[发明专利]一种新型铌酸锂光学波导晶片及其制备方法

说明书

本发明公开了一种新型铌酸锂光学波导晶片，包括：铌酸锂晶片和光学波导，所述铌酸锂晶片为光学级晶体，其晶向为X切Y传或Z切Y传或X切Z传或Y切Z传等四种中的一种，所述光学波导为氧化锌扩散铌酸锂光学波导。另外，还提供了两种铌酸锂光学波导晶片的制备方法。本发明所提出的氧化锌扩散铌酸锂光学波导具有如下优势：(1)能够同时传输TE和TM两种偏振模式，具有比钛扩散光学波导更高的光损伤阈值，更适合应用于需要传输较高光功率的光传输系统；(2)具有较高的光损伤阈值，可以同时传输两种偏振模式，不存在其中一种偏振模式被滤波的现象；(3)制备工艺简单、成品率高、成本低，更适合于批量生产。

技术领域

本发明创造属于光纤传感、光纤通信、微波光子学、量子通信等技术领域，尤其涉及一种新型铌酸锂光学波导晶片及其制备方法。

背景技术

(1)原有技术介绍

铌酸锂光学波导是相位调制器、强度调制器、偏振控制器、非线性波长转换器等铌酸锂集成光学器件的核心部分。目前，铌酸锂光学波导常见的制备方法有钛扩散技术和退火质子交换技术，所形成的钛扩散波导和质子交换波导具有插入损耗低、长期稳定性好、工作波长范围广等特点，在光纤陀螺、光纤电流互感器、高速光通信、相干光通信、微波光子链路、量子通信等领域有着十分广泛的应用。

(2)原有技术存在的问题或缺陷

钛扩散光波导可同时传输TE或TM两种偏振模式，常应用于在光纤电流互感器、相干光通信、量子纠缠光源等需要同时传输两种光学偏振态模式的场合。

但是，钛扩散铌酸锂光学波导的一个主要问题是光功率阈值很低。例如，对于1550nm的连续波激光光束，钛扩散光波导的光功率阈值一般在10mW左右。对于更短的光波长的激光光束，由于激光的功率密度更高，钛扩散铌酸锂光学波导的光折变现象以及由此导致的光损伤问题也更加明显。因此，对于短波长激光光束(如500nm～1100nm)或是需要使用更高光功率的激光光束时，一般需要对钛扩散光学波导晶片进行加热以提高波导晶片的抗光折变性能，例如加热至200℃可以一定程度地提高钛扩散光学波导的光功率阈值。钛扩散光学波导较低的光功率阈值这一缺点则严重地限制了基于钛扩散光学波导的铌酸锂集成光学器件在需要传输较高光功率的系统中的应用。

与钛扩散光学波导相比，采用质子交换技术制备的铌酸锂光学波导则具有较高的光功率阈值，对于1550nm的连续波激光光束一般在100mW以上。但是，质子交换波导属于单偏振型光波导，即只能传输TE或TM偏振态的其中一种。这是因为，质子交换光学波导会使非寻常光的折射率n_e增加，并使寻常光的折射率n_o降低。光学波导的导波原理则是光折射率的局部增加以实现对光波的局部束缚。以X切Y传的铌酸锂晶体为例，只有折射率为n_e的TE模式会沿着光学波导通道传输，而折射率为n_o的TM模式则会泄露出光学波导通道。因此，虽然质子交换光学波导具有更高的光损伤阈值，但其单偏振特性对于需要同时传输两种偏振模式的应用场合来说则无法满足使用需求。

因此，在某些需要同时传输两种偏振态模式的应用场合，为提高钛扩散铌酸锂光学波导的光损伤阈值，现有技术采用以下两种方式：

(1)采用高温热扩散的工艺，将Mg扩散至铌酸锂晶片的表面，在铌酸锂表面形成富含Mg的薄层，再在铌酸锂晶片的表面进行钛扩散，形成双掺杂的钛扩散光学波导；

(2)选择特种铌酸锂晶体，如掺杂有Mg的光学级铌酸锂晶体或近化学计量比的光学级铌酸锂晶体，这些特种铌酸锂晶体具有比同组份的光学级铌酸锂晶体更高的光损伤阈值，并在这些特种铌酸锂晶体上制备钛扩散光学波导。

但是上述两种现有技术方案均存在着制备工艺复杂、制备技术成熟度不高等问题，导致制备成本较高、成品率较低，不能满足批量生产的要求。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，