一种新型铌酸锂光学波导晶片及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种新型铌酸锂光学波导晶片，包括：铌酸锂晶片和光学波导，所述铌酸锂晶片为光学级晶体，其晶向为X切Y传或Z切Y传或X切Z传或Y切Z传等四种中的一种，所述光学波导为氧化锌扩散铌酸锂光学波导。另外，还提供了两种铌酸锂光学波导晶片的制备方法。本发明专利技术所提出的氧化锌扩散铌酸锂光学波导具有如下优势：(1)能够同时传输TE和TM两种偏振模式，具有比钛扩散光学波导更高的光损伤阈值，更适合应用于需要传输较高光功率的光传输系统；(2)具有较高的光损伤阈值，可以同时传输两种偏振模式，不存在其中一种偏振模式被滤波的现象；(3)制备工艺简单、成品率高、成本低，更适合于批量生产。

A New Lithium Niobate Optical Waveguide Wafer and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种新型铌酸锂光学波导晶片及其制备方法
本专利技术创造属于光纤传感、光纤通信、微波光子学、量子通信等
，尤其涉及一种新型铌酸锂光学波导晶片及其制备方法。
技术介绍
(1)原有技术介绍铌酸锂光学波导是相位调制器、强度调制器、偏振控制器、非线性波长转换器等铌酸锂集成光学器件的核心部分。目前，铌酸锂光学波导常见的制备方法有钛扩散技术和退火质子交换技术，所形成的钛扩散波导和质子交换波导具有插入损耗低、长期稳定性好、工作波长范围广等特点，在光纤陀螺、光纤电流互感器、高速光通信、相干光通信、微波光子链路、量子通信等领域有着十分广泛的应用。(2)原有技术存在的问题或缺陷钛扩散光波导可同时传输TE或TM两种偏振模式，常应用于在光纤电流互感器、相干光通信、量子纠缠光源等需要同时传输两种光学偏振态模式的场合。但是，钛扩散铌酸锂光学波导的一个主要问题是光功率阈值很低。例如，对于1550nm的连续波激光光束，钛扩散光波导的光功率阈值一般在10mW左右。对于更短的光波长的激光光束，由于激光的功率密度更高，钛扩散铌酸锂光学波导的光折变现象以及由此导致的光损伤问题也更加明显。因此，对于短波长激光光束(如500nm～1100nm)或是需要使用更高光功率的激光光束时，一般需要对钛扩散光学波导晶片进行加热以提高波导晶片的抗光折变性能，例如加热至200℃可以一定程度地提高钛扩散光学波导的光功率阈值。钛扩散光学波导较低的光功率阈值这一缺点则严重地限制了基于钛扩散光学波导的铌酸锂集成光学器件在需要传输较高光功率的系统中的应用。与钛扩散光学波导相比，采用质子交换技术制备的铌酸锂光学波导则具有较高的光功率阈值，对于1550nm的连续波激光光束一般在100mW以上。但是，质子交换波导属于单偏振型光波导，即只能传输TE或TM偏振态的其中一种。这是因为，质子交换光学波导会使非寻常光的折射率ne增加，并使寻常光的折射率no降低。光学波导的导波原理则是光折射率的局部增加以实现对光波的局部束缚。以X切Y传的铌酸锂晶体为例，只有折射率为ne的TE模式会沿着光学波导通道传输，而折射率为no的TM模式则会泄露出光学波导通道。因此，虽然质子交换光学波导具有更高的光损伤阈值，但其单偏振特性对于需要同时传输两种偏振模式的应用场合来说则无法满足使用需求。因此，在某些需要同时传输两种偏振态模式的应用场合，为提高钛扩散铌酸锂光学波导的光损伤阈值，现有技术采用以下两种方式：(1)采用高温热扩散的工艺，将Mg扩散至铌酸锂晶片的表面，在铌酸锂表面形成富含Mg的薄层，再在铌酸锂晶片的表面进行钛扩散，形成双掺杂的钛扩散光学波导；(2)选择特种铌酸锂晶体，如掺杂有Mg的光学级铌酸锂晶体或近化学计量比的光学级铌酸锂晶体，这些特种铌酸锂晶体具有比同组份的光学级铌酸锂晶体更高的光损伤阈值，并在这些特种铌酸锂晶体上制备钛扩散光学波导。但是上述两种现有技术方案均存在着制备工艺复杂、制备技术成熟度不高等问题，导致制备成本较高、成品率较低，不能满足批量生产的要求。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的问题，本专利技术的第一目的在于，提出一种新型铌酸锂光学波导晶片，其创新在于：与现有钛扩散技术或质子交换技术不同，本专利技术采用氧化锌扩散技术在铌酸锂晶片中制备光学波导。所述光学波导一方面可实现同时传输TE和TM两种偏振模式，另一方面又具有比钛扩散光学波导更高的光功率阈值。本专利技术的原理是：光学波导可实现导光功能的根本原因在于，离子的掺杂实现了光波导区域折射率相对于周围区域的晶体折射率的提高。Ti4+的掺杂可实现寻常光折射率和异常光折射率的同时提高，因而实现了TE和TM两种偏振模式的同时传输。H+的掺杂仅实现异常光折射率ne的提高，而寻常光折射率no是降低的，因此仅可实现一种偏振模式的传输，而另一种偏振模式则会被过滤掉。Zn2+的掺杂也可实现寻常光折射率和异常光折射率的同时提高，因此也可像Ti4+掺杂一样实现TE和TM两种偏振模式的同时传输。此外，在铌酸锂晶体中掺杂二价原子Mg2+、Zn2+或三价原子Sc3+、In3+等有利于提升铌酸锂晶体的抗光损伤能力，即光功率阈值。因此，本专利技术通过对含有Zn2+的氧化锌薄膜进行高温热扩散，得到可传输双偏振模式并且具有高光功率阈值的氧化锌扩散铌酸锂光学波导。本专利技术的第二目的在于，提出一种氧化锌扩散铌酸锂光学波导晶片的第一种制作方法。本专利技术的第三目的在于，提出一种氧化锌扩散铌酸锂光学波导晶片的第二种制作方法。为实现本专利技术第一目的，本专利技术提出的技术方案在于：一种新型铌酸锂光学波导晶片，包括：铌酸锂晶片和光学波导，所述铌酸锂晶片为光学级晶体，其晶向为X切Y传或Z切Y传或X切Z传或Y切Z传等四种中的一种，所述光学波导为氧化锌扩散铌酸锂光学波导，波导宽度在1μm至20μm，波导深度在1μm至20μm。优选地，为了利用铌酸锂晶体的最大电光系数γ33，所述铌酸锂晶片1的晶向选择X切Y传或Z切Y传。所述铌酸锂晶片的厚度为0.1mm至2mm。优选地，所述铌酸锂晶片的厚度为0.5mm或1mm。为实现本专利技术第二目的，本专利技术提出的技术方案在于：新型铌酸锂光学波导晶片的第一种制作方法，包括以下步骤：步骤1：采用半导体工艺中常规的光刻技术，在铌酸锂晶片的表面制作出具有光学波导的图形的光刻胶掩膜；步骤2：采用电子束蒸发或磁控溅射或离子溅射等镀膜工艺手段之一，在光刻胶掩膜上制备一层厚度在10nm至150nm的氧化锌薄膜；步骤3：通过剥离工艺在铌酸锂晶片的表面留下光学波导图形的条形氧化锌薄膜，条形氧化锌薄膜的厚度在10nm至150nm，宽度在1μm至20μm；步骤4：将铌酸锂晶片放置在高温扩散炉中，通入湿氧，待扩散炉的温度从室温升至1000℃至1100℃的条件下，恒温5～12小时，关闭扩散炉，待炉温降至室温后，取出铌酸锂晶片，得到含有氧化锌扩散光学波导的铌酸锂波导晶片。为实现本专利技术第三目的，本专利技术提出的技术方案在于：新型铌酸锂光学波导晶片的第二种制作方法，包括以下步骤：步骤1：采用电子束蒸发或磁控溅射或离子溅射等镀膜工艺手段之一，在铌酸锂晶片的表面制备一层厚度在10nm至150nm的氧化锌薄膜；步骤2：采用光刻工艺在氧化硒薄膜的表面制作出具有光学波导的图形的光刻胶掩膜；步骤3：采用湿法腐蚀或干法刻蚀等工艺对光刻胶掩模以外的区域进行腐蚀或刻蚀，在所述铌酸锂晶片的表面留下光学波导图形的条形氧化锌薄膜，条形氧化锌薄膜的厚度在10nm至150nm，宽度在1μm至20μm；步骤4：将所述铌酸锂晶片放置在高温扩散炉中，通入湿氧，待扩散炉的温度从室温升至1000℃至1100℃的条件下，恒温5～12小时，关闭扩散炉，待炉温降至室温后，取出铌酸锂晶片，得到含有氧化锌扩散光学波导的铌酸锂波导晶片。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)与现有技术制备的钛扩散铌酸锂光学波导相比，本专利技术所提出的氧化锌扩散铌酸锂光学波导也可以同时传输TE和TM两种偏振模式，具有比钛扩散光学波导更高的光损伤阈值，更适合应用于需要传输较高光功率的光传输系统；(2)与现有技术制备的质子交换铌酸锂光学波导相比，本专利技术所提出的氧化锌扩散铌酸锂光学波导也可以具有较高的光损伤阈值，但可以同时传输两种偏振模式，不存在其中一种偏振模式被滤波的现象；(3)与现本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型铌酸锂光学波导晶片，包括：铌酸锂晶片(1)和光学波导，其特征在于，所述铌酸锂晶片(1)为光学级晶体，其晶向为X切Y传或Z切Y传或X切Z传或Y切Z传四种中的一种，所述光学波导为氧化锌扩散光学波导(2)。

【技术特征摘要】
1.一种新型铌酸锂光学波导晶片，包括：铌酸锂晶片(1)和光学波导，其特征在于，所述铌酸锂晶片(1)为光学级晶体，其晶向为X切Y传或Z切Y传或X切Z传或Y切Z传四种中的一种，所述光学波导为氧化锌扩散光学波导(2)。2.根据权利要求1所述的新型铌酸锂光学波导晶片，其特征在于，所述光学波导的波导宽度在1μm至20μm，波导深度在1μm至20μm。3.根据权利要求1所述的新型铌酸锂光学波导晶片，其特征在于，所述铌酸锂晶片(1)的厚度为0.1mm至2mm。4.根据权利要求3所述的新型铌酸锂光学波导晶片，其特征在于，所述铌酸锂晶片(1)的厚度为0.5mm或1mm。5.一种新型铌酸锂光学波导晶片的其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：采用光刻技术，在铌酸锂晶片(1)的表面制作出具有光学波导(2)的图形的光刻胶掩膜(3)；步骤2：采用镀膜工艺，在光刻胶掩膜上制备一层厚度在10nm至150nm的氧化锌薄膜(4)；步骤3：通过剥离工艺在所述铌酸锂晶片(1)的表面留下光学波导(2)图形的条形氧化锌薄膜(4-1)，条形氧化锌薄膜(4-1)的厚度在10nm至150nm，宽度在1μm至20μm；步骤4：将所述铌酸锂晶片(1)放置在高温扩散炉中，通入湿氧，待扩散炉的温度从室温升至1000℃至1100℃的条件下，恒温5～12小时，关闭扩散炉，待炉温降至室温后，取出铌酸锂晶片(1)，得到含有氧化锌扩散光学波导(2)的铌酸锂波导晶片(1)。6.根据权利要求5所述的新型铌酸锂光学波导晶片的其制备方法，其特征在于，包括：所述新型铌酸锂光学波导晶片包括：铌酸锂晶片(1)和光学波导，所述铌酸锂晶片...

【专利技术属性】
技术研发人员：李萍，史云玲，刘丹，
申请(专利权)人：天津领芯科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：天津,12