CN106842760B - 一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导及制作方法 - Google Patents

一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导及制作方法 Download PDF

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Abstract

本专利涉及电光调制器件的技术领域，公开了一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导，由上而下依次为阵列电极、缓冲层、单晶铌酸锂薄膜、绝缘层、金属电极和衬底，所述阵列电极由形状为平行四边形的微结构电极单元组成，所述单晶铌酸锂薄膜中间包裹有条状的质子交换铌酸锂波导，设置在缓冲层下方并正对阵列电极。本专利制造工艺简单，且损耗低、稳定性强，兼顾器件的高速调制特性和电光效应引起折射率变化的有效性，能够通过电光效应达到光模式偏转和光模场调控目的。

Description

一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导及制作方法
技术领域
本专利涉及电光调制器件的技术领域，更具体地说是一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导及制作方法。
背景技术
在超高功率激光驱动器性能里，在靶面上得到匀滑光束极其重要，否则光斑能量不均匀将导致激光在放大过程中某一局部能量过高，造成光学元件的激光损伤，使点火的激光系统无法正常工作。目前已有许多方法被提出用于实现光模场偏转和光束匀滑，如光谱色散匀滑（SSD）技术实现光束匀滑等。然而市面上利用这些方法的器件一般需要较高的驱动电压，否则不能对高功率激光器进行高速调制，因此需要寻求在电光光束偏转上的突破。
光波导是集成光学中基本结构单元，它可在某些方向上将光限制在狭小区域并引导光的传输。铌酸锂由于其优良的电光（较高的电光系数：30.8pm/V）、声光、非线性光学、压电性质及在可见光和近红外波段良好的透过率，一直是集成光学里一种非常重要的光波导材料，通过在铌酸锂波导上设计一定结构的电极，施加电压后即可改变波导的折射率进而实现光束偏转。然而目前市面上，传统的铌酸锂波导（如质子交换或钛扩散后的波导）其折射率与衬底的折射率差较低，难以利用它制备微纳结构器件，因此传统铌酸锂波导在可调谐并可集成的器件中应用很少，且针对激光的高速调制也不易实现。正如电子芯片集成度的不断提高，集成光学的发展目标是实现光学信息处理系统的集成化与微小型化。目前商业用的铌酸锂电光器件的调制长度长、体积大，与传统微电子工艺兼容性差，不易实现高密度、低成本的集成，应用率低。
铌酸锂光波导的制作工艺对其光电属性也有很大影响。制作传统铌酸锂光波导的工艺技术主要有氧化锂从表面外扩散、金属内扩散、离子交换等，然而这些技术不仅制作工艺复杂，而且所制备出的传统铌酸锂波导的波导与其衬底折射率差较低，对传输的光场未能实现有效地集中，且损耗较大，不适用于微型化集成光电器件。
发明内容
本专利旨在解决现有技术中至少一个技术缺陷，提供一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导，采用的技术方案如下：
一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导，结构呈六层排布，由上而下依次为阵列电极、二氧化硅缓冲层、单晶铌酸锂薄膜、二氧化硅绝缘层、金属电极和铌酸锂衬底，所述阵列电极由形状为平行四边形的微结构电极单元组成，所述单晶铌酸锂薄膜中间包裹有质子交换铌酸锂波导。
本专利通过设计多层排布的结构，并在表面设计了一种平行四边形形状的微结构电极单元组成的阵列电极，充分利用了铌酸锂晶体的电光特性。再有，二氧化硅层与铌酸锂波导具有高折射率对比度，可在波导工作时降低光损耗。上述结构使得传输光场与电极的电场分布实现较大的交叠从而激发较高的电光效应，进而实现局部较大的折射率变化，有利于提高调制效率，降低器件的驱动电压和功耗。
进一步地，所述微结构电极单元的短边边长为4～6μm，锐角为45°～60°，相邻两个微结构电极单元的间距为2～3μm。多个面积较小的平行四边形微结构电极单元组成阵列电极，充分起到了类似棱镜阵列的作用，使光束偏转及在波导末端产生不同的光模场分布。
进一步地，所述质子交换铌酸锂波导宽度为5～7μm。本专利旨在应用于微型化集成光电器件，因此有效宽度较小的波导会提高波导区域的载流子浓度，减少器件的等效电容和调制电压幅度，从而使器件的调制带宽更大，而损耗更低。
进一步地，所述阵列电极的宽度与所述质子交换铌酸锂波导的宽度相同。一方面能充分利用铌酸锂波导的有效宽度，一方面也避免不必要的材料或能量损耗，提高利用率。
进一步地，所述阵列电极厚度为0.08～0.12μm，所述二氧化硅缓冲层厚度为0.12～0.18μm，所述单晶铌酸锂薄膜厚度为0.8～1.2μm，所述二氧化硅绝缘层厚度为0.8～1.2μm，所述金属电极厚度为0.1～0.2μm，所述铌酸锂衬底厚度为450～550μm。
本专利采用多层级结构，若每层材料设置过薄则起不到相应的作用，若设置过厚又会影响传导效果，因此每层材料的厚度应作合适的设置。再有，所述单晶铌酸锂薄膜上的阵列电极与金属电极之间的距离应保持约为2μm，当它们之间施加不同的外部电压时，由于电光效应，两电极层间的质子交换铌酸锂波导产生不同的折射率分布，作用在质子交换铌酸锂波导上的电光效应得到加强，且更敏感。
本专利的另一目的为解决现有技术的缺陷，提供一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导制作方法，采用的技术方案如下：
一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导制作方法，首先采用铌酸锂薄膜集成技术（LNOI）形成依次由铌酸锂衬底、金属电极、二氧化硅绝缘层和单晶铌酸锂薄膜构成的铌酸锂薄膜集成波导，然后在所述单晶铌酸锂薄膜上形成具有条状结构的二氧化硅掩模；接着通过退火质子交换方法（APE）将所述条状区域中的单晶铌酸锂薄膜加工成质子交换铌酸锂波导，采用二氧化硅层覆盖质子交换铌酸锂波导，与二氧化硅掩模共同形成二氧化硅缓冲层；最后通过微结构电极光刻技术在二氧化硅缓冲层表面、正对质子交换铌酸锂波导位置加工由形状为平行四边形的微结构电极单元组成的阵列电极。
进一步地，具体步骤包括：
S1.采用所述铌酸锂薄膜集成技术（LNOI）得到铌酸锂薄膜集成波导；
S2.在所述铌酸锂薄膜集成波导上沉积一层负光胶，在负光胶上放置两片对称分布的铬掩模，中间预留出未覆盖掩模的条状区域；
S3.进行紫外光照射后，除去铬掩模及其下的负光胶，只留下中间未覆盖掩膜预留的条状区域的负光胶；
S4.在上述波导的上表面均匀沉积一层二氧化硅层；
S5.将上述波导的条状区域的负光胶及其上的二氧化硅剥离，得到所述二氧化硅层分布在之前预留的条状区域的两边形成二氧化硅掩膜；
S6.对所述条状区域中的单晶铌酸锂薄膜进行退火质子交换技术（APE）处理，生成质子交换铌酸锂波导；
S7.在所述质子交换铌酸锂波导上再沉积一层二氧化硅层，并使该层二氧化硅与二氧化硅掩膜具有相同厚度，共同形成二氧化硅缓冲层；
S8.通过所述微结构电极光刻技术，将平行四边形形状的微结构电极单元光刻在所述二氧化硅缓冲层上。
上述步骤结合了铌酸锂薄膜集成技术（LNOI）、退火质子交换技术（APE）和微结构电极光刻技术的平面波导，实现将铌酸锂波导的传统技术和最新薄膜技术相结合，并将其巧妙地运用到实现光束偏转的工作上，解决了传统铌酸锂波导的波导与其衬底折射率差较低的问题，使传输的光场有效地集中在铌酸锂薄膜上，此设计为实现器件的微型化和低功耗提供了一种独特并行之有效的方法，并可用于片上集成。
进一步地，所述步骤S1的铌酸锂薄膜集成技术（LNOI）具体包括：
S11.准备一片铌酸锂衬底，在其上沉积一层金属电极；
S12.在所述金属电极表面沉积一层二氧化硅绝缘层，对二氧化硅绝缘层进行抛光处理；
S13.另准备一片铌酸锂晶片，并向其注入氦离子；
S14.将经上述操作的铌酸锂晶片和铌酸锂衬底键合在一起，并加热，脱落下来的铌酸锂薄膜停留在所述二氧化硅绝缘层表面，得到铌酸锂薄膜集成波导。
步骤S13对铌酸锂晶片进行氦离子的注入，加热后氦离子变为氦气并且体积膨胀，结果是整个注入层断裂，脱落下来的铌酸锂薄膜就停留在二氧化硅绝缘层表面。
采用所述铌酸锂薄膜集成技术（LNOI）得到的铌酸锂薄膜集成波导在纵向形成强折射率对比度，防止导模泄露至衬底。这种波导克服了传统铌酸锂波导和衬底折射率差较小的缺点。
进一步地，所述铌酸锂薄膜集成波导从上而下层级排布依次为单晶铌酸锂薄膜、二氧化硅绝缘层、金属电极、铌酸锂衬底。通过铌酸锂薄膜集成技术（LNOI）得到的所述铌酸锂薄膜集成波导是本专利的半成品，需要后续进行进一步加工得到本专利。
进一步地，所述步骤S6的退火质子交换技术（APE）具体包括：
S61.选择苯甲酸作为质子源；
S62.进行质子交换，交换在温度为150℃～300℃的环境下完成，过程持续100分钟；
S63.将已经交换好的波导片进行退火处理，在温度为300℃～400℃的环境下完成。
Li+和H+之间的质子交换是由苯甲酸提供供交换的质子源（H+），交换程度取决于反应的时间和温度，因此经实验，本专利设置了150℃～300℃的温度环境和100分钟的反应时间。Li+和H+交换过程可用如下的离子反应式表示：LiNbO3+xH+→HxLi1-xNbO3+xLi+，反应式中X的值反应了质子交换的程度。为了提高波导折射率稳定性，降低波导的损耗和恢复其电光系数，使波导的折射率分布更符合要求，经实验所得，质子交换后光波导的退火环境最适宜温度为300～400℃。
采用退火质子交换技术（APE）处理得到的质子交换波导，较同层的铌酸锂薄膜折射率高，在横向引发折射率差，具有横向的弱折射率对比度，对波导模式的横向限制比较弱，有利于模式的横向偏转，实现光束偏转。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本专利通过铌酸锂薄膜集成技术（LNOI）、退火质子交换技术（APE）和微结构电极光刻技术，制作出具有平行四边形形状微结构阵列电极结构的Z切铌酸锂薄膜平面波导，能够通过电光效应达到光模式偏转和光模场调控目的，解决了传统铌酸锂波导的波导与其衬底折射率差较低的问题，对电光调制的影响因素做出了分析和进行了方案优化，能够用相对较低的电压使输出模的场强分布得到高速电光调制，在靶平面上得到匀滑光束，实现对光束偏转的高速、有效的调制。且损耗低、制作工艺简单，能够与电光材料制成的其他光波导进行很好地兼容。
附图说明
图1是本专利实施例1的结构示意图。
图2是本专利实施例1的三视图，其中(a)、（b）、（c）分别为正视图、侧视图和俯视图。
图3是本专利实施例1的工作示意图。
图4是本专利实施例2的部分制作流程示意图。
图中：100阵列电极、200二氧化硅缓冲层、300单晶铌酸锂薄膜、400二氧化硅绝缘层、500金属电极、600铌酸锂衬底、110微结构电极单元、310质子交换铌酸锂波导、700靶面、负光胶800、铬掩膜900。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利作进一步说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制。
图1、图2和图3结合所示为本专利的实施例1一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导。
如图1所示，本实施例公开了一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导，整体为一平面波导，上表面有一条状阵列电极100，位于二氧化硅缓冲层200的中间，所述阵列电极100宽度小于二氧化硅缓冲层200的宽度。所述阵列电极100由形状为平行四边形的微结构电极单元110组成，所述微结构电极单元110的短边边长为4～6μm，锐角为45°～60°，相邻两个微结构电极单元110的间距为2～3μm。多个面积较小的平行四边形微结构电极单元110组成阵列电极100，起到了类似棱镜阵列的作用，充分地利用了铌酸锂晶体的电光特性，使光束偏转及在波导末端产生不同的光模场分布。
如图2所示，本实施例结构呈六层排布，由上而下依次为阵列电极100（厚度为0.08～0.12μm）、二氧化硅缓冲层200（厚度为0.12～0.18μm）、单晶铌酸锂薄膜300（厚度为0.8～1.2μm）、二氧化硅绝缘层400（厚度为0.8～1.2μm）、金属电极500（厚度为0.1～0.2μm）和铌酸锂衬底600（厚度为450～550μm）。所述单晶铌酸锂薄膜300中间包裹有质子交换铌酸锂波导310。本实施例采用层级结构，因此每层材料设置过薄则起不到相应的作用，若设置过厚则不仅会影响传导效果，也会使波导体积过大而损耗增加、不适用于微型化集成光电器件，因此每层材料的厚度按照实验所得而作了合适的设置。
本实施例中，所述阵列电极100与金属电极500之间的距离设置约为2μm，当在它们之间施加不同的外部电压时，由于电光效应，两电极层间的质子交换铌酸锂波导310产生不同的折射率分布，使作用在质子交换铌酸锂波导310上的电光效应得到加强，且更敏感。
所述二氧化硅缓冲层200和二氧化硅绝缘层400与铌酸锂波导具有高折射率对比度，可在波导工作时降低光损耗。
所述质子交换铌酸锂波导310宽度为5～7μm，所述阵列电极100的宽度与所述质子交换铌酸锂波导310的宽度相同。由于本实施例旨在应用于微型化集成光电器件，因此有效宽度较小的波导不仅会提高波导区域的载流子浓度，减少器件的等效电容和调制电压幅度，从而使器件的调制带宽更大，损耗更低。这样一方面能充分利用铌酸锂波导的有效宽度，另一方面也避免不必要的材料或能量损耗，提高利用率。
如图3所示，本实施例通过设计多层排布的结构以及平行四边形的微结构电极单元110组成阵列电极100的设计，使得传输光场与电极的电场分布实现较大的交叠从而激发较高的电光效应，进而实现局部较大的折射率变化，有利于提高调制效率，降低器件的驱动电压和功耗。当在本实施例的阵列电极100及金属电极500之间施加正负不同电压时，在本专利末端得到偏转光束，偏转角度为±θ：当外加电压为0时，偏转角θ为0；施加高频交流电时，θ快速变化，从而在靶面700上得到匀滑光束，本实施例能够应用于惯性约束的核聚变系统中。
此外，本专利还公开了一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导制作方法，包括了铌酸锂薄膜集成技术（LNOI）、退火质子交换技术（APE）和微结构电极光刻技术。
以下结合图4进一步详细说明本专利实施例2的一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导的制作方法。
S1.采用所述铌酸锂薄膜集成技术（LNOI）得到铌酸锂薄膜集成波导，该步骤具体包括（未在附图中示出）：
S11.准备一片铌酸锂衬底600，在其上沉积一层金属电极500；
S12.在所述金属电极500表面沉积一层二氧化硅绝缘层400，对二氧化硅绝缘层400进行抛光处理；
S13.另准备一片铌酸锂晶片，并向其注入氦离子；
S14.将经上述操作的铌酸锂晶片和铌酸锂衬底键合在一起，并对其进行加热，加热后氦离子变为氦气并且体积膨胀，结果是整个注入层断裂，脱落下来的单晶铌酸锂薄膜300就停留在二氧化硅绝缘层表面，得到如图4（a）所示的铌酸锂薄膜集成波导；
S2.如图4（b）所示，所述铌酸锂薄膜集成波导从上而下层级排布依次为单晶铌酸锂薄膜300、二氧化硅绝缘层400、金属电极500、铌酸锂衬底600。在所述单晶铌酸锂薄膜300上沉积一层负光胶800（选用TiO9X7，厚度约为1μm），在负光胶上放置两片对称分布的铬掩模900，中间预留出未覆盖掩模的条状区域；
S3.进行紫外光照射后，除去铬掩模900及其下的负光胶800，只留下中间未覆盖掩膜预留的条状区域的负光胶800；
S4.在上述波导的上表面均匀沉积一层二氧化硅层；
S5.将上述波导的条状区域的负光胶及其上的二氧化硅剥离，得到所述二氧化硅层分布在之前预留的条状区域两边；
S6.对上述波导进行退火质子交换技术（APE）处理，生成质子交换铌酸锂波导310的步骤具体包括：
S61.由于苯甲酸在交换温度范围内化学性质稳定、毒性小，且在质子交换进行时对LiNbO3无损伤作用，对大部分金属不腐蚀，因此选择苯甲酸作为质子交换的质子源；
S62.进行质子交换，交换在温度为150℃～300℃的环境下完成，过程持续100分钟，由于熔融的苯甲酸易挥发，并且有强烈的刺激性气味，因此质子交换要在密封状态下进行；
S63将已经交换好的波导片进行退火处理，在温度为300℃～400℃的环境下进行，升温过程应该尽量快、退火温度应该尽可能保持恒定；
S7.如图4（c）所示，在所述质子交换铌酸锂波导上再沉积一层二氧化硅层，并使该层二氧化硅与步骤S4沉积的二氧化硅层具有相同厚度，形成二氧化硅缓冲层200；
S8.如图4（d）所示，通过所述微结构电极光刻技术，将平行四边形形状的微结构电极单元110光刻在所述二氧化硅缓冲层200上，形成阵列电极100。
综观上述，本专利采用铌酸锂薄膜集成技术（LNOI）、退火质子交换技术（APE）和微结构电极光刻技术相结合的制作方法，通过层级结构以及平行四边形的微结构电极单元组成阵列电极的设计，巧妙地利用和增强了铌酸锂晶体对电光效应的灵敏度，当光束偏转被电光效应高速调制时，所述阵列电极可用于产生匀滑光束。因此与传统铌酸锂波导相比，所需模式偏转和光模场调控的驱动电压较低，损耗较少。本专利兼顾了器件的高速调制特性和电光效应引起折射率变化的有效性，质量高、稳定性强，很好适用于微型化集成光电器件领域，具体可用于制造高效率的电光可调谐非线性光学器件、铁电存储器件和应用于高功率激光系统等其他光信号处理系统中。

Claims (8)

1.一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导，其特征在于，包括由上而下依次为阵列电极、缓冲层、单晶铌酸锂薄膜、绝缘层、金属电极和衬底，所述阵列电极由形状为平行四边形的微结构电极单元组成，所述单晶铌酸锂薄膜中间包裹有条状的质子交换铌酸锂波导，设置在缓冲层下方并正对阵列电极；
所述微结构电极单元的短边边长为4～6μm，锐角为45°～60°，相邻两个微结构电极单元的间距为2～3μm；
所述质子交换铌酸锂波导宽度为5～7μm，所述阵列电极与质子交换铌酸锂波导等宽。
2.根据权利要求1所述的一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导，其特征在于，所述缓冲层为二氧化硅缓冲层，所述绝缘层为二氧化硅绝缘层，所述衬底为铌酸锂衬底。
3.根据权利要求2所述的一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导，其特征在于，所述阵列电极厚度为0.08～0.12μm，所述二氧化硅缓冲层厚度为0.12～0.18μm，所述单晶铌酸锂薄膜厚度为0.8～1.2μm，所述二氧化硅绝缘层厚度为0.8～1.2μm，所述金属电极厚度为0.1～0.2μm，所述铌酸锂衬底厚度为450～550μm。
4.一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导制作方法，其特征在于，首先采用铌酸锂薄膜集成技术（LNOI）形成依次由铌酸锂衬底、金属电极、二氧化硅绝缘层和单晶铌酸锂薄膜构成的铌酸锂薄膜集成波导，然后在所述单晶铌酸锂薄膜上形成具有条状结构的二氧化硅掩模；接着通过退火质子交换方法（APE）将所述条状区域中的单晶铌酸锂薄膜加工成质子交换铌酸锂波导，采用二氧化硅层覆盖质子交换铌酸锂波导，与二氧化硅掩模共同形成二氧化硅缓冲层；最后通过微结构电极光刻技术在二氧化硅缓冲层表面、正对质子交换铌酸锂波导位置加工由形状为平行四边形的微结构电极单元组成的阵列电极。
5.根据权利要求4所述的一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导制作方法，其特征在于，步骤包括：
S1.采用所述铌酸锂薄膜集成技术（LNOI）得到铌酸锂薄膜集成波导；
S2.在所述铌酸锂薄膜集成波导上沉积一层负光胶，在负光胶上放置两片对称分布的铬掩模，中间预留出未覆盖掩模的条状区域；
S3.进行紫外光照射后，除去铬掩模及其下的负光胶，只留下中间未覆盖掩膜预留的条状区域的负光胶；
S4.在上述波导的上表面均匀沉积一层二氧化硅层；
S5.将上述波导的条状区域的负光胶及其上的二氧化硅剥离，得到所述二氧化硅层分布在之前预留的条状区域的两边形成二氧化硅掩膜；
S6.对所述条状区域中的单晶铌酸锂薄膜进行退火质子交换技术（APE）处理，生成质子交换铌酸锂波导；
S7.在所述质子交换铌酸锂波导上再沉积一层二氧化硅层，并使该层二氧化硅与二氧化硅掩膜具有相同厚度，共同形成二氧化硅缓冲层；
S8.通过所述微结构电极光刻技术，将平行四边形形状的微结构电极单元光刻在所述二氧化硅缓冲层上。
6.根据权利要求5所述的一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导制作方法，其特征在于，所述步骤S1的铌酸锂薄膜集成技术（LNOI）具体包括：
S11.准备一片铌酸锂衬底，在其上沉积一层金属电极；
S12.在所述金属电极表面沉积一层二氧化硅绝缘层，对二氧化硅绝缘层进行抛光处理；
S13.另准备一片铌酸锂晶片，并向其注入氦离子；
S14.将经上述操作的铌酸锂晶片和铌酸锂衬底键合在一起，并加热，脱落下来的铌酸锂薄膜停留在所述二氧化硅绝缘层表面，得到铌酸锂薄膜集成波导。
7.根据权利要求6所述的一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导制作方法，其特征在于，所述铌酸锂薄膜集成波导从上而下层级排布依次为单晶铌酸锂薄膜、二氧化硅绝缘层、金属电极、铌酸锂衬底。
8.根据权利要求5所述的一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导制作方法，其特征在于，所述步骤S6的退火质子交换技术（APE）具体包括：
S61.选择苯甲酸作为质子源；
S62.进行质子交换，交换在温度为150℃～300℃的环境下完成，过程持续100分钟；
S63.将已经交换好的波导片进行退火处理，在温度为300℃～400℃的环境下完成。
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