一种色散补偿器件及其制备方法

1.本发明涉及光子器件技术领域，尤其涉及一种片上色散补偿器件及其制备方法。


背景技术：

2.在光纤通信系统特别是长距离通信中，由于色散的存在会引起光脉冲的展宽进而造成码间串扰，因此需要进行色散补偿。此外，用于产生超短脉冲的时间透镜系统同样需要使用色散补偿器来进行脉冲压缩。目前的色散补偿，存在损耗大或制备工艺要求高等缺点。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明实施例的目的是提供一种色散补偿器件及其制备方法，能够减少损耗，降低制备工艺要求。
4.第一方面，本发明实施例提供了一种色散补偿器件，包括衬底，设置于衬底上的绝缘层，设置在绝缘层上的铌酸锂薄膜，设置于铌酸锂薄膜上的第一多模干涉仪、若干个相同的啁啾布拉格光栅、若干个光波导、入射波导截面、出射波导截面；第一多模干涉仪的两端分布有若干个端口，第一多模干涉仪第一端的两个端口分别通过传输光波导连接入射波导截面和出射波导截面，第一多模干涉仪第二端的若干个端口分别通过传输光波导连接若干个啁啾布拉格光栅的输入光波导，啁啾布拉格光栅的周期从第一周期线性变化到第二周期。
5.可选地，传输光波导的宽度与输入光波导的宽度相等。
6.可选地，色散补偿器件还包括第二多模干涉仪，啁啾布拉格光栅的输出光波导通过传输光波导连接第二多模干涉仪第一端的端口，输入光波导的宽度大于或等于传输光波导的宽度。
7.可选地，当输入光波导的宽度大于传输光波导的宽度，色散补偿器件还包括锥形波导，锥形波导连接第二多模干涉仪第二端的端口，锥形波导的宽度从传输光波导的宽度增加到输入光波导的宽度。
8.可选地，输入光波导的宽度大于或等于传输光波导的宽度，色散补偿器件还包括耗散锥形波导，输出光波导分别连接耗散锥形波导。
9.可选地，当输入光波导的宽度大于传输光波导的宽度，耗散锥形波导的宽度从传输光波导的宽度增加到输入光波导的宽度。
10.可选地，在铌酸锂薄膜和铌酸锂薄膜上的元件的表面均覆盖包层，包层的材料包括二氧化硅。
11.可选地，当色散为正，第一周期小于第二周期；当色散为负，第一周期大于第二周期。
12.可选地，啁啾布拉格光栅之间的间隔大于10μm。
13.第二方面，本发明实施例提供了一种色散补偿器件的制备方法，包括：
14.提供衬底，在衬底上制备铌酸锂薄膜；
15.在铌酸锂薄膜上覆盖光刻胶，将所有元件结构按照预设要求转移到光刻胶上，根据所有元件结构去掉不需要的光刻胶，得到掩模结构；所有元件包括第一多模干涉仪、若干个相同的啁啾布拉格光栅、若干个光波导、入射波导截面、出射波导截面；
16.采用刻蚀法，将掩模结构转移到铌酸锂薄膜上。
17.实施本发明实施例包括以下有益效果：本实施例色散补偿器件包括第一多模干涉仪和啁啾布拉格光栅，第一多模干涉仪第一端的两个端口分别通过传输光波导连接入射波导截面和出射波导截面，第一多模干涉仪第二端的端口分别通过传输光波导连接啁啾布拉格光栅的输入光波导，第一多模干涉仪与啁啾布拉格光栅之间构建无本征损耗的片上色散补偿结构，无需使用光环行器，并且器件结构尺度只有毫米量级，实现了低损耗；另外，制备方法简洁，降低了制备工艺要求，便于批量化生产。
附图说明
18.图1是本发明实施例提供的一种色散补偿器件的立体图；
19.图2是本发明实施例提供的一种色散补偿器件的俯视图；
20.图3是本发明实施例提供的一种啁啾布拉格光栅的结构示意图；
21.图4是本发明实施例提供的另一种色散补偿器件的立体图；
22.图5是本发明实施例提供的另一种色散补偿器件的俯视图；
23.图6是本发明实施例提供的一种仿真数据与测试数据对比图；
24.图7是本发明实施例提供的另一种色散补偿器件的立体图；
25.图8是本发明实施例提供的另一种色散补偿器件的俯视图；
26.图9是本发明实施例提供的一种色散补偿器件的制备方法的步骤流程示意图。
27.图中：1.衬底、2.绝缘层、3.铌酸锂薄膜、4.2
×
2多模干涉仪、5.光波导、6.啁啾布拉格光栅、7.入射波导截面、8.反射输出波导截面、9.耗散锥形波导。
具体实施方式
28.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
29.在以下的描述中，涉及到“一些实施例”，其描述了所有可能实施例的子集，但是可以理解，“一些实施例”可以是所有可能实施例的相同子集或不同子集，并且可以在不冲突的情况下相互结合。
30.在以下的描述中，所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序，以使这里描述的本发明实施例能够以除了在这里图示或描述的以外的顺序实施。
31.除非另有定义，本发明实施例所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明实施例中所使用的术语只是为了描述本发明实施例的目的，不是旨在限制本发明。
32.本发明实施例提供了一种色散补偿器件，包括衬底，设置于衬底上的绝缘层，设置
在绝缘层上的铌酸锂薄膜，设置于铌酸锂薄膜上的第一多模干涉仪、若干个相同的啁啾布拉格光栅、若干个光波导、入射波导截面、出射波导截面；第一多模干涉仪的两端分布有若干个端口，第一多模干涉仪第一端的两个端口分别通过传输光波导连接入射波导截面和出射波导截面，第一多模干涉仪第二端的若干个端口分别通过传输光波导连接若干个啁啾布拉格光栅的输入光波导，啁啾布拉格光栅的周期从第一周期线性变化到第二周期。
33.需要说明的是，第一多模干涉仪、啁啾布拉格光栅、光波导、入射波导截面、出射波导截面的材料均为铌酸锂。第一多模干涉仪的端口数量根据实际应用确定，例如，第一多模干涉仪为2
×
2多模干涉仪。啁啾布拉格光栅的数量根据第一多模干涉仪的端口数量确定，例如，第一多模干涉仪为2
×
2多模干涉仪，其中，2个端口用于连接入射波导截面和出射波导截面，另外2个端口用于连接啁啾布拉格光栅，则啁啾布拉格光栅的数量为2个。
34.参阅图1和图2，图1表示色散补偿器件的立体图，图2表示色散补偿器件的俯视图，色散补偿器件包括衬底1、设置在衬底上1上的绝缘层2、设置在绝缘层2上的铌酸锂薄膜3，以及制备在铌酸锂薄膜3上的2
×
2多模干涉仪4，两个相同的啁啾布拉格光栅6，和制备在铌酸锂薄膜上用于传递光束的传输光波导5，入射波导截面7和出射波导截面8；2
×
2多模干涉仪4的两个输出端口分别通过两个s形传输光波导与两个啁啾布拉格光栅6的输入光波导连接。
35.入射光束从2
×
2多模干涉仪的入射波导截面7进入后被平分成两支光束，两支光束从2
×
2多模干涉仪的两个右端口输出，分别进入两个啁啾布拉格光栅，其中，波长符合所述啁啾布拉格光栅所设置的布拉格条件(波长＝2
×
有效折射率
×
周期)的光束将被反射回去，再次进入2
×
2多模干涉仪，然后从出射波导截面8输出，反射光被赋予设定的色散值。
36.衬底的材料包括硅或石英。对于光电子平台，硅基材料由于价格较低并且与cmos(complementary metal oxide semiconductor)工艺兼容，是目前的主流材料。而铌酸锂材料凭借其出色的线性电光(pockels)效应，成为电光调制器的首选材料。
37.啁啾布拉格光栅的折射率调制采用切趾工艺。两个啁啾布拉格光栅的光栅齿宽度通过切趾设计来抑制群时延波纹，切趾函数可根据需要选择正弦函数、升余弦函数、双曲正切函数或超高斯函数等。本实施例中的啁啾布拉格光栅的工作波段为c波段，中心波长1550nm；周期从429nm线性变化到445nm，以此赋予反射光一个二次相移，二次相移带来的是线性的群时延，而线性群时延提供恒定的群时延色散，占空比为50％；平均波导宽度为1μm，调制深度为0.65μm；啁啾布拉格光栅的长度为0.54mm，输入波导和输出波导宽度均为1μm。布拉格光栅采用切趾工艺，通过减弱布拉格光栅输入端的折射率调制，降低反射光在布拉格光栅前后端之间的谐振，以此降低群时延的波纹抖动，切趾函数可根据需要进行选择。
38.光波导均为单片脊波导，由下层的铌酸锂薄膜平板层和上层的脊结构组成。
39.可选地，当色散为正，第一周期小于第二周期；当色散为负，第一周期大于第二周期。
40.具体地，第一周期与第二周期的大小根据色散要求确定，参阅图3，图3表示啁啾布拉格光栅的结构示意图，图3中表示第一周期小于第二周期，第一周期按照线性增加到第二周期。
41.可选地，啁啾布拉格光栅之间的间隔大于10μm。
42.啁啾布拉格光栅之间的间距太小，可能会造成串扰；将啁啾布拉格光栅之间的间
隔设置大于10μm，可以减少两个光栅之间的串扰，保证光谱质量。
43.可选地，衬底可以是硅或石英。
44.可选地，在铌酸锂薄膜和铌酸锂薄膜上的元件的表面均覆盖包层，包层的材料包括二氧化硅。
45.具体地，包层起到保护器件并改善光谱质量的作用，包层的材料根据实际应用确定，本实施例不做具体限制，包层的材料包括但不限于二氧化硅，二氧化硅包层厚度大于1μm。
46.可选地，传输光波导的宽度与输入光波导的宽度相等。
47.传输光波导的宽度与输入光波导的宽度根据实际应用确定，本实施例不做具体限制。在一个具体的实施例中，传输光波导和啁啾布拉格光栅的输入光波导宽度均为1μm。
48.可选地，色散补偿器件还包括第二多模干涉仪，啁啾布拉格光栅的输出光波导通过传输光波导连接第二多模干涉仪第一端的端口，输入光波导的宽度大于或等于传输光波导的宽度。
49.第二多模干涉仪可以与第一多模干涉仪相同，例如，第一多模干涉仪和第二多模干涉仪均为2
×
2多模干涉仪。两个啁啾布拉格光栅的输出端口可分别与2
×
2多模干涉仪的两个输入端口连接。
50.可选地，当输入光波导的宽度大于传输光波导的宽度，色散补偿器件还包括锥形波导，锥形波导连接第二多模干涉仪第二端的端口，锥形波导的宽度从传输光波导的宽度增加到输入光波导的宽度。
51.参阅图4和图5，图4表示色散补偿器件的立体图，图5表示色散补偿器件的俯视图，色散补偿器件包括衬底1、设置在衬底上1上的绝缘层2、设置在绝缘层2上铌酸锂薄膜3，以及制备在铌酸锂薄膜3上的两个2
×
2多模干涉仪4、两个相同的啁啾布拉格光栅6，和制备在铌酸锂薄膜上用于传递光束的传输光波导5；2
×
2多模干涉仪a的两个输出端口分别通过两个s形传输光波导与两个啁啾布拉格光栅的输入光波导连接，两个啁啾布拉格光栅的输出光波导分别通过两个s形传输光波导与2
×
2多模干涉仪b的两个输入端口连接。当啁啾布拉格光栅的输入波导宽度大于传输光波导时，使用一个锥形波导将两者进行连接，锥形波导的宽度缓慢地从传输光波导宽度增大到啁啾布拉格光栅的输入波导宽度，其波导长度设置为保证基态模式绝热传输。需要说明的是，锥形波导的左右波导宽度分别与相邻波导的宽度相同。
52.本实施例中，输入光束从光波导的输入端射进，经过2
×
2多模干涉仪a的入射波导截面7输入干涉仪a，光束被分成两支相同的光束，这两支光束分别经过两个啁啾布拉格光栅a和b；其中，波长符合布拉格条件的光被反射回去，再次进入2
×
2多模干涉仪a，两束反射光在多模干涉仪内干涉后，在出射波导截面8输出，获得包含所需色散的全部反射光，其余光从布拉格光栅输出波导输出后，经过2
×
2多模干涉仪b，从右下端口输出透射光；或者直接进入两个耗散锥形波导，随着波导的宽度逐渐减小，波导对光模场的限制越来越弱，光被耗散至片外。
53.参阅图6，如图6(a)表示本实施例的仿真结果图，6(b)表示本实施例的实验结果图。在本实施例中啁啾布拉格光栅长度为0.54mm，数值仿真得到的光栅反射光谱和群时延曲线如图6(a)所示：实线r为光谱曲线，带宽覆盖1530-1575nm，基本全反射；虚线为群时延
曲线gd，其线性部分带宽45nm，覆盖1530-1575nm，点线为该部分的线性拟合，斜率为0.2219ps/nm，即群时延大小。实验效果图如图6(b)所示，通过实验测量得到该器件的反射光谱r(实线)覆盖c波段1520-1565nm的45nm带宽，实现了0.2111ps/nm的gd群时延大小(叉符号)，对应390ps/nm/m的色散值，比单模光纤smf-28(0.018ps/nm/m)的色散值高2.1
×
104倍，反射光谱片上插入损耗小于1db，无本征损耗。与仿真数据图6(a)相比，实验数据色散基本吻合，光谱蓝移10nm左右，推测是光栅齿占空比的误差所致。整体器件的尺度约为0.8mm，本实施例的片上色散补偿器件可以实现c波段45nm带宽范围的片上色散补偿，紧凑性高，损耗低。
54.可选地，输入光波导的宽度大于或等于传输光波导的宽度，色散补偿器件还包括耗散锥形波导，输出光波导分别连接耗散锥形波导。
55.耗散锥形波导用于消耗啁啾布拉格光栅输出的光。
56.可选地，当输入光波导的宽度大于传输光波导的宽度，耗散锥形波导的宽度从传输光波导的宽度增加到输入光波导的宽度。
57.参阅图7和图8，图7表示色散补偿器件的立体图，图8表示色散补偿器件的俯视图，色散补偿器件包括衬底1、设置在衬底上1上的绝缘层2、设置在绝缘层2上的铌酸锂薄膜3，以及制备在铌酸锂薄膜3上的2
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2多模干涉仪4、两个相同的啁啾布拉格光栅6、两个相同的耗散锥形波导9，和制备在铌酸锂薄膜2上用于传递光束的传输光波导5；2
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2多模干涉仪4的两个输出端口分别通过两个s形传输光波导与两个啁啾布拉格光栅6的输入光波导连接，两个啁啾布拉格光栅6的输出光波导分别与两个耗散锥形波导9连接，传输的光波导的宽度为1μm，啁啾布拉格光栅的输入波导宽度设置为大于或等于传输光波导的宽度。当所述啁啾布拉格光栅的输入波导宽度大于传输光波导时，使用一个锥形波导将两者进行连接，所述锥形波导的宽度缓慢地从传输光波导宽度增大到啁啾布拉格光栅的输入波导宽度，其波导长度设置为保证基态模式绝热传输。此处设置传输光波导和啁啾布拉格光栅的输入光波导宽度均为1μm。
58.本实施例中，光束从光波导的输入端射进，经过2
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2多模干涉仪的入射波导截面7输入干涉仪，光束被分成两支相同的光束，这两支光束分别经过两个啁啾布拉格光栅a和b；其中波长符合布拉格条件的光被反射回去，再次进入2
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2多模干涉仪a，后从出射波导截面8输出，反射光被赋予设定的色散值，其余光从布拉格光栅输出波导输出后，进入两个耗散锥形波导，最终耗散至片外。
59.实施本发明实施例包括以下有益效果：本实施例色散补偿器件包括第一多模干涉仪和啁啾布拉格光栅，第一多模干涉仪第一端的两个端口分别通过传输光波导连接入射波导截面和出射波导截面，第一多模干涉仪第二端的端口分别通过传输光波导连接啁啾布拉格光栅的输入光波导，第一多模干涉仪与啁啾布拉格光栅之间构建无本征损耗的色散补偿结构，无需使用光环行器，并且器件结构尺度只有毫米量级，实现了低损耗。
60.参阅图9，本发明实施例提供了一种色散补偿器件的制备方法，包括：
61.s100、提供衬底，在衬底上制备铌酸锂薄膜。
62.衬底的材料根据实际应用确定，在衬底通过溅射的方式等制备铌酸锂薄膜。
63.s200、在铌酸锂薄膜上覆盖光刻胶，将所有元件结构按照预设要求转移到光刻胶上，根据所有元件结构去掉不需要的光刻胶，得到掩模结构；所有元件包括第一多模干涉
仪、若干个相同的啁啾布拉格光栅、若干个光波导、入射波导截面、出射波导截面。
64.所有元件结构之间的分布、形状、大小及连接关系等根据应用需求确定。使用高速旋涂的方法将光刻胶覆盖在铌酸锂薄膜上，利用电子束曝光方式将光学结构转移到光刻胶上，并通过显影去除光刻胶中不需要的部分，得到掩模结构。
65.s300、采用刻蚀法，将掩模结构转移到铌酸锂薄膜上。
66.在电感耦合-等离子体系统中，使用刻蚀气体实现干法刻蚀铌酸锂，将光学结构转移到铌酸锂薄膜材料上。刻蚀气体包括氩气等离子体或六氟化硫/氩气混合气体等离子体，铌酸锂刻蚀深度小于薄膜厚度。
67.实施本发明实施例包括以下有益效果：在衬底上制备铌酸锂薄膜，然后通过光刻胶制备掩模，并采用刻蚀法将掩模结构转移到铌酸锂薄膜，从而制备本实施例中的色散补偿器件，制备方法简洁，降低了制备工艺要求，便于批量化生产。
68.可见，上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
69.以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本技术权利要求所限定的范围内。

技术特征：
1.一种色散补偿器件，其特征在于，包括衬底，设置于衬底上的绝缘层，设置在绝缘层上的铌酸锂薄膜，设置于铌酸锂薄膜上的第一多模干涉仪、若干个相同的啁啾布拉格光栅、若干个光波导、入射波导截面、出射波导截面；第一多模干涉仪的两端分布有若干个端口，第一多模干涉仪第一端的两个端口分别通过传输光波导连接入射波导截面和出射波导截面，第一多模干涉仪第二端的若干个端口分别通过传输光波导连接若干个啁啾布拉格光栅的输入光波导，啁啾布拉格光栅的周期从第一周期线性变化到第二周期。2.根据权利要求1所述的色散补偿器件，其特征在于，传输光波导的宽度与输入光波导的宽度相等。3.根据权利要求1所述的色散补偿器件，其特征在于，色散补偿器件还包括第二多模干涉仪，啁啾布拉格光栅的输出光波导通过传输光波导连接第二多模干涉仪第一端的端口，输入光波导的宽度大于或等于传输光波导的宽度。4.根据权利要求3所述的色散补偿器件，其特征在于，当输入光波导的宽度大于传输光波导的宽度，色散补偿器件还包括锥形波导，锥形波导连接第二多模干涉仪第二端的端口，锥形波导的宽度从传输光波导的宽度增加到输入光波导的宽度。5.根据权利要求1所述的色散补偿器件，其特征在于，输入光波导的宽度大于或等于传输光波导的宽度，色散补偿器件还包括耗散锥形波导，输出光波导分别连接耗散锥形波导。6.根据权利要求5所述的色散补偿器件，其特征在于，当输入光波导的宽度大于传输光波导的宽度，耗散锥形波导的宽度从传输光波导的宽度增加到输入光波导的宽度。7.根据权利要求1-6任一项所述的色散补偿器件，其特征在于，在铌酸锂薄膜和铌酸锂薄膜上的元件的表面均覆盖包层，包层的材料包括二氧化硅。8.根据权利要求1-6任一项所述的色散补偿器件，其特征在于，当色散为正，第一周期小于第二周期；当色散为负，第一周期大于第二周期。9.根据权利要求1-6任一项所述的色散补偿器件，其特征在于，啁啾布拉格光栅之间的间隔大于10μm。10.一种色散补偿器件的制备方法，其特征在于，包括：提供衬底，在衬底上制备铌酸锂薄膜；在铌酸锂薄膜上覆盖光刻胶，将所有元件结构按照预设要求转移到光刻胶上，根据所有元件结构去掉不需要的光刻胶，得到掩模结构；所有元件包括第一多模干涉仪、若干个相同的啁啾布拉格光栅、若干个光波导、入射波导截面、出射波导截面；采用刻蚀法，将掩模结构转移到铌酸锂薄膜上。

技术总结
本发明公开了一种色散补偿器件及其制备方法，包括衬底，设置于衬底上的绝缘层，设置在绝缘层上的铌酸锂薄膜，设置于铌酸锂薄膜上的第一多模干涉仪、若干个相同的啁啾布拉格光栅、若干个光波导、入射波导截面、出射波导截面；第一多模干涉仪的两端分布有若干个端口，第一多模干涉仪第一端的两个端口分别通过传输光波导连接入射波导截面和出射波导截面，第一多模干涉仪第二端的若干个端口分别通过传输光波导连接若干个啁啾布拉格光栅的输入光波导，啁啾布拉格光栅的周期从第一周期线性变化到第二周期，提供色散补偿。本发明实施例能够减少损耗，降低制备工艺要求，可广泛应用于光子器件技术领域。光子器件技术领域。光子器件技术领域。


技术研发人员：蔡鑫伦 黄福进 王竞一
受保护的技术使用者：中山大学
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/7/20