CN112130253B - 一种在z切铌酸锂薄膜上制作y传脊型光波导的方法 - Google Patents

一种在z切铌酸锂薄膜上制作y传脊型光波导的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种在Z切铌酸锂薄膜上制作Y传脊型光波导的方法，制作Y传脊型光波导的方法包括：在铌酸锂单晶薄膜+Z面的波导区形成掩膜；轻质子交换，非波导区在+Z面实现质子交换，波导区在非波导区与波导区的边界处实现X面质子交换；其中，质子源为苯甲酸和苯甲酸锂的混合物，苯甲酸锂的质量比为2％。本发明提出一种在Z切铌酸锂薄膜上制作Y传脊型光波导的方法，其主要在X切方向采用2％缓冲质子交换，可在Z切铌酸锂薄膜上制备出侧壁(X面)和表面(Z面)均很光滑、损耗低的Y传脊型光波导。

Description

一种在Z切铌酸锂薄膜上制作Y传脊型光波导的方法
技术领域
本发明涉及集成光电子学领域，具体涉及一种在Z切铌酸锂薄膜上制作Y传脊型光波导的方法。
背景技术
铌酸锂(LiNbO3)晶体因其具有优良的光学性质，已经广泛应用于制作电光调制器，光开关，光耦合器等集成光学器件。特别是高速铌酸锂调制器，在5G通信中扮演着越来越重要的角色。为了提高其调制带宽，更好地适应高频化工作，需要把传统的扩散型铌酸锂波导制作成脊型波导。常用的制作LiNbO3脊型波导的方法，包括干法刻蚀法、湿法刻蚀法以及化学抛光法等。干法刻蚀可以使用离子束刻蚀，射频喷溅刻蚀，以及反应离子刻蚀等刻蚀技术。但利用干法刻蚀技术制作的波导都面临一个问题就是刻蚀出的脊面侧壁比较粗糙，波导传输损耗很大。
专利一种铌酸锂脊型光波导的制备方法(公开号：CN 110764188 A)提出利用轻质子交换(SPE)技术和质子交换湿法刻蚀技术相结合制作铌酸锂脊型光波导的方法，成功避免了高温退火、晶体结构改变的问题。但其使用纯苯甲酸进行质子交换，使用的纯苯甲酸交换的刻蚀区域，无论对Z切样品还是X切样品，损伤都较大，因此刻蚀出的侧壁相对比较粗糙，容易导致较大的波导传输损耗。
发明内容
本发明要解决的问题是脊型光波导的侧壁粗糙，导致较大的波导传输损耗。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种在Z切铌酸锂薄膜上制作Y传脊型光波导的方法，制作Y传脊型光波导的方法包括：
在铌酸锂单晶薄膜+Z面的波导区形成掩膜；
轻质子交换，非波导区在+Z面实现质子交换，波导区在非波导区与波导区的边界处实现X面质子交换；
其中，质子源为苯甲酸和苯甲酸锂的混合物，苯甲酸锂的质量比为2％。
优选地，形成掩膜的过程包括：
形成保护膜；
对保护膜进行选择性刻蚀，在波导区形成掩膜。
优选地，掩膜的宽度为脊波导的宽度。
优选地，轻质子交换过程包括：
对质子源进行预热，使质子源处于熔融状态；
将形成掩膜的铌酸锂单晶薄膜完全浸没于熔融状态的质子源中进行质子交换。
优选地，对质子源进行预热的过程中，温度达到245℃时，质子源处于熔融状态。
优选地，轻质子交换之后还包括刻蚀过程，将非波导区的质子交换层刻蚀掉。
优选地，刻蚀的高度大于或者等于氢质子交换的深度。
优选地，刻蚀采用湿法刻蚀，刻蚀液体积比为HF:HNO3＝1:3的HF-HNO3 混合液。
优选地，还包括对波导区的质子交换层进行退火处理。
优选地，退火过程在300℃恒温条件下进行。
本发明具有的优点和积极效果是：本发明提出一种在Z切铌酸锂薄膜上制作Y传脊型光波导的方法，其主要在X切方向采用2％缓冲质子交换，可在Z切铌酸锂薄膜上制备出侧壁(X面)和表面(Z面)均很光滑、损耗低的Y传脊型光波导。
附图说明
图1是本发明形成保护薄膜的过程；
图2是本发明形成掩膜的过程；
图3是本发明质子交换的过程；
图4是本发明刻蚀侯的结构；
图5是本发明退火后的结构。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合具体实施例和附图对本发明进行进一步的描述。
本发明提供一种在Z切铌酸锂薄膜上制作Y传脊型光波导的方法，包括：在铌酸锂单晶薄膜10的+Z面的波导区形成掩膜201，对铌酸锂单晶薄膜10的+Z面的波导区形成保护；轻质子交换，非波导区在+Z面实现质子交换，波导区在非波导区与波导区的边界处实现X面质子交换；其中质子源为苯甲酸和苯甲酸锂的混合物，苯甲酸锂的质量比为2％。
实验研究发现，铌酸锂晶体经过2％(苯甲酸锂与苯甲酸质量比)缓冲质子交换，Z切晶体表面刻蚀深度可类比于纯苯甲酸交换后的晶体，但是X 切晶体表现出较好的抗腐蚀特性，即经过2％(苯甲酸锂与苯甲酸质量比)缓冲质子交换，铌酸锂晶体Z面是不抗腐蚀的，但是X切晶体表现出较好的抗腐蚀特性。
表1为本发明实验研究过程的中测试的不同处理条件下晶体表面粗糙度测试数据。
表1不同处理条件下晶体表面粗糙度测试数据
Figure BDA0002671773130000031
Figure BDA0002671773130000041
通过表1可以发现，通过实验我们发现，经过纯苯甲酸交换的铌酸锂晶体X面，在湿法刻蚀中常用的腐蚀液中浸泡约4小时后，X切表面粗糙度为 2.718nm，是未做任何处理前(～0.5nm)的近6倍，这一粗糙度的增加依然会带来波导传输损耗的增加；经过2％缓冲质子交换经过4小时的的铌酸锂晶体X面，其粗糙度仅为0.775nm，比纯苯甲酸交换后的晶体腐蚀后的表面粗糙度大幅降低。
本发明提出一种在Z切铌酸锂薄膜上制作Y传脊型光波导的方法，其主要在X切方向采用2％缓冲质子交换，可在Z切铌酸锂薄膜上制备出侧壁(X面)和表面(Z面)均很光滑、损耗低的Y传脊型光波导。
在本发明中，如图1所示，在现有的铌酸锂薄膜10的+Z面上制作一层保护薄膜20，进一步地，如图2所示，再对该保护薄膜20进行刻蚀，制作一宽度为目标脊波导宽度的掩膜201。在上述过程中，被掩膜201覆盖的铌酸锂薄膜10的区域为脊型区101，也即波导区，没有掩膜201覆盖的区域为非波导区102。
由于本发明中采用甲酸锂的质量比为2％的苯甲酸和苯甲酸锂的混合物作为质子源，其对Z面是不抗腐蚀的，但是X切晶体表现出较好的抗腐蚀特性。该掩膜201的作用是对光波导的脊型区101的+Z方向进行保护，使得其在轻质子交换过程中，脊型区101的+Z方向不受质子交换的影响；在轻质子交换的过程中，由于脊型区101有掩膜201进行覆盖，所以该区域的 +Z方向不受质子交换，只在非波导区进行+Z方向的质子交换，氢离子从非波导区102与脊型区101的边界处向脊型区101扩散，即通过X方向进入脊型区101，从而提高脊型区101的折射率，实现了只从X方向对脊型区101 的质子交换，而X方向的抗腐蚀性很强，保证了Y传脊型光波导的侧壁(X 面)和表面(Z面)均很光滑，降低其损耗。
进一步地，保护薄膜20可以采用常规的二氧化硅、铬等。
在本发明一个具体的实施例中，保护薄膜20采用铬薄膜，具体的，在现有铌酸锂薄膜+Z面上制作一层铬薄膜，厚度为100-200nm，制备采用电子束溅射的方式，溅射时通入氩气，使压强维持在0.5Pa左右；进一步地，采用紫外光刻制作铬掩膜，掩模方向沿Y方向，掩模的宽度确定了制作脊波导的宽度，为了得到单模传输光波导，制作铬掩膜宽约为4μm。
进一步地，进行轻质子交换，将带有上述掩膜的晶片放入熔融状态的质子源中进行轻质子交换，具体的，质子源为苯甲酸和苯甲酸锂的混合物，其中，苯甲酸锂的质量比为2％。
将装有质子源的反应釜放入质子交换炉中进行预热，待温度达到245℃、质子源处于熔融状态时，将做好掩模的晶片放入反应釜中完全浸没在质子源里，进行质子交换9-11h。其中反应釜中选择质子源苯甲酸锂质量占比为2％，交换深度约为1.2μm。
进一步地，如图4所示，对进行质子交换之后的晶片进行刻蚀，刻蚀的高度大于或者等于氢质子交换的深度。
由于在上述轻质子交换交换的过程中，质量比为2％的苯甲酸和苯甲酸锂的混合物对晶片的+Z面具有腐蚀性，所以将氢质子交换层清补刻蚀掉，保证其表面的光滑度。
具体的，在发明的一个具体的实施例中，采用湿法刻蚀，室温下，将交换后的晶片放入HF-HNO3混合液(体积比HF:HNO3＝1:3)中进行刻蚀4h，制作出Z切铌酸锂薄膜Y传脊型光波导。其中掩模在HF-HNO3混合液中抗腐蚀，刻蚀后的脊高约为1.2μm，质子交换层全部刻蚀掉。
进一步地，退火处理。将刻蚀后的晶片去除掩模；具体的，在300℃恒温条件下退火处理5h。
由于脊型区101不直接进行质子交换，而是从非波导区102与脊型区101 的边界处向脊型区101扩散，需要通过后期退火处理。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种在Z切铌酸锂薄膜上制作Y传脊型光波导的方法，其特征在于：制作Y传脊型光波导的方法包括：
在铌酸锂单晶薄膜+Z面的波导区形成掩膜；
轻质子交换，非波导区在+Z面实现质子交换，波导区在非波导区与波导区的边界处实现X面质子交换；
其中，质子源为苯甲酸和苯甲酸锂的混合物，苯甲酸锂的质量比为2％。
2.根据权利要求1所述的在Z切铌酸锂薄膜上制作Y传脊型光波导的方法，其特征在于：形成掩膜的过程包括：
形成保护膜；
对保护膜进行选择性刻蚀，在波导区形成掩膜。
3.根据权利要求1或2所述的在Z切铌酸锂薄膜上制作Y传脊型光波导的方法，其特征在于：掩膜的宽度为脊波导的宽度。
4.根据权利要求1所述的在Z切铌酸锂薄膜上制作Y传脊型光波导的方法，其特征在于：轻质子交换过程包括：
对质子源进行预热，使质子源处于熔融状态；
将形成掩膜的铌酸锂单晶薄膜完全浸没于熔融状态的质子源中进行质子交换。
5.根据权利要求4所述的在Z切铌酸锂薄膜上制作Y传脊型光波导的方法，其特征在于：对质子源进行预热的过程中，温度达到245℃时，质子源处于熔融状态。
6.根据权利要求1所述的在Z切铌酸锂薄膜上制作Y传脊型光波导的方法，其特征在于：轻质子交换之后还包括刻蚀过程，将非波导区的质子交换层刻蚀掉。
7.根据权利要求6所述的在Z切铌酸锂薄膜上制作Y传脊型光波导的方法，其特征在于：刻蚀的高度大于或者等于氢质子交换的深度。
8.根据权利要求6或7所述的在Z切铌酸锂薄膜上制作Y传脊型光波导的方法，其特征在于：刻蚀采用湿法刻蚀，刻蚀液体积比为HF:HNO3＝1:3的HF-HNO3混合液。
9.根据权利要求1所述的在Z切铌酸锂薄膜上制作Y传脊型光波导的方法，其特征在于：还包括对波导区的质子交换层进行退火处理。
10.根据权利要求1所述的在Z切铌酸锂薄膜上制作Y传脊型光波导的方法，其特征在于：退火过程在300℃恒温条件下进行。
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