一种基于x切铌酸锂薄膜的偏振无关反射式光滤波器
阅读说明：本技术 一种基于x切铌酸锂薄膜的偏振无关反射式光滤波器 (Polarization-independent reflective optical filter based on X-cut lithium niobate thin film ) 是由 夏金松 胡畅然 曾成 瞿智成 于 2021-08-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于X切铌酸锂薄膜的偏振无关反射式光滤波器,属于集成光器件技术领域。包括：衬底,其材料为硅；埋氧层,其材料为二氧化硅；铌酸锂脊形波导,位于埋氧层之上；周期性二氧化硅包层,覆盖于脊波导之上。本发明在X切铌酸锂薄膜上加工被二氧化硅包层周期性覆盖的布拉格光栅结构,利用铌酸锂的双折射特性实现偏振无关的反射式光滤波器。其中周期性二氧化硅包层制备步骤具有较大的工艺容差,器件制备仅需两次光刻、无需套刻,制备工艺简单。该器件可以与基于薄膜铌酸锂材料的调制器、谐振器等结构单片集成,构成在光信号处理芯片,在微波光子学和光通讯等领域有较好的应用前景。(The invention discloses a polarization-independent reflective optical filter based on an X-cut lithium niobate thin film, and belongs to the technical field of integrated optical devices. The method comprises the following steps: a substrate, the material of which is silicon; the buried oxide layer is made of silicon dioxide; a lithium niobate ridge waveguide located above the buried oxide layer; and the periodic silicon dioxide cladding layer is covered on the ridge waveguide. The invention processes the Bragg grating structure periodically covered by the silicon dioxide cladding on the X-cut lithium niobate film, and realizes the reflection type optical filter irrelevant to polarization by utilizing the birefringence characteristic of the lithium niobate. The periodic silica cladding preparation steps have larger process tolerance, the device preparation only needs two times of photoetching and does not need alignment, and the preparation process is simple. The device can be monolithically integrated with structures such as a modulator and a resonator based on a thin-film lithium niobate material, is formed in an optical signal processing chip, and has a good application prospect in the fields of microwave photonics, optical communication and the like.)
技术领域
本发明属于集成光器件技术领域，更具体地，涉及一种基于X切铌酸锂薄膜的偏振无关反射式光滤波器。
背景技术
铌酸锂不溶于水且无色透明，属于三方晶系，钛铁矿型(畸变钙钛矿型)，表现出铁电性、一阶、二阶电光效应、压电性、光弹效应、光致双折射效应，光生伏特效应(禁带宽度约4eV)等。铌酸锂晶体具有负双折射效应，n0＝2.30，ne＝2.21(受到化学组分的影响)，且对波长从350nm到5200nm的电磁波透明。铌酸锂晶体具有很大的线形电光系数，适合用于制备低驱动电压、高速电光调制器和光开关。
绝缘层上的铌酸锂薄膜(LNOI，Lithium Niobate on Insulator)引得了学术界和工业界的大量关注。由于其在超高速应用中的潜力，这一平台被视为新一代光子集成平台的重要候选者之一。其中，重要的应用领域即为光学相干通信，相干通信相较传统通信方式而言具有容量大、选择性好、灵敏度高、中继距离长且具有多种调制格式的优势。相干通信系统中，在接收端需要一参考光与信号光发生干涉以此将相位信息转化为幅度信息，从而被探测器提取，然而相干的光信号在经过长距离传输后偏振态往往会发生变化，由纯的TE或TM光变化为混合偏振态，又因为一般而言TE和TM模式在有效折射率和场分布上有所不同，在接收端对这样混合偏振态的信号光做滤波和调制等处理是复杂和困难的。例如，欲在光芯片中对混合偏振态的信号光进行处理，则一般需要偏振分束器(PBS，polarizationbeam splitter)将TE和TM分量分离，在通过偏振转换器对其中一部分光作偏振转换，再将两束偏振态一致的光作合束，最后再对其滤波。
传统的绝缘衬底上的硅(SOI，Silicon-On-Insulator)材料体系没有材料偏振模色散，而仅有波导水平方向和垂直方向上结构的不同带来的结构偏振模色散，因此其模式杂化总是包含高阶模式。为了通过模式杂化实现基本偏振模式的转换，TM0模式(TM基模)首先需要在混合这两种模式的锥形波导中转换为TE1模式(高阶TE模式)，随后再转换为TE0。然而，这个过程通常需要非常规的复杂设计，这引入了额外的制造难度和公差要求。
目前已有一些对LNOI中的偏振调控进行的研究，但它们仅仅是理论上的，不涉及模式杂化。H.-P.Chung等人在Z切LNOI上利用五通道绝热耦合器实现了PBS。然而，对于光开关和调制器应用，X切LNOI通常是一个更好的选择，因为电极的设计可以利用最高的电光系数。需要注意的是，由于铌酸锂的材料偏振模色散，X切LNOI上的波导模式的有效折射率将随着传播方向的变化而变化，所以现阶段在X切LNOI平台上缺乏高性能的PBS，这使得很难对波导中的偏振模式进行处理。
片上偏振无关的光滤波器可以大大减小上述系统的复杂度，利用其对于TE和TM模式偏振无关的特性，可直接对混合偏振态的信号作滤波处理。但是，目前在LNOI平台上缺乏对偏振无关器件的研究。在其他高折射率对比度平台上，插槽波导和亚波长结构等新结构通常用于调控TE和TM偏振模式之间的耦合强度，以实现与偏振无关的耦合，然而这些结构的特征尺寸相当小(间隙宽度约100nm)，这会大大增加制造难度。而LNOI上的波导侧壁的倾斜角通常小于75°，这意味着LNOI上制造超小间隙结构的难度更大。在LNOI上实现易于制造的偏振无关滤波器具有重要的意义。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于X切铌酸锂薄膜的偏振无关反射式光滤波器，其目的在于其目的在于在不依赖套刻的情况下，在铌酸锂薄膜上实现偏振无关反射式光滤波，解决了现有实现方案过于复杂的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于X切铌酸锂薄膜的偏振无关反射式光滤波器，所述滤波器包括：
脊形波导，所述脊形波导的材料为铌酸锂，所述脊形波导中结构偏振模色散与材料偏振模色散相互抵消，其支持的TE和TM基模有效折射率相同；
覆盖于所示脊形波导的包层波导，所述包层波导的材料为氧化硅；
包层波导上制备有周期性结构，所述的周期性结构为光栅。
进一步地，所述脊形波导制备于X切铌酸锂薄膜之上，光波导传播方向沿着铌酸锂晶体的Y方向。
进一步地，所述脊形波导满足单模波导条件，确保其仅支持TE和TM基模。
进一步地，TE模式电场沿Z方向，对应材料折射率低，TM模式电场沿X方向，对应材料折射率高。
进一步地，在不考虑材料偏振模色散的脊波导结构中，TE基模的有效折射率大于TM基模；材料偏振模色散和结构偏振模色散作用相反；以单模波导条件为基点扫描脊形波导的脊宽度与脊高度，找到使两种偏振模色散效应完全抵消的结构参数，从而确保其支持的TE和TM基模有效折射率一致。
进一步地，在Y方向上呈周期性的包层波导沿Z方向覆盖住脊形波导的上方与两侧构成光栅，包层波导厚度大于波导尺寸，光栅周期与滤波器反射峰中心波长的一半为同一数量级。
进一步地，所述包层波导利用CVD生长而成。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明滤波器利用了X切铌酸锂薄膜的材料偏振模色散和脊形波导的结构偏振模色散相反的特点，使两种偏振模色散效应完全抵消，波导支持的TE和TM基模有效折射率一致，实现了对波导中混合偏振态模式的高效处理；
(2)本发明滤波器将偏振无关脊形波导与周期性二氧化硅包层的分布式布拉格光栅结合，实现了片上偏振无关的反射式滤波器，可在相干光通信系统的接收端直接对混合偏振态信号光做滤波处理，无需使用偏振分束器与合束器等结构，有效解决了系统过于复杂的问题。
(3)本发明滤波器的周期性二氧化硅包层制备利用CVD生长而成，具有较大的工艺容差，仅需两次光刻，无需套刻工艺即可进行包层的图形化，大大降低了工艺复杂度。
附图说明
图1为本发明实施例的结构侧图；
图2(a)为本发明中铌酸锂薄膜结构俯视图；
图2(b)为本发明中铌酸锂薄膜结构侧视图；
图2(c)为本发明中铌酸锂薄膜结构截面图；
图3(a)为本发明中的脊波导制作过程俯视图；
图3(b)为本发明中的脊波导制作过程侧视图；
图3(c)为本发明中的脊波导制作过程截面图；
图4(a)为本发明中的二氧化硅包层制作过程俯视图；
图4(b)为本发明中的二氧化硅包层制作过程侧视图；
图4(c)为本发明中的二氧化硅包层制作过程截面图；
图5(a)为本发明中的周期性二氧化硅包层制作过程俯视图；
图5(b)为本发明中的周期性二氧化硅包层制作过程侧视图；
图5(c)为本发明中的周期性二氧化硅包层制作过程截面图，此图表示波导上方有包层的区域；
图5(d)为本发明中的周期性二氧化硅包层制作过程截面图，此图表示波导上方无包层的区域；
图6为本发明实施例一中滤波器截面及关键参数图；
图7为本发明实施例一中滤波器的透射谱；
图8为本发明实施例二中滤波器截面及关键参数图；
图9为本发明实施例二中滤波器的透射谱；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1-脊形波导，2-埋氧层，3-包层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
首先，对本发明涉及的术语进行解释如下：
PECVD：Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，等离子体增强化学的气相沉积法。
ICP：Inductively Coupled Plasm，感应耦合等离子刻蚀机。
RIE：Reactive Ion Etching，反应等离子刻蚀机。
埋氧层：Buried Oxide Layer，两晶圆片之间的绝缘层。
包层：Clad，用于保护器件的覆盖层。
如图1所示，本发明提供了基于X切铌酸锂薄膜的偏振无关反射式光滤波器，该反射式光滤波器包括：
铌酸锂脊形波导1；
位于所述脊波导之下的埋氧层2，
以及位于所述脊波导之上的周期性包层3；
所述铌酸锂脊形波导基于X切铌酸锂薄膜，并沿Y轴传播，利用铌酸锂晶体的双折射特性，以单模波导条件为基点扫描脊形波导的脊宽度与脊高度，找到使两种偏振模色散效应完全抵消的结构参数范围，可实现TE基模和TM基模的有效折射率相同。所述周期性二氧化硅包层周期为亚微米。
该反射式光滤波器的工作过程如下：
TE基模或TM基模沿脊波导传输进入周期性包层区域，包层的周期性对波导进入了折射率周期性的扰动，使得原本正交的模式发生耦合。对于此种分布式布拉格光栅结构，对于特定波长范围内的光，正向传播的基模会与反向传输的基模相耦合，使得特定波长范围内大的光发生反射，而其余波段的光无阻碍的通过滤波器。又因为TE基模和TM基模的两种偏振模色散效应完全抵消，所以有效折射率相同，透射谱和反射谱重叠。从而实现偏振无关的反射式滤波器。
所述的铌酸锂脊形波导的脊宽度足够窄、脊高度足够小，埋氧层和包层折射率足够低，以满足单模波导条件，确保其仅支持TE和TM基模，本发明实施例不做唯一性限定。
所述的反射式光滤波器，以单模波导条件为基点扫描脊形波导的脊宽度与脊高度，找到使两种偏振模色散效应完全抵消的结构参数范围，使得TE和TM基模的有效折射率一致，本发明实施例不做唯一性限定。
本发明还提供了一种上述反射式光滤波器的制备方法，该方法包括以下步骤：
S1.清洗衬底后，在光刻胶上形成脊波导图形，并通过ICP或RIE转移至铌酸锂；
S2.通过PECVD生长二氧化硅；
S3.在光刻胶上形成周期性光栅图形，并通过ICP或RIE转移至二氧化硅包层；
如图2(a)、2(b)和2(c)所示，薄膜铌酸锂下方有二氧化硅埋氧层，其折射率低于铌酸锂，从而实现垂直方向上对于光场的限制作用
如图3(a)、3(b)和3(c)所示，可以通过ICP或者RIE等刻蚀技术制备铌酸锂脊波导。
如图4(a)、4(b)和4(c)所示，可以通过PECVD生长二氧化硅包层。
如图5(a)、5(b)、5(c)和5(d)所示，通过ICP或者RIE等刻蚀技术制作周期性包层，可通过优化刻蚀程序，使得刻蚀二氧化硅时几乎不对铌酸锂发生刻蚀，包层刻槽宽度远大于铌酸锂脊波导宽度，使得此步骤对于图形在平面上的对准精度以及刻蚀深度精度要求都较低，无需套刻。
实施例一：
下面以针对C波段的偏振无关反射式滤波器为例，展示其参数经优化后的滤波。滤波器截面图及关键参数如图6左所示。脊宽度设置为0.74μm，脊高度为0.34μm，总高度为0.7μm，周期为1.24μm，占空比为0.5。图7为滤波器的透射谱,可以发现滤波器对TE光和TM光透射谱线重叠成都较高。此时滤波器对于TE光的消光比为106dB，中心波长为1541nm，半高全宽为4nm，滤波器对于TM光的消光比为85dB，中心波长为1541nm，半高全宽为3.5nm。
实施例二：
下面以针对L波段的偏振无关反射式滤波器为例，展示其参数经优化后的滤波。滤波器截面图及关键参数如图8左所示。脊宽度设置为0.76μm，脊高度为0.36μm，总高度为0.7μm，周期为1.28μm，占空比为0.5。图9为滤波器的透射谱,可以发现滤波器对TE光和TM光透射谱线重叠成都较高。此时滤波器对于TE光的消光比为109dB，中心波长为1578nm，半高全宽为4nm，滤波器对于TM光的消光比为87dB，中心波长为1578nm，半高全宽为3.4nm。
以上内容本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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