[发明专利]一种低损耗铌酸锂波导及其制备方法

说明书

本发明涉及集成光电子学技术领域，尤其涉及一种低损耗铌酸锂波导及其制备方法。低损耗铌酸锂波导包括从下至上依次设置的衬底层、埋氧层、铌酸锂波导层、包覆层和上包层，包覆层包覆于铌酸锂波导层，上包层包覆于包覆层；包覆层的折射率等于铌酸锂波导层的折射率；低损耗铌酸锂波导以衬底层、埋氧层和铌酸锂波导层形成的LNOI基本结构为平台，在铌酸锂波导层上沉积包覆层，能够有效填充和修复LiNbOsubgt;3/subgt;波导表面和侧壁的起伏，芯层LiNbOsubgt;3/subgt;晶格结构未受破坏，同时设计包覆层的折射率等于铌酸锂波导层的折射率以及控制包覆层的厚度，可以保证大部分光在LiNbOsubgt;3/subgt;波导中正常传播，显著降低因波导表面和侧壁粗糙度带来的散射损耗。

技术领域

本发明涉及集成光电子学技术领域，尤其涉及一种低损耗铌酸锂波导及其制备方法。

背景技术

铌酸锂LiNbO₃是集成光学中常用的光波导介质，其电光系数非常高，是非常好的非线性材料，可以较高效率地进行频率转换，所以基于它的调制器应用很广。近些年来，Smart Cut技术作为制作高折射率差单晶LiNbO₃薄膜的主流方案，利用He离子注入技术和晶圆键合技术，使单晶态LiNbO₃薄膜与沉积在LN衬底上的SiO₂层相结合，制备出自上而下依次为LiNbO₃薄膜层、SiO₂层、LN衬底的LNOI基本结构。同时，LNOI具有较高的折射率差，能够严格限制光束在波导中的传播，所以成为了继SOI后又一备受关注的理想集成光学平台。

目前，LNOI上已成功制作出了多模干涉耦合器、马赫增德尔调制器、微环谐振器以及Y型分束器等光器件；随着薄膜LiNbO₃制备工艺的日趋成熟和完善，LNOI上制作光器件的重要应用价值越来越凸显。

LNOI 最大的优势就是能够通过刻蚀工艺实现类似 SOI 那种高折射率差波导结构，然而获得低损耗 LN 波导的刻蚀工艺长期以来都是困扰科学界的难题。LN 材料本身很硬，而且化学惰性，因此不管是物理刻蚀还是化学刻蚀都存在较大难度。采用RIE刻蚀铌酸锂时，含有F基气体的化学刻蚀部分，会产生LiF沉淀，物理轰击部分会产生铌酸锂本身的再沉积，不管哪种沉积占据主导，都会使铌酸锂波导粗糙。此外，来自硬掩膜的图形转移也会加重铌酸锂波导的粗糙度。人们一般通过调整刻蚀的条件（例如压强、气体流量等）来减少刻蚀过程中的沉积，从而优化铌酸锂波导粗糙度。但是这种单一的方式存在一定极限，且工艺窗口小。随着wafer尺寸的增加，对均匀性的要求会更高，工艺窗口问题会逐渐加重。

发明内容

本发明提供一种低损耗铌酸锂波导及其制备方法，用以解决现有铌酸锂波导存在的上述技术问题，通过以LNOI基本结构为平台，在铌酸锂波导层上沉积包覆层，能够有效填充和修复LiNbO₃波导表面和侧壁的起伏，芯层LiNbO₃晶格结构未受破坏，同时设计包覆层的折射率等于铌酸锂波导层的折射率以及控制包覆层的厚度，可以保证大部分光在LiNbO₃波导中正常传播，显著降低因表面粗糙度带来的散射损耗。

根据本发明的第一方面，本发明提供一种低损耗铌酸锂波导，包括从下至上依次设置的：

衬底层；

埋氧层；

铌酸锂波导层；

包覆层，包覆于所述铌酸锂波导层；所述包覆层的折射率等于所述铌酸锂波导层的折射率；

上包层，包覆于所述包覆层。

进一步地，所述包覆层的折射率为2.15-2.25。

进一步地，所述包覆层的厚度为10nm-100nm；所述包覆层对分布在所述铌酸锂波导层中的光场能量影响小于10%。

进一步地，所述包覆层包括氧化硅或氮氧化硅；和/或，所述埋氧层为二氧化硅层；和/或，所述上包层为二氧化硅或空气。