CN112965166A - 一种z切铌酸锂锥形波导及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Z切铌酸锂锥形波导及其制备方法，锥形波导的整体结构包括铌酸锂基底(1)、位于铌酸锂基底(1)+Z面上的质子交换层(2)、以及作为高折射率锥形波导区的锥形横向扩散区(3)；所述锥形横向扩散区(3)由所述质子交换层(2)中的质子在交换过程中横向扩散进入锥形区域的氢离子继续向里均匀扩散形成；本发明利用质子交换(PE)湿法刻蚀技术和退火工艺相结合，在Z切铌酸锂基底上制作出锥形波导，从而实现铌酸锂锥形波导制作工艺的改进和发展，推动铌酸锂波导器件向更加小型化、低损耗方向发展。与现有技术相比，本发明制作的锥形波导能够实现模式的转换功能，进一步降低器件的耦合损耗，提高器件的传输性能。

Description

一种Z切铌酸锂锥形波导及其制备方法
技术领域
本发明涉及集成光电子学领域，特别涉及一种铌酸锂锥形波导的制备方法。
背景技术
铌酸锂(LiNbO3)是一种优良的电光晶体材料，集压电性能、电光性能和非线性性能于一身，广泛应用于光调制器、光开关、压电传感器等集成光电器件领域。随着各种薄膜器件的发展，器件中的核心部分——光波导的尺寸也越来越小，最小已经达到纳米量级。因此，在器件的封装中，光波导与光纤的耦合已成为难点。现今薄膜光波导的尺寸一般在2-4μm，而光纤的模场尺寸一般10μm左右，光波导与光纤模式的不匹配将导致耦合损耗的大大增加。锥形波导常应用于这种光电器件的耦合封装，以自身尺寸的线性变化和折射率变化来实现模式大小的转换，达成波导与光纤的模式匹配，从而有效降低器件的耦合损耗。因此，研究能够制作低损耗的锥形波导的方法成为热点。
K.Mizuuchi等人采用选择性区域质子交换法制作的锥形波导。整个锥形波导分为传导区、锥形区和耦合区三个部分，并且该波导与半导体激光器之间进行低损耗的耦合。锥形波导制备方法具体步骤包括：利用粘度低且不易挥发的焦磷酸作为交换的质子源，先将焦磷酸平铺在耦合区和锥形区域，在230℃下交换2h40min，形成一个折射率变化为0.12(波长830nm)的区域；然后在整个波导区域涂满焦磷酸，在230℃下交换8min，获得交换深度为0.36μm的传导区，而耦合区和锥形区都进行了两次交换，折射率变化要比传导区更大；最后用切伦科夫辐射产生12.3mw的二次谐波蓝光脉冲，验证了该波导的有效性。但这种制备方法不易控制各个区域之间的分界线，较难把握各区域的交换深度，且由于操作繁琐，不适用与小尺寸锥形波导的制作。GaryY.Wang等人采用双质子交换工艺制备了具有5mm锥形区和10mm均匀平板波导区的铌酸锂平面波导。其中，锥形区的制备步骤是：将基片逐渐垂直浸入5mm高的焦磷酸液中进行交换，在5mm的浸入深度内，基片的每个位置进入焦磷酸中的时间都不一样，由此形成对应各个不同位置的交换深度的锥形区域。另外，考虑到此制备方法不能很好地控制基片进入的位置因而进行了改进。依据在不同高度的焦磷酸温度不一样的原理，靠近热板(这里的热板是加热板，一般是一块铝板，内部布有加热丝，温度均匀可控，铝板表面温度最高可达300度。装有液体的烧杯置于铝板上方可被加热，与铝板接触的底部温度最高)的位置酸温度最高，随着逐渐远离热板，温度也逐渐降低；将基片直接浸入，基片的各个位置在不同温度下交换，也能形成交换深度随基片浸入位置变化的锥形区。事实上，这种垂直逐步浸入的质子交换法不能准确控制各个位置的交换深度，同时温场的变化容易受外界环境的影响，因此，难以保证制作的锥形波导的性能。
发明内容
为了优化和改进铌酸锂锥形波导的制备工艺，进一步降低波导器件的耦合损耗，本发明提出了一种Z切铌酸锂锥形波导及其制备方法，利用质子交换(PE)湿法刻蚀技术和退火工艺相结合，在Z切铌酸锂基底上制作出锥形波导，从而实现铌酸锂锥形波导制作工艺的改进和发展，推动铌酸锂波导器件向更加小型化、低损耗方向发展。
本发明的一种Z切铌酸锂锥形波导，整体结构包括铌酸锂基底1、位于铌酸锂基底1+Z面上的质子交换层2、以及作为高折射率锥形波导区的锥形横向扩散区3；所述锥形横向扩散区3由所述质子交换层中的质子在交换过程中横向扩散进入锥形区域的氢离子继续向里均匀扩散形成。
本发明的一种Z切铌酸锂锥形波导的制备方法，该方法具体制作过程如下：
以铌酸锂晶片作为基底，在基底的+Z向表面上采用磁控直流溅射的方式沉积出掩模层，厚度150nm左右；采用紫外光刻制作Cr掩模，Cr掩模层的形状分为三个区域，包括两端分别为条宽4μm、6μm的直条区、中间为宽度线性变化的锥形区，掩模的方向为Y方向；
选择纯苯甲酸作为质子源，交换温度为245℃；将做好掩模的铌酸锂晶片在245℃下进行质子交换5h左右，质子交换层的厚度约为1.2μm；交换过后室温下进行湿法刻蚀6h左右，将质子交换层全部刻蚀掉，刻蚀液采用HF-HNO3混合液；随后去除Cr掩模，在370℃下进行退火4h，锥形区域形成高折射率区，最终制成光滑的锥形波导。
与现有技术相比，本发明的一种Z切铌酸锂锥形波导及其制备方法具有以下积极的技术效果：
由于波导区域没有进行质子交换，晶格损伤更小，晶体的各项性能指标保留更加完好；且制作的锥形波导能够实现模式的转换功能，进一步降低器件的耦合损耗，提高器件的传输性能。
附图说明
图1为本发明的一种Z切铌酸锂锥形波导整体结构以及制作过程示意图；
附图标记：
1、铌酸锂基底，2、质子交换层，3、横向扩散区，4、Cr掩模。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明加以详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，为本发明的一种Z切铌酸锂锥形波导整体结构以及制备方法的过程示意图。本发明的一种Z切铌酸锂锥形波导整体结构包括铌酸锂基底1、质子交换层2、Cr掩模4，以及由质子交换层2和Cr掩模4所构成的横向扩散区3；由质子交换过程中横向扩散进入锥形区域的氢离子继续向里均匀扩散，形成高折射率锥形波导区。所选用的是双抛Z切铌酸锂晶体作为基底，厚度为0.35mm。
实验研究发现，Z切铌酸锂晶体的质子交换区经湿法刻蚀后都能获得光滑的表面，此外，交换过程中都存在一定程度的横向扩散，对于铌酸锂晶体来说，X方向的扩散速率要高于Z方向的扩散速率。本发明则是利用质子的横向扩散，通过后期退火将质子进一步均匀扩散形成高折射率锥形波导区。因此，在Z切铌酸锂基底上刻蚀制作锥形波导时，波导区域不直接进行交换，只需通过后期一定时间的退火，由交换时通过侧壁(X方向)进入锥形区域的氢离子进一步向里均匀扩散，最终形成高折射率锥形波导区域。
本发明的一种Z切铌酸锂锥形波导的制备方法以双抛Z切铌酸锂晶体作为基底，采用磁控直流溅射方式在基底+Z面上沉积一层Cr薄膜，沿Y方向采用紫外光刻方式制作Cr掩模，Cr掩模的形状是两端为直条、中间为过渡的锥形条，进行质子交换(采用纯苯甲酸作为质子源，形成质子交换层)，在HF-HNO3混合液中进行湿法刻蚀，将质子交换区全部刻蚀，获得Z切铌酸锂锥形结构；去除Cr掩模之后进行退火处理；该制备方法包括以下具体步骤：
步骤1、Cr掩模的制备：在现有双抛铌酸锂基底+Z面上沉积一层Cr薄膜，厚度为150nm左右，沉积采用磁控直流溅射的方式，溅射时通入氩气，使压强维持在0.5Pa左右。采用紫外光刻制作Cr条，掩模方向沿Y方向，掩模的两端分别宽度为4μm、6μm的直条，中间是宽度呈线性变化的锥形条，实现锥形波导的模式转换功能；
步骤2、质子交换：将装有纯苯甲酸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℃、质子源处于液态时，将做好掩模的基底放入反应釜中完全浸没在质子源里，进行质子交换5h左右；其中反应釜中选择质子源，交换深度约为1.2μm；
步骤3、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6h左右，制作出Z切铌酸锂锥形波导。其中Cr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；
步骤4、退火处理：将刻蚀后的晶片去除Cr掩模，在370℃恒温条件下退火处理4h左右。
由于波导区域没有直接进行质子交换，晶格损伤较小，晶体的各项性能指标保留更加完好。且只需通过后期退火，由交换时通过横向扩散进入波导边界的氢离子向整个锥形区域均匀扩散后提高该区域折射率对比度，最终形成高折射率波导区域。进一步降低波导器件的耦合损耗，提高波导器件的传输性能。采用质子交换技术代替传统的镍扩散技术，避免了高温引起的薄膜与基底分离的问题，体现了该方法在铌酸锂薄膜上制作锥形波导的可行性。利用Cr制作的掩模有效地阻挡了晶片局部的质子交换和后期的刻蚀横向刻蚀，保证了脊型宽度的完整性。制作不同宽度的Cr掩模，可制作不同变化程度的锥形波导，实现波导尺寸的多样化；利用质子交换技术辅助湿法刻蚀，加快了刻蚀进程，提高了制作效率。

Claims (2)

1.一种Z切铌酸锂锥形波导，整体结构包括铌酸锂基底(1)、位于铌酸锂基底(1)+Z面上的质子交换层(2)、以及作为高折射率锥形波导区的锥形横向扩散区(3)；其特征在于，所述锥形横向扩散区(3)由所述质子交换层(2)中的质子在交换过程中横向扩散进入锥形区域的氢离子继续向里均匀扩散形成。
2.如权利要求1所述的一种Z切铌酸锂锥形波导的制备方法，其特征在于，该方法具体制作过程如下：
以铌酸锂晶片作为基底，在基底的+Z向表面上采用磁控直流溅射的方式沉积出掩模层，厚度150nm左右；采用紫外光刻制作Cr掩模，Cr掩模层的形状分为三个区域，包括两端分别为条宽4μm、6μm的直条区、中间为宽度线性变化的锥形区，掩模的方向为Y向；
选择纯苯甲酸作为质子源，交换温度为245℃；将做好掩模的铌酸锂晶片在245℃下进行质子交换5h左右，质子交换层的厚度约为1.2μm；交换过后室温下进行湿法刻蚀6h左右，将质子交换层全部刻蚀掉，刻蚀液采用HF-HNO3混合液；随后去除Cr掩模，在370℃下进行退火4h，锥形区域形成高折射率区，最终制成光滑的锥形波导。
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