铌酸锂薄膜光波导结构。

本发明的第三目的在于，提出一种铌酸锂薄膜光波导结构制备方法。

为实现本发明的第一目的，本发明提供了一种铌酸锂薄膜光波导结构，包括下包层、薄膜基板和上包层，所述下包层形成于基底晶片的上方，所述薄膜基板放置于所述下包层的上方；

还包括下述结构中的一种：

第一种：所述薄膜基板的上表面形成有脊形结构，所述脊形结构为在所述薄膜基板的上表面形成得到的凸起结构；所述上包层由形成于脊形结构的左侧、右侧以及上方的介质材料构成；

第二种：薄膜基板进行完全的刻蚀处理，形成独立的薄膜基板芯层，所述薄膜基板芯层放置于下包层的上方，所述上包层由形成于薄膜基板芯层的左侧、右侧以及上方的介质材料构成。

进一步地，

在第二种结构中，在薄膜基板芯层两侧形成沟槽，所述沟槽的深度采用下述中的一种：