[发明专利]一种高效率片上声光偏转器及其制备方法

说明书

本发明涉及片上集成光子学技术领域，更具体地，涉及一种高效率片上声光偏转器及其制备方法。包括设置在氧化硅基片上的铌酸锂‑氮化硅异质结构，铌酸锂‑氮化硅异质结构包括铌酸锂薄膜以及氮化硅形成的多模式耦合器结构。所述铌酸锂薄膜上设置可激发声波的叉指换能器。本发明中利用到了铌酸锂的压电特性和声致光栅衍射效应，集成叉指换能器和光子波导中的多模式耦合器原理，光子经过声波形成的周期性结构产生布拉格衍射最终实现偏转。上述声光偏转器减小了片上声光偏转器的尺寸，增强了声子和光子的相互作用，提高了效率，所用到的铌酸锂和氮化硅材料性质稳定，易于加工，并可实现片上大规模集成。

技术领域

本发明涉及片上集成光子学技术领域，更具体地，涉及一种高效率片上声光偏转器及其制备方法。

背景技术

声光器件是一种利用声波和光波相互作用的多物理场耦合元件，是微波与光波相互作用中不可或缺的器件。虽然这些声光器件都是基于片上波导电极等结构，利用也都是声波与光波的相互作用原理，但在功能、结构和应用上有非常大的差别，目前市面上发展了各种不同应用场景和结构的声光器件，如声光调制器、声光移频器、声光偏转器、声光滤波器以及声光Q开关等，用于实现光波传输强度、方向和频率的有效控制，结合电声换能器与压电晶体材料，对入射光波信号相关参数进行多维度调控的物理器件。

其中声光偏转器是一种常见且应用最为广泛的声光器件，相对于调制器利用声波改变了光波的强度，声光偏转器是利用声波的多普勒效应改变光波的传播方向。从结构上讲，声光偏转器没有马赫增德尔干涉仪或者谐振腔结构。声光偏转器目前分为体波驱动与表面波驱动，由于其驱动功率小、体积小、偏转效率高、易于集成等优点，在光通信、激光加工技术、激光测距技术、光学雷达技术以及激光医疗技术等领域有着广阔的应用和发展前景。因此如何在小尺度范围内增强声波与光波的相互作用强度是未来片上声光器件发展的必然之势。然而，目前的表面声波偏转器的结构仅限于空间扩散型结构，平面结构尺寸都在百微米级别，还需要进一步微型化；同时器件效率不高，需要采用束缚态光子耦合器结构，以增强声子和光子的耦合效率。近年来，研究人员基于不同的片上光子器件结构，列如：纯铌酸锂刻蚀的片上偏转器结构、基于铌酸锂-有机材料的光子束缚态模式结构，从实验上探究了声表面波对光子的偏转效果，但依然存在着偏转效率低，结构尺寸较大的缺陷。由此可见，实现高效的声光偏转还存在着诸多困难，因此开展新型结构高效率的片上声光偏转器的研究具有突出的实际意义。

发明内容

本发明为克服上述现有技术中的缺陷，提供一种高效率片上声光偏转器，减小了片上声光偏转器的尺寸，增强了声子和光子的相互作用，提高了效率。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高效率片上声光偏转器，包括设置在氧化硅基片上的铌酸锂-氮化硅异质结构；所述的铌酸锂-氮化硅异质结构包括铌酸锂薄膜以及铌酸锂薄膜上集成的以氮化硅结构形成的光子多模式耦合器；所述铌酸锂薄膜上设有可激发声波叉指换能器，所述叉指换能器包括若干个叉指电极。本发明综合利用铌酸锂薄膜出色的压电特性和声致光栅衍射效应、将叉指换能器置于光子波导耦合器的侧面，实现声表面波对光子的高效率偏转作用。本发明使用耦合器结构减小已有的声光偏转器的结构尺寸，充分利用声波和光波的耦合进行高效偏转，一方面解决了传统声光偏转对声波能量利用率不足的弊端，另一方面解决了声光偏转器耦合区尺寸过大的缺陷。

在本发明中使用叉指换能器激发声表面波，周期性改变铌酸锂薄膜的折射率，在光波一定夹角的方向上形成布拉格光栅，对光波形成高效偏转；减小了片上声光偏转器的尺寸，增强了声子和光子的相互作用，提高了效率，所用到的铌酸锂和氮化硅材料性质稳定，易于加工，并可实现片上大规模集成。

在其中一个实施例中，所述的铌酸锂-氮化硅异质结构是基于硅-二氧化硅基底的片上结构，不需要对铌酸锂进行刻蚀，只需通过刻蚀氮化硅以定义平面器件结构。

在其中一个实施例中，所述的铌酸锂-氮化硅异质结构包括输入直波导、多模式耦合器、两根锥形输出波导；所述的输入直波导、锥形输出波导均与多模式耦合器连接。