[發(fā)明專利]一種鈮酸鋰光波導(dǎo)器件及其制備方法

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• 申請日: 2020-01-07
• 公開（公告）號: CN111175892A
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 帥垚;高琴;吳傳貴;羅文博;喬石珺;張萬里
• 申請（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號: G02B6/12
• 分類號: G02B6/12;G02B6/122
• 代理公司: 電子科技大學(xué)專利中心 51203
• 代理人: 閆樹平

本發(fā)明涉及一種鈮酸鋰光波導(dǎo)器件的制備方法，屬于光通信技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明引入新的包層結(jié)構(gòu)，通過離子注入、旋涂BCB、鍵合、退火等工藝獲得微米量級的鈮酸鋰薄膜光波導(dǎo)器件，工藝上利于脊型波導(dǎo)的制備，并且最終制備的光波導(dǎo)有效減少了傳輸損耗，增大光的束縛性；本發(fā)明選用BCB作為鍵合介質(zhì)材料，常溫下作為粘合劑，能夠?qū)⑩壦徜嚤∧づc襯底有效結(jié)合在一起，退火后BCB固化，并作為波導(dǎo)包層，后續(xù)對鈮酸鋰薄膜的掩膜刻蝕工藝簡便，也不會對鈮酸鋰薄膜造成損壞；鈮酸鋰的光折射率為2.2，大于BCB的折射率1.5并大于空氣的折射率1，可以將光很好的約束在波導(dǎo)中，從而不需要進(jìn)行質(zhì)子交換即可實現(xiàn)優(yōu)異的性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種鈮酸鋰光波導(dǎo)器件及其制備方法，屬于光通信技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

鈮酸鋰晶體具有優(yōu)異的電光、聲光及非線性等性能，材料的化學(xué)性能穩(wěn)定，是集成光學(xué)最常用的無機介電晶體材料，在光通信領(lǐng)域被廣泛用于制備各種光波導(dǎo)器件。通過改變鈮酸鋰光波導(dǎo)和電極的結(jié)構(gòu)，能夠制備出多種光傳輸和控制的器件，如光波導(dǎo)、電光調(diào)制器、微環(huán)諧振器等。

為了制作出波導(dǎo)，需要在基片上表面制作SiO₂或Si₃N₄薄膜，然后通過光刻技術(shù)刻蝕出掩模窗口，再用離子交換等方法在鈮酸鋰晶體表面制作出光波導(dǎo)，然后再腐蝕掉表面的SiO₂或Si₃N₄薄膜。離子交換后的鈮酸鋰晶體會被分為上下兩層，質(zhì)子交換后的部分作為芯層，而為交換的部分作為包層，通過兩層折射率的差異，將光束縛在表面波導(dǎo)中。

對于不同的電場方向，鈮酸鋰晶體應(yīng)該選擇合適的晶體取向，以便獲得最大的電光系數(shù)。當(dāng)電極電場方向平行于鈮酸鋰基片表面，應(yīng)選擇x切y方向傳播的鈮酸鋰基片，此時光波導(dǎo)傳播模應(yīng)為TE模，其導(dǎo)光電場偏振方向與電極電場方向一致；亦可選擇y切x方向傳播的基片，光波仍為TE模。當(dāng)電極電場方向垂直于基片表面，應(yīng)選擇z切鈮酸鋰基片和TM偏振狀態(tài)的光傳輸模。

在實際應(yīng)用中，由于基片厚度的原因，光會向四周消散，從而增大了傳輸損耗，所以需要對各種切向的鈮酸鋰塊材減薄，目前的做法為對基片進(jìn)行機械研磨，但該方法制得的鈮酸鋰厚度仍然在幾十個微米，不能有效的減小損耗；其次，離子交換工藝復(fù)雜，不能適用于所有切向的鈮酸鋰，且上下兩層的折射率差異較小，不能很好地將光束縛在波導(dǎo)中。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述存在問題或不足，為了克服現(xiàn)有鈮酸鋰光波導(dǎo)器件技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供了一種鈮酸鋰光波導(dǎo)器件及其制備方法，包括任意切向的鈮酸鋰薄膜的制備和帶有發(fā)射層結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)器件。

一種鈮酸鋰光波導(dǎo)器件，從上往下依次為空氣、鈮酸鋰薄膜、BCB和光學(xué)襯底，光波導(dǎo)芯層為脊型的鈮酸鋰薄膜，厚度為300nm～1um，寬度1μm～20μm，長度5～15mm，四周由空氣和BCB包裹。

所述鈮酸鋰薄膜為任意切向的鈮酸鋰薄膜；鈮酸鋰的光折射率為2.2，大于BCB的折射率1.5并大于空氣的折射率1，可以將光很好的約束在波導(dǎo)中。

上述鈮酸鋰光波導(dǎo)器件的制備方法，包括以下步驟：

步驟1、對鈮酸鋰基片進(jìn)行離子注入，并在基片一面制備一層苯并環(huán)丁烯BCB；

步驟2、然后將步驟1離子注入后的鈮酸鋰基片BCB層一側(cè)與光學(xué)襯底鍵合；

步驟3、將步驟2鍵合后的鈮酸鋰基片退火，通過退火剝離制得鈮酸鋰薄膜。

步驟4、將步驟3所得鈮酸鋰薄膜通過光刻掩膜的方式在鈮酸鋰薄膜上外延生長Cr掩模，利用DRIE對鈮酸鋰薄膜刻蝕出光波導(dǎo)芯層，最后洗掉Cr掩模，留下直波導(dǎo)；即可制得，光波導(dǎo)芯層為鈮酸鋰薄膜，四周由空氣和BCB包裹的鈮酸鋰光波導(dǎo)器件。

進(jìn)一步的，所述鈮酸鋰基片可選任意切向的鈮酸鋰晶體，厚度范圍在毫米量級。