CN111175892A - 一种铌酸锂光波导器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铌酸锂光波导器件的制备方法,属于光通信技术领域。本发明引入新的包层结构,通过离子注入、旋涂BCB、键合、退火等工艺获得微米量级的铌酸锂薄膜光波导器件,工艺上利于脊型波导的制备,并且最终制备的光波导有效减少了传输损耗,增大光的束缚性;本发明选用BCB作为键合介质材料,常温下作为粘合剂,能够将铌酸锂薄膜与衬底有效结合在一起,退火后BCB固化,并作为波导包层,后续对铌酸锂薄膜的掩膜刻蚀工艺简便,也不会对铌酸锂薄膜造成损坏;铌酸锂的光折射率为2.2,大于BCB的折射率1.5并大于空气的折射率1,可以将光很好的约束在波导中,从而不需要进行质子交换即可实现优异的性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种铌酸锂光波导器件及其制备方法,属于光通信技术领域。
背景技术
铌酸锂晶体具有优异的电光、声光及非线性等性能,材料的化学性能稳定,是集成光学最常用的无机介电晶体材料,在光通信领域被广泛用于制备各种光波导器件。通过改变铌酸锂光波导和电极的结构,能够制备出多种光传输和控制的器件,如光波导、电光调制器、微环谐振器等。
为了制作出波导,需要在基片上表面制作SiO2或Si3N4薄膜,然后通过光刻技术刻蚀出掩模窗口,再用离子交换等方法在铌酸锂晶体表面制作出光波导,然后再腐蚀掉表面的SiO2或Si3N4薄膜。离子交换后的铌酸锂晶体会被分为上下两层,质子交换后的部分作为芯层,而为交换的部分作为包层,通过两层折射率的差异,将光束缚在表面波导中。
对于不同的电场方向,铌酸锂晶体应该选择合适的晶体取向,以便获得最大的电光系数。当电极电场方向平行于铌酸锂基片表面,应选择x切y方向传播的铌酸锂基片,此时光波导传播模应为TE模,其导光电场偏振方向与电极电场方向一致;亦可选择y切x方向传播的基片,光波仍为TE模。当电极电场方向垂直于基片表面,应选择z切铌酸锂基片和TM偏振状态的光传输模。
在实际应用中,由于基片厚度的原因,光会向四周消散,从而增大了传输损耗,所以需要对各种切向的铌酸锂块材减薄,目前的做法为对基片进行机械研磨,但该方法制得的铌酸锂厚度仍然在几十个微米,不能有效的减小损耗;其次,离子交换工艺复杂,不能适用于所有切向的铌酸锂,且上下两层的折射率差异较小,不能很好地将光束缚在波导中。
发明内容
针对上述存在问题或不足,为了克服现有铌酸锂光波导器件技术的缺陷,本发明提供了一种铌酸锂光波导器件及其制备方法,包括任意切向的铌酸锂薄膜的制备和带有发射层结构的光波导器件。
一种铌酸锂光波导器件,从上往下依次为空气、铌酸锂薄膜、BCB和光学衬底,光波导芯层为脊型的铌酸锂薄膜,厚度为300nm~1um,宽度1μm~20μm,长度5~15mm,四周由空气和BCB包裹。
所述铌酸锂薄膜为任意切向的铌酸锂薄膜;铌酸锂的光折射率为2.2,大于BCB的折射率1.5并大于空气的折射率1,可以将光很好的约束在波导中。
上述铌酸锂光波导器件的制备方法,包括以下步骤:
步骤1、对铌酸锂基片进行离子注入,并在基片一面制备一层苯并环丁烯BCB;
步骤2、然后将步骤1离子注入后的铌酸锂基片BCB层一侧与光学衬底键合;
步骤3、将步骤2键合后的铌酸锂基片退火,通过退火剥离制得铌酸锂薄膜。
步骤4、将步骤3所得铌酸锂薄膜通过光刻掩膜的方式在铌酸锂薄膜上外延生长Cr掩模,利用DRIE对铌酸锂薄膜刻蚀出光波导芯层,最后洗掉Cr掩模,留下直波导;即可制得,光波导芯层为铌酸锂薄膜,四周由空气和BCB包裹的铌酸锂光波导器件。
进一步的,所述铌酸锂基片可选任意切向的铌酸锂晶体,厚度范围在毫米量级。
进一步地,所述离子注入选用He离子或B离子,注入深度范围在200nm~2um,其中800nm 为优,根据注入深度的不同,可选择注入离子能量为150~1000KeV,其中300KeV为优。
进一步地,所述苯并环丁烯(BCB)材料,为了使BCB均匀附着在表面,需要将基片放在匀胶台上,在转速2000r/min~5000r/min下进行旋涂,厚度范围为0.2um-2um,其中1um为优。
进一步地,将涂BCB后的铌酸锂基片与硅等光学衬底键合在一起,键合面为BCB和光学衬底,通过退火工艺,BCB固化,二者合为一体,与此同时,注入的离子由于热膨胀,将铌酸锂基片沿着注入层劈裂开来,形成薄膜,转移至硅等光学衬底。
进一步地,所述外延生长的Cr膜厚度300nm~1um;利用等离子体DRIE对铌酸锂薄膜进行刻蚀形成脊型波导,刻蚀的厚度为300nm~1um,宽度1μm~20μm,长度5~15mm;最后利用Cr腐蚀液将剩余的Cr膜去除。
本发明引入新的包层结构,通过离子注入、旋涂BCB、键合、退火等工艺获得微米量级的铌酸锂薄膜光波导器件,工艺上利于脊型波导的制备,并且最终制备的光波导有效减少了传输损耗,增大光的束缚性;本发明选用BCB作为键合介质材料,常温下作为粘合剂,能够将铌酸锂薄膜与衬底有效结合在一起,退火后BCB固化,并作为波导包层,后续对铌酸锂薄膜的掩膜刻蚀工艺简便,也不会对铌酸锂薄膜造成损坏;铌酸锂的光折射率为2.2,大于BCB 的折射率1.5并大于空气的折射率1,可以将光很好的约束在波导中,从而不需要进行质子交换即可实现优异的性能。
附图说明
图1是现有的铌酸锂光波导示意图;
图2-图4是现有的铌酸锂光波导制备流程图;
图5是实施例的铌酸锂光波导示意图;
图6-图12是本发明制作的铌酸锂光波导的工艺过程示例;
图13是本发明器件制作方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述,显然,所述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例,基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
图1是采用现有技术制作的铌酸锂光波导三维示意图;图2至图4是采用现有技术制作铌酸锂光波导的工艺过程示意图。现有技术制作铌酸锂光波导的流程为,首先在x切铌酸锂基片1的上表面利用光刻技术外延生长SiO2薄膜3,留出掩模窗口,如图2所示;接着使用质子交换技术对掩模窗口的铌酸锂基片制作出光波导2,如图3所示;随后腐蚀掉表面的SiO2薄膜3,如图4所示。在质子交换步骤中,一般选用苯甲酸(C6H5COOH)做为质子源,将铌酸锂(LiNbO3)浸入121~250℃的苯甲酸熔融液中,随后发生Li+与H+交换,在晶体表面形成如 HxLil-xNbO3高折射率层,其中通常x>0.5。质子交换后的铌酸锂折射率升高,大于非交换区域,从而将波导约束在波导中。在该技术工艺过程中,质子交换起到决定性作用,然而质子交换工艺复杂,成功率不高,交换后的区域与非交换区域折射率差异小,对光的约束效果不明显,光容易耗散进入非交换区域,导致损耗增加。并且,质子交换不适用于Y切铌酸锂,这是由于Y切铌酸锂在大部分酸中会发生表面腐蚀。
图13是本发明铌酸锂光波导的制作方法的流程图,具体包括以下步骤:对铌酸锂基片进行高能离子注入;在注入表面旋涂一层BCB;将BCB面与硅等光学衬底在一定压力下键合在一起;利用退火工艺,剥离铌酸锂薄膜;在铌酸锂薄膜表面光刻外延生长金属Cr膜;刻蚀铌酸锂薄膜,形成脊型波导;最后利用腐蚀液洗掉金属Cr膜。
图5是本发明实施例的三维示意图,从上往下包括铌酸锂薄膜波导1,包层BCB4,硅光学衬底7。
图6至图12是本发明制作铌酸锂光波导的工艺过程实施例。
步骤一.选择X切的铌酸锂基片1,对表面进行He+离子注入,能量为300KeV,注入深度为500nm,在该深度处形成注入层5,如图6所示;
步骤二.将基片放置于甩胶台,常温下涂2μm厚的BCB,并在2500r/min的转速下进行旋转1min,最后留下1um厚的均匀覆盖的BCB层4,如图7所示;
步骤三.施加压力将BCB面4与硅光学衬底7键合在一起,如图8所示;
步骤四.进行退火工艺,将整体升温至300℃,1h内缓慢降至常温,铌酸锂基片沿着注入层5劈裂,留下铌酸锂薄膜1,同时BCB4固化,如图9所示;
步骤五.在铌酸锂薄膜1表面进行光刻,利用磁控溅射法外延生长一层200nm厚的金属 Cr膜6,宽度为4μm,长度为10mm如图10所示;
步骤六.利用DRIE设备对铌酸锂薄膜进行刻蚀,采用CHF3/Ar混合气体,在含氟气体中加入Ar来增强各向异性。由于CHF3气体对Cr膜6刻蚀和对铌酸锂刻蚀的速率比为1:6,所以当铌酸锂刻蚀到所设定的深度时,依然有Cr膜6剩余,从而刻蚀出波导形状,如图11;
步骤七.将整体结构浸泡于Cr腐蚀液中,由于腐蚀液对其他结构不造成腐蚀影响,所以可单独洗掉Cr膜6,留下结构完整的光波导。
在上述实施例中,铌酸锂薄膜光波导宽4μm,厚500nm,长10mm,四周为空气和底部的BCB,铌酸锂的光折射率为2.2,大于BCB的折射率1.5并大于空气的折射率1,可以将光很好的约束在波导中,减少了传输损耗。在工艺方面,免去了质子交换,提升了光波导性能,简化了制作工艺。所述的所有工艺均与现有半导体工艺兼容,能够很好的应用到光芯片制作中。
以上所述,仅为本发明的具体实施例,对本发明的目的、内容和有效增益效果进行了进一步说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的一个具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种铌酸锂光波导器件,其特征在于:从上往下依次为空气、铌酸锂薄膜、BCB和光学衬底;光波导芯层为脊型的铌酸锂薄膜,厚度为300nm~1um,宽度1μm~20μm,长度5~15mm其四周由空气和BCB包裹。
2.如权利要求1所述铌酸锂光波导器件的制备方法,包括以下步骤:
步骤1、对铌酸锂基片进行离子注入,并在基片一面制备一层苯并环丁烯BCB;
步骤2、然后将步骤1离子注入后的铌酸锂基片BCB层一侧与光学衬底键合;
步骤3、将步骤2键合后的铌酸锂基片退火,通过退火剥离制得铌酸锂薄膜。
步骤4、将步骤3所得铌酸锂薄膜通过光刻掩膜的方式在铌酸锂薄膜上外延生长Cr掩模,利用DRIE对铌酸锂薄膜刻蚀出波导形状,最后利用Cr腐蚀液洗掉Cr掩模,留下直波导;即可制得,光波导芯层为铌酸锂薄膜,四周由空气和BCB包裹的铌酸锂光波导器件。
3.如权利要求2所述的铌酸锂光波导器件的制备方法,其特征在于:所述离子注入深度为300nm~2um,注入离子能量为150~1000KeV。
4.如权利要求2所述的铌酸锂光波导器件的制备方法,其特征在于:所述离子注入选用He离子或B离子,注入深度为800nm,注入离子能量为300KeV。
5.如权利要求2所述的铌酸锂光波导器件的制备方法,其特征在于:所述苯并环丁烯BCB层,在匀胶台以转速2000r/min~5000r/min均匀旋涂,厚度范围为0.2um-2um。
6.如权利要求2所述的铌酸锂光波导器件的制备方法,其特征在于:所述铌酸锂基片为任意切型。
7.如权利要求2所述的铌酸锂光波导器件的制备方法,其特征在于:所述外延生长的Cr膜厚度300nm~1um,利用等离子体DRIE对铌酸锂薄膜进行刻蚀形成脊型波导,刻蚀的厚度为300nm~1um,宽度1μm~20μm,长度5~15mm。
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200519 |
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |