低偏振相關(guān)損耗鈮酸鋰直條波導(dǎo)相位調(diào)制器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及低偏振相關(guān)損耗鈮酸鋰直條波導(dǎo)相位調(diào)制器及其制備方法，該調(diào)制器包括鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片和分別耦合粘接在鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片兩端的第一保偏尾纖組件和第二保偏尾纖組件，鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片包括鈮酸鋰襯底、鈦擴(kuò)散波導(dǎo)區(qū)、退火外擴(kuò)散區(qū)和金屬電極，鈮酸鋰襯底采用x切y傳晶片，鈦擴(kuò)散區(qū)域和退火外擴(kuò)散區(qū)位于鈮酸鋰襯底的表層，且退火外擴(kuò)散區(qū)位于鈦擴(kuò)散區(qū)域的兩側(cè)，金屬電極位于退火外擴(kuò)散區(qū)的表面，且正負(fù)電極關(guān)于鈦擴(kuò)散區(qū)域?qū)ΨQ；第一、二保偏尾纖組件均包括第一保偏光纖和第一光纖固定塊，該調(diào)制器同時(shí)實(shí)現(xiàn)器件低插入損耗和低偏振相關(guān)損耗，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)偏振態(tài)的功率均分，有效消除調(diào)制波形失真的情況，提高電光調(diào)制精度。
【專利說(shuō)明】低偏振相關(guān)損耗鈮酸鋰直條波導(dǎo)相位調(diào)制器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鈮酸鋰基集成光學(xué)器件的制備方法，特別是涉及低偏振相關(guān)損耗鈮酸鋰直條波導(dǎo)相位調(diào)制器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]低偏振相關(guān)損耗鈮酸鋰直條波導(dǎo)相位調(diào)制器能夠同時(shí)傳輸TE和TM模、并能同時(shí)對(duì)這兩個(gè)模式的相位進(jìn)行調(diào)制，這一特性使其在光纖傳感領(lǐng)域特別是光纖電流傳感器的研制中備受青睞。利用該器件，可以形成一種簡(jiǎn)單的共線型光纖電流傳感器光路。同其他方光路方案如Sagnac光路方案相比，該方案的光路具有更小的溫度誤差和線振動(dòng)誤差，不存在角振動(dòng)誤差，并且時(shí)間互易性最好。因而采用低偏振相關(guān)損耗鈮酸鋰直條波導(dǎo)相位的調(diào)制器可以使電流傳感器光路結(jié)構(gòu)最大限度的降低光路系統(tǒng)的非互易誤差，有利于提高光纖電流傳感器的精度。
[0003]在光纖電流傳感器等應(yīng)用中，對(duì)器件提出的基本要求是:插入損耗低、并且對(duì)兩個(gè)偏振模具有盡可能相等的傳輸效率即器件的偏振相關(guān)損耗(PDL)低，此外，還要求兩個(gè)偏振模之間偏振串音低，并且在工程應(yīng)用中還要確保其溫度穩(wěn)定性。
[0004]目前波導(dǎo)調(diào)制器中，鈮酸鋰基的波導(dǎo)由于其襯底優(yōu)良的光學(xué)和電光性能占據(jù)了電光調(diào)制器的主導(dǎo)地位。鈮酸鋰基波導(dǎo)調(diào)制器的制備有兩種方案，一種是鈦擴(kuò)散技術(shù)，另一種是質(zhì)子交換技術(shù)。其中質(zhì)子交換技術(shù)增加其非尋常光折射率1、而同時(shí)降低其尋常光折射率n。，因而形成的波導(dǎo)只能承載非尋常偏振態(tài)的模式。而鈦擴(kuò)散技術(shù)能夠同時(shí)增加鈮酸鋰晶體的非尋常光折射率I和尋常光折射率n。，因此要實(shí)現(xiàn)低偏振相關(guān)損耗的鈮酸鋰波導(dǎo)只能采用鈦擴(kuò)散技術(shù)。
[0005]鈮酸鋰上的鈦擴(kuò)散技術(shù)，目前有較多的文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，不過(guò)這些文獻(xiàn)中都是僅利用其一個(gè)偏振模(TE或TM模)，而把另一個(gè)模吸收掉最終形成單偏振工作的器件，因此在器件設(shè)計(jì)和芯片制備中可以對(duì)擬吸收掉的模式不予考慮。當(dāng)器件的兩個(gè)偏振模式都是工作模式時(shí)，器件的設(shè)計(jì)和加工必須同時(shí)兼顧兩個(gè)模式的傳輸特性。然而，由于兩個(gè)偏振模式所對(duì)應(yīng)的折射率不同，并且由鈦擴(kuò)散引起的折射率增量也相差很大，因此要同時(shí)兼顧兩個(gè)模式的傳輸特性就增大了器件的制備難度。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供低偏振相關(guān)損耗鈮酸鋰直條波導(dǎo)相位調(diào)制器，該直條波導(dǎo)相位調(diào)制器同時(shí)實(shí)現(xiàn)器件低插入損耗和低偏振相關(guān)損耗，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)偏振態(tài)的功率均分，能夠有效消除調(diào)制波形失真的情況，提高電光調(diào)制精度。
[0007]本發(fā)明的另外一個(gè)目的在于提供低偏振相關(guān)損耗鈮酸鋰直條波導(dǎo)相位調(diào)制器的制備方法。
[0008]本發(fā)明的上述目的主要是通過(guò)如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的:
[0009]低偏振相關(guān)損耗鈮酸鋰直條波導(dǎo)相位調(diào)制器，包括鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片和分別耦合粘接在鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片兩端的第一保偏尾纖組件和第二保偏尾纖組件，第一保偏尾纖組件為輸入端，第二保偏尾纖組件為輸出端，其中鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片包括鈮酸鋰襯底、鈦擴(kuò)散波導(dǎo)區(qū)、退火外擴(kuò)散區(qū)和金屬電極，鈮酸鋰襯底采用X切y傳晶片，鈦擴(kuò)散區(qū)域和退火外擴(kuò)散區(qū)位于鈮酸鋰襯底的表層，且退火外擴(kuò)散區(qū)位于鈦擴(kuò)散區(qū)域的兩側(cè)，金屬電極位于退火外擴(kuò)散區(qū)的表面，且正負(fù)電極關(guān)于鈦擴(kuò)散區(qū)域?qū)ΨQ；第一保偏尾纖組件包括第一保偏光纖和第一光纖固定塊，第一保偏光纖粘接在第一光纖固定塊表面的第一 V型槽內(nèi)，第二保偏尾纖組件包括第二保偏光纖和第二光纖固定塊，第二保偏光纖粘接在第二光纖固定塊表面的第二 V型槽內(nèi)。
[0010]在上述低偏振相關(guān)損耗鈮酸鋰直條波導(dǎo)相位調(diào)制器中，第一保偏光纖的慢軸與第一 V型槽截面的對(duì)稱軸夾角為45° ;第二保偏光纖的慢軸與第二 V型槽截面的對(duì)稱軸夾角為O。。
[0011]在上述低偏振相關(guān)損耗鈮酸鋰直條波導(dǎo)相位調(diào)制器中，第一光纖固定塊和第二光纖固定塊為長(zhǎng)方形塊體，材質(zhì)為硅晶體，表面的第一 V型槽或第二 V型槽通過(guò)濕法腐蝕形成。
[0012]在上述低偏振相關(guān)損耗鈮酸鋰直條波導(dǎo)相位調(diào)制器中，鈦擴(kuò)散區(qū)域的寬度為4?8微米，厚度為2?6微米。
[0013]在上述低偏振相關(guān)損耗鈮酸鋰直條波導(dǎo)相位調(diào)制器中，退火外擴(kuò)散區(qū)的厚度為2?6微米。
[0014]在上述低偏振相關(guān)損耗鈮酸鋰直條波導(dǎo)相位調(diào)制器中，金屬電極中正負(fù)電極之間的距離為10?20微米。
[0015]低偏振相關(guān)損耗鈮酸鋰直條波導(dǎo)相位調(diào)制器的制備方法，包括鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片的制備過(guò)程和第一保偏尾纖組件、第二保偏尾纖組件與鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片的粘接過(guò)程，
[0016]其中鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片的制備過(guò)程如下:
[0017]第一步，選取X切y傳鈮酸鋰晶片，通過(guò)光刻剝離工藝或濕法腐蝕光刻工藝，結(jié)合鈦膜的生長(zhǎng)，在晶片表面形成鈦膜的直波導(dǎo)圖形；
[0018]第二步，將第一步處理后的晶片放入擴(kuò)散爐中進(jìn)行鈦擴(kuò)散，形成鈮酸鋰上的鈦擴(kuò)散波導(dǎo)區(qū)；
[0019]第三步，對(duì)第二步處理后的晶片在非鈦擴(kuò)散波導(dǎo)區(qū)域進(jìn)行退火外擴(kuò)散處理，形成退火外擴(kuò)散區(qū)；
[0020]第四步，在退火外擴(kuò)散區(qū)表面制備金屬電極，并使金屬電極關(guān)于鈦擴(kuò)散區(qū)域?qū)ΨQ，制備得到鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片；
[0021]其中第一保偏尾纖組件、第二保偏尾纖組件與鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片的粘接過(guò)程如下:
[0022]第五步，將兩個(gè)第二保偏尾纖組件分別裝夾在兩個(gè)六維微調(diào)架上，第四步制備得到鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片裝夾在一個(gè)載片臺(tái)上；
[0023]第六步、將其中一個(gè)第二保偏尾纖組件中的第二保偏光纖6A接入偏振可調(diào)諧光源，另外一個(gè)第二保偏尾纖組件中的第二保偏光纖6B接入光功率計(jì)；
[0024]第七步、調(diào)節(jié)兩個(gè)六維微調(diào)架除沿光纖軸向旋轉(zhuǎn)外的其他五維，使所述兩個(gè)第二保偏光纖6A、6B與鈦擴(kuò)散波導(dǎo)區(qū)對(duì)準(zhǔn)；[0025]第八步、將第二保偏光纖6B從光功率計(jì)取下后接入消光比測(cè)試儀，同時(shí)微調(diào)兩根第二保偏光纖6A、6B的軸向旋轉(zhuǎn)，每微調(diào)一次軸向旋轉(zhuǎn)，讀取一次消光比數(shù)據(jù)，讀取消光比數(shù)據(jù)的方法為:旋轉(zhuǎn)偏振可調(diào)諧光源的偏振態(tài)一周，略去消光比測(cè)試儀示數(shù)前面的符號(hào)，觀察消光比測(cè)試儀上依次出現(xiàn)的四個(gè)極大值，所述四個(gè)極大值作為消光比測(cè)量值的絕對(duì)值；
[0026]第九步、重復(fù)第八步，直到測(cè)得的四個(gè)消光比數(shù)據(jù)的絕對(duì)值達(dá)到最大；
[0027]第十步、保持第二保偏光纖6A、6B的軸向旋轉(zhuǎn)不動(dòng)，將第二保偏光纖6B從消光比測(cè)試儀取下后接入光功率計(jì)，調(diào)節(jié)第二保偏光纖6A、6B的其他五維，直到探測(cè)到的光功率最大；
[0028]第十一步、在第二保偏光纖6B的端面點(diǎn)紫外膠，并再次調(diào)節(jié)第二保偏光纖6B除軸向旋轉(zhuǎn)外的其他五維，直到探測(cè)到的光功率最大；
[0029]第十二步、對(duì)紫外膠進(jìn)行曝光固化，完成第二保偏光纖6B與載片臺(tái)上鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片一端的耦合連接；
[0030]第十三步、將第二保偏光纖6A從六維微調(diào)架上取下，將第一保偏光纖組件裝在所述六維微調(diào)架上；
[0031]第十四步、將第一保偏光纖組件中的第一保偏光纖接入低偏振寬譜光源，將第二保偏光纖6B接入光功率計(jì)；
[0032]第十五步、調(diào)節(jié)第一保偏光纖除軸向旋轉(zhuǎn)外的其他五維，使第一保偏光纖與鈦擴(kuò)散區(qū)域?qū)?zhǔn)；
[0033]第十六步、將第二保偏光纖6B從光功率計(jì)取下后入消光比測(cè)試儀，微調(diào)裝有第一保偏光纖組件的六維微調(diào)架，直到消光比測(cè)試儀測(cè)出的功率最大，消光比最??；
[0034]第十七步、在第一保偏光纖的端面點(diǎn)紫外膠，對(duì)紫外膠進(jìn)行曝光固化，完成第一保偏光纖與載片臺(tái)上鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片另一端的耦合連接。
[0035]在上述低偏振相關(guān)損耗鈮酸鋰直條波導(dǎo)相位調(diào)制器的制備方法中，第三步對(duì)晶片在非鈦擴(kuò)散波導(dǎo)區(qū)域進(jìn)行退火外擴(kuò)散處理，形成退火外擴(kuò)散區(qū)的具體步驟如下:
[0036](I)、將第二步處理后的晶片進(jìn)行清洗，在晶片表面形成與第一步中形成的鈦擴(kuò)散區(qū)域完全重合的二氧化硅圖形，即二氧化硅完全覆蓋鈦擴(kuò)散波導(dǎo)區(qū)域；
[0037](2)、將晶片放入退火爐中，在通氧的條件下進(jìn)行退火，形成退火外擴(kuò)散區(qū)。
[0038]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是:
[0039](I)本發(fā)明中鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片在鈦擴(kuò)散波導(dǎo)區(qū)外引入一個(gè)退火外擴(kuò)散區(qū)，可以最大可能減少波導(dǎo)兩個(gè)模式折射率增量之間的差別，實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)的TE模和TM模具有大致相等的光斑尺寸，兩個(gè)模式具有與光纖大致相等的耦合效率，因而器件具有較小的偏振相關(guān)損耗(I3DL)；
[0040](2)采用本發(fā)明制備方法制備的調(diào)制器的輸入的第一保偏尾纖5的慢軸與鈮酸鋰晶體的晶軸成約45°對(duì)準(zhǔn)，能夠保證整個(gè)器件實(shí)現(xiàn)最小的偏振相關(guān)損耗，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)偏振模式的功率均分；
[0041](3)采用調(diào)制金屬電極直接制備在鈮酸鋰晶體表面的結(jié)構(gòu)，能夠有效減小調(diào)制波形的畸變，提高電光調(diào)制效率和調(diào)制精度。
[0042](4)本發(fā)明鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片制備方法中，在鈦擴(kuò)散工藝結(jié)束后再進(jìn)行退火外擴(kuò)散工藝過(guò)程，由于退火外擴(kuò)散過(guò)程相比鈦擴(kuò)散過(guò)程的溫度要低得多，因此退火外擴(kuò)散工藝不會(huì)影響鈦擴(kuò)散區(qū)的折射率分布；此外，鈦擴(kuò)散工藝和退火外擴(kuò)散工藝均為相對(duì)成熟的工藝，并且退火外擴(kuò)散工藝只改變非尋常光折射率，因此器件芯片實(shí)現(xiàn)過(guò)程較為容易；
[0043](5)本發(fā)明鈮酸鋰直條波導(dǎo)在鈦擴(kuò)散波導(dǎo)區(qū)外設(shè)計(jì)了退火外擴(kuò)散區(qū)，這樣設(shè)計(jì)的器件芯片能同時(shí)實(shí)現(xiàn)器件低插入損耗和低偏振相關(guān)損耗；在其光纖與波導(dǎo)芯片的耦合對(duì)接方式上，特別明確了光纖軸向與晶體晶向、光纖軸向與光纖固定塊之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而能夠進(jìn)一步降低器件的偏振相關(guān)損耗，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)偏振態(tài)的功率均分。通過(guò)將調(diào)制電極直接制備在銀酸裡晶體上能夠有效消除調(diào)制波形失真的情況，提聞電光調(diào)制精度；
[0044](6)本發(fā)明在鈮酸鋰直條波導(dǎo)的制備過(guò)程中，對(duì)光纖與芯片的耦合對(duì)接方法進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，尤其實(shí)現(xiàn)了光纖軸向與晶體晶向的對(duì)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)偏振態(tài)功率的均分。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0045]圖1為本發(fā)明中鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片結(jié)構(gòu)示意圖。
[0046]圖2為本發(fā)明低偏振相關(guān)損耗鈮酸鋰直波導(dǎo)相位調(diào)制器的芯片橫截面示意圖(X切I傳晶體)。
[0047]圖3為本發(fā)明中帶有V型槽的光纖固定塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0048]圖4為本發(fā)明中第一、第二保偏光纖組件結(jié)構(gòu)示意圖，其中4a為第一保偏光纖組件，4b為第二保偏光纖組件。
[0049]圖5為本發(fā)明針對(duì)鈮酸鋰晶體芯片的光纖與固定塊拋光后的狀態(tài)示意圖；
[0050]圖6為本發(fā)明針對(duì)鈮酸鋰晶體芯片的光纖與固定塊拋光后的狀態(tài)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0051]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述:
[0052]本發(fā)明低偏振相關(guān)損耗鈮酸鋰直條波導(dǎo)相位調(diào)制器包括鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片和分別耦合在鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片兩端的第一保偏尾纖組件和第二保偏尾纖組件，其中第一保偏尾纖組件和第二保偏尾纖組件各粘接在鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片的一端，且第一保偏尾纖組件為輸入端，第二保偏尾纖組件為輸出端。鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片和第一保偏尾纖組件和第二保偏尾纖組件被封裝在管殼內(nèi)，第一保偏尾纖組件中的第一保偏光纖(5)和第二保偏尾纖組件中的第二保偏光纖(6 )伸出殼外，便于與其他光纖器件的連接。
[0053]如圖1所示為本發(fā)明中鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片結(jié)構(gòu)示意圖，圖2所示為本發(fā)明低偏振相關(guān)損耗鈮酸鋰直波導(dǎo)相位調(diào)制器的芯片橫截面示意圖(X切y傳晶體)，如圖所示鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片包括鈮酸鋰襯底1、鈦擴(kuò)散波導(dǎo)區(qū)2、退火外擴(kuò)散區(qū)3和金屬電極4，鈮酸鋰襯底I采用X切y傳晶片，鈦擴(kuò)散區(qū)域2和退火外擴(kuò)散區(qū)3位于鈮酸鋰襯底I的表層，且退火外擴(kuò)散區(qū)3位于鈦擴(kuò)散區(qū)域2的兩側(cè)，金屬電極4位于退火外擴(kuò)散區(qū)3的表面，正負(fù)極位于鈦擴(kuò)散波導(dǎo)區(qū)2的兩側(cè)，位置關(guān)于鈦擴(kuò)散區(qū)域2對(duì)稱。其中鈦擴(kuò)散區(qū)域2的寬度為4?8微米，厚度為2?6微米；退火外擴(kuò)散區(qū)3的厚度為2?6微米；金屬電極4中正負(fù)電極的間隙為10?20微米。
[0054]如圖3所示為本發(fā)明中帶有V型槽的光纖固定塊的結(jié)構(gòu)示意圖，圖4所示為本發(fā)明中第一、第二保偏光纖組件結(jié)構(gòu)不意圖，其中4a為第一保偏光纖組件,4b為第二保偏光纖組件，由圖可知第一保偏尾纖組件包括第一保偏光纖5和第一光纖固定塊7,第一保偏光纖5粘接在第一光纖固定塊7表面的第一 V型槽8內(nèi)，第二保偏尾纖組件包括第二保偏光纖6和第二光纖固定塊7’，第二保偏光纖6粘接在第二光纖固定塊I’表面的第二 V型槽8’內(nèi)。如圖4a所示第一保偏光纖5的慢軸與第一 V型槽8截面的對(duì)稱軸夾角為45° ;如圖4b所示第二保偏光纖6的慢軸與第二 V型槽8’截面的對(duì)稱軸夾角為0°，且第二保偏光纖6的慢軸與鈮酸鋰晶體的z軸相互垂直。
[0055]第一光纖固定塊7和第二光纖固定塊7’均為長(zhǎng)方形塊體,材質(zhì)為娃晶體,表面的第一 V型槽8和第二 V型槽8’通過(guò)濕法腐蝕形成。
[0056]本發(fā)明的原理如下:
[0057]波導(dǎo)器件的波導(dǎo)與光纖之間的耦合損耗是波導(dǎo)器件損耗的重要構(gòu)成部分，只有降低耦合損耗才能確保器件具有低的插入損耗。當(dāng)波導(dǎo)的模斑尺寸與尾纖的模斑尺寸一致時(shí)，波導(dǎo)具有最低的耦合損耗，因此，調(diào)整波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)，使波導(dǎo)模斑尺寸接近于光纖的模斑尺寸是器件設(shè)計(jì)和工藝制備的目標(biāo)之一。
[0058]在鈮酸鋰的波導(dǎo)制備工藝中，鈦擴(kuò)散技術(shù)能夠同時(shí)改變鈮酸鋰晶體的非尋常光折射率和尋常光折射率n。，但在常用的1.31um和1.55um波段，其非尋常光折射率增量Ane均大于尋常光的折射率An。，這種差異一般都會(huì)達(dá)到或超過(guò)2倍。因此對(duì)于兩個(gè)偏振模而言，其波導(dǎo)的歸一化厚度具有很大的差異，必然造成n。對(duì)應(yīng)的偏振模接近單模截止，對(duì)應(yīng)的偏振模遠(yuǎn)離單模截止甚至達(dá)到多模區(qū)，前者的光斑尺寸會(huì)遠(yuǎn)大于后者。當(dāng)其中的一個(gè)接近光纖光斑時(shí)，另一個(gè)偏振模的光斑則會(huì)遠(yuǎn)離光斑，因而影響的整體損耗和F1DLtj雖然可以以降低器件的PDL為目標(biāo)，調(diào)整擴(kuò)散參數(shù)使兩個(gè)偏振模的光斑一個(gè)大于光纖光斑，一個(gè)小于光纖光斑而使兩個(gè)偏振模對(duì)光纖具有近似相等的耦合效率，從而降低TOL，但很顯然，器件的插入損耗并不是最低的狀態(tài)。此外，在這種狀態(tài)下所對(duì)應(yīng)的偏振模往往已經(jīng)進(jìn)入多模區(qū)，器件性能的溫度穩(wěn)定性會(huì)明顯降低。因此，僅通過(guò)鈦擴(kuò)散工藝實(shí)現(xiàn)低插入損耗、低TOL以及性能的溫度穩(wěn)定性是很困難的。
[0059]退火外擴(kuò)散技術(shù)與鈦擴(kuò)散技術(shù)的結(jié)合為改變上述情況提供了途徑。退火外擴(kuò)散技術(shù)的特點(diǎn)是:在高溫條件下退火，實(shí)現(xiàn)Li2O的外擴(kuò)散，這只增大鈮酸鋰的非尋常光折射率而其尋常光折射率n。不變。如果將退火外擴(kuò)散過(guò)程局限于非鈦擴(kuò)散波導(dǎo)區(qū)域，則對(duì)鈦擴(kuò)散波導(dǎo)區(qū)域而言，其非尋常光相對(duì)周邊區(qū)域的折射率增量被減少，而尋常光的折射率增量相對(duì)周邊區(qū)域不變。通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)退火外擴(kuò)散的工藝參數(shù)，兩種偏振模所對(duì)應(yīng)的相對(duì)折射率增量將趨于一致，進(jìn)而兩個(gè)偏振模的歸一化結(jié)構(gòu)參數(shù)也趨于一致，兩個(gè)模式能夠在同時(shí)確保單模狀態(tài)下光斑趨于一致并且與光纖光斑相匹配。從而達(dá)到低損耗、低roL，同時(shí)又能保證插入損耗的溫度穩(wěn)定性。
[0060]在波導(dǎo)芯片與保偏尾纖耦合過(guò)程中，如果光源的譜寬較窄，相干長(zhǎng)度較長(zhǎng)，當(dāng)器件的兩個(gè)偏振模的光程差小于光源的相干長(zhǎng)度時(shí)，兩個(gè)偏振模式必然會(huì)產(chǎn)生干涉，影響器件偏振串音的測(cè)試準(zhǔn)確性。因此在耦合過(guò)程中必須采用譜寬較寬的低相干光源進(jìn)行信號(hào)監(jiān)測(cè)，特別是偏振串音信號(hào)的檢測(cè)，以確保保偏尾纖的應(yīng)力軸與芯片的兩個(gè)偏振方向之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
[0061]本發(fā)明低偏振相關(guān)損耗鈮酸鋰直條波導(dǎo)相位調(diào)制器的制備過(guò)程包括鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片的制備過(guò)程和第一保偏尾纖組件、第二保偏尾纖組件與鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片的粘接過(guò)程。[0062]其中鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片的制備過(guò)程如下:
[0063](I)選取X切y傳晶片，通過(guò)光刻剝離工藝或濕法腐蝕光刻工藝，在晶片表面形成寬度為4?8 ii m、厚度為60?85nm的鈦膜直波導(dǎo)圖形,鈦條的長(zhǎng)度方向沿著晶體的y方向。
[0064](2)將上述晶片放入擴(kuò)散爐中，同時(shí)在擴(kuò)散爐中通入濕氧，濕氧的流量為1-2升/分鐘；在1050°C的高溫下進(jìn)行鈦擴(kuò)散，擴(kuò)散時(shí)間為3?5小時(shí)；形成鈮酸鋰上的鈦擴(kuò)散波導(dǎo)區(qū)⑵。
[0065](3)將晶片進(jìn)行清洗，然后再通過(guò)光刻剝離工藝或濕法腐蝕光刻工藝，結(jié)合PECVD法二氧化硅的生長(zhǎng)，在晶片表面形成與第一步中形成的鈦擴(kuò)散區(qū)域(2)完全重合的二氧化硅圖形，即二氧化硅完全覆蓋鈦擴(kuò)散波導(dǎo)區(qū)域(2)，二氧化硅條與步驟(I)中鈦條需要嚴(yán)格套準(zhǔn)，并且寬度相同，二氧化硅的厚度為IOOnm?200nm ；
[0066](4)將晶片放入退火爐中，通入2-4升/分鐘的干氧，在340°C?360°C的高溫下退火外擴(kuò)散5?8小時(shí)；
[0067](5)通過(guò)光刻、鍍膜以及電鍍等工藝在晶片表面形成與鈦條波導(dǎo)嚴(yán)格套準(zhǔn)Ti/Au電極圖形；
[0068](6)將晶片進(jìn)行切割，清洗后還要在芯片兩端各粘接一個(gè)小陪片9，然后連同小陪片沿10°角的方向進(jìn)行研磨拋光，最終形成銳角為80°的平行四邊形器件芯片(見(jiàn)圖1)。
[0069]制備完鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片后需要將芯片與第一保偏尾纖組件和第二保偏尾纖組件進(jìn)行耦合連接，耦合連接過(guò)程中需要使用設(shè)備有:兩個(gè)六維微調(diào)架、載片臺(tái)、偏振可調(diào)諧光源、低偏振寬譜光源、消光比測(cè)試儀、光功率計(jì)。載片臺(tái)主要用來(lái)固定芯片，兩個(gè)六維微調(diào)架用來(lái)裝夾光纖并能調(diào)節(jié)光纖的位置使其與芯片對(duì)準(zhǔn)，偏振可調(diào)諧光源提供對(duì)準(zhǔn)檢測(cè)用的信號(hào)源，消光比測(cè)試儀用來(lái)監(jiān)測(cè)消光比信號(hào)以確定光纖的軸向與芯片的晶軸對(duì)準(zhǔn)，光功率計(jì)主要用來(lái)檢測(cè)光功率信號(hào)以確定光纖是否與芯片對(duì)準(zhǔn)。
[0070]其中第一保偏尾纖組件、第二保偏尾纖組件與鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片的粘接過(guò)程如下:
[0071](I)、將兩個(gè)第二保偏尾纖組件分別裝夾在兩個(gè)六維微調(diào)架上，第四步制備得到鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片裝夾在一個(gè)載片臺(tái)上；
[0072](2)、將其中一個(gè)第二保偏尾纖組件中的第二保偏光纖6A接入偏振可調(diào)諧光源，另外一個(gè)第二保偏尾纖組件中的第二保偏光纖6B接入光功率計(jì)；
[0073](3)、調(diào)節(jié)兩個(gè)六維微調(diào)架除沿光纖軸向旋轉(zhuǎn)外的其他五維，使所述兩個(gè)第二保偏光纖6A、6B與鈦擴(kuò)散波導(dǎo)區(qū)2對(duì)準(zhǔn)；
[0074](4)、將第二保偏光纖6B從光功率計(jì)取下后接入消光比測(cè)試儀，同時(shí)微調(diào)兩根第二保偏光纖6A、6B的軸向旋轉(zhuǎn)，每微調(diào)一次軸向旋轉(zhuǎn)，讀取一次消光比數(shù)據(jù)，讀取消光比數(shù)據(jù)的方法為:旋轉(zhuǎn)偏振可調(diào)諧光源的偏振態(tài)一周，略去消光比測(cè)試儀示數(shù)前面的符號(hào)，觀察消光比測(cè)試儀上依次出現(xiàn)的四個(gè)極大值，所述四個(gè)極大值作為消光比測(cè)量值的絕對(duì)值；
[0075](5 )、重復(fù)第八步，直到測(cè)得的四個(gè)消光比數(shù)據(jù)的絕對(duì)值達(dá)到最大；
[0076](6)、保持第二保偏光纖6A、6B的軸向旋轉(zhuǎn)不動(dòng),將第二保偏光纖6B從消光比測(cè)試儀取下后接入光功率計(jì)，調(diào)節(jié)第二保偏光纖(6A、6B)的其他五維，直到探測(cè)到的光功率最大；[0077](7)、在第二保偏光纖6B的端面點(diǎn)紫外膠，并再次調(diào)節(jié)第二保偏光纖6B除軸向旋轉(zhuǎn)外的其他五維，直到探測(cè)到的光功率最大；
[0078](8)、對(duì)紫外膠進(jìn)行曝光固化，完成第二保偏光纖6B與載片臺(tái)上鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片一端的耦合連接；
[0079](9)、將第二保偏光纖6A從六維微調(diào)架上取下，將第一保偏光纖組件裝在所述六維微調(diào)架上；
[0080]( 10)、將第一保偏光纖組件中的第一保偏光纖5接入低偏振寬譜光源,將第二保偏光纖6B接入光功率計(jì)；
[0081](11)、調(diào)節(jié)第一保偏光纖5除軸向旋轉(zhuǎn)外的其他五維,使第一保偏光纖5與鈦擴(kuò)散區(qū)域2對(duì)準(zhǔn)；
[0082](12)、將第二保偏光纖6B從光功率計(jì)取下后入消光比測(cè)試儀，微調(diào)裝有第一保偏光纖組件的六維微調(diào)架，直到消光比測(cè)試儀測(cè)出的功率最大，消光比最小；
[0083](13)、在第一保偏光纖5的端面點(diǎn)紫外膠，對(duì)紫外膠進(jìn)行曝光固化，完成第一保偏光纖5與載片臺(tái)上鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片另一端的耦合連接。
[0084]本發(fā)明中芯片與光纖的具體連接耦合方法的核心要求是器件輸入保偏光纖的慢軸與鈮酸鋰晶體的晶軸成約45°夾角，輸出保偏光纖的慢軸與鈮酸鋰晶體的晶軸相互垂直，保偏尾纖的準(zhǔn)備、處理過(guò)程如下:
[0085](I)、在硅片上通過(guò)氧化、光刻、腐蝕等方法，形成一系列V型槽，針對(duì)裸纖直徑為125 um的保偏尾纖而言，V型槽的上口寬度應(yīng)為170 ii m?200 ii m，其深度應(yīng)確保光纖放入后V型槽的兩側(cè)壁與光纖相切接觸，然后通過(guò)劃切，形成帶有V型槽8、8’的光纖固定塊7、7’。(見(jiàn)圖 3)。
[0086](2)、將保偏光纖的一端去除涂覆層，然后將露出的裸纖粘接在一個(gè)光纖固定塊7、V表面的V型槽8、8’內(nèi)，粘接固化前通過(guò)觀察光纖端面的應(yīng)力區(qū)，確保光纖的慢軸與V型槽截面的對(duì)稱軸成45°夾角(見(jiàn)圖4a)或是重合(見(jiàn)圖4b)。
[0087](3)、把光纖連同光纖固定塊7、7’ 一起按15°角的方向進(jìn)行磨拋，最終形成的光纖示意如圖5和圖6所示，如圖5所示為本發(fā)明針對(duì)鈮酸鋰晶體芯片的光纖與固定塊拋光后的狀態(tài)示意圖，如圖6所示為本發(fā)明針對(duì)鈮酸鋰晶體芯片的光纖與固定塊拋光后的狀態(tài)示意圖。
[0088]以上所述，僅為本發(fā)明最佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0089]本發(fā)明說(shuō)明書(shū)中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員的公知技術(shù)。
【權(quán)利要求】
1.低偏振相關(guān)損耗鈮酸鋰直條波導(dǎo)相位調(diào)制器，其特征在于:包括鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片和分別耦合粘接在鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片兩端的第一保偏尾纖組件和第二保偏尾纖組件，第一保偏尾纖組件為輸入端，第二保偏尾纖組件為輸出端，其中鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片包括鈮酸鋰襯底(I)、鈦擴(kuò)散波導(dǎo)區(qū)(2)、退火外擴(kuò)散區(qū)(3)和金屬電極(4)，鈮酸鋰襯底(I)采用X切y傳晶片，鈦擴(kuò)散區(qū)域(2)和退火外擴(kuò)散區(qū)(3)位于鈮酸鋰襯底(I)的表層，且退火外擴(kuò)散區(qū)(3)位于鈦擴(kuò)散區(qū)域(2)的兩側(cè)，金屬電極(4)位于退火外擴(kuò)散區(qū)(3)的表面，且正負(fù)電極關(guān)于鈦擴(kuò)散區(qū)域(2)對(duì)稱；第一保偏尾纖組件包括第一保偏光纖(5)和第一光纖固定塊(7),第一保偏光纖(5)粘接在第一光纖固定塊(7)表面的第一 V型槽(8)內(nèi)，第二保偏尾纖組件包括第二保偏光纖(6)和第二光纖固定塊(7’)，第二保偏光纖(6)粘接在第二光纖固定塊(7’)表面的第二 V型槽(8’)內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低偏振相關(guān)損耗鈮酸鋰直條波導(dǎo)相位調(diào)制器，其特征在于:所述第一保偏光纖(5)的慢軸與第一 V型槽(8)截面的對(duì)稱軸夾角為45° ;所述第二保偏光纖(6)的慢軸與第二 V型槽(8’)截面的對(duì)稱軸夾角為0°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低偏振相關(guān)損耗鈮酸鋰直條波導(dǎo)相位調(diào)制器，其特征在于:所述第一光纖固定塊(7)和第二光纖固定塊(7’)為長(zhǎng)方形塊體，材質(zhì)為硅晶體，表面的第一 V型槽(8)或第二 V型槽(8’)通過(guò)濕法腐蝕形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低偏振相關(guān)損耗鈮酸鋰直條波導(dǎo)相位調(diào)制器，其特征在于:所述鈦擴(kuò)散區(qū)域(2)的寬度為4~8微米，厚度為2~6微米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低偏振相關(guān)損耗鈮酸鋰直條波導(dǎo)相位調(diào)制器，其特征在于:所述退火外擴(kuò)散區(qū)(3)的厚度為2~6微米。
6.根據(jù)權(quán) 利要求1所述的低偏振相關(guān)損耗鈮酸鋰直條波導(dǎo)相位調(diào)制器，其特征在于:所述金屬電極(4)中正負(fù)電極之間的距離為10~20微米。
7.權(quán)利要求1所述的低偏振相關(guān)損耗鈮酸鋰直條波導(dǎo)相位調(diào)制器的制備方法，其特征在于:包括鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片的制備過(guò)程和第一保偏尾纖組件、第二保偏尾纖組件與鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片的粘接過(guò)程， 其中鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片的制備過(guò)程如下: 第一步，選取X切y傳鈮酸鋰晶片，通過(guò)光刻剝離工藝或濕法腐蝕光刻工藝，結(jié)合鈦膜的生長(zhǎng)，在晶片表面形成鈦膜的直波導(dǎo)圖形； 第二步，將第一步處理后的晶片放入擴(kuò)散爐中進(jìn)行鈦擴(kuò)散，形成鈮酸鋰上的鈦擴(kuò)散波導(dǎo)區(qū)(2); 第三步，對(duì)第二步處理后的晶片在非鈦擴(kuò)散波導(dǎo)區(qū)域進(jìn)行退火外擴(kuò)散處理，形成退火外擴(kuò)散區(qū)(3); 第四步，在退火外擴(kuò)散區(qū)(3)表面制備金屬電極(4)，并使金屬電極(4)關(guān)于鈦擴(kuò)散區(qū)域(2)對(duì)稱，制備得到鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片； 其中第一保偏尾纖組件、第二保偏尾纖組件與鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片的粘接過(guò)程如下: 第五步，將兩個(gè)第二保偏尾纖組件分別裝夾在兩個(gè)六維微調(diào)架上，第四步制備得到鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片裝夾在一個(gè)載片臺(tái)上； 第六步、將其中一個(gè)第二保偏尾纖組件中的第二保偏光纖(6A)接入偏振可調(diào)諧光源，另外一個(gè)第二保偏尾纖組件中的第二保偏光纖(6B)接入光功率計(jì)；第七步、調(diào)節(jié)兩個(gè)六維微調(diào)架除沿光纖軸向旋轉(zhuǎn)外的其他五維，使所述兩個(gè)第二保偏光纖(6A、6B)與鈦擴(kuò)散波導(dǎo)區(qū)(2)對(duì)準(zhǔn)； 第八步、將第二保偏光纖(6B)從光功率計(jì)取下后接入消光比測(cè)試儀，同時(shí)微調(diào)兩根第二保偏光纖(6A、6B)的軸向旋轉(zhuǎn)，每微調(diào)一次軸向旋轉(zhuǎn)，讀取一次消光比數(shù)據(jù)，讀取消光比數(shù)據(jù)的方法為:旋轉(zhuǎn)偏振可調(diào)諧光源的偏振態(tài)一周，觀察消光比測(cè)試儀上依次出現(xiàn)的四個(gè)極大值，所述四個(gè)極大值作為消光比測(cè)量值的絕對(duì)值； 第九步、重復(fù)第八步，直到測(cè)得的四個(gè)消光比數(shù)據(jù)的絕對(duì)值達(dá)到最大； 第十步、保持第二保偏光纖(6A、6B)的軸向旋轉(zhuǎn)不動(dòng),將第二保偏光纖(6B)從消光比測(cè)試儀取下后接入光功率計(jì)，調(diào)節(jié)第二保偏光纖(6A、6B)的其他五維，直到探測(cè)到的光功率最大； 第十一步、在第二保偏光纖(6B)的端面點(diǎn)紫外膠，并再次調(diào)節(jié)第二保偏光纖(6B)除軸向旋轉(zhuǎn)外的其他五維，直到探測(cè)到的光功率最大； 第十二步、對(duì)紫外膠進(jìn)行曝光固化，完成第二保偏光纖(6B)與載片臺(tái)上鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片一端的耦合連接； 第十三步、將第二保偏光纖(6A)從六維微調(diào)架上取下，將第一保偏光纖組件裝在所述六維微調(diào)架上； 第十四步、將第一保偏光纖組件中的第一保偏光纖(5)接入低偏振寬譜光源，將第二保偏光纖(6B)接入光功率計(jì)； 第十五步、調(diào)節(jié)第一保偏光纖(5)除軸向旋轉(zhuǎn)外的其他五維，使第一保偏光纖(5)與鈦擴(kuò)散區(qū)域(2)對(duì)準(zhǔn)；` 第十六步、將第二保偏光纖(6B)從光功率計(jì)取下后入消光比測(cè)試儀，微調(diào)裝有第一保偏光纖組件的六維微調(diào)架，直到消光比測(cè)試儀測(cè)出的功率最大，消光比最??； 第十七步、在第一保偏光纖(5)的端面點(diǎn)紫外膠，對(duì)紫外膠進(jìn)行曝光固化，完成第一保偏光纖(5)與載片臺(tái)上鈮酸鋰光波導(dǎo)芯片另一端的耦合連接。
8.權(quán)利要求7所述的低偏振相關(guān)損耗鈮酸鋰直條波導(dǎo)相位調(diào)制器的制備方法，其特征在于:所述第三步對(duì)晶片在非鈦擴(kuò)散波導(dǎo)區(qū)域進(jìn)行退火外擴(kuò)散處理，形成退火外擴(kuò)散區(qū)(3)的具體步驟如下: (1)、將第二步處理后的晶片進(jìn)行清洗，在晶片表面形成與第一步中形成的鈦擴(kuò)散區(qū)域(2)完全重合的二氧化硅圖形，即二氧化硅完全覆蓋鈦擴(kuò)散波導(dǎo)區(qū)域(2)； (2)、將晶片放入退火爐中，在通氧的條件下進(jìn)行退火，形成退火外擴(kuò)散區(qū)(3)。
【文檔編號(hào)】G02F1/035GK103676219SQ201310714376
【公開(kāi)日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年12月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月20日
【發(fā)明者】鄭國(guó)康, 夏君磊, 劉福民, 黃韜, 汪飛琴, 關(guān)濤 申請(qǐng)人:北京航天時(shí)代光電科技有限公司