CN113285201B - 一种微米级矩形波导的制备方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微米级矩形波导的制备方法及系统，保持待加工品与水平方向呈倾斜放置，且倾斜方向与金刚石刀片刀刃第一侧边倾斜方向垂直，保持金刚石刀片竖直方向切割，形成第一划槽；将待加工品旋转，使其与水平方向呈倾斜放置，且放置方向与金刚石刀片刀刃第二侧边倾斜方向垂直，保持金刚石刀片竖直方向切割，形成第二划槽，实现两条划槽中间的预留位置形成矩形波导。本发明不需要将微米级铌酸锂薄膜层切透，从而得到侧壁光滑，易加工的矩形波导。

Description

一种微米级矩形波导的制备方法及系统

技术领域

本发明属于集成光学、微纳加工技术领域，具体涉及一种微米级矩形波导的制备方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

频率转换过程是指三种不同波长的相互作用波满足一定的能量转换公式，相互转换的过程，包括倍频(SHG)、和频(SFG)、差频(DFG)、光学参量振荡(OPO)等。通过非线性晶体(例如铌酸锂LN、钽酸锂LT、KDP、BBO等)的频率转换过程是获得新的相干光源、拓宽激光输出波长范围最常用最有效的方法之一。在光传输、光存储、光显示等方面存在广泛的应用。实现频率转换常用两种方案：一是体介质中的频率转换，二是波导结构中的频率转换。由于体介质对光波的束缚作用较弱，光波在体介质中传输时光束的聚焦长度较短，容易发生散射现象。因此体介质中的频率转换不常用。实现频率转换过程常常利用波导结构。

对于铌酸锂，其波导的种类包括钛扩散波导、质子交换波导、脊型波导等。脊形波导对光波的束缚能力强，光损伤阈值高，在高功率光频率转换过程中具有重要应用。由于铌酸锂晶体刻蚀难度高，对于微米级的铌酸锂脊型波导，目前只能使用高精度金刚石划片工艺，或者高精度的机械加工方式。但是，由于脊型波导存在一个小于90°的坡角，导致波导模式不圆，耦合效率低，影响应用。因此，制备坡角为90°的脊形波导，即矩形波导很有必要。目前利用金刚石划片法制备矩形波导需要很深的切割深度，形成一个孤立的高纵深比的脊型。脊形波导的上端部分坡角接近90°，形成矩形波导。

但目前由于金刚石刀片刀尖部分为三角形或梯形，利用金刚石划片法制备微米级矩形波导需要一个很深的切割深度，将微米级铌酸锂薄膜层切透，使刀痕处于二氧化硅层或铌酸锂基底层，形成一个孤立的高纵深比的矩形波导，如图2所示。以微米级铌酸锂薄膜样品为例，包括铌酸锂基底21、二氧化硅层22、铌酸锂单晶薄膜层23，在制备过程中，金刚石刀片1与样品垂直作用，形成两个划槽24，实际应用中，导模是在铌酸锂单晶薄膜层传输，所以在铌酸锂单晶薄膜层中，划槽之间的矩形结构为矩形波导25，从图2可看到，金刚石刀片作用到了二氧化硅层和铌酸锂基底层。

该方法由于将微米级铌酸锂薄膜层切透，使薄膜上的矩形波导与二氧化硅层连接面积减小，导致键合力度减弱，切割过程中矩形波导极易脱落给加工工艺带来困难。并且由于切割到二氧化硅层，二氧化硅的硬度比铌酸锂硬度大，导致矩形波导侧壁崩边严重，增加了矩形波导的传输损耗，降低了波导性能，并且金刚石刀片接触到二氧化硅层，使金刚石刀片磨损严重，缩短了刀片使用寿命，增加了成本。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出一种微米级矩形波导的制备方法及系统，本发明能够解决现有技术中会将微米级铌酸锂薄膜层切透导致的矩形波导易脱落及波导侧壁崩边严重的问题，本发明通过增加脊形波导的侧壁陡直度，从而得到矩形波导，并且不需要将微米级铌酸锂薄膜层切透，从而得到侧壁光滑，易加工的矩形波导。

根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

一种微米级矩形波导的制备方法,包括以下步骤：

保持待加工品与水平方向呈倾斜放置，且倾斜方向与金刚石刀片刀刃第一侧边倾斜方向垂直，保持金刚石刀片竖直方向切割，形成第一划槽；

将待加工品旋转，使其与水平方向呈倾斜放置，且放置方向与金刚石刀片刀刃第二侧边倾斜方向垂直，保持金刚石刀片竖直方向切割，形成第二划槽，实现两条划槽中间的预留位置形成矩形波导。

作为可选择的实施方式，所述第一划槽和第二划槽之间具有一定距离。

作为可选择的实施方式，确定金刚石刀片刀刃第一侧边与竖直方向的第一夹角，使待加工品与水平方向呈第一夹角倾斜放置，且倾斜方向与金刚石刀片刀刃第二侧边倾斜方向相同。

作为可选择的实施方式，确定金刚石刀片刀刃第二侧边与竖直方向的第二夹角，使待加工品与水平方向呈第二夹角倾斜放置，且倾斜方向与金刚石刀片刀刃第一侧边倾斜方向相同。

作为可选择的实施方式，所述第一夹角与第二夹角相同。

作为可选择的实施方式，所述第一夹角与第二夹角不相同。

作为可选择的实施方式，所述金刚石刀片竖直方向切割的深度不超过待加工品薄膜层的厚度。

作为可选择的实施方式，所述金刚石刀片刀刃侧边长度与待加工的矩形波导的深度匹配。

一种微米级矩形波导的制备系统，包括角度位移台和可移动机构，所述可移动机构上设置有金刚石刀片，能够带动所述金刚石刀片三维方向运动；

所述角度位移台，设置有承载面，用于承载所述待加工品，且能够带动其承载面转动。

作为可选择的实施方式，所述可移动机构和角度位移台的运动参数可控。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过简单的制备过程，就可以形成矩形波导，使矩形波导存在于薄膜层中，与二氧化硅层键合力较强，切割过程中不会脱落，便于加工。并且不需要切割到二氧化硅层，有利于控制波导结构侧壁的崩边，形成质量较好的矩形波导并且保证了金刚石刀片的使用寿命。

本发明不会形成孤立的高纵深比结构，切割过程中波导不易损坏，有利于切割工艺的实施。且切割过程不用将薄膜层切透，有利于控制波导侧壁崩边，形成质量较好的矩形波导。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1(a)-1(c)为金刚石划片法制备脊形波导示意图；

图2(a)-2(c)为高纵深比划片制备矩形波导示意图；

图3(a)-3(c)为实施例一利用金刚石划片法制备微米级矩形波导示意图；

图4为实施例二的角度位移台示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

图1为金刚石划片法制备脊形波导示意图。以微米级铌酸锂薄膜样品为例，包括铌酸锂基底层21，二氧化硅层22，铌酸锂单晶薄膜层23。金刚石刀片1与样品垂直作用，形成两个划槽24，划槽之间的脊型结构为脊形波导25，如图1可看到，脊型波导的侧壁与水平方向存在一个小于90°的坡角，导致波导模式不圆，耦合效率低，影响应用。

图2为利用金刚石划片法制备矩形波导的现有技术。以微米级铌酸锂薄膜样品为例，包括铌酸锂基底层21，二氧化硅层22，铌酸锂单晶薄膜层23。金刚石刀片1与样品垂直作用，形成两个划槽24，实际应用中，导模是在铌酸锂单晶薄膜层传输，所以在铌酸锂单晶薄膜层中，划槽之间的矩形结构为矩形波导25，如图可看到，金刚石刀片作用到了二氧化硅层，使铌酸锂单晶薄膜层中的矩形波导结构形成了孤立的高纵深比，波导结构容易脱落损坏，不利于切割工艺的实施。

本发明为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种利用金刚石划片法实现微米级矩形波导的制备方法，旨在解决上述方法中由于将微米级铌酸锂薄膜层切透导致的矩形波导易脱落及波导侧壁崩边严重的问题。金刚石刀片无需接触二氧化硅层，保证了金刚石刀片的使用寿命，降低成本。

为方便本领域技术人员理解方案，以以下实施例进行详细说明，但不并代表本发明提供的技术方案，仅能用于下述实施例，这是本领域技术人员应当知道的。

实施例一：

一种利用金刚石划片法实现微米级矩形波导的制备方法，包括以下步骤：

如图3所示，以金刚石刀片1作用在微米级铌酸锂薄膜样品2上为例进行说明，本实施例中，微米级铌酸锂薄膜样品主要包括铌酸锂基底层21、二氧化硅层22和铌酸锂单晶薄膜层23。

确定金刚石刀片刀刃第一侧边31与竖直方向的第一角度θ，金刚石刀片沿z轴方向竖直放置，微米级铌酸锂薄膜样品沿y轴方向水平放置，微米级铌酸锂薄膜样品进行角度，以X轴为中心轴，顺时针翻转θ角度，金刚石刀片作用在铌酸锂单晶薄膜层上，形成第一划槽241。

之后使微米级铌酸锂薄膜样品恢复到沿y轴方向水平放置，后以X轴为中心轴，逆时针翻转

角度，该角度为金刚石刀片刀刃第二侧边32与竖直方向的角度一致，金刚石刀片作用在铌酸锂单晶薄膜层上，形成第二划槽242。

第一划槽241和第二划槽242之间预留的矩形结构为铌酸锂矩形波导25，由于金刚石刀片的刀刃不是规则的矩形，样品倾斜一定的角度放置，使刀刃的一侧与样品垂直，从而形成矩形波导。

此方法制备的矩形波导不需要将铌酸锂单晶薄膜层23切透，例如10μm的铌酸锂单晶薄膜，可以控制金刚石刀片的切割1μm-9μm深，形成矩形波导，使矩形波导存在于铌酸锂单晶薄膜层中，与二氧化硅层键合力较强，切割过程中不会脱落，便于加工。并且不需要切割到二氧化硅层，有利于控制波导结构侧壁的崩边，形成质量较好的矩形波导并且保证了金刚石刀片的使用寿命。

实际应用中，光在铌酸锂薄膜层传输，因此只考虑铌酸锂薄膜层中的波导结构为矩形。所述的二氧化硅层是为了防止波导中的导模通过倏逝波的形式泄露至铌酸锂基底层。

实施例二

一种微米级矩形波导的制备系统，包括角度位移台和可移动机构，所述可移动机构上设置有金刚石刀片，能够带动所述金刚石刀片三维方向运动；

所述角度位移台，设置有承载面，用于承载所述待加工品，且能够带动其承载面转动。

利用角度位移台，使样品倾斜一定的角度进行切割，增加脊形波导的侧壁陡直度，从而得到矩形波导，并且不需要将微米级铌酸锂薄膜层切透，从而得到侧壁光滑，易加工的矩形波导。

在本实施例中，铌酸锂基底层21为z切铌酸锂晶体，厚度为0.5mm，长度为25mm。其上沉积的二氧化硅层厚度为2μm，0.5mm厚的铌酸锂晶体键合在二氧化硅层上，z面为键合面，通过化学机械研磨工艺，将铌酸锂晶体减薄至10μm，形成铌酸锂单晶薄膜层23。

在本实施例中，第一侧边31和第二侧边32的倾斜角度相同，金刚石刀片的刀刃侧边与y轴方向成75°角，样品放置在25mm×25mm小台面角度位移台上，位移台的调节范围为±15°。由基本角度关系可得，样品应放置的角度为θ＝15°。切割深度可根据具体需要取1μm-9μm。

上述实施例的具体参数都可以根据具体情况进行调整，这是本领域技术人员应当理解的。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种微米级矩形波导的制备方法,其特征是：包括以下步骤：

保持待加工品与水平方向呈倾斜放置，且倾斜方向与金刚石刀片刀刃第一侧边倾斜方向垂直，保持金刚石刀片竖直方向切割，形成第一划槽；

将待加工品旋转，使其与水平方向呈倾斜放置，且放置方向与金刚石刀片刀刃第二侧边倾斜方向垂直，保持金刚石刀片竖直方向切割，形成第二划槽，实现两条划槽中间的预留位置形成矩形波导；

所述金刚石刀片竖直方向切割的深度小于待加工品薄膜层的厚度。

2.如权利要求1所述的一种微米级矩形波导的制备方法,其特征是：所述第一划槽和第二划槽之间具有一定距离。

3.如权利要求1所述的一种微米级矩形波导的制备方法,其特征是：确定金刚石刀片刀刃第一侧边与竖直方向的第一夹角，使待加工品与水平方向呈第一夹角倾斜放置，且倾斜方向与金刚石刀片刀刃第二侧边倾斜方向相同。

4.如权利要求3所述的一种微米级矩形波导的制备方法,其特征是：确定金刚石刀片刀刃第二侧边与竖直方向的第二夹角，使待加工品与水平方向呈第二夹角倾斜放置，且倾斜方向与金刚石刀片刀刃第一侧边倾斜方向相同。

5.如权利要求4所述的一种微米级矩形波导的制备方法,其特征是：所述第一夹角与第二夹角相同。

6.如权利要求4所述的一种微米级矩形波导的制备方法,其特征是：所述第一夹角与第二夹角不相同。

7.如权利要求1所述的一种微米级矩形波导的制备方法,其特征是：所述金刚石刀片刀刃侧边长度与待加工的矩形波导的深度匹配。

8.一种采用如权利要求1-7任一所述的方法的微米级矩形波导的制备系统，其特征是：包括角度位移台和可移动机构，所述可移动机构上设置有金刚石刀片，能够带动所述金刚石刀片三维方向运动；

所述角度位移台，设置有承载面，用于承载所述待加工品，且能够带动其承载面转动。

9.如权利要求8所述的一种微米级矩形波导的制备系统，其特征是：所述可移动机构和角度位移台的运动参数可控。

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