CN110764185B - 一种低损耗铌酸锂薄膜光波导的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低损耗铌酸锂薄膜光波导的制备方法，首先采用LNOI作为初始材料；然后在LN薄膜层的表面镀一层100nm厚的SiO2膜，并对其进行光刻，制作出条状结构的2～3μm宽的SiO2掩模；接着把光刻后的样品在520～550℃下LRVTE处理10～20个小时，得到LRVTE区域，将所述LRVTE区域的单晶LN薄膜制作成光波导；最后去除SiO2掩模，并对样品的端面进行抛光处理。本发明采用LRVTE技术制作的LN薄膜光波导的芯层晶格结构未受损伤，各项光学指标完好地保留了铌酸锂体材料的固有的典型数值，可以实现较低的传输损耗低。
Description
技术领域
本发明涉及集成光电子学领域，具体涉及一种低损耗LN薄膜光波导的制备方法。
背景技术
近十几年来出现了一种制作高折射率差单晶LN薄膜的方法，具体为利用离子注入技术和晶圆键合技术，使单晶LN薄膜与沉积在LN衬底上的SiO2层相结合，制备出 LNOI。大部分文献记载的LNOI的基本结构自上而下依次为LN衬底、SiO2层、LN薄膜层。因为其折射率对比度较高，能够严格限制光束，所以成为了集成光学的理想平台。
目前，科研人员已经在LNOI上制作出了了Y分束器、电光调制器、微环共振器以及二次谐波发生器等器件，且制作LNOI纳米线、微环等结构的加工工艺也日趋成熟和完善。因此，在LNOI上制作光波导具有重要的应用价值，也将是未来LNOI平台上的大规模集成光电子芯片中不可或缺的一部分。
然而，大量已报道LNOI中的波导是采用干法或湿法刻蚀技术制作的脊波导，由于刻蚀后波导边缘比较粗糙，导致波导损耗过大，通常为10dB/cm，这对于非线性频率变换、马赫-曾德尔调制器和波导激光器等应用来说损耗过高。
为解决这一问题，LuTongCai等人使用退火质子交换(APE)的方法，先将样品在200℃下质子交换5分钟，然后在350℃下退火5个小时，制作出了具有较低损耗的α相 LNOI波导，其波导损耗降低到0.6dB/cm。即便如此，使用APE方法制作的LNOI波导也存在一些问题。首先，APE过程不易控制，对交换和退火的温度、时间控制精度要求很高，否则极易出现晶格损伤，无法获得α相的情况，从而无法保证波导的低传输损耗。其次，APE过程还会导致铌酸锂非线性系数极大降低，无法应用于非线性频率变换器件。
发明内容
本发明旨在提出一种低损耗铌酸锂薄膜光波导的制备方法，采用LRVTE技术制作的LN薄膜光波导，主要解决当前光波导损耗高，晶格结构易被破坏的问题。
本发明的一种低损耗铌酸锂薄膜光波导的制备方法，该方法具体包括以下步骤：
首先采用LNOI作为初始材料，然后在LN薄膜层的表面镀一层100nm厚的SiO2膜，对SiO2膜进行光刻，制作出条状结构的2～3μm宽的SiO2掩模，接着把光刻后的条状结构的SiO2掩模样品在520～550℃下LRVTE处理10～20个小时，得到LRVTE 条状区域，将所述LRVTE区域的单晶LN薄膜制作成LN薄膜光波导；最后去除SiO2掩模，并对样品的端面进行抛光处理。
所述LRVTE处理所包含的具体处理为：
以LNOI的基本结构为平台，局域提高LNOI中的铌酸锂薄膜层的Li/Nb比，降低其折射率，且保留LRVTE条状区域折射率不变，形成折射率差Δne为0.01-0.02之间、折射率不变区域，作为波导芯层。
本发明的有益效果是：
采用LRVTE技术制作的LN薄膜光波导，其芯层晶格结构未受损伤，各项光学指标完好地保留了铌酸锂体材料的固有的典型数值，可以实现较低的传输损耗低。
附图说明
图1为初始材料LNOI的结构示意图；
图2为在LN薄膜层表面镀SiO2膜后的结构示意图；
图3为光刻后样品的结构示意图；
图4为LN薄膜光波导的结构示意图；
图5为一种低损耗铌酸锂薄膜光波导的制备方法流程示意图。
附图标记：
1、LN(铌酸锂)衬底，2、SiO2层，3、LN薄膜层，4、单晶LN薄膜光波导，5、 SiO2膜，6、LRVTE区域。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行进一步的详细描述。
如图4所示，为利用本发明的一种低损耗铌酸锂薄膜光波导的制备方法所制备得到的一种低损耗的LN薄膜光波导结构示意图。其基本结构自下而上分别为LN衬底1、 SiO2层2和LRVTE区域6。其中LN薄膜层3中间包括单晶LN薄膜光波导层4，其厚度与LN薄膜层3的厚度一致，宽为2～3μm。
如图5所示，为本发明的一种低损耗的LN薄膜光波导的制备方法流程示意图。
本发明实施例的具体制备方法描述如下：
步骤1、选用LNOI作为初始材料，如图1所示为初始材料LNOI的结构示意图，用电子真空蒸镀机在LN薄膜层的表面镀一层约100nm厚的SiO2膜，如图2所示为在 LN薄膜层表面镀SiO2膜后的结构示意图；
步骤2、在SiO2膜的表面沉积一层负光胶，在100℃下烘烤25分钟；
步骤3、在负光胶上放置一块条状的掩膜版，紫外光照射40秒；
步骤4、将样品在显影液中放置40秒进行显影除去未被照射的负光胶，然后在去离子水中漂洗干净，最后在100℃下烘烤10分钟；
步骤5、用SiO2腐蚀液去除未被光刻胶覆盖的SiO2膜，制作出条状的2～3μm宽的SiO2掩膜，如图3所示为光刻后样品的结构示意图；
步骤6、用除胶剂去除SiO2掩模上覆盖的光刻胶；
步骤7、将光刻后的样品用丙酮或酒精清洗干净，100℃烘烤5～10分钟；
步骤8、在坩埚中铺一层Li2O粉末，然后把样品放入坩埚中，注：样品不可与Li2O 粉末直接接触，可用铂金丝缠绕样品或用垫片隔开；
步骤9、用两相粉末对坩埚做密封处理，然后在520～550℃下采用LRVTE技术处理10～20个小时；
步骤10、用SiO2腐蚀液去除LN薄膜层表面的SiO2掩模，然后对样品的端面进行抛光处理，以便测量单晶LN薄膜光波导的传输损耗。
为了解决上述损耗过高、不易控制和非线性系数减小等问题，本发明采用富锂气相输运平衡(LRVTE)技术来制作LN薄膜光波导。依据HuangpuHan等人发表的“单晶铌酸锂薄膜中的低温富锂气相输运平衡技术”(“Lithium-richvaportransportequilibrationinsingle-crystallithiumniobatethinfilmatlowtemperature”OPTICALMATERIALS.11,2634-2641，2015)一文中描述的一种富锂气相输运平衡(LRVTE)技术，采用LNOI 作为初始材料，在520℃下LRVTE处理20h使LN薄膜不断接收富锂环境中的Li2O来提高其Li/Nb比，从而使其表面折射率ne由2.2024下降到2.1985，且退火时间越长折射率下降越多。所述LNOI的基本结构自下而上分别为：LN衬底(厚度为500μm)、 SiO2层(厚度为1.8μm)、LN薄膜层(厚度为0.5μm)；所述富锂环境由Li2O粉末提供，在高温条件下，Li2O粉末在密封的坩埚内就形成了富锂环境。
本发明采用LRVTE技术，以LNOI的基本结构为平台，局域提高LNOI中的铌酸锂薄膜层的Li/Nb比，降低其折射率，且保留宽度为W的条形区域折射率不变，形成折射率差(Δne约为0.01-0.02之间)，折射率不变区域作为波导芯层。将折射率差、波导宽度和厚度作为变量，代入RSoft软件中进行仿真，可模拟出在波导宽度为1～5μm，厚度为0.4～0.7μm的条件下均可制作出单模光波导，模场尺寸会随着波导宽度及厚度的增加呈现先减小后增加的趋势。仿真结果还表明，在单模条件下由结构本身引起的波导损耗优于0.5dB/cm。由于芯层未进行过任何处理，各项光学指标完好地保留了铌酸锂体材料的数值，故此由材料引起的散射和吸收损耗可以忽略不计。最终可通过此方法制作出低损耗，高性能的LNOI波导。
Claims (2)
1.一种低损耗铌酸锂薄膜光波导的制备方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
首先采用LNOI作为初始材料，然后在LN薄膜层的表面镀一层100nm厚的SiO2膜，对SiO2膜进行光刻，制作出条状结构的2～3μm宽的SiO2掩模，接着把光刻后的条状结构的SiO2掩模样品在520～550℃下富锂气相输运平衡处理10～20个小时，得到富锂气相输运平衡条状区域，将所述富锂气相输运平衡 区域的单晶LN薄膜制作成LN薄膜光波导；最后去除SiO2掩模，并对样品的端面进行抛光处理。
2.如权利要求1所述的一种低损耗铌酸锂薄膜光波导的制备方法，其特征在于，所述富锂气相输运平衡处理所包含的具体处理为：
以LNOI的基本结构为平台，局域提高LNOI中的铌酸锂薄膜层的Li/Nb比，降低其折射率，且保留富锂气相输运平衡条状区域折射率不变，形成折射率差Δne为0.01-0.02之间、折射率不变区域，作为波导芯层。
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| GR01 | Patent grant | ||
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Effective date of registration: 20231030 Address after: 230000, 3rd Floor, Building D4, Innovation Industrial Park, No. 800 Wangjiang West Road, High tech Zone, Hefei City, Anhui Province Patentee after: Hefei Photon Computing Intelligent Technology Co.,Ltd. Address before: Room 321-17, building 6-b, international enterprise R & D Park, No. 75, Tiansheng Road, Jiangbei new area, Nanjing, Jiangsu 210043 Patentee before: Nanjing Dingxin Photoelectric Technology Co.,Ltd. |
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