[发明专利]一种基于双层铌酸锂薄膜的光子线脊波导倍频芯片及其制备方法

说明书

本发明涉及一种基于双层铌酸锂薄膜的光子线脊波导倍频芯片及其制备方法。所述基于双层铌酸锂薄膜的光子线脊波导倍频芯片包括由顶层铌酸锂薄膜，中层二氧化硅、下层硅基衬底组成的复合结构，其特征在于，所述铌酸锂薄膜为双层铌酸锂薄膜结构，双层铌酸锂薄膜中的上层铌酸锂薄膜与下层铌酸锂薄膜的自发极化方向相反，铌酸锂薄膜呈脊波导结构。本发明提供的基于双层铌酸锂薄膜的光子线脊波导倍频芯片具有双层铌酸锂薄膜结构，上下两层铌酸锂薄膜的自发极化方向相反，消除了倍频光的高阶模上下两个旁瓣在模式重叠积分中相互抵消的效应，从而大大提高了模式相位匹配过程的转换效率。

技术领域

本发明涉及一种基于双层铌酸锂薄膜的光子线脊波导倍频芯片及其制备方法，属于光电子器件制备方法技术领域。

背景技术

铌酸锂晶体具有比较大的二阶非线性系数，容易生长出体积大、光学均匀性好的单晶，能够对光信号进行二阶甚至更高阶的处理；同时铌酸锂晶体还可以通过外加电场极化等手段制备出周期极化结构，从而实现准相位匹配。根据铌酸锂体材料的色散特性，在钛扩散铌酸锂波导中实现1.55微米波长处的倍频需要极化周期在8～10微米的极化畴结构。但是在基于铌酸锂薄膜的光子结构中，要想实现1.55微米的倍频则需要极化周期小于4微米的极化畴结构，这就对极化工艺提出了更加苛刻的要求，同时在准相位匹配过程中，二阶非线性转换的有效非线性系数降低到了材料自身非线性系数的2/π，这无疑会降低非线性转换的效率。铌酸锂薄膜的准相位匹配过程中的三个光子一般都是以基模的形态进行相互作用，因而模式重叠积分比较理想。

铌酸锂薄膜集成光子学结构通常采用脊波导，微环以及微盘等具体形态结构。其中脊波导是比较重要的一种基础结构，脊波导本身既可以作为直接的功能器件，如电光调制器、非线性频率转换器以及功能器件之间的连接器等，也可以通过空间上的旋转来构造其他器件，如微环谐振腔等。铌酸锂薄膜脊波导在短波长下往往是多模的，这就为我们利用其多模的模式色散特性提供了很大的便利。

铌酸锂薄膜脊波导中的模式相位匹配利用了多模脊波导的模式色散特性补偿了铌酸锂的材料色散效应，从而实现二阶非线性过程中三个光子的相位匹配。由于相位匹配动量空间中只存在三个光子的动量，因而只要三个光子的偏振满足要求，模式相位匹配就可以利用铌酸锂晶体的最大非线性系数d₃₃(27pm/V)。另外，高阶模的分布与基模有较大差别。

中国专利申请CN106094263A公开了一种周期极化LNOI脊型波导及其制备方法。该发明专利涉及一种在铌酸锂单晶薄膜上制备出周期极化铁电畴结构并利用干法刻蚀技术制备脊波导的技术。该发明中的方法是基于外加电场在单层铌酸锂薄膜中制备出铁电畴结构，所使用的机制为准相位匹配，不能够在铌酸锂薄膜脊波导中实现有模式相位匹配及非线性频率转换。

中国专利文献CN110764188A公开了一种铌酸锂脊型光波导的制备方法。该专利中采用质子交换方法改变铌酸锂表面的畴结构，从而提高其在HF/HNO₃刻蚀液中的刻蚀选择比，经过一段时间的刻蚀后在表面形成脊形结构。该专利所涉及的平面波导形成方法为质子交换方法，所使用湿法刻蚀的刻蚀选择比低，线宽精度低，适合在铌酸锂体材料上制备脊波导，而在铌酸锂双层薄膜上制备脊波导的效果则不理想。

中国专利申请CN109149047A公开了一种片上低损耗超细脊状波导的制备方法，结合超快激光脉冲以及化学机械抛光在铌酸锂薄膜上制备脊波导。该专利所涉及的铌酸锂薄膜为单层，从脊波导形成机理的角度来看，该专利所使用的方法为铬掩膜结合化学机械抛光，所使用的图形产生方法为超快激光直写，但是在亚微米图形产生的精度上不够理想。