[发明专利]混合集成型片上光频梳及其制备方法

说明书

本发明公开了一种混合集成型片上光频梳，包括依次相邻的硅基底、二氧化硅衬底和薄膜铌酸锂，薄膜铌酸锂上异质集成一层氮化硅波导；氮化硅波导包括横跨薄膜铌酸锂上表面的氮化硅直波导，以及位于氮化硅直波导一侧的氮化硅微环；氮化硅微环下方的薄膜铌酸锂为圆周极化薄膜铌酸锂。本发明的片上光频梳结合了周期极化铌酸锂与氮化硅波导的优良特性，避免了直接刻蚀铌酸锂的工艺要求，能够利用铌酸锂的高效非线性，简化工艺的同时保证了器件效能；圆周极化薄膜铌酸锂引入的准相位匹配与氮化硅波导的尺寸设计引入的色散波匹配技术相结合，使得对泵浦波的频率要求突破了单频率的限制，实现可调谐自由光谱范围的微环。

技术领域

本发明属于集成光学领域，涉及一种生物光子学以及光谱分析器件，特别是一种混合集成型片上光频梳及其制备方法。

背景技术

为提高时间标准的高精确度，原子钟技术在不断的进步，作为原子钟的核心技术之一的光频梳也自面世以来便赢得了科研工作者的极大关注。得益于激光源与集成光学技术的高速发展，光频梳的实现方式变得多种多样，利用超短脉冲在器件材料中的非线性特性，光学频率梳能够在从近红外到远紫外的宽光谱区域进行合成。光谱中产生不同的频率还能够高保真的传输到中红外、太赫兹和微波频域，实现不同频域范围内精准测量。种种优势使得光学频率梳被广泛地应用于多种不同的光学、原子、分子和固态系统，包括X射线和阿秒脉冲的产生、场相关过程中的相干控制、分子指纹识别、气体传感、原子钟测试、原子光谱仪的校准以及精确测距等诸多应用方向。基于微谐振器的片上光频梳系统能够实现紧凑尺寸与低损耗的功率要求，并且能够与现有的半导体工艺技术相结合，利用微环结构的高Q值与谐振条件，增长超短脉冲在环中的非线性作用长度，实现超宽的频谱展宽，结合f-2f技术以实现频率测量与计算，是目前实现芯片级光频梳最具可能的实现方法。光学频率梳正向着实现不同光谱区域的覆盖，不同的频率分辨率并具有更小尺寸、功率的和更高集成度的系统方向发展，光学频率梳的进一步发展带来的技术更新将推动紧密光学测量的系统简化与精度持续提升，为未来的光谱分析、通信传输等领域提供重要的技术支持，具有深远的研究价值与意义。

目前片上光频梳的实现需要通过微谐振腔系统内超短脉冲的非线性效应将单频泵浦光展宽为超连续谱，以实现光频梳的谱宽要求，其器件的制备工艺要求较高，对材料和器件结构十分敏感，对泵浦源的选择局限于单频激光器。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结合了周期极化铌酸锂与氮化硅波导的优良特性，避免了直接刻蚀铌酸锂的工艺要求，能够利用铌酸锂的高效非线性，简化工艺的同时保证了器件效能的混合集成型片上光频梳，并提供该片上光频梳的制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：混合集成型片上光频梳，包括依次相邻的硅基底、二氧化硅衬底和薄膜铌酸锂，薄膜铌酸锂上异质集成一层氮化硅波导；

所述氮化硅波导包括横跨薄膜铌酸锂上表面的氮化硅直波导，以及位于氮化硅直波导一侧的氮化硅微环；

氮化硅微环下方的薄膜铌酸锂为圆周极化薄膜铌酸锂。

进一步地，所述氮化硅直波导与氮化硅微环相邻的波导段呈与氮化硅微环的外环平行的弧形。

本发明的另一个目的在于提供一种混合集成型片上光频梳制备方法，包括以下步骤：

S1、在硅基底上生长一层二氧化硅衬底，然后在二氧化硅衬底表面通过晶片键合切割得到薄膜铌酸锂，并对得到的基片进行清洗；

S2、在薄膜铌酸锂上溅射铬阻挡层，在铬阻挡层上旋涂光刻胶，经过标准光刻工艺制备表面圆周极化电极；

S3、施加电压，进行薄膜铌酸锂的圆周极化；

S4、完成薄膜铌酸锂的圆周极化后，通过湿法刻蚀去除圆周极化电极和铬阻挡层；

S5、通过化学气相沉积在薄膜铌酸锂上沉积一层氮化硅薄膜，然后在氮化硅薄膜上溅射一层铬；