[发明专利]掺铒铌酸锂薄膜光波导放大器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种掺铒铌酸锂薄膜光波导放大器及其制备方法，利用飞秒激光加工结合化学机械抛光技术在铌酸锂薄膜中形成光子结构，进而实现铌酸锂光波导放大器。本发明提出的铌酸锂光波导放大器具有空间形状可任意设计、尺寸可调、可大规模集成的特点，在高速光通信，光计算和微波光子学等高科技领域都具有广阔的应用前景，为铌酸锂平台上各种有源和无源光子组件的单片集成铺平了道路。

技术领域

本发明涉及一种微纳集成光子学器件及其制备技术领域，特别是一种螺旋形掺铒铌酸锂薄膜光波导放大器及利用飞秒激光直写结合化学机械抛光技术在掺铒铌酸锂单晶薄膜中制备光波导的方法，制备方法适用于在各种薄膜材料中制备光波导及相关光学元件的微纳结构。

背景技术

集成光子学的概念于1969年由贝尔实验室的图尔特·米勒提出，其核心结构光波导是光通信领域的核心组件。近年来，利用集成光波导构建的低功耗和高稳定性的光放大器不断发展。铌酸锂晶体因其高非线性光学系数和强电光效应成为光子集成的理想基底材料，同时，随着掺杂稀土元素的铌酸锂薄膜的问世，得益于其更长的激发态寿命和更高的折射率稳定性，掺杂稀土元素的铌酸锂薄膜光波导放大器等有源器件的研究成为当前集成光子学的热点领域【参见文献：Honardoost,A.,et al.LaserPhotonics Reviews,2020.14.；Bradley,J.D.B.et al.LaserPhotonics Reviews,2011.5.】。

高集成化和微型化一直是集成光波导放大器追求的目标。但由于铌酸锂晶体具有稳定的物理与化学性质，现有的波导放大器，采用基于电子束或紫外光刻结合离子束刻蚀的传统半导体光刻技术加工难度较高，波导长度有限且传输损耗大，增益性能大大受限。并且半导体光刻技术写场范围受限，对大尺寸晶圆进行精密刻蚀会导致不可避免的拼接误差，不利于大规模光子集成应用。

发明内容

基于现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种掺铒铌酸锂薄膜光波导放大器及其制备方法，克服现有光波导放大器增益长度短，侧壁粗糙度大，传输损耗大的问题。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种掺铒铌酸锂薄膜光波导放大器，该光波导放大器的光波导由掺铒铌酸锂单晶薄膜制备而得，位于二氧化硅层的顶部，二氧化硅层粘接在未掺杂的铌酸锂基底上，波导为螺旋形，由直波导和弯曲波导组成。

所述掺铒铌酸锂薄膜光波导放大器总增益长度3.6cm-10cm，最小弯曲半径100μm-800μm。

所述掺铒铌酸锂薄膜光波导放大器表面和侧壁高度光滑，传播损耗范围在0.3dB/m-3dB/m，总净增益15dB-30dB。

本发明还提供一种掺铒铌酸锂薄膜光波导放大器的制作方法，包括：

步骤1：在掺铒铌酸锂薄膜材料上镀铬膜

掺铒铌酸锂薄膜材料共三层：第一层是掺铒铌酸锂单晶薄膜，厚度100nm-5μm；第二层是二氧化硅薄膜层，厚度1μm-10μm；第三层是铌酸锂基底层，厚度100μm-1mm。在所述的铌酸锂薄膜材料表面镀上铬膜层，厚度50nm-900nm；

步骤2：飞秒激光直写

将所述表面镀铬膜的掺铒铌酸锂薄膜材料固定在一台三维可计算机编程控制位移平台上，通过显微物镜将飞秒激光聚焦在所述的薄膜材料表面的铬膜层上，按计算机编程驱动位移平台运动同时启动飞秒激光直写过程，在铌酸锂薄膜材料表面的铬膜层进行去除,剩余铬膜形成所需的平面掩膜图案；

步骤3：化学机械抛光

将飞秒激光直写后的铌酸锂薄膜材料置于机械抛光机内，使用化学抛光液对其表面进行化学机械抛光；铌酸锂薄膜材料表面上没有被飞秒激光直写去除的铬膜保护住铌酸锂薄膜不被化学机械抛光刻蚀，其他区域暴露的铌酸锂薄膜材料被抛光刻蚀，最终得到被铬掩膜保护的脊形波导结构；