一种铌酸锂薄膜型FP腔及其制备方法﹑应用与流程

本发明属于光子器件设计领域，具体涉及一种铌酸锂薄膜型fp腔及其制备方法﹑应用。

背景技术：

1、随着光芯片集成技术的发展，多种材料混合集成被认为是光子芯片的未来研究方向，它能够发挥不同材料在光子学领域具有各自的优势弥补单一材料的缺点，在同一芯片上实现更为丰富的功能。

2、铌酸锂材料具有出色的物理特性，包括较高的电光系数、压电系数、热光系数、声光系数和光弹性系数。因此，它被广泛应用于各种集成光子器件中，并被视为最有潜力的微波光子材料之一。然而，目前基于铌酸锂电光法布里-珀罗(fabry-perot，fp)腔研究领域集中于对块体材料的研究，然而这种fp腔由于折射率差值低(钛扩散工艺折射率差值0.001～0.04，质子交换工艺折射率差值差值～0.02)，模场大(模场直径～10um)，导致半波电压-长度积，体积较大等缺点，导致难以集成，限制了同一芯片上实现更为丰富的功能。而铌酸锂薄膜波导折射率差值可大于1(铌酸锂折射率@1550nm，no＝2.211，ne＝2.138，空气折射率n＝1)，模场小(模场直径小于1um)，集成度高，调谐电压低和损耗低等优势，已成为微波光子学领域新的研究热点。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中的上述缺陷，本发明提出了一种铌酸锂薄膜型fp腔及其制备方法﹑应用，将铌酸锂薄膜材料引入fp腔，并制备波导布拉格光栅结构进行反射和透射，这对于在同一芯片上集成更为丰富的功能非常有利。

2、为实现上述发明目的，本发明第一方面提供一种铌酸锂薄膜型fp腔，包括至下而上依次层叠设置的基底层、下包层及波导层，其中，所述波导层包括铌酸锂薄膜平板层以及在薄膜平板层表面凸出设置的波导结构，所述波导结构包括沿x方向设置的第一波导布拉格光栅和第二波导布拉格光栅以及第一波导布拉格光栅结构和第二波导布拉格光栅之间形成的中间波导区，所述第一波导布拉格光栅一侧为光能量输入端口，所述第二波导布拉格光栅一侧为光能量输出端口，在中间波导区沿z方向的两侧对称设置电极；所述x方向和z方向相互垂直；

3、其中，满足布拉格方程的波长经第一波导布拉格光栅和第二波导布拉格光栅多次反射在中间波导区进行振荡及相干，最终相干光能量经所述光能量输出端口输出形成fp腔的透射光谱；电极上施加电信号并利用中间波导区的电光效应实现透射光谱的频移。

4、进一步地，所述fp腔还包括在所述波导层表面设置的上包层。

5、进一步地，所述波导结构为由铌酸锂材料制成的脊型结构，或者为由氮化硅﹑二氧化硅等薄膜材料制成的加载条形结构。

6、进一步地，所述第一波导布拉格光栅和第二波导布拉格光栅包括光栅周期、占空比和光栅周期数的确定，占空比固定选择1：1结构；光栅周期数由成熟fp腔两端反射率确定，fp腔反射率通常不小于80％；光栅周期由由光栅方程确定，光栅方程如下：

7、

8、其中，中心波长λ为1550nm，λ是光栅周期，n是没有光栅结构(直波导部分)的模式的有效折射率，m是布拉格光栅的阶数。

9、进一步地，所述下包层的材料为二氧化硅，厚度为1.5-3.5μm，

10、进一步地，所述上包层的材料为二氧化硅，厚度为0.5-4μm。

11、本发明另一方面还提供了一种铌酸锂薄膜型fp腔的制备方法，包括如下步骤：

12、1)在铌酸锂芯片的铌酸锂薄膜层表面成型凸出的波导结构的整体外围轮廓，所述芯片包括从下至上层叠设置的基底、下包层、铌酸锂薄膜层；

13、2)将所述波导结构本体成型为包括两端为第一波导布拉格光栅和第二波导布拉格光栅﹑以及第一波导布拉格光栅结构和第二波导布拉格光栅之间为中间波导区的结构；

14、3)在所述中间波导两侧制作电极。

15、进一步地，步骤1)中，所述成型选自淀积、光刻、显影和刻蚀等工艺。

16、进一步地，步骤2)中，所述成型选自光刻、显影和刻蚀等工艺。

17、进一步地，步骤3)中，所述制作选自光刻、显影、蒸发、电镀或磁控溅射等工艺。

18、进一步地，所述波导层为铌酸锂材料，中间波导区的宽度选取单模结构，宽度为800-1500nm，厚度为100-600nm；第一波导布拉格光栅和第二波导布拉格光栅厚度均为100-600nm。

19、进一步地，所述方法还包括步骤4)，在波导层上表面成型用于保护所述波导结构的上包层。

20、本发明另一方面还提供了上述铌酸锂薄膜型fp腔或上述方法制备的铌酸锂薄膜型fp腔的应用，将其用于光子芯片。

21、本发明与现有技术相比，具有以下优点：

22、本发明铌酸锂薄膜型fp腔包括至下而上依次层叠设置的基底层、下包层及波导层，其中，所述波导层包括铌酸锂薄膜平板层以及在薄膜平板层表面凸出设置的波导结构，所述波导结构包括沿第一波导布拉格光栅、第二波导布拉格光栅、第一波导布拉格光栅结构和第二波导布拉格光栅之间形成的中间波导区，以及在中间波导区两侧对称设置电极，所述第一波导布拉格光栅为光能量输入端口，所述第二波导布拉格光栅为光能量输出端口；其中，满足布拉格方程的波长经第一波导布拉格光栅和第二波导布拉格光栅多次反射在中间波导区进行振荡及相干，最终相干光能量经所述光能量输出端口输出形成fp腔的透射光谱；电极上施加电信号并利用中间波导区的电光效应实现透射光谱的频移。本发明铌酸锂薄膜型fp腔具有半波电压低、体积小的优点。

23、此外，本发明铌酸锂薄膜型fp腔可以对特定波长范围进行反射，反射率可以调节，同时该fp腔基于铌酸锂薄膜，可以与芯片其他结构集成，可以实现铌酸锂薄膜平台或与硅光平台进行混合集成等大规模、多功能集成。

24、本发明铌酸锂薄膜型fp腔结构具有广泛的适用性，通过对部分参数进行针对性的设计，可以满足不同混合集成光学材料的设计要求。

25、本发明的其它特征和优点将通过随后的具体实施方式予以详细说明。

技术特征：

1.一种铌酸锂薄膜型fp腔，其特征在于，包括至下而上依次层叠设置的基底层、下包层及波导层，其中，所述波导层包括铌酸锂薄膜平板层以及在薄膜平板层表面凸出设置的波导结构，所述波导结构包括沿x方向设置的第一波导布拉格光栅和第二波导布拉格光栅以及第一波导布拉格光栅结构和第二波导布拉格光栅之间形成的中间波导区，所述第一波导布拉格光栅一侧为光能量输入端口，所述第二波导布拉格光栅一侧为光能量输出端口，在中间波导区沿z方向的两侧对称设置电极；所述x方向和z方向相互垂直；

2.根据权利要求1所述的铌酸锂薄膜型fp腔，其特征在于，所述fp腔还包括在所述波导层表面设置的上包层。

3.根据权利要求1或2所述的铌酸锂薄膜型fp腔，其特征在于，所述波导结构为由铌酸锂材料制成的脊型波导，或者为由氮化硅薄膜材料或二氧化硅薄膜材料制成的加载条形波导。

4.根据权利要求1-3任一项所述的铌酸锂薄膜型fp腔，其特征在于，所述第一波导布拉格光栅和第二波导布拉格光栅包括光栅周期、占空比和光栅周期数的确定，占空比固定选择1：1结构；光栅周期数由成熟fp腔两端反射率通常大于80％；光栅周期由由光栅方程确定，光栅方程如下：

5.根据权利要求1-4任一项所述的铌酸锂薄膜型fp腔，其特征在于，所述下包层的材料为二氧化硅，厚度为1.5-3.5μm；和/或，

6.如权利要求1-5任一项所述的一种铌酸锂薄膜型fp腔的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的铌酸锂薄膜型fp腔的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述成型选自淀积、光刻、显影和刻蚀工艺；

8.根据权利要求6或7所述的铌酸锂薄膜型fp腔的制备方法，其特征在于，所述波导层为铌酸锂材料，中间波导区的宽度选取单模结构，宽度为800-1500nm，厚度为100-600nm；第一波导布拉格光栅结构和第二波导布拉格光栅厚度均为100-600nm。

9.根据权利要求6-8任一项所述的铌酸锂薄膜型fp腔的制备方法，其特征在于，所述方法还包括步骤4)，在波导层上表面制作用于保护所述波导结构的上包层。

10.如权利要求1-5任一项所述铌酸锂薄膜型fp腔或如权利要求6-9任一项所述方法制备的铌酸锂薄膜型fp腔的应用，其特征在于，将所述铌酸锂薄膜型fp腔用于光子芯片。

技术总结
本发明公开了一种铌酸锂薄膜型FP腔及其制备方法﹑应用，包括至下而上依次层叠设置的基底层、下包层及波导层，其中，所述波导层包括铌酸锂薄膜平板层以及在薄膜平板层表面凸出设置的波导结构，所述波导结构包括沿X方向设置的第一波导布拉格光栅和第二波导布拉格光栅以及第一波导布拉格光栅结构和第二波导布拉格光栅之间形成的中间波导区，所述第一波导布拉格光栅一侧为光能量输入端口，所述第二波导布拉格光栅一侧为光能量输出端口，在中间波导区沿Z方向的两侧对称设置电极。本发明将铌酸锂薄膜材料引入FP腔，并制作波导布拉格光栅结构进行反射和透射，这对于在同一芯片上集成更为丰富的功能非常有利。

技术研发人员：王旭阳,王珂珂,杨德伟,韩风阳
受保护的技术使用者：北京世维通科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2025/3/16