一种基于周期极化薄膜铌酸锂的偏振旋转器制造技术

本公开提供的一种基于周期极化薄膜铌酸锂的偏振旋转器，包括：亚微米级的脊型波导，形成于周期极化薄膜铌酸锂中；采用CaF2、ZnO或聚苯乙烯制成的薄膜夹层，形成于所述脊型波导之上；调制电极，包括形成于薄膜夹层之上且分列于脊型波导两侧的第一、第二电极；输入、输出光纤，分别设置在脊型波导的输入、输出端；第一、第二模斑转换器，第一模斑转换器连接于输入光纤与脊型波导的输入端之间，第二模斑转换器连接于脊型波导的输出端与输出光纤之间；输入光纤与第一模斑转换器相接的部分被第一光纤块包裹其中，输出光纤与第二模斑转换器相接的部分被第二光纤块包裹其中。本公开提供的偏振旋转器对温度不敏感、电光效率高、功耗低且易于加工。加工。加工。

【技术实现步骤摘要】
一种基于周期极化薄膜铌酸锂的偏振旋转器


[0001]本公开涉及集成光学
，特别涉及一种基于周期极化薄膜铌酸锂的偏振旋转器。

技术介绍

[0002]偏振态作为光信号的一个最为基本的自由度，在光通信、光计算、光传感和光测量等领域有着广泛的应用。相比于空间光路，片上集成光路具有高集成度、高可操控性、高效率等优势。因此，对集成光波导中的光信号偏振态的操控，是实现基于光芯片的研究和应用中不可或缺的一环。其中，TE模式和TM模式是光波导中相互正交的一对线偏振态模式，许多应用中需要实现从TE模式到TM模式，或从TM模式到TE模式的偏振旋转变换，因此集成化的偏振旋转控制器件非常重要。由于铌酸锂是一种高效电光调控材料，基于铌酸锂制成的电控偏振旋转控制器具有良好的性能和广泛的应用价值。其原理是利用周期极化铌酸锂(Periodically Poled Lithium Niobate，PPLN)在外加电场下的非线性效应，来补偿TE与TM模式之间的相位失配，从而实现TE与TM模式的转换，实现偏振旋转。
[0003]目前，成熟的基于周期极化铌酸锂结构的偏振旋转控制器件多集中于使用铌酸锂体材料。铌酸锂体材料制成的偏振旋转控制器件由于光波导的局域效果差、光的模式面积大，造成器件的集成度低、尺寸大。随着薄膜铌酸锂工艺的成熟，周期极化薄膜铌酸锂结构制成的偏振旋转器件具有尺寸小、功耗低、集成度高的优点。上海交通大学于专利CN107505736A首先提出了应用周期极化薄膜铌酸锂结构制成偏振旋转控制器，但该工作并未直接使用铌酸锂薄膜，而是首先将商用的PPLN样片键合在二氧化硅衬底之上，再通过化学机械抛光将PPLN样片减薄至微米量级，随后利用金刚石刀机械切割制作出光波导，波导的宽度也在微米量级。其次，周期极化薄膜铌酸锂偏振控制器件对温度稳定性要求很高，温度的变化会造成工作波长的漂移，从而影响所需的调制电压以及偏振转换程度。专利CN107505736A在控制温度漂移方面采用了外接温度控制器TEC的方式，以控制整个芯片的温度稳定性，这样的外部控制方式增加了器件功耗和复杂度。济南量子技术研究院于专利CN216351634U公开了一种基于周期极化铌酸锂薄膜的偏振调制器，此专利虽采用亚微米结构的铌酸锂薄膜结构，然而并未考虑及解决器件的温度敏感问题。

技术实现思路

[0004]本公开旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
[0005]为此，本公开实施例提供的对温度不敏感、电光效率高、功耗低且易于加工的偏振旋转器，包括：
[0006]亚微米级的脊型波导，所述脊型波导形成于周期极化薄膜铌酸锂中；
[0007]采用CaF2、ZnO或聚苯乙烯制成的薄膜夹层，所述薄膜夹层形成于所述脊型波导之上；
[0008]调制电极，包括形成于所述薄膜夹层之上且分列于所述脊型波导两侧的第一电极
和第二电极，所述第一电极和所述第二电极用于承载外加电信号，以在所述第一电极和所述第二电极之间的所述薄膜夹层和所述脊型波导中产生随外加电信号同步变化的电场；
[0009]输入光纤和输出光纤，分别设置在所述脊型波导的输入端和输出端；
[0010]第一模斑转换器和第二模斑转换器，所述第一模斑转换器连接于所述输入光纤与所述脊型波导的输入端之间，所述第二模斑转换器连接于所述脊型波导的输出端与所述输出光纤之间；
[0011]第一光纤块和第二光纤块，所述输入光纤与所述第一模斑转换器相接的部分被所述第一光纤块包裹其中，所述输出光纤与所述第二模斑转换器相接的部分被所述第二光纤块包裹其中。
[0012]在一些实施例中，所述薄膜夹层的厚度为50nm
‑
500nm。
[0013]在一些实施例中，所述薄膜夹层需完全或者部分覆盖所述脊型波导。
[0014]在一些实施例中，所述周期极化薄膜铌酸锂采用Z切铌酸锂薄膜。
[0015]在一些实施例中，对所述调制电极施加的电信号为静态的直流信号或者动态的交流信号。
[0016]在一些实施例中，所述偏振旋转器还包括衬底、位于所述衬底与所述于周期极化薄膜铌酸锂之间的绝缘层。
[0017]在一些实施例中，所述偏振旋转器还包括形成于所述调制电极与所述薄膜夹层之上的保护层。
[0018]本公开实施例提供的偏振旋转器及其制备方法，具有以下特点及有益效果：
[0019]1、本公开器件采用的芯片材料平台为绝缘体上铌酸锂薄膜，该材料平台更为紧凑、效率更高。本专利技术器件在芯片的制作工艺上，主要工艺包括，电子束曝光(也可以用光刻代替)、铌酸锂薄膜的周期性极化、等离子体刻蚀、电子束蒸发镀膜、金属剥离、薄膜沉积等。该工艺流程中，绝大部分工艺都是CMOS兼容的，相较于金刚石刀切割以及钛扩散的方式，具有较高的加工效率和加工精度。基于铌酸锂薄膜的脊型波导，具有对光的局域性好，集成度高的优势。基于上述优异的材料平台以及波导制作工艺，本公开提供的偏振旋转器件具有小的器件尺寸，波导的宽度可以低于1微米，波导的弯曲半径低至100微米，远远小于体材料波导和金刚石刀切割出的波导的尺寸。同时，解决了由于材料平台和加工工艺的限制所导致的偏振旋转器件调制速度低、调制效率低和调制电压长度大等问题。
[0020]2、本公开从芯片结构上解决了器件工作波长随温度漂移的缺点，通过负热光系数材料层，大大降低了波长随温度的漂移，比起现有技术采用外置温度控制装置，能减小功耗和器件复杂度。
[0021]本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
[0022]图1为本公开实施例提供的偏振旋转器的结构示意图。
[0023]图2为本公开实施例提供的偏振旋转器中光芯片的截面示意图。
[0024]图3为TE模式下本公开实施例提供的偏振旋转器中波导截面的光场分布图。
[0025]图4为本公开实施例提供的偏振旋转器中波导截面的电场分布图。
[0026]图5为有无薄膜夹层对偏振旋转器的工作波长随温度的漂移特性对比图。
[0027]图6为本公开实施例提供的偏振旋转器中光芯片的制作工艺流程图。
[0028]图7为图6的大致工艺流程的俯视图。
具体实施方式
[0029]为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本申请，并不用于限定本申请。
[0030]相反，本申请涵盖任何由权利要求定义的在本申请精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本申请有更好的了解，在下文对本申请的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本申请。
[0031]本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本申请可实施的限定条件，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于周期极化薄膜铌酸锂的偏振旋转器，其特征在于，包括：亚微米级的脊型波导，所述脊型波导形成于周期极化薄膜铌酸锂中；采用CaF2、ZnO或聚苯乙烯制成的薄膜夹层，所述薄膜夹层形成于所述脊型波导之上；调制电极，包括形成于所述薄膜夹层之上且分列于所述脊型波导两侧的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极用于承载外加电信号，以在所述第一电极和所述第二电极之间的所述薄膜夹层和所述脊型波导中产生随外加电信号同步变化的电场；输入光纤和输出光纤，分别设置在所述脊型波导的输入端和输出端；第一模斑转换器和第二模斑转换器，所述第一模斑转换器连接于所述输入光纤与所述脊型波导的输入端之间，所述第二模斑转换器连接于所述脊型波导的输出端与所述输出光纤之间；第一光纤块和第二光纤块，所述输入光纤与所述第一模斑转换器相接的部分被所述第一光纤块包裹其...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝婷，庄荣津，陆龙钊，李杨，周赤，吉贵军，
申请(专利权)人：珠海光库科技股份有限公司，
类型：新型
国别省市：