CN102674827A

CN102674827A - 一种新型集成波导型光隔离器及其制备工艺

Info

Publication number: CN102674827A
Application number: CN2012101687411A
Authority: CN
Inventors: 杨树明; 张坤; 李磊; 韩枫; 胡庆杰; 蒋庄德
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2012-05-28
Filing date: 2012-05-28
Publication date: 2012-09-19

Abstract

一种新型集成波导型光隔离器及其制备工艺。光隔离器与激光器一起使用，起到保护激光器的作用。所研制的集成波导型光隔离器基于铈-钇铁石榴石（CeYIG）薄膜，通过匀胶、前烘、曝光、显影、坚膜、湿法刻蚀和去胶等工艺步骤完成磁光薄膜的制备，然后通过外加磁场实现光隔离器。

Description

一种新型集成波导型光隔离器及其制备工艺

技术领域

本专利涉及光学、集成光电子学、材料物理等多学科交叉的研究领域，具体涉及一种集成光隔离器及其制备工艺。

背景技术

近年来，随着长距离、高速大容量的光通信系统的发展、全光通信网络（AON）的兴起以及光子集成电路（PICs）技术的日益成熟，对光隔离器的需求显得日益迫切。由于系统内反射光对光源的影响，使得光源产生寄生振荡，影响光源的频率稳定性、限制了它的调制带宽，从而限制了整个系统性能的提高，因此光隔离器是整个系统不可缺少的器件之一。随着BiYIG（铋-钇铁石榴石）薄膜和CeYIG（铈-钇铁石榴石）薄膜的相继出现，为集成光隔离器的研制提供了材料方面的保证。从器件设计的角度来看，磁光波导及器件的理论仿真及计算对于它们在集成光学中的应用具有重要意义。尽管在这一领域的研究已经持续了20多年，集成光隔离器至今还处在实验室研究阶段，尚且没有实用化的器件。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于CeYIG薄膜的集成光隔离器及其制备方法，包括Ce₁Y₂Fe₅O₁₂靶材（CeYIG）的制备，CeYIG磁光薄膜的制备以及光隔离器的制备。具体如下：

CeYIG陶瓷靶材的制备方法，包括如下步骤：

1)将氧化铈（CeO₂）、氧化钇（Y₂O₃）、氧化铁（Fe₂O₃）粉末称量后，按摩尔比1∶1∶2.5的比例均匀混合后放入球磨罐中混合球磨；

2)球磨后进行烘干煅烧；

3)二次球磨、并烘干煅烧；

4)研磨过筛再加粘合剂研磨造粒并放入压靶模具中压制成型并烧结。

进一步，所述步骤2)具体为烘干湿料并在900℃下预煅烧2小时。

进一步，所述步骤3)具体为二次球磨8小时并烘干湿料在1100℃下煅烧2小时。

进一步，所述步骤4)中烧结时的压力为40MP，并在1350℃烧结2小时。

集成光隔离器制备工艺，包括如下步骤：首先在硅（Si）基底(1)上覆盖二氧化硅（SiO₂）层(2)作为隔离器的衬底层，然后溅射生长一层CeYIG磁光薄膜(3)作为芯层并晶化处理，接着进行匀胶光刻工艺，并在光刻的凹槽内填充一定厚度的CeYIG，最后通过刻蚀得到磁光波导。

一种集成波导型光隔离器，包括Si基底(1)、硅基底上覆盖的SiO₂层(2)和SiO₂层上溅射生长的CeYIG磁光薄膜(3)。

本发明的有益效果是：

本发明提出的集成波导型光隔离器，通过薄膜波导形式实现，与半导体激光器同时实现集成，可在集成系统中起到保护激光器的作用。

附图说明

图1（a）为集成光隔离器波导结构图。

图1（b）为波导截面图。

图2为集成光隔离器制备工艺过程示意图。

具体实施方式

图1（a）为集成光隔离器波导结构图，图1（b）为波导截面图。光波导的芯层为CeYIG磁光薄膜，衬底材料为SiO₂/Si，空气为覆盖层。两臂中有一支为非互易臂，磁场方向垂直于光传输方向，且平行于膜面，非互易臂产生非互易相移，当光波正向传输时，两臂相位差为零，干涉增强，光能正常通过；反向传输时，两臂相位差为π/2，干涉相消，光被隔离。

图2为集成光隔离器制备工艺。首先在硅基底上覆盖一定厚度的SiO₂层作为波导隔离器的衬底层，然后溅射生长一层CeYIG磁光薄膜作为芯层，接着进行匀胶光刻工艺，并在凹槽内填充一定厚度的CeYIG，最后通过刻蚀得到所需的磁光波导。

1.Ce₁Y₂Fe₅O₁₂（CeYIG）陶瓷靶材的制备

用纯度均为99.99％的CeO₂，Y₂O₃和Fe₂O₃粉末称量后，按摩尔比1∶1∶2.5的比例均匀混合后放入球磨罐中混合球磨8小时，烘干湿料并在900℃下预煅烧2小时后，采用铜（Cu）的Kα线进行X射线衍射仪（XRD）测量，测量粉体的晶相结构。二次球磨8小时并烘干湿料在1100℃下煅烧2小时，再通过XRD测量粉体晶相结构；用透射电子显微镜（TEM）分析粉体颗粒的表面形貌及颗粒大小；粉体的饱和磁化强度由振动样品磁强计（VSM）在常温下测量得到。研磨过筛再加粘合剂研磨造粒并放入压靶模具中压制成型，在压力40MP并在1300℃进行烧结2小时，采用TEM分析靶材的表面形貌。所得石榴石粉体颗粒的尺寸可以由以下方法得到：通过测量XRD谱中某一特定衍射峰的半高峰宽，由Scherrer公式进行估算：

式中，d表示晶化颗粒的尺寸（nm），λ为X射线的波长（A），θ为衍射角，B表示在θ处衍射峰的半高峰宽（FWHM）。

按摩尔比1∶1∶2.5，制得Ce₁Y₂Fe₅O₁₂；而若按摩尔比0.5∶1.25∶2.5，制得Ce_0.5Y_2.5Fe₅O₁₂；按摩尔比1.5∶0.75∶2.5，制得Ce_1.5Y_1.5Fe₅O₁₂。

2.CeYIG磁光薄膜的制备及其微观结构分析

CeYIG之所以具有磁光法拉第效应，是由于顺磁性的Ce³⁺离子所引起的法拉第增强效应。能谱分析仪（XPS）对晶化薄膜中的Ce元素的价态分析表明，当晶化气氛为空气时，取晶化温度为700℃，晶化时间为1h（晶化时间过长，由于氧的扩散，导致Ce³⁺离子价态的进一步氧化，使得磁光法拉第效应减弱。晶化0.5h时仅有微弱的磁光性能；晶化1h时，法拉第旋转系数达到最大值；晶化2h时，法拉第旋转角又明显减小，由此可确定最佳的晶化时间为1h）。薄膜中的Ce³⁺含量相对较大，因而CeYIG薄膜的磁光性能良好．薄膜的饱和法拉第旋转系数约为0.8deg/μm。

所制备的CeYIG薄膜为非晶态结构，必须经过后续的晶化处理方能得到晶化薄膜。用XPS图谱来分析薄膜的成分，用原子力显微镜（AFM）观察微观结构。由薄膜的微观结构，可以判断薄膜的晶化程度。而薄膜晶化程度的好坏直接影响到薄膜的性能，只有在晶化完成时，薄膜才表现出磁光性能。用VSM测量薄膜的饱和磁化强度，由曲线中斜率最大处作切线与温度轴相交，得到的交点即居里温度（约为220℃）。

3.薄膜光学性能测试及光隔离器制备

1）通过匀胶（实验室用的普通光刻胶2000+4000+4000）、前烘、曝光、显影、坚膜、湿法刻蚀和去胶等步骤完成光隔离器薄膜制备。

2）对所制备的光学薄膜通光观测，并施加电场，形成磁光隔离器。

Claims

1.光隔离器用CeYIG陶瓷靶材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2)球磨后进行烘干煅烧；

3)二次球磨、并烘干煅烧；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2)具体为烘干湿料并在900℃下预煅烧2小时。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3)具体为二次球磨8小时并烘干湿料在1100℃下煅烧2小时。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤4)中烧结时的压力为40MP，并在1350℃进行烧结2小时。

5.集成光隔离器制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：首先在硅（Si）基底(1)上覆盖二氧化硅（SiO₂）层(2)作为隔离器的衬底层，然后溅射生长一层CeYIG磁光薄膜(3)作为芯层并晶化处理，接着进行匀胶光刻工艺，并在光刻的凹槽内填充一定厚度的CeYIG，通过刻蚀得到磁光波导；通过匀胶、前烘、曝光、显影、坚膜、湿法刻蚀和去胶完成光隔离器薄膜制备。

6.一种集成光隔离器，其特征在于：包括硅基底、硅基底上覆盖的SiO₂层和SiO₂层上溅射生长的CeYIG磁光薄膜。