本发明专利技术属于光子集成与光波导技术领域，具体涉及一种激光泵浦铌酸锂波导光子集成器件及其制备与应用。本发明专利技术制备得到的光子集成器件中的边发射激光器泵浦LNOI光波导激光器中的铌酸锂波导能自发振荡激光输出，在铌酸锂波导两端刻蚀光栅形成谐振腔，能诱导光学波导内的稀土离子实现能级跃迁，输出对应波长的激光，从而达到耦合效率高的优点，且制备工艺简单，适合大规模生产。适合大规模生产。适合大规模生产。
【技术实现步骤摘要】
一种激光泵浦铌酸锂波导光子集成器件及其制备与应用
[0001]本专利技术属于光子集成与光波导
更具体地，涉及一种激光泵浦铌酸锂波导光子集成器件及其制备与应用。
技术介绍
[0002]铌酸锂(LN)晶体具有宽的透射窗口(0.35～5μm)、高的非线性系数(30pm/V)、高的折射率(～2.2)和大的电光系数(30.8
×
1012m/V)，是光子集成器件衬底材料的重要候选者，被誉为“光子学中的硅”。然而长期以来，对于铌酸锂衬底的光子结构一直非常难以制备，这主要是由于铌酸锂晶体具有稳定的物理与化学特性，无法像类似半导体光刻技术那样对其进行精密刻蚀，且铌酸锂晶体属于间接带隙材料，要实现电泵浦发光很困难。因此一般通过在铌酸锂薄膜(LNOI)上掺杂稀土离子的方式实现光致发光。然而传统的掺杂稀土LNOI激光器都是基于微盘腔开展的，微盘腔主要通过锥形光纤耦合的方式进行泵浦和信号的提取，这存在耦合的不确定性、后期与其他功能器件无法集成到同一片上的局限性。此外，通过光纤或者光芯片与LNOI基光波导的光互连，也会存在耦合困难、耦合效率低下、工艺复杂等难题(乔玲玲，超低损耗铌酸锂光子学[J]，光学学报，2021,8,169
‑
194)。
技术实现思路
[0003]本专利技术要解决的技术问题是克服现有稀土掺杂的LNOI激光器耦合效率低的缺陷和不足，提供一种耦合效率高的激光泵浦铌酸锂波导光子集成器件。
[0004]本专利技术的目的是提供一种激光泵浦铌酸锂波导光子集成器件的制备方法。
[0005]本专利技术的另一目的是提供一种激光泵浦铌酸锂波导光子集成器件在作为芯片中的应用。
[0006]一种激光泵浦铌酸锂波导光子集成器件，其特征在于，由p型衬底、边发射激光器、LNOI光波导激光器、p面电极和n面电极组成，其中，p型衬底上方从左到右依次溅射p面电极、键合边发射激光器和LNOI光波导激光器，n面电极溅射在边发射激光器表面；
[0007]所述LNOI光波导激光器从上到下依次为光刻胶、铌酸锂衬底和SiO2层，在铌酸锂衬底内注入一层离子注入损伤层，条形波导结构图案通过光刻胶刻蚀在铌酸锂衬底表面，所述条形波导结构图案中含有铌酸锂波导，后向光栅和前向光栅透过条形波导结构图案两端刻蚀在铌酸锂衬底内，在铌酸锂衬底中注入稀土离子使稀土离子分散在铌酸锂衬底中，并在左侧设有端面；
[0008]所述边发射激光器在右侧设有出光口，出光口对着LNOI光波导激光器中的端面，使边发射激光器出射的激光泵浦稀土离子能级跃迁发出的光子在前后光栅内发射。
[0009]优选地，所述条形波导结构图案从左到右依次为铌酸锂波导输入端，第二锥形过渡波导，铌酸锂波导，第一锥形过渡波导，铌酸锂波导输出端；其中后向光栅刻蚀在第一锥形过渡波导左侧，前向光栅刻蚀在第二锥形过渡波导右侧。
[0010]更优选地，所述铌酸锂波导和铌酸锂波导输入端的长度L2为≥20μm，宽度w为
200nm～1000nm，第一锥形过渡波导和第二锥形过渡波导的长度L1为≥20μm，宽度M为0.5μm～100μm。
[0011]优选地，所述边发射激光器从上到下依次溅射n面电极，沉积n型衬底、n型缓冲层、n型限制层、n型波导层、量子阱有源区、p型波导层、p型限制层和p型接触层。
[0012]优选地，所述稀土离子为镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪或钇离子。
[0013]优选地，所述p型衬底和n型衬底中的衬底为砷化镓衬底、硅衬底、蓝宝石衬底、金刚石衬底、氮化镓衬底、碳化硅衬底或磷化铟衬底等。
[0014]优选地，所述光栅为布拉格光栅。
[0015]更优选地，所述SiO2层的厚度为0.5～10μm。
[0016]优选地，所述铌酸锂衬底的厚度为0.1～10μm。
[0017]本专利技术进一步保护上述集成器件的制备方法，包括如下步骤：
[0018]S1.采用等离子体化学气相沉积法或者磁控溅射法在铌酸锂衬底上沉积一层SiO2层，利用离子注入法在SiO2层向铌酸锂衬底内注入氦离子形成离子注入损伤层；
[0019]S2.采用化学机械抛光工艺对SiO2层表面进行抛光，使SiO2表面粗糙度降低至1nm以下后键合至p型砷化镓衬底上得晶圆键合对，键合过程为：先采用等离子体对p型衬底和SiO2层表面进行轰击活化，然后将p型衬底键合至键合到SiO2层上得晶圆键合对；
[0020]S3.将晶圆键合对退火，使离子注入损伤层上方的铌酸锂衬底剥离，剥离完毕后，对铌酸锂衬底进行抛光，抛光后，向铌酸锂衬底中注入稀土离子；
[0021]S4.对抛光后的铌酸锂衬底上涂覆一层光刻胶，然后在光刻胶表面进行曝光，将条形波导结构图案通过光刻转移到光刻胶上，再通过电子束光刻技术结合电感耦合等离子体刻蚀机将条形波导结构图形刻蚀到铌酸锂衬底上；
[0022]S5.采用飞秒激光透过条形波导结构图案，在铌酸锂衬底内刻蚀后向光栅和前向光栅得LNOI光波导激光器；
[0023]S6.采用金属有机物化学气相沉积法依次在n型衬底上外延生长n型缓冲层、n型限制层、n型波导层、量子阱有源区、p型波导层、p型限制层以及p型接触层，外延生长完毕后，对p型接触层进行抛光，使得p型接触层的表面粗糙度降低至1nm以下，在反射端面和出射端面分别蒸镀高反膜和增透膜得边发射激光器；
[0024]S7.将边发射激光器键合到p型衬底上，所述边发射激光器的出光口对准LNOI光波导激光器的端面；在p型衬底上溅射p面电极，n型衬底上溅射n面电极即得。
[0025]优选地，在步骤S1中，所述SiO2层的厚度为0.5～10μm。
[0026]优选地，在步骤S1中，所述注入的剂量为1
×
10
15
cm
‑2～1
×
10
19
cm
‑2。
[0027]优选地，在步骤S1中，所述，注入的能量为100～700keV
[0028]优选地，在步骤S1中，所述沉积的气压为1200～1600mtorr，功率为4000～6000W，沉积的温度为300～500℃。
[0029]优选地，在步骤S2中，所述等离子体为Ar等离子体、O等离子体或N等离子体。
[0030]优选地，在步骤S2中，所述采用等离子体轰击的气压为0.5
×
10
‑5～1
×
10
‑5Pa。
[0031]优选地，在步骤S2中，所述键合的键合力为8～12kN。
[0032]优选地，在步骤S2中，所述键合的时间为0.8～0.5min。
[0033]优选地，在步骤S3中，所述稀土离子为镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪或钇离子。
[0034]优选地，在步骤S3中，所述退火的时间为1～10小时。
[0035]优选地，在步骤S3中，所述退火本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种激光泵浦铌酸锂波导光子集成器件，其特征在于，由p型衬底(4)、边发射激光器(22)、LNOI光波导激光器(21)、p面电极(20)和n面电极(19)组成，其中，p型衬底(4)上方从左到右依次溅射p面电极(20)、键合边发射激光器(22)和LNOI光波导激光器(21)，n面电极(19)溅射在边发射激光器(22)表面；所述LNOI光波导激光器(21)从上到下依次为光刻胶、铌酸锂衬底(1)和SiO2层(2)，在铌酸锂衬底(1)内注入一层离子注入损伤层(3)，条形波导结构图案(25)通过光刻胶刻蚀在铌酸锂衬底(1)表面，所述条形波导结构图案(25)中含有铌酸锂波导(7)，后向光栅(10)和前向光栅(11)透过条形波导结构图案(25)两端刻蚀在铌酸锂衬底(1)内，在铌酸锂衬底(1)中注入稀土离子使稀土离子分散在铌酸锂衬底(1)中，并在左侧设有端面(24)；所述边发射激光器(22)在右侧设有出光口(23)，出光口(23)对着LNOI光波导激光器(21)中的端面(24)，使边发射激光器(22)出射的激光泵浦稀土离子能级跃迁发出的光子在前后光栅(10、11)内发射。2.根据权利要求1所述光子集成器件，其特征在于，所述条形波导结构图案(25)从左到右依次为铌酸锂波导输入端(9)，第二锥形过渡波导(8)，铌酸锂波导(7)，第一锥形过渡波导(6)，铌酸锂波导输出端(5)；其中后向光栅(10)刻蚀在第一锥形过渡波导(6)左侧，前向光栅(11)刻蚀在第二锥形过渡波导(8)右侧。3.根据权利要求2所述光子集成器件，其特征在于，所述铌酸锂波导(7)和铌酸锂波导输入端(9)的长度L2为≥20μm，宽度w为200nm～1000nm，第一锥形过渡波导(6)和第二锥形过渡波导(8)的长度L1为≥20μm，宽度M为0.5μm～100μm。4.根据权利要求1所述光子集成器件，其特征在于，所述边发射激光器(22)从上到下依次溅射n面电极(19)，沉积n型衬底(4
’
)、n型缓冲层(12)、n型限制层(13)、n型波导层(14)、量子阱有源区(15)、p型波导层(16)、p型限制层(17)和p型接触层(18)。5.根据权利要求1所述光子集成器件，其特征在于，所述稀土离子为镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪或钇离子。6.根据权利要求1所述光子集成器件，其特征在于，所述p型衬底(4)和n型衬底(4
’
)中...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄瑞，王青，赵东，于庆南，张黎可，李晓东，胡长雨，曹燚，任乐，李睿，
申请(专利权)人：无锡学院，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。