一种集成铌酸锂薄膜和量子光源的光芯片及其制备方法与流程

1.本发明属于光子芯片技术领域，尤其涉及一种集成铌酸锂薄膜和量子光源的光芯片及其制备方法。


背景技术：

2.铌酸锂是最广泛使用的光电材料之一，其电光特性出众，可以有效将电子信号转换成光信号，被广泛地应用于当今的光通信系统。类比于硅在微电子中的地位，铌酸锂也被称为光电子时代的“光学硅”。铌酸锂波导具有较高的线性电光系数，是目前被证明实现宽带高线性调制器最成熟的材料。不同于一般半导体材料，铌酸锂无需通过电吸收效应对光进行调制，可直接通过电光效应来改变光的强度，并不会对光的相位带来扰动。再者，铌酸锂非线性系数大，可用于产生新的频率的光或者是对其他频率的光能量进行放大。
3.除此之外，铌酸锂材料在物理特性上优势也非常明显。首先，铌酸锂材料的居里温度高达1200℃，能够让其在高温退火工艺后依然保持优秀的电光特性。其次，铌酸锂材料的光透明窗口范围是340nm～4.6μm,有效地覆盖了可见光到中红外频谱且色散效应小。与此同时，铌酸锂材料在1.06μm波长处的吸收损耗很低(《0.15％/cm)。
4.从应用方面，薄膜铌酸锂是量子光子学的理想材料基板，因为它可以将光紧紧地限制在小波导中，并且具有很强的电光效应，可以在低功率和高速下切换和调制单光子，可应用于量子模拟器、量子计算机等场景。
5.然而，铌酸锂缺乏高效的单光子发射器，这对于可扩展的量子光子电路至关重要，即是薄膜铌酸锂光芯片缺少单光子发射器，成为亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于：为了克服现有技术问题，公开了一种集成铌酸锂薄膜和量子光源的光芯片及其制备方法，本发明制备方法通过inp纳米束绝热锥体的设计，可以将发射到纳米束中的单光子高效地传输到铌酸锂波导，从而解决薄膜铌酸锂光芯片缺少单光子发射器的问题。
7.一方面，本发明目的通过下述技术方案来实现：
8.一种集成铌酸锂薄膜和量子光源的光芯片的制备方法，所述集成铌酸锂薄膜和量子光源的光芯片的制备方法包括如下步骤：
9.s1：在光刻胶的保护下，在lnoi晶圆上的单晶linbo3薄膜层刻蚀出linbo3光波导；
10.s2：在光刻胶的保护下，在inp晶圆上制备出inp纳米束绝热锥体，所述inp纳米束绝热锥体内嵌有inas量子点，且所述inp纳米束绝热锥体的尾部为由通孔阵列组成的布拉格反射结构；
11.s3：通过聚焦离子束fib的方法，将inp纳米束绝热锥体与衬底链接切断，并用纳米针吸附并转移inp纳米束绝热锥体，通过分子间作用力与linbo3光波导贴合。
12.根据一个优选的实施方式，步骤s3中，inp纳米束绝热锥体与linbo3光波的耦合角
度为5-7
°
。
13.根据一个优选的实施方式，所述lnoi晶圆包括si衬底、sio2介质层和单晶linbo3薄膜层，其中，所述sio2介质层的厚度为2-3μm，单晶linbo3薄膜层的厚度为300-350nm。
14.根据一个优选的实施方式，步骤s1获得的linbo3光波导的高度为300-350nm，宽度为1200nm。
15.根据一个优选的实施方式，所述inp晶圆从低端到顶端依次包括：inp衬底、inp/inalas缓冲层、alinas牺牲层、第一inp薄膜层和第二inp薄膜层，且第一inp薄膜层和第二inp薄膜层之间夹设有inas量子点层。
16.根据一个优选的实施方式，步骤s2中，通过湿法刻蚀的方法去除alinas牺牲层，从而得到悬空的inp纳米束绝热锥体。
17.根据一个优选的实施方式，步骤s2中湿法刻蚀所采用的的刻蚀液为：
18.h2o:hcl:h2o2＝3:1:1。
19.根据一个优选的实施方式，所述第一inp薄膜层和第二inp薄膜层的厚度分别为140nm；制备得到的inp纳米束绝热锥体的宽度为500nm、厚度为280nm、长度为5μm。
20.根据一个优选的实施方式，所述inp纳米束绝热锥体尾部通孔阵列中靠近尾端方向三通孔的孔径分别为250nm、270nm、290nm，且各孔边间距为：100nm。
21.另一方面，本发明还公开了：
22.一种集成铌酸锂薄膜和量子光源的光芯片，所述光芯片包括inp纳米束绝热锥体和linbo3光波导，所述inp纳米束绝热锥体贴合于linbo3光波导之上；且所述光芯片通过前述的制备方法制得。
23.前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
24.本发明的有益效果：
25.本发明集成铌酸锂薄膜和量子光源的光芯片的制备方法采用拾放方法将inp纳米束绝热锥体通过分子间作用力与铌酸锂光子芯片形成精确结合进行集成，为铌酸锂光子芯片引入了单光子发射器，解决了铌酸锂光子芯片缺少光源的问题，并通过尾部布拉格反射结构的设计保证光源沿单一方向传播，提高了耦合效率。
附图说明
26.图1是本发明集成铌酸锂薄膜和量子光源的光芯片的制备方法的制备过程示意图；
27.图2是本发明光芯片的结构示意图。
具体实施方式
28.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施
例中的特征可以相互组合。
29.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
30.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
31.此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
32.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
33.另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。
34.实施例1：
35.参考图1至图2所示，图中示出了一种集成铌酸锂薄膜和量子光源的光芯片的制备方法，所述集成铌酸锂薄膜和量子光源的光芯片的制备方法包括如下步骤。
36.步骤s1：在光刻胶的保护下，在lnoi晶圆上的单晶linbo3薄膜层刻蚀出linbo3光波导。
37.优选地，所述lnoi晶圆包括si衬底、sio2介质层和单晶linbo3薄膜层，其中，所述sio2介质层的厚度为2-3μm，单晶linbo3薄膜层的厚度为300-350nm。
38.进一步地，步骤s1获得的linbo3光波导的高度为300-350nm，宽度为1200nm。
39.步骤s2：在光刻胶的保护下，在inp晶圆上制备出inp纳米束绝热锥体，所述inp纳米束绝热锥体内嵌有inas量子点，且所述inp纳米束绝热锥体的尾部为由通孔阵列组成的布拉格反射结构。
40.优选地，所述inp晶圆从低端到顶端依次包括：inp衬底、inp/inalas缓冲层、alinas牺牲层、第一inp薄膜层和第二inp薄膜层。且第一inp薄膜层和第二inp薄膜层之间夹设有inas量子点层，从而使得inp纳米束绝热锥体内嵌有inas量子点。各结构层均通过mbe方式生长获得。
41.进一步地，inp/inalas缓冲层，厚度240nm；alinas牺牲层，厚度2-3μm。第一inp薄膜层和第二inp薄膜层的厚度分别为140nm。制备得到的inp纳米束绝热锥体的宽度为500nm、厚度为280nm、长度为5μm。
42.优选地，步骤s2中，通过湿法刻蚀的方法去除alinas牺牲层，从而得到悬空的inp
纳米束绝热锥体。步骤s2中湿法刻蚀所采用的的刻蚀液为：
43.h2o:hcl:h2o2＝3:1:1。
44.优选地，所述inp纳米束绝热锥体尾部通孔阵列中靠近尾端方向三通孔的孔径分别为250nm、270nm、290nm，且各孔边间距为：100nm。
45.步骤s3：通过聚焦离子束fib的方法，将inp纳米束绝热锥体与衬底链接切断，并用纳米针吸附并转移inp纳米束绝热锥体，通过分子间作用力与linbo3光波导贴合。
46.优选地，步骤s3中，inp纳米束绝热锥体与linbo3光波的耦合角度为5-7
°
。
47.本发明集成铌酸锂薄膜和量子光源的光芯片的制备方法采用拾放方法将inp纳米束绝热锥体通过分子间作用力与铌酸锂光子芯片形成精确结合进行集成，为铌酸锂光子芯片引入了单光子发射器，解决了铌酸锂光子芯片缺少光源的问题，并通过尾部布拉格反射结构的设计保证光源沿单一方向传播，提高了耦合效率。
48.实施例2
49.在实施例1的基础上，本实施例公开了一种集成铌酸锂薄膜和量子光源的光芯片。所述光芯片包括inp纳米束绝热锥体和linbo3光波导，所述inp纳米束绝热锥体贴合于linbo3光波导之上。且所述光芯片通过前述实施例1的制备方法制得。
50.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种集成铌酸锂薄膜和量子光源的光芯片的制备方法，其特征在于，所述集成铌酸锂薄膜和量子光源的光芯片的制备方法包括如下步骤：s1：在光刻胶的保护下，在lnoi晶圆上的单晶linbo3薄膜层刻蚀出linbo3光波导；s2：在光刻胶的保护下，在inp晶圆上制备出inp纳米束绝热锥体，所述inp纳米束绝热锥体内嵌有inas量子点，且所述inp纳米束绝热锥体的尾部为由通孔阵列组成的布拉格反射结构；s3：通过聚焦离子束fib的方法，将inp纳米束绝热锥体与衬底链接切断，并用纳米针吸附并转移inp纳米束绝热锥体，通过分子间作用力与linbo3光波导贴合。2.如权利要求1所述的集成铌酸锂薄膜和量子光源的光芯片的制备方法，其特征在于，步骤s3中，inp纳米束绝热锥体与linbo3光波的耦合角度为5-7
°
。3.如权利要求1所述的集成铌酸锂薄膜和量子光源的光芯片的制备方法，其特征在于，所述lnoi晶圆包括si衬底、sio2介质层和单晶linbo3薄膜层，其中，所述sio2介质层的厚度为2-3μm，单晶linbo3薄膜层的厚度为300-350nm。4.如权利要求3所述的集成铌酸锂薄膜和量子光源的光芯片的制备方法，其特征在于，步骤s1获得的linbo3光波导的高度为300-350nm，宽度为1200nm。5.如权利要求1所述的集成铌酸锂薄膜和量子光源的光芯片的制备方法，其特征在于，所述inp晶圆从低端到顶端依次包括：inp衬底、inp/inalas缓冲层、alinas牺牲层、第一inp薄膜层和第二inp薄膜层，且第一inp薄膜层和第二inp薄膜层之间夹设有inas量子点层。6.如权利要求5所述的集成铌酸锂薄膜和量子光源的光芯片的制备方法，其特征在于，步骤s2中，通过湿法刻蚀的方法去除alinas牺牲层，从而得到悬空的inp纳米束绝热锥体。7.如权利要求6所述的集成铌酸锂薄膜和量子光源的光芯片的制备方法，其特征在于，步骤s2中湿法刻蚀所采用的的刻蚀液为：h2o:hcl:h2o2＝3:1:1。8.如权利要求6所述的集成铌酸锂薄膜和量子光源的光芯片的制备方法，其特征在于，所述第一inp薄膜层和第二inp薄膜层的厚度分别为140nm；制备得到的inp纳米束绝热锥体的宽度为500nm、厚度为280nm、长度为5μm。9.如权利要求6所述的集成铌酸锂薄膜和量子光源的光芯片的制备方法，其特征在于，所述inp纳米束绝热锥体尾部通孔阵列中靠近尾端方向三通孔的孔径分别为250nm、270nm、290nm，且各孔边间距为：100nm。10.一种集成铌酸锂薄膜和量子光源的光芯片，其特征在于，所述光芯片包括inp纳米束绝热锥体和linbo3光波导，所述inp纳米束绝热锥体贴合于linbo3光波导之上；且所述光芯片通过如权利要求1至9任一项所述的制备方法制得。

技术总结
本发明公开了一种集成铌酸锂薄膜和量子光源的光芯片及其制备方法，制备方法包括如下步骤：S1：在光刻胶的保护下，在LNOI晶圆上的单晶LiNbO3薄膜层刻蚀出LiNbO3光波导；S2：在光刻胶的保护下，在InP晶圆上制备出InP纳米束绝热锥体，所述InP纳米束绝热锥体内嵌有InAs量子点，且所述InP纳米束绝热锥体的尾部为由通孔阵列组成的布拉格反射结构；S3：通过聚焦离子束FIB的方法，将InP纳米束绝热锥体与衬底链接切断，并用纳米针吸附并转移InP纳米束绝热锥体，通过分子间作用力与LiNbO3光波导贴合。本发明制备方法通过InP纳米束绝热锥体的设计，可以将发射到纳米束中的单光子高效地传输到铌酸锂波导，从而解决薄膜铌酸锂光芯片缺少单光子发射器的问题。单光子发射器的问题。单光子发射器的问题。


技术研发人员：曾友宏 杨荣 余明斌
受保护的技术使用者：上海铭锟半导体有限公司
技术研发日：2023.03.27
技术公布日：2023/8/5