CN106526746A - 一种大周期布拉格波导光栅结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种大周期布拉格波导光栅结构及其制备方法。所述结构的波导宽度呈周期性变化，宽度变化周期>1um。其制备方法采用成熟的紫外曝光技术以及常用的波导制备工艺，利用紫外曝光技术在基片上制备大周期布拉格波导光栅掩膜图形，然后利用波导制备工艺对基片进行处理，获得与掩膜图形对应的结构。本发明的优点：本发明提出的结构可以实现红外的布拉格反射，在窄带滤波等方面具有比低阶小周期布拉格光栅更好的特性；其制备方法与当前存在的小周期布拉格波导光栅制备方法相比具有装置简单、操作方便、成本低廉等优势，具有广泛的应用前景。

Description

一种大周期布拉格波导光栅结构及其制备方法
技术领域：
本发明属于波导光栅领域，具体涉及一种大周期布拉格波导光栅的结构及其制备方法。
背景技术：
光栅可以分为透射型和反射型两类。布拉格光栅属于反射型光栅，其工作原理是正向传输的导模和反向传输的导模在光栅区域产生能量耦合，形成特定波长的反射波。目前，布拉格光栅在传感器、滤波器等光器件中有广泛地应用。布拉格光栅根据材料又可以分为光纤布拉格光栅(FBG)和波导布拉格光栅(WBG)。随着通信技术尤其是光通信技术的快速发展，传统的光纤光栅由于只能实现基于弹光效应(应力)或者热光效应(温度)的慢性调谐，因而在高速光通信及光传感领域中的应用受到很大的限制。与光纤光栅相比，波导光栅不仅可以突破光纤光栅结构上的局限性，而且波导材料具有多样性和多功能性，极大地拓展了光栅的应用范围。目前波导光栅已经在聚合物、无机晶体、半导体等多种材料上实现。能够满足大容量，超高速光通信的技术要求，因而成为当前的研究热点。
虽然波导结构光栅突破了光纤光栅结构上的局限性，但是对于小周期的布拉格光栅，由于其周期非常小，通常为几十到几百纳米，对制备工艺要求非常高，制备方法复杂，成本较高。
发明内容：
本发明的目的主要是解决基于不同材料小周期布拉格波导光栅制备复杂的问题，提出了一种大周期布拉格波导光栅的结构及其制备方法。该结构在功能上具有与小周期布拉格波导光栅相同的特性，制备方法比小周期布拉格波导光栅更简单，成本更低，具有广泛的应用前景。
本发明的方案：
本发明提出的大周期布拉格波导光栅结构的波导宽度呈周期性变化，宽度变化周期>1um，所述波导宽度的变化形状可以不同，图1中波导宽度为双边矩形变化，图2所示为波导宽度单边矩形变化，此外变化形状还可以为锯齿形、正弦形等，基片材料可以为铌酸锂，硅，聚合物等。
本结构光栅周期>1um，能够实现红外波段(0.8-2um)的布拉格反射。本发明提出的结构还可以实现高阶项的反射，并且随着波导宽度差增大，最大反射率增大，中心波长向长波方向移动，波导宽度的变化形状以及波导宽度的占空比对反射率均产生影响，随着占空比的增大，反射率呈周期性变化；当占空比一定时，光栅越长反射率越大。
本发明提出的大周期布拉格波导光栅的制备方法：
第1步、首先利用紫外曝光法在基片上制备红外波段(0.8-2um)的大周期布拉格波导光栅的掩膜图形，其步骤如下：
制备好具有大周期布拉格波导光栅图形的掩膜板。掩膜板的图形根据需要的波导宽度的变化函数进行制备，图3所示为波导宽度呈双边矩形变化掩膜板图形，图4所示为波导宽度呈单边矩形变化掩膜板图形，此外变化函数还可以为锯齿变化，三角变化等。波导宽度的变化函数可以为矩形函数，锯齿函数，三角函数等。
准备好掩膜板后，对清洗干净的基片进行匀胶处理，在基片上滴上光刻胶，然后放在匀胶机上，设定匀胶机转速为1500r/min，时间15s，然后设定转速3000r/min，时间60s，之后放在加热板上烘干，固化光刻胶。图5所示为匀胶完成后的基片。
匀胶完成后，利用紫外曝光机对基片进行曝光处理，采用接触式曝光方式，即将掩膜板放在基片上与光刻胶层直接接触，然后对覆有掩膜板的基片进行曝光，曝光时间20s。
曝光完成后进行显影操作，将基片放入显影液(50:7的水和四甲基氢氧化铵)中轻轻晃动，使溶液与晶片充分接触，达到显影的效果。
显影的基本原理为曝光部分和未曝光部分的光刻胶对碱性溶液具有不同溶解性，可以实现掩模图形的转移。显影后用蒸馏水冲洗基片，然后放在加热板上烘干。
显影完成后会在基片上形成与掩膜图形相同的红外波段大周期布拉格波导光栅图形。图6所示为完成显影后的基片。
第2步、在基片上制备好红外波段的大周期布拉格波导光栅的掩膜图形后，根据选择的基片的材料，采用相应的常规波导制备工艺在基片上制备出与掩膜图形相同的布拉格波导光栅结构。
本发明提出了一种大周期布拉格波导光栅结构，该结构波导宽度呈周期性变化，变化周期大于1um，能够实现红外波段的反射。并提出一种该结构的制备方法，这种方法利用成熟的波导制备工艺在基片上形成与光栅掩膜图形一致的结构；只需进行一次常规的波导制备工艺就可实现大周期布拉格波导光栅的制备；与常规的制备波导的方法的不同之处在于其光栅掩膜图形不同。
本发明的优点和有益效果：
本发明提出的大周期布拉格波导光栅结构，能够实现红外波段(0.8-2um)的反射，在窄带滤波方面具有比低阶小周期布拉格光栅更好的特性的特性。与当前常用的低阶小周期布拉格波导光栅的制备方法相比，本发明提出的制备方法也更为简单，成本低廉，仅利用当前发展较为成熟的紫外曝光法和常规的波导制备工艺，即可实现波导光栅结构的制备，应用前景广阔。
附图说明
图1波导宽度为双边矩形变化大周期布拉格波导光栅结构。
图2波导宽度为单边矩形变化大周期布拉格波导光栅结构。
图3波导宽度为双边矩形变化大周期布拉格波导光栅掩膜板。
图4波导宽度为单边矩形变化大周期布拉格波导光栅掩膜板。
图5匀胶后的基片。
图6显影后的基片。
具体实施方式
实施例1：在铌酸锂晶体上制备大周期布拉格波导光栅结构，制备步骤如下：
(1)利用紫外曝光技术将掩膜图形曝光在铌酸锂基片上：
首先清洗基片，利用高浓度酒精或丙酮溶液擦拭铌酸锂基片，擦拭干净后用蒸馏水冲洗并烘干。
烘干后将清洗干净的铌酸锂基片放在匀胶机上，将光刻胶滴在基片上，然后设定匀胶机转速为1500r/min，时间15s，然后设定转速3000r/min，时间60s，之后放在加热板上烘干，固化光刻胶，此时在铌酸锂基片上形成厚度为5-6um的光刻胶层，如图5所示。匀胶完成后，利用紫外曝光机对铌酸锂基片进行曝光处理，采用接触式曝光方式，即将掩膜板放在铌酸锂基片上与光刻胶层直接接触，然后利用紫外曝光机对覆有掩膜板的铌酸锂基片进行曝光处理，曝光时间为20s。
上述掩膜板上具有本发明提出的大周期布拉格波导光栅结构图形，掩膜板上透光部分形状布拉格波导光栅图形一致，其余部分为不透光的黑色，如图3(双边矩形变化),图4(单边矩形变化)所示。
曝光完成后进行显影操作，将铌酸锂基片放入显影液(50:7的水和四甲基氢氧化铵)中轻轻晃动，使溶液与铌酸锂基片充分接触，达到显影的效果，显影的基本原理为曝光部分和未曝光部分的光刻胶对碱性溶液具有不同溶解性，可以实现掩模图形的转移。显影后用蒸馏水冲洗基片，然后放在加热板上烘干。
显影完成后会在铌酸锂基片上形成与掩膜图形相同的红外波段大周期布拉格波导光栅图形。
(1)利用钛扩散工艺在铌酸锂基片上制备大周期布拉格波导光栅结构：
在上述制备好的铌酸锂基片表面利用溅射法制备一层60nm的钛膜，溅射法的工艺参数为：溅射机钟罩内气压为5pa量级、在电流为0.1A下溅射5分钟，然后在电流为0.06A下溅射10分钟，至钛膜厚度为60nm。
溅射完成后，将附有钛膜的铌酸锂基片放入高浓度(>99v％)的丙酮溶液中，将基片上未曝光部分的光刻胶溶解掉，此时光刻胶上面的钛膜也会一同被洗掉，这时会在铌酸锂基片表面形成与掩膜图形相同的钛条大周期布拉格波导光栅结构。
将上述铌酸锂基片放入高温扩散炉中进行钛扩散，扩散温度为1030℃，扩散时间6h，在铌酸锂基片上形成大周期布拉格波导光栅结构。该结构与本发明提出的大周期布拉格波导光栅结构相同，与掩膜板上的图形一致。
实施例2：在硅片上制备大周期布拉格波导光栅结构。
首先利用紫外曝光技术在硅片上形成大周期布拉格波导光栅图形。具体步骤同实施例1。之后利用常规的在硅片上制备波导的工艺在硅片上制备大周期布拉格波导光栅结构。此处仍然可以采用溅射的方法制备光栅结构。
实施例3：在聚合物上制备大周期布拉格波导光栅结构
在聚合物上制备大周期布拉格波导光栅的方法与上述方法一致，首先利用紫外曝光技术在聚合物表面形成大周期布拉格波导光栅图形，具体步骤同实施例1；然后根据选择的聚合物材料，选择相应的波导制备工艺，在聚合物上制备出与掩膜图形一致的大周期布拉格波导光栅结构。

Claims (10)

1.一种大周期布拉格波导光栅的结构，其特征在于所述结构的波导宽度呈周期性变化，宽度变化周期>1um。
2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于所述波导宽度变化形状可以是矩形，锯齿形或正弦形。
3.根据权利要求1所述结构，其特征在于所述结构能够实现0.8-2um的红外布拉格反射。
4.根据权利要求1所述结构，其特征在于所述波导宽度的变化可以是单边变化，也可以是双边变化。
5.根据权利要求1所述的结构，其特征在于所述结构的大周期布拉格波导光栅能够实现高阶项的反射，并且随着波导宽度差增大，最大反射率增大，中心波长向长波方向移动，波导宽度的变化形状以及波导宽度的占空比对反射率均产生影响，随着占空比的增大，反射率呈周期性变化；当占空比一定时，光栅越长反射率越大。
6.一种利用紫外曝光法制备权利要求1所述大周期布拉格波导光栅结构的方法，其特征在于制备步骤如下：
(1)利用紫外曝光技术将权利要求1所述大周期布拉格波导光栅结构的光栅掩膜图形曝光在基片上；
(2)利用波导制备工艺，对步骤(1)中的基片进行处理，获得与光栅掩膜图形对应的结构。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于步骤(1)所述基片是常用的光波导制备材料。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于所述基片的材料具体为铌酸锂，硅，或聚合物。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述的光栅掩膜图形的周期大于1um，能够利用紫外曝光技术获得。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于步骤(2)所述利用成熟的波导制备工艺在基片上形成与光栅掩膜图形一致的结构，只需进行一次常规的波导制备工艺就可实现大周期布拉格波导光栅的制备；与常规的制备波导的方法的不同之处在于其光栅掩膜图形不同。
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