基于折叠波导的傅里叶光谱仪的制作方法

1.本公开涉及光波导电光调制技术及其工艺加工技术、傅里叶光谱技术，尤其涉及一种基于折叠波导的傅里叶光谱仪。


背景技术：

2.傅里叶变换光谱学技术以其高光通量、多通道和高信噪比的优点在弱光测量方面一直占有很大的优势。从技术层面分析光谱获取技术,主要有两大类，即机械扫描型和静态扫描型,两种方法各有利弊,利用机械扫描形成光程差的干涉方法是最普遍的干涉技术,属于时间型调制,最典型的是迈克尔逊干涉系统,其优点是光程差可调范围大、扫描路程长,但其缺点是抗震性差、稳定性低。静态干涉系统是通过其干涉仪结构形成光程差的,没有机械部件,所以稳定性好,抗干扰能力强,但由于干涉仪的体积直接决定了干涉系统的光谱分辨率,因此一般的静态干涉光谱仪的光谱分辨率都比较低,不能获得较好的光谱分辨率。
3.所以研发同时具有高光谱分辨率和小型的静态傅里叶光谱仪是该领域的主要发展趋势之一。小型静态傅里叶光谱仪想实现高分辨率的关键是形成大的光程差，影响光程差的因素有两个，一个是物理路径差，另一个折射率差。对于静态的傅里叶光谱仪来说，为实现较大的物理路径差，一般需要借助光波导阵列实现，但是这样的缺点在于需要多个光电探测器检测输出信号，为后续的数据处理带来较大负担。并且制作要求多个mzi 有统一性，对工艺要求高。
4.因此，在微型化的静态傅里叶光谱仪领域，研究人员致力于小型化、高分辨率、低损耗的傅里叶光谱仪。


技术实现要素：

5.有鉴于此，为了能够至少部分地解决上述问题，本公开提供了一种基于折叠波导的傅里叶光谱仪。
6.为了实现上述目的，本公开提供了一种基于折叠波导的傅里叶光谱仪，包括：电光调制器，其上形成有单个电光调制的马赫曾德尔干涉仪，马赫曾德尔干涉仪包括折叠波导、第一推挽调制电极和第二推挽调制电极；
7.其中，第一推挽调制电极和第二推挽调制电极分别设置于折叠波导的两侧，在第一推挽调制电极和第二推挽调制电极之间的电压的控制下，折叠波导的折射率能够发生改变。
8.根据本公开的实施例，其中，折叠波导包括：y分支波导、上波导、下波导以及y汇合波导；
9.上波导和下波导均包括依次连接的直波导和弯曲波导，且上波导和下波导上下对称；
10.y分支波导在分支处分别与上波导和下波导的一端相连；
11.y汇合波导的远离y汇合处的两端分别与上波导和下波导的另一端相连。
12.根据本公开的实施例，其中，弯曲波导包括180
°
的圆弧部分，任意两相邻的直波导的间距由弯曲波导的半径决定。
13.根据本公开的实施例，其中，弯曲波导的半径为50μm，任意两相邻的直波导的间距为100μm。
14.根据本公开的实施例，其中，折叠波导的材料包括铌酸锂单晶薄膜。
15.根据本公开的实施例，其中，折叠波导的厚度为≥0.16μm；宽度为≥1μm。
16.根据本公开的实施例，其中，第一推挽调制电极与第二推挽调制电极的间距为3～4μm。
17.根据本公开的实施例，其中，马赫曾德尔干涉仪还包括：硅基底和二氧化硅中间层。
18.根据本公开的实施例，其中，硅基底上形成有二氧化硅中间层，二氧化硅中间层上形成有折叠波导。
19.根据本公开的实施例，一种基于折叠波导的傅里叶光谱仪还包括：光源、调制电压发生器、光电探测器和信号处理芯片；其中，
20.调制电压发生器与推挽调制电极电性连接；
21.光电探测器与电光调制器连接，用于捕获马赫曾德尔干涉仪输出的光信号，并将其转换为随着调制电压变化的电信号；
22.信号处理芯片与光电探测器连接，用于处理电信号。
23.基于上述技术方案可知，本公开相对于现有技术具有如下有益效果：
24.(1)本公开实施例提供的基于折叠波导的傅里叶光谱仪，由于涉及单个马赫曾德尔干涉仪的傅里叶光谱仪属于时间调制型，输出端只需要一个光电探测器，相比于空间调制的阵列型，不仅降低了数据处理的复杂程度，并且降低了成本，减小了尺寸；
25.(2)本公开实施例提供的包含折叠波导的马赫曾德尔干涉仪，比目前常见的用作电光调制器使用的马赫曾德尔干涉仪更加节省空间，保持小尺寸的同时又能够增加调制长度；
26.(3)本公开实施例提供的折叠波导，可以使得电极和波导间距很小，能够提高电光调制效率，显著提高傅立叶光谱仪的光谱分辨率；
27.(4)本公开实施例提供的基于铌酸锂单晶薄膜的折叠波导的折射率对比度高，弯曲波导的曲率半径小，能够有效减小傅立叶光谱仪尺寸。
附图说明
28.图1示意性示出了本公开实施例基于折叠波导的傅里叶光谱仪工作原理示意图；
29.图2示意性示出了本公开实施例的电光调制的马赫曾德尔干涉仪俯视图；
30.图3示意性示出了本公开另一实施例折叠波导与第一推挽调制电极和第二推挽调制电极仿真截面图；
31.图4示意性示出了本公开另一实施例基于铌酸锂折叠波导电光调制的马赫曾德尔干涉仪工艺加工流程图；
32.图5示意性示出了本公开另一实施例基于铌酸锂折叠波导电光调制的马赫曾德尔干涉仪工艺加工示意图；
33.图6示意性示出了本公开另一实施例铌酸锂折叠波导横截面的sem 图。
34.【附图标记说明】
35.1-第一推挽调制电极；2-第二推挽调制电极；3-硅基底和二氧化硅中间层；4-y分支波导；4-1-分支处；5-y汇合波导；5-1-y汇合处；6-直波导；7-弯曲波导。
具体实施方式
36.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。
37.在相关技术中，借助单个被调制的马赫曾德干涉仪来实现微型化静态傅里叶光谱仪的方法只需要一个光电探测器。目前有利用硅波导的热光效应，通过对硅波导加热使得硅的折射率发生变化，从而实现光程差。但是硅的热光系数不够大，为了实现足够的折射率差，温度需要升高到足够大，导致硅波导产生热膨胀，又影响了硅波导的折射率，为后续数据带来麻烦。
38.铌酸锂晶体是一种优秀的电光晶体，钛扩散铌酸锂波导电光调制器早已商业化，但是钛扩散铌酸锂波导是一种折射率渐变型波导，对导波光的约束性差，不能形成曲率半径为亚毫米级的弯曲结构，因此光子器件尺寸大，电光调制效率低，半波电压与电极单位长度的乘积大于10v
·
cm，用它制作的傅里叶变换光谱仪性能较差，应用价值不高。
39.铌酸锂单晶薄膜基片是最近三年发展起来的一种商业化的光学功能薄膜晶圆，它是利用智能剥离(smart cut)技术从块状铌酸锂单晶表面剥离出亚微米厚单晶薄膜，再通过二氧化硅键合于绝缘体上而形成的绝缘体上铌酸锂晶圆，英文名为lithium-niobate-on-insulator，简称lnoi。lnoi 专门用于制作具有超高电光调制效率的亚波长脊形波导光子器件。它对未来光子芯片的重要性不亚于硅晶圆对当今电子芯片的重要性。铌酸锂薄膜是高折射率光学薄膜，可以制成亚波长脊形波导，铌酸锂脊形波导与周围介质的折射率差非常大，可以形成半径一百微米的低损耗波导环，大大缩减光子器件尺寸，从而增多单位芯片面积的器件数量。
40.为此，本公开提供了一种基于折叠波导的傅里叶光谱仪，首先对电光调制的马赫曾德尔干涉仪进行设计，采用折叠波导，比目前常见的用作电光调制器使用的马赫曾德尔干涉仪更加节省空间，缩小了尺寸。
41.需要说明的是，由于设计的波导从其俯视图看是形如弯曲折叠的图形，故将设计的波导定义为折叠波导。
42.本公开提供了一种基于折叠波导的傅里叶光谱仪，包括：电光调制器，其上形成有单个电光调制的马赫曾德尔干涉仪，马赫曾德尔干涉仪包括折叠波导、第一推挽调制电极和第二推挽调制电极；其中，第一推挽调制电极和第二推挽调制电极分别设置于折叠波导的两侧，在第一推挽调制电极和第二推挽调制电极之间的电压的控制下，折叠波导的折射率能够发生改变。
43.根据本公开的实施例，采用折叠波导的马赫曾德尔干涉仪，比目前常见的用作电光调制器使用的马赫曾德尔干涉仪更加节省空间，保持小尺寸的同时又能够增加调制长度。
44.根据本公开的实施例，一种基于折叠波导的傅里叶光谱仪还包括：光源、调制电压
发生器、光电探测器和信号处理芯片；其中，调制电压发生器与推挽调制电极电性连接；光电探测器与电光调制器连接，用于捕获马赫曾德尔干涉仪输出的光信号，并将其转换为随着调制电压变化的电信号；信号处理芯片与光电探测器连接，用于处理电信号。
45.根据本公开的实施例，光源用于输入光信号。
46.根据本公开的实施例，调制电压发生器用于对推挽调制电极施加调制电压。
47.下面示意性举例说明设计的。需要说明的是，该举例说明只是本公开的具体实施例，并不能限制本公开的保护范围。
48.图1示意性示出了本公开实施例基于折叠波导的傅里叶光谱仪工作原理示意图。
49.如图1所示，从光源处输入光信号，进入电光调制器，待探测光信号在电光调制器里经过偏振器后从马赫曾德尔干涉仪的输入端进入，经过折叠波导时被电信号调制，相应光波导折射率发生改变，在马赫曾德尔干涉仪的输出端汇合时两束光已具有光程差，此信号被光电探测器捕获后转换成随着调制电压变化的电信号，经过傅里叶逆变换，得到输入光信号的光谱信息。
50.图2示意性示出了本公开实施例的电光调制的马赫曾德尔干涉仪俯视图。
51.如图2所示，本公开实施例提供的单个电光调制的马赫曾德尔干涉仪，包括折叠波导、第一推挽调制电极1和第二推挽调制电极2；其中，第一推挽调制电极1和第二推挽调制电极2分别设置于折叠波导的两侧，在第一推挽调制电极1和第二推挽调制电极2之间的电压的控制下，折叠波导的折射率能够发生改变。
52.根据本公开的实施例，马赫曾德尔干涉仪还包括：硅基底和二氧化硅中间层3。
53.根据本公开的实施例，硅基底上形成有二氧化硅中间层，二氧化硅中间层上形成有折叠波导。
54.根据本公开的实施例，折叠波导包括：y分支波导4、上波导、下波导以及y汇合波导5；
55.上波导和下波导均包括依次连接的直波导6和弯曲波导7，且上波导和下波导上下对称；
56.y分支波导4在分支处4-1分别与上波导和下波导的一端相连；
57.y汇合波导5的远离y汇合处5-1的两端分别与上波导和下波导的另一端相连。
58.根据本公开的实施例，光信号从y分支波导4输入后在分支处4-1等分，分别进入上波导和下波导，由y汇合波导5的y汇合处5-1汇合、输出。
59.根据本公开的实施例，光信号在y汇合处5-1汇合时已经具备一定的光程差。
60.根据本公开的实施例，光谱仪分辨率和光程差(opd)的关系如下：
61.δλ＝0.5λ2/opd
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(1)
[0062][0063]
式中，λ是光的波长，d是电极间距，l是电极长度，是铌酸锂的非常折射率，γ
33
(λ)是沿铌酸锂的c轴的线性电光系数，γ(λ)是铌酸锂波导的电光重叠积分系数，v(t)是调制电压。
[0064]
根据本公开的实施例，在输入光一定的情况下，光程差越大，分辨率越高。设计电
光调制的铌酸锂马赫曾德尔干涉仪时为了增大光程差，可以通过增大电光重叠积分系数γ(λ)、增加调制长度l、减小电极间距d、增大调制电压几种方式来实现。增大电光重叠积分系数即增大光场和电场的重叠程度，从而增强调制效率，增大光程差。
[0065]
根据本公开的实施例，弯曲波导7包括180
°
的圆弧部分，任意两相邻的直波导6的间距由弯曲波导7的半径决定，用于衔接转弯处弯曲波导。
[0066]
根据本公开的实施例，例如可以但不限于弯曲波导7的半径为50μm 时，任意两相邻的直波导6的间距为100μm。
[0067]
根据本公开的实施例，y汇合波导5远离y汇合处5-1两端之间间距例如可以为504μm。
[0068]
根据本公开的实施例，折叠波导的材料包括铌酸锂单晶薄膜。
[0069]
根据本公开的实施例，折叠波导的厚度为≥0.16μm，例如可以但不限于：0.16μm、0.3μm、0.4μm；宽度为≥1μm，例如可以但不限于：1 μm、1.5μm、2μm、3μm。
[0070]
根据本公开的实施例，其中，第一推挽调制电极1与第二推挽调制电极2的间距为3～4μm，例如可以但不限于：3μm、3.2μm、3.5μm、3.7μm、 4μm。
[0071]
根据本公开的实施例，对于挽调制电极间距，间距过小，电极会吸收光，产生吸收损耗，所以间距不能过小。
[0072]
根据本公开的实施例，利用单个电光调制的马赫曾德尔干涉仪，一个输入一个输出，输出端只需要一个光电探测器，降低了成本，同时结构简单，更利于集成化。
[0073]
本公开的实施例提供的折叠波导，可以使得电极和波导间距很小，能够提高电光调制效率，显著提高傅立叶光谱仪的光谱分辨率。
[0074]
根据本公开的另一实施例，首先对单条波导横截面仿真，确定在 0.4～1.7μm的输入光的波长下，能够保持单模传输的折叠波导的宽度、刻蚀深度。表1是仿真结果，在不同尺寸下对应的单模传输波长范围。接触式光刻可以实现的最小波导宽度是1μm。其次通过在波导两侧加推挽调制电极仿真，发现当电极间距一定，厚度在0.3～0.5μm时，形成的电场差别不大，因此电极厚度可以优选为0.3μm，电极间距可以优选为3.5μm，如图3所示，在中间光波导中传输的光场模式，是处在由波导两侧电极形成的电场之中。
[0075]
表1
[0076][0077]
图4示意性示出了本公开另一实施例基于铌酸锂折叠波导电光调制的马赫曾德尔干涉仪工艺加工流程图；图5示意性示出了本公开另一实施例基于铌酸锂折叠波导电光调制的马赫曾德尔干涉仪工艺加工示意图。
[0078]
在操作s401，提供一个x-cut铌酸锂单晶薄膜衬底。
[0079]
根据本公开的实施例，x-cut铌酸锂单晶薄膜衬底包括在硅基底上形成有二氧化硅中间层，在二氧化硅中间层上形成有铌酸锂单晶薄膜层，如图 5(a)所示。
[0080]
根据本公开的实施例，硅基底厚度可以为500μm，二氧化硅中间层厚度可以为4.7μm，铌酸锂单晶薄膜层厚度为0.7μm。
[0081]
根据本公开的实施例，将x-cut铌酸锂单晶薄膜衬底进行清洗。
[0082]
根据本公开的实施例，可以依次使用丙酮、乙醇清洗，再用氨水轻轻擦拭其表面，但不限于此。
[0083]
在操作s402，在x-cut铌酸锂单晶薄膜衬底上形成cr掩膜层，在cr 掩膜层上形成光刻胶，uv光刻，在光刻胶上定义图案，如图5(b)所示。
[0084]
根据本公开的实施例，cr掩膜层可以通过磁控溅射形成，厚度可以为 50nm。
[0085]
根据本公开的实施例，光刻胶可以为负性光刻胶，例如可以为负胶 l-300。
[0086]
根据本公开的实施例，图案可以来自折叠波导的仿真图形。
[0087]
在操作s403，刻蚀cr掩膜层，以光刻胶为掩膜，将图案转移到cr掩膜层中，如图5(c)所示。
[0088]
根据本公开的实施例，刻蚀可以采用icp刻蚀。
[0089]
在操作s404，以cr掩膜层为掩膜，将图案转移到铌酸锂单晶薄膜层中，如图5(d)所示。
[0090]
在操作s405，去除cr掩膜层，露出与图案所对应的波导，如图5(e) 所示。
[0091]
根据本公开的实施例，去除方法例如可以为湿法腐蚀。
[0092]
根据本公开的实施例，波导例如可以为折叠波导，如图6所示为铌酸锂折叠波导横截面的sem图。
[0093]
在操作s406，在露出的波导上进行金属溅射，uv光刻，除去没有被光刻胶掩膜保护
的金属，在波导两侧形成两推挽调制电极，如图5(f)所示。
[0094]
根据本公开的实施例，金属可以为铬和金，其中铬在金的下层。
[0095]
根据本公开的实施例，铬作为金和波导的中间层，可以增强金和波导的粘附力，对于推挽调制电极本身影响不大。
[0096]
根据本公开的实施例，uv光刻后可以用au和cr的腐蚀液浸泡，腐蚀掉没有被光刻胶掩膜保护的金属，形成电极图形。
[0097]
在操作s407，在波导和两推挽调制电极上覆盖二氧化硅包覆层，如图 5(g)所示。
[0098]
根据本公开的实施例，二氧化硅包覆层可以采用等离子体增强化学的气相沉积法(pecvd)制备，二氧化硅包覆层厚度可以为0.8μm。
[0099]
在操作s408，在二氧化硅包覆层上形成通孔窗口，露出一侧推挽调制电极的一部分，如图5(h)所示。
[0100]
根据本公开的实施例，通孔窗口需要uv光刻后，在缓冲氧化物刻蚀液(boe)中通过湿法蚀刻形成。
[0101]
在操作s409，在部分二氧化硅包覆层和通孔窗口之上形成顶部电极，如图5(i)所示。
[0102]
根据本公开的实施例，顶部电极可以通过金属溅射后进行uv光刻形成。
[0103]
根据本公开的实施例，采用uv光刻这种接触式光刻实现波导加工，相比于目前普遍采用的电子束曝光，更利于大规模制造和节省成本。
[0104]
根据本公开的实施例，和热光调制的硅基傅里叶光谱仪相比，lnoi 基折叠波导光子器件具有超快电光调制速率，能够显著提高傅立叶微光谱仪的时间分辨率。
[0105]
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
[0106]
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。再者，单词"包含"不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
[0107]
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
[0108]
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。