CN111722318B - 一种基于内扩散和离子注入的铌酸锂波导制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种基于内扩散和离子注入的铌酸锂波导制备方法，包括以下步骤：获取铌酸锂晶体；在所述铌酸锂晶体表面沉积钛层，将沉积有钛层的铌酸锂晶体进行高温扩散处理，获得钛扩散后的铌酸锂晶体；对所述钛扩散后的铌酸锂晶体进行清洗处理，去除所述光刻处理后残留的光刻胶以及所述高温扩散处理后残余的钛层；对所述钛扩散后的铌酸锂晶体进行区域离子注入处理，获得注入离子后的铌酸锂晶体；其中，所述区域离子注入处理中注入的离子为能够提高所述铌酸锂晶体抗光折变性的离子；对所述注入离子后的铌酸锂晶体进行退火处理。该制备方法在内扩散技术的基础上注入能够提高铌酸锂抗光折变性的离子，能够有效减小铌酸锂光波导光损伤效应。

Description

一种基于内扩散和离子注入的铌酸锂波导制备方法
技术领域
本申请涉及光波导制备技术领域，特别涉及一种基于内扩散和离子注入的铌酸锂波导制备方法。
背景技术
铌酸锂晶体是一种性能优异的多功能晶体，因其光电效应、声光效应、压电效应、铁电效应、热电效应、光弹效应、光折变效应以及非线性光学中的非线性效应而被广泛应用于光学领域，例如电和声光调制器、衍射光栅和非线性光学变频器等等，而波导结构是上述一些光电子器件的结构基础。
铌酸锂波导的制备主要是通过相关的制备工艺，在铌酸锂的表面部分形成微米或亚微米量级的波导层。自上世纪60年代起，人们开始对铌酸锂波导的制备工艺进行广泛的研究，发展至今，其制备主要通过离子交换、轻离子注入和热扩散的方法对铌酸锂进行局部掺杂。离子交换将铌酸锂中的锂离子与外部进行交换，由于受到晶体中晶向的影响，这种方法能够在铌酸锂晶体中得到较高的异常光折射率变化，但是不适用于对普通光进行约束，所制备的波导其非线性光学性质受到影响。离子注入主要通过注入氢和氦等轻离子进而形成波导，波导表面的异常光折射率明显增强，但在波导内部深处增益达到峰值，导致波导内部某些位置存在“缺失”，且这种方法注入剂量相对较大，注入时间长。钛内扩散在铌酸锂晶体中的应用是制备铌酸锂光波导器件最常见的方法，尽管其他方法同样可以实现优异的光学限制，但钛扩散不仅对常光和异常光均能有效限制，同时保持了铌酸锂的电光特性，有利于器件的生产。但是钛扩散由于具有提高铌酸锂光折变性能的效果，因此会在波导中产生一定的光损伤。
发明内容
为解决上述技术问题，本申请实施例公开了一种基于内扩散和离子注入的铌酸锂波导制备方法，包括以下步骤：
获取铌酸锂晶体；
在所述铌酸锂晶体表面沉积钛层，将沉积有钛层的铌酸锂晶体进行高温扩散处理，获得钛扩散后的铌酸锂晶体；
对所述钛扩散后的铌酸锂晶体进行清洗处理，去除所述光刻处理后残留的光刻胶以及所述高温扩散处理后残余的钛层；
对所述钛扩散后的铌酸锂晶体进行区域离子注入处理，获得注入离子后的铌酸锂晶体；其中，所述区域离子注入处理中注入的离子为能够提高所述铌酸锂晶体抗光折变性的离子；
对所述注入离子后的铌酸锂晶体进行退火处理。
进一步地，所述在所述铌酸锂晶体表面沉积钛层步骤之前，包括：
对所述铌酸锂晶体依次进行抛光处理和光刻处理。
进一步地，所述在所述铌酸锂晶体表面沉积钛层步骤中，所述钛层的沉积厚度为0.03-0.1微米。
进一步地，所述在所述铌酸锂晶体表面沉积钛层步骤中，所述钛层的沉积宽度为5-10微米。
进一步地，所述将沉积有钛层的铌酸锂晶体进行高温扩散处理步骤中，高温扩散处理的扩散温度为980-1050℃，扩散时间为4-12h。
进一步地，所述对所述钛扩散后的铌酸锂晶体进行清洗处理，包括：
将所述钛扩散后的铌酸锂晶体在丙酮、乙醇和去离子水中依次微波震荡清洗。
进一步地，所述对所述钛扩散后的铌酸锂晶体进行区域离子注入处理步骤中，注入的离子包括Ga离子或Mg离子。
进一步地，所述离子注入处理步骤中，离子注入的能量为0.5-3Mev，离子注入的通量0.5-3×1015/cm2。
进一步地，所述对所述注入离子后的铌酸锂晶体进行退火处理步骤中，退火温度范围为100-300℃。
进一步地，所述在所述铌酸锂晶体表面沉积钛层步骤中采用的工艺为磁控溅射镀膜工艺。
采用上述技术方案，本申请具有如下有益效果：
本申请提供的基于内扩散和离子注入的铌酸锂波导制备方法中，在内扩散技术的基础上注入能够提高铌酸锂抗光折变性的离子，能够有效减小铌酸锂光波导光损伤效应。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例一种基于内扩散和离子注入的铌酸锂波导制备方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
请参见图1，图1为本申请实施例一种基于内扩散和离子注入的铌酸锂波导制备方法流程图，包括以下步骤：
S1:获取铌酸锂晶体；
S2:在所述铌酸锂晶体表面沉积钛层，将沉积有钛层的铌酸锂晶体进行高温扩散处理，获得钛扩散后的铌酸锂晶体；
本申请实施例中，在所述铌酸锂晶体表面沉积钛层步骤之前，包括：对所述铌酸锂晶体依次进行抛光处理和光刻处理。其中，在所述抛光处理过程中，对铌酸锂晶体相对的两个端面进行光学抛光，达到铌酸锂波导表面要求的平整度，光刻处理步骤中，利用标准光刻工艺在铌酸锂表面进行匀胶、前烘、曝光、显影、坚膜等一系列步骤，刻蚀出所需的沉积图案；
本申请实施例中，所述在所述铌酸锂晶体表面沉积钛层步骤中采用的工艺可以为磁控溅射镀膜工艺，也可以为其他镀膜工艺。
本申请实施例中，在所述铌酸锂晶体表面沉积钛层步骤中，所述钛层的沉积厚度为0.03-0.1微米，所述钛层的沉积宽度为5-10微米。
本申请实施例中，所述将沉积有钛层的铌酸锂晶体进行高温扩散处理步骤中，高温扩散处理的扩散温度为980-1050℃，扩散时间为4-12h。
S3:对所述钛扩散后的铌酸锂晶体进行清洗处理，去除所述光刻处理后残留的光刻胶以及所述高温扩散处理后残余的钛层；
其中清洗处理，包括：将所述钛扩散后的铌酸锂晶体在丙酮、乙醇和去离子水中依次微波震荡清洗。
S4:对所述钛扩散后的铌酸锂晶体进行区域离子注入处理，获得注入离子后的铌酸锂晶体；其中，所述区域离子注入处理中注入的离子为能够提高所述铌酸锂晶体抗光折变性的离子；
其中，提高所述铌酸锂晶体抗光折变性的离子注入的离子可以为Ga离子或Mg离子，也可以为其他抗光折变性的离子，例如Zn离子、I n离子或Sc离子等。
本申请实施例中，在钛扩散后的铌酸锂晶体中注入抗光折变性的离子减小光损伤的原理如下所述：铌酸锂晶体的化学计量比为(L/Nb＝1),而固液同成分配比为Li/Nb二0.961,因此在晶体的固液同成分配比中含Nb的量比化学计量比中的多,这些多余的Nb离子占据了Li离子点位。当抗光折变性的离子注入铌酸锂晶格，抗光折变性的离子将会取代这些Li离子点位，当抗光折变性离子将这些Li离子点位全部置换达到饱和时所需的抗光折变性的离子的量为4.6mol％，即抗光折变性离子的阈值量为4.6mol％。当掺入高于阈值量的抗光折变性离子,抗光折变性离子完全取代上述的Li离子点位(以Mg离子注入为例：当注入高于阈值量的Mg离子,Mg离子能够完全取代上述的Li离子点位)；如此，晶体中电荷趋向平衡,抑制了电荷移动,消弱了空间电荷场,晶体光折变效应减弱,使得铌酸锂晶体的抗光损伤能力有效提高。
本申请实施例中，抗光折变性离子的注入能量和注入剂量能够根据抗光折变性离子的注入量设定。其中，抗光折变性离子的注入量大于阈值量。
本申请实施例中，离子注入的能量可以为0.5-3Mev，离子注入的通量可以为0.5-3×1015/cm2。
S5:对所述注入离子后的铌酸锂晶体进行退火处理。
本申请实施例中，对所述注入离子后的铌酸锂晶体进行退火处理的退火温度范围为100-300℃。
本申请提供的基于内扩散和离子注入的铌酸锂波导制备方法，在钛内扩散技术的基础上注入能够提高铌酸锂抗光折变性的离子，既能够有效保留钛扩散波导的优异性能，又能够有效克服现有技术中由于钛扩散会在波导中产生一定的光损伤的缺陷，减小铌酸锂光波导的光损伤效应。
以上仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于内扩散和离子注入的铌酸锂波导制备方法，包括以下步骤：
获取铌酸锂晶体；
对所述铌酸锂晶体进行抛光处理和光刻处理；
在所述铌酸锂晶体表面沉积钛层，将沉积有所述钛层的所述铌酸锂晶体进行高温扩散处理，获得钛扩散后的铌酸锂晶体；
对所述钛扩散后的铌酸锂晶体进行清洗处理，去除所述光刻处理后残留的光刻胶以及所述高温扩散处理后残余的所述钛层；
对所述钛扩散后的铌酸锂晶体进行区域离子注入处理，获得在钛扩散的基础上注入离子后的铌酸锂晶体；其中，所述区域离子注入处理中注入的离子为能够提高所述铌酸锂晶体抗光折变性的离子；
对所述注入离子后的铌酸锂晶体进行退火处理。
2.根据权利要求1所述的基于内扩散和离子注入的铌酸锂波导制备方法，其特征在于，所述在所述铌酸锂晶体表面沉积钛层步骤中，所述钛层的沉积厚度为0.03-0.1微米。
3.根据权利要求1所述的基于内扩散和离子注入的铌酸锂波导制备方法，其特征在于，所述在所述铌酸锂晶体表面沉积钛层步骤中，所述钛层的沉积宽度为5-10微米。
4.根据权利要求1所述的基于内扩散和离子注入的铌酸锂波导制备方法，其特征在于，所述将沉积有钛层的铌酸锂晶体进行高温扩散处理步骤中，高温扩散处理的扩散温度为980-1050℃，扩散时间为4-12h。
5.根据权利要求1所述的基于内扩散和离子注入的铌酸锂波导制备方法，其特征在于，所述对所述钛扩散后的铌酸锂晶体进行清洗处理，包括：将所述钛扩散后的铌酸锂晶体在丙酮、乙醇和去离子水中依次微波震荡清洗。
6.根据权利要求1所述的基于内扩散和离子注入的铌酸锂波导制备方法，其特征在于，所述对所述钛扩散后的铌酸锂晶体进行区域离子注入处理步骤中，注入的离子包括Ga离子或Mg离子。
7.根据权利要求1所述的基于内扩散和离子注入的铌酸锂波导制备方法，其特征在于，所述离子注入处理步骤中，离子注入的能量为0.5-3Mev，离子注入的通量0.5-3×1015/cm2。
8.根据权利要求1所述的基于内扩散和离子注入的铌酸锂波导制备方法，其特征在于，所述对所述注入离子后的铌酸锂晶体进行退火处理步骤中，退火温度范围为100-300℃。
9.根据权利要求1所述的基于内扩散和离子注入的铌酸锂波导制备方法，其特征在于，所述在所述铌酸锂晶体表面沉积钛层步骤中采用的工艺为磁控溅射镀膜工艺。
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Optical and Structural Properties of Proton Exchanged MgO:LiNbO3 waveguides;Yuri Korkishko et al;《Journal of Applied Physics》;20030731;全文 *

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