[发明专利]一种硅基-LN基混合集成光学芯片的制备方法

摘要

本发明属于集成光学和光纤传感技术领域，具体涉及一种硅基‑LN基混合集成光学芯片的制备方法，该芯片由硅基芯片和铌酸锂基两块芯片拼接而成，硅基芯片上集成了输入光波导、1×3Y分支耦合器、第七输出光波导、第一90°圆弧光波导、第一方向耦合器、第八输出光波导、第二90°圆弧光波导、第二方向耦合器、第九输出光波导、第三90°圆弧光波导、第三方向耦合器；铌酸锂基芯片上集成了第一Y分支耦合器、第二Y分支耦合器、第三Y分支耦合器。该芯片混合集成了多个关键功能波导器件，可实现光束分束、合束及调制等，具有集成度高、一致性好、功率低、体积小和可靠性高等众多优点，可应用于开发三轴光纤陀螺。

主权项

1.一种硅基‑LN基混合集成光学芯片的制备方法，其特征在于，所述制备方法所制备的硅基‑LN基混合集成光学芯片由硅基芯片(1)和铌酸锂基芯片(2)拼接而成；所述硅基芯片(1)上集成了输入光波导(3‑1)、1×3Y分支耦合器(3)、第七输出光波导(4‑1)、第一90°圆弧光波导(4‑2)、第一方向耦合器(4)、第八输出光波导(5‑1)、第二90°圆弧光波导(5‑2)、第二方向耦合器(5)、第九输出光波导(6‑1)、第三90°圆弧光波导(6‑2)、第三方向耦合器(6)；所述铌酸锂基芯片(2)上集成了第一Y分支耦合器(7)、第二Y分支耦合器(8)、第三Y分支耦合器(9)和对应设计制作的金属电极(10)；所述硅基芯片(1)的三个方向耦合器的输出光波导的外端面形成连接端；所述铌酸锂基芯片(2)中的三个Y分支输入直波导段的外端面形成连接端；两块芯片的连接端相互拼接在一起并通过波导耦合工艺固定，拼接后，硅基芯片的三个方向耦合器各自的第一输出直波导段分别与铌酸锂基芯片中的三个Y分支的输入直波导段同轴；所述输入光波导(3‑1)是1×3Y分支耦合器(3)的输入直波导，1×3Y分支耦合器(3)有三条输出波导，分为第一输出波导(3‑2)、第二输出波导(3‑3)、第三输出波导(3‑4)，第一输出波导(3‑2)对应1×3Y分支耦合器(3)的第一输出端口，第二输出波导(3‑3)对应1×3Y分支耦合器(3)的第二输出端口，第三输出波导(3‑4)对应1×3Y分支耦合器(3)的第三输出端口；1×3Y分支耦合器(3)的第一输出端口、第二输出端口、第三输出端口分别与第一方向耦合器(4)的第一输入端(4‑3)、第二方向耦合器(5)的第一输入端(5‑3)和第三方向耦合器(6)的第一输入端(6‑3)相连；第一方向耦合器(4)的第二输入端(4‑4)、第二方向耦合器(5)的第二输入端(5‑4)和第三方向耦合器(6)的第二输入端(6‑4)分别连接第一90°圆弧光波导(4‑2)、第二90°圆弧光波导(5‑2)和第三90°圆弧光波导(6‑2)；第一90°圆弧光波导(4‑2)、第二90°圆弧光波导(5‑2)和第三90°圆弧光波导(6‑2)分别与第七输出光波导(4‑1)、第八输出光波导(5‑1)和第九输出光波导(6‑1)连接，第七输出光波导(4‑1)与1×3Y分支耦合器(3)的第一输出波导(3‑2)和第二输出波导(3‑3)交叉，第八输出光波导(5‑1)与1×3Y分支耦合器(3)的第三输出波导(3‑4)交叉；第一方向耦合器(4)的第二输出端(4‑6)、第二方向耦合器(5)的第二输出端(5‑6)和第三方向耦合器(6)的第二输出端(6‑6)端面涂覆吸光材料；第一方向耦合器(4)的第一输出端(4‑5)、第二方向耦合器(5)的第一输出端(5‑5)和第三方向耦合器(6)的第一输出端(6‑5)分别与第一Y分支耦合器(7)、第二Y分支耦合器(8)和第三Y分支耦合器(9)各自的直波导相连；每个Y分支耦合器的波导之上均设有一个金属电极(10)；第一Y分支耦合器(7)的两输出端口分别与第一输出光波导(7‑2)、第二输出光波导(7‑3)相连；第二Y分支耦合器(8)的两输出端口分别与第三输出光波导(8‑2)、第四输出光波导(8‑3)相连；第三Y分支耦合器(9)的两输出端口分别与第五输出光波导(9‑2)、第六输出光波导(9‑3)相连；在每个输出光波导上均设有一个金属电极(10)；所述硅基芯片(1)上的各个光波导及耦合器均由光波导上包层、光波导芯层、光波导下包层和衬底材料组成，衬底材料为硅或石英玻璃，波导上包层和下包层材料为二氧化硅，波导芯层材料为掺锗的二氧化硅，其中芯层折射率大于包层折射率，芯层折射率与包层折射率差，光波导芯层的横截面为矩形，长4～7μm，宽4～6.5μm，光波导上包层和光波导下包层厚度为数微米以上；所述铌酸锂基芯片(2)上的光波导和Y波导耦合器均由光波导芯层和衬底组成，衬底材料为铌酸锂材料，光波导芯层材料为H质子交换铌酸锂材料，波导线宽为4～6.5um；金属电极与光波导芯层的位置关系为：金属电极位于光波导上方两侧，与光波导芯层平行，金属电极厚度为数百纳米至数微米之间，宽度为数微米至数十微米之间，金属电极的间距大于光波导芯层尺寸；所述硅基芯片(1)波导端面内角α为75±0.5°，长度为20～30mm，宽度为15～20mm；铌酸锂基芯片波导端面内角β为80±0.5°，长度15～20mm，宽度15～20mm；所述第一输入波导(4‑1)、第二输入波导(5‑1)与第三输入波导(6‑1)之间间距相同，为0.5～1mm；所述第一输出光波导(7‑2)、第二输出光波导(7‑3)、第三输出光波导(8‑2)、第四输出光波导(9‑2)、第五输出光波导(9‑3)、第六输出光波导(9‑3)分别连接一导光光纤；所述第七输出光波导(4‑1)与1×3Y分支耦合器(3)的第一输出波导(3‑2)和第二输出波导(3‑3)的交叉角为60°～90°，所述第八输出光波导(5‑2)与1×3Y分支耦合器(3)的第二输出波导(3‑4)的交叉角为60°～90°；具体而言，所述制备方法包括如下步骤：步骤1：按照上述芯片图形设计，切割出集成光学芯片的硅基芯片(1)的硅衬底和铌酸锂芯片(2)中的铌酸锂衬底；步骤2：采用PECVD在硅衬底上沉积一层SiO2薄膜，作为缓冲层，在该层SiO2薄膜上生长掺锗SiO2薄膜，其厚度为耦合器波导芯层厚度；经光刻、刻蚀工艺在SiO2：Ge薄膜上形成SiO2芯层波导图形；然后在上面沉积一层SiO2薄膜，将SiO2：Ge芯层波导完全覆盖，再进行退火，得到硅基芯片；步骤3：按照所述铌酸锂基芯片(2)的图形设计，采用光刻、质子交换及退火工艺，在铌酸锂衬底上制作出Y分支波导阵列；再采用光刻工艺在Y分支波导阵列的每个分支两侧制作调制电极；步骤4：对硅基芯片(1)的四个边缘及铌酸锂基芯片(2)的光输入边缘与尾纤耦合边缘进行抛光打磨；对铌酸锂基芯片的另外两个边缘及衬底背面进行消光打磨；或者采用干法刻蚀手段将硅基芯片上的三个方向耦合器各自的一个输出端的一段波导的上包层和波导芯层进行去除，然后刻蚀区填充吸收材料；步骤5：对硅基芯片上的三个方向耦合器各自的第二输出端端面进行光刻胶保护，并对端面进行镀AL或Ti膜，然后通过金属膜剥离、去胶等，形成端面吸收层；或者采用干法刻蚀手段将硅基芯片上的三个方向耦合器的第二输出端的一段波导的上包层和波导芯层进行去除，然后刻蚀区填充吸收材料；步骤6：将硅基芯片(1)与铌酸锂基芯片(2)的连接端拼接在一起，并采用波导耦合工艺将两块芯片固定。