CN113687554A - 一种薄膜光学超晶格波导及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种薄膜光学超晶格波导及其制备方法，所述薄膜光学超晶格波导包括衬底层、二氧化硅层和压电薄膜层，其中，所述压电薄膜层与二氧化硅层相邻的一侧形成脊型波导，所述脊型波导具有超晶格结构，在所述压电薄膜层上还可以进一步刻蚀，在所述脊型波导相对的位置形成波导凹槽，从而降低波导损耗，本申请提供的制备所述薄膜光学超晶格波导的方法，可以压电晶圆为基础，首先制备脊型波导，再将所述脊型波导进入二氧化硅层，再利用二氧化硅层的平坦表面制备超晶格结构，从而解决了在相同条件下由于超晶格结构的正负畴刻蚀速度不同而造成的波导畴壁不平整的问题。

Description

一种薄膜光学超晶格波导及其制备方法

技术领域

本申请属于半导体器件领域，特别涉及一种薄膜光学超晶格波导及其制备方法。

背景技术

基于准位相匹配的光学超晶格波导因其优异的光电性能受到国内外研究人员的长期关注和研究，光学超晶格波导为具有正负畴交替分布结构的波导，图1示出一种传统光学超晶格波导的剖面示意图，如图1所示，光学超晶格波导一般包括衬底材料、连接层和压电薄膜层，其中，在所述压电薄膜层上制备具有超晶格结构的脊型波导。

目前，室温电场极化技术为制备光学超晶格波导较为成熟并且应用最为广泛的技术。制备薄膜光学超晶格波导的传统方法是以预制的薄膜材料为基础，首先采用电场极化技术在所薄膜材料上制备超晶格结构，再通过刻蚀薄膜材料来制备光波导。但是，由于在相同条件下，超晶格结构的正负畴的刻蚀速度不同，往往造成波导畴壁不平整，图2示出一组现有技术制备的超晶格结构的波导畴壁电镜图，其中(a)部分示出传统光学超晶格波导的波导畴壁照片；(b)部分示出图2(a)部分中虚线框圈定范围的局部放大图；(c)部分示出图2(a)部分中虚线框圈定范围的高倍局部放大图，如图2所示，而波导畴壁的不平整会极大地增加波导的损耗，波导损耗可达1dB/cm以上。

由于一般刻蚀所得波导具有脊型结构，难以在波导上制备周期性电极，因此，无法在先制备波导再制备超晶格结构。

发明内容

为解决上述问题中的至少一个，本申请提供一种薄膜光学超晶格波导及其制备方法，所述薄膜光学超晶格波导包括衬底层、二氧化硅层和压电薄膜层，其中，所述压电薄膜层与二氧化硅层相邻的一侧形成脊型波导，所述脊型波导具有超晶格结构，在所述压电薄膜层上还可以进一步刻蚀，在所述脊型波导相对的位置形成波导凹槽，从而降低波导损耗，本申请提供的制备所述薄膜光学超晶格波导的方法，可以压电晶圆为基础，首先制备脊型波导，再将所述脊型波导进入二氧化硅层，再利用二氧化硅层的平坦表面制备超晶格结构，从而解决了在相同条件下由于超晶格结构的正负畴刻蚀速度不同而造成的波导畴壁不平整的问题。

本申请的目的在于以下几个方面：

第一方面，提供一种薄膜光学超晶格波导，所述薄膜光学超晶格波导依次包括衬底层1、釉料层2、电极层3、二氧化硅层4和压电薄膜层5，其中，所述压电薄膜层5与二氧化硅层4相邻的一侧形成脊型波导6，所述脊型波导6具有超晶格结构。

在一种可实现的方式中，在所述压电薄膜层5的另一侧面上与所述脊型波导6相对的位置具有波导凹槽7。

可选地，所述波导凹槽7的深度为100～10000nm，优选为200～3000nm。

在一种可实现的方式中，所述脊型波导6的高度为100～10000nm，优选为200～3000nm。

在一种可实现的方式中，所述波导凹槽7的宽度与所述脊型波导6的宽度接近。

在一种可实现的方式中，所述压电薄膜层5的厚度为100～10000nm，优选为200～3000nm。

第二方面，本申请还提供一种制备第一方面所述薄膜光学超晶格波导的方法，所述方法包括：

在压电晶圆上制备脊型波导；

在所述脊型波导上制备二氧化硅层；

在所述二氧化硅层上制备电极层；

在衬底材料上制备釉料层；

将所述电极层与所述釉料层熔合；

减薄所述压电晶圆获得压电薄膜层；

采用室温电场极化技术对所述薄膜层制备超晶格结构。

在一种可实现的方式中，在压电晶圆上制备脊型波导可以包括光刻胶法和聚集离子束刻蚀法。

在一种可实现的方式中，在所述脊型波导上制备二氧化硅层可以包括热沉积法、电子束蒸镀、磁控溅射等。

在一种可实现的方式中，在所述二氧化硅层上制备电极层可以包括电子束镀膜法、磁控溅射等。

在一种可实现的方式中，在衬底材料上制备釉料层可以包括：

在压电晶圆表面涂覆釉料；

对所述釉料进行平坦化处理并且定型。

可选地，所述釉料的主要成分为二氧化硅，辅料包括：氧化铝、氧化锌、乙基纤维素，溶剂包括：酯类和醚类、醇类、烃类化合物中的至少两种，一般是脂类的再加上其它类的混合，脂类可以让浆料有良好的润滑性能，也就是可以加热完更平滑，其它的由于沸点低，在升温过程中气化，保证升温后气孔比较少其中，基于所述釉料的总体积，所述二氧化硅的含量为50g/mL～200g/mL，所述釉料的粘度为50Pa·s～400Pa·s，主要成分为高纯二氧化硅，所述釉料的熔点低于压电晶圆的熔点，优选地，所述釉料可以为玻璃浆料，其中，所述玻璃浆料的烧结温度为470℃-550℃，细度小于8μm，粘度为100Pa·s～200Pa·s，以便于在制备复合压电基体过程中仅有所述釉料为熔融状态，而压电晶圆为固态，并且，压电晶圆的晶格结构能够保持不变，以便保证所述复合压电基体的压电性能。

可选地，在压电晶圆表面涂覆釉料的方法包括刷涂、悬涂和喷涂。

进一步地，所述刷涂包括：

在压电晶圆上铺设一层丝网，所述丝网的厚度为100μm～500μm，所述丝网的网格可以为正方形，网孔尺寸为1mm～20mm，材料可以为铜或者不锈钢；

透过所述丝网向所述压电晶圆表面上均匀刷覆一层釉料，所述釉料的厚度小于或者等于所述丝网的厚度；

取下所述丝网。

在本申请中，所述悬涂可以为现有技术中任意一种可以晶圆为对象的悬涂方法；所述喷涂可以为现有技术中任意一种可以晶圆为对象的悬涂方法。

在一种可实现的方式中，对所述釉料进行平坦化处理并且定型包括：

对涂覆有所述釉料的压电晶圆加热至釉料溶剂的挥发温度，并保温；

继续升温至釉料熔点，保温后冷却。

可选地，所述釉料冷却凝固后可对所述釉料层进行表面处理，所述表面处理包括研磨和抛光。在本申请中，经过表面处理后，所述釉料层表面的粗糙度为小于10nm，方便基底与上层薄膜熔合后，上下表面平行。

在一种可实现的方式中，所述釉料层的厚度为0.1～1000μm，以为压电晶圆提供充足的支撑作用。

在一种可实现的方式中，将所述电极层与所述釉料层熔合可以包括：

加热所述釉料层至熔融状态；

将所述釉料层与所述二氧化硅层贴合；

冷却所述釉料层。

在一种可实现的方式中，减薄所述压电晶圆获得压电薄膜层可以包括离子注入分离法、研磨、湿法与干法刻蚀等。

在一种可实现的方式中，采用室温电场极化技术对所述薄膜层制备超晶格结构可以采用室温电场极化法，具体地，可以包括：

在所述压电薄膜层上表面制备格栅电极；

通过所述格栅电极以及电极层向所述压电薄膜层施加电压；

形成超晶格结构后停止施加电压；

除去格栅电极。

可选地，在所述薄膜层上表面制备格栅电极可以包括电子束镀膜法、磁控溅射等。

可选地，通过所述格栅电极以及电极层向所述压电薄膜层所施加电压的方向与压电薄膜层的极化方向相反。

进一步地，所述除去格栅电极可以包括化学溶解法、干法刻蚀等。

与现有技术相比，本申请提供的制备薄膜光学超晶格波导的方法首先以压电晶圆为基础制备预设形状的波导层，再将波导层埋入二氧化硅层中，再在二氧化硅层平坦的表面上制备格栅电极，并利用所述格栅电极实现压电薄膜的周期性畴翻转，从而获得薄膜光学超晶格波导。由于将制备工序调整为先刻蚀波导再制备超晶格结构，有效地避免由于超晶格结构正负畴刻蚀速度不同而造成的波导畴壁不光滑的问题，因此，根据本申请提供方法制备的薄膜光学超晶格波导具有较低的波导损耗，可将波导损耗降低至0.3dB/cm以下；此外，本申请提供的方法以釉料作为粘结剂熔合压电薄膜与衬底材料，所需要设备成本相对较低，单台熔合设备可同时进行多组薄膜与衬底材料的结合，加工精度、环境要求均较为宽松，并且设备成本也相对较低，而无需使用对加工精度、环境要求均很高的键合工艺，也无需使用成本较高的键合设备，因此，本申请提供的方法成本大幅度降低，适于大批量生产。

附图说明

图1示出一种传统光学超晶格波导的剖面示意图；

图2示出一组现有技术制备的超晶格结构的波导畴壁电镜图，其中，(a)部分示出传统光学超晶格波导的波导畴壁照片，(b)部分示出图2(a)部分中虚线框圈定范围的局部放大图，(c)部分示出图2(a)部分中虚线框圈定范围的高倍局部放大图；

图3示出本实例提供的一优选薄膜光学超晶格波导的剖面结构示意图；

图4示出本实例一种优选的制备图3所述薄膜光学超晶格波导的方法流程图；

图5示出本实例一种优选的制备图3所述薄膜光学超晶格波导的方法流程图。

附图标记说明

1-衬底层，2-釉料层，3-电极层，4-二氧化硅层，5-压电薄膜层，6-脊型波导，7-波导凹槽。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致方法的例子。

下面通过具体的实施例对本申请提供的薄膜光学超晶格波导及其制备方法进行详细阐述。

首先，对本方案的使用场景作简要介绍。

对于非线性相互作用，只有在同时满足能量守恒以及相位匹配的两个条件才能产生较高的非线性转换效率。对于非线性频率转换来讲，能量守恒一般是自动满足的；然而，由于作为介质的材料存在色散现旬，因此，基波、二次谐波在介质中传播的相速度不同，因此，通常存在相位差，导致能量在基波与谐波之间交替振荡，能量难以有效实现从基波到谐波的转换，因此，想要获得高效的非线性频率转换，需要采取特定的措施来补偿基波和谐波之间的相位差。1962年后，Armstrong和Bloembergen等与Franken和Ward等在理论上分别独立的提出了准相位匹配(Quasi-Phase-Matching，QPM)技术。准相位匹配理论是通过对晶体非线性极化率的周期性调控，在倒空间提供倒格矢来补偿相位失配，从而提高非线性光学转换效率。以二次谐波为例，从波矢空间分析，非线性转换过程中需同时满足能量守恒和波矢守恒，通常情况下，由于色散的存在，波矢不能完全守恒，转换效率很低。而准相位匹配利用周期性非共线极化率补偿基波和二次谐波之间的波矢失配，相当于提供一个额外的波矢(倒格矢)。波矢守恒在准相位匹配条件下可以写成以下式I：

其中，Δk表示波矢失配量的数值，

表示波长为

的光其波矢的数值，m表示倒格矢阶数，m为自然数，Λ表示倒格矢周期的数值。

尽管不是严格的相位匹配，相对于双折射相位匹配来说，准相位匹配具有以下优点:1.准相位匹配可以利用晶体材料的最大二阶非线性系数，从而使转换效率可以远大于双折射位相匹配，如对于铌酸锂晶体，一阶准位相匹配的非线性转换效率理论上是双折射位相匹配的

倍；2.准位相匹配对晶体材料的双折射率没有要求，不受波矢方向的限制；3.准相位匹配可以通过超晶格的设计，实现晶体透光范围的任意波长光的相位匹配，此外，翻转所形成畴的排列方式可以是周期、准周期或者非周期，其维度可以是一维或者二维，这些都极大地提升非线性转换过程的效率。

相比于传统的扩散型波导，由于薄膜波导中薄膜的折射率与衬底材料的折射率之差较大，例如，铌酸锂与二氧化硅衬底的折射率之差可达到0.7，而铌酸锂扩散波导中扩散层与非扩散层折射率差仅为0.01左右，并且，薄膜型波导尺寸小，便于光电子芯片集成，因此，在所述波导调制器中，薄膜型波导越来越受到青睐。

图3示出本实例提供的一优选薄膜光学超晶格波导的剖面结构示意图，如图3所示，所述薄膜光学超晶格波导依次包括衬底层1、釉料层2、电极层3、二氧化硅层4和压电薄膜层5，其中，所述压电薄膜层5与二氧化硅层4相邻的一侧形成脊型波导6，所述脊型波导6具有超晶格结构。

本实例对制备所述衬底层1的材料不做特别限定，可以使用现有技术中任意一种可用作压电薄膜衬底的材料，例如，二氧化硅、单晶硅、三氧化二铝、钽酸锂、铌酸锂或者其它半导体材料等。

在本实例中，所述衬底层1的厚度可以根据光学超晶格波导的需求而具体设定，例如，所述衬底层1的厚度为0μm～1000μm。在本实例中，衬底仅起支撑作用，如果釉料足够厚，可以不设置衬底。

在本实例中，所述釉料层2的孔隙率小于5％，本申请人发现，所述釉料层2的孔隙率小于5％则可忽略所述釉料层2对所述压电薄膜光电效果的影响，使所述压电薄膜光波导的性能与采用传统键合方法所得薄膜而制备的压电薄膜光波导的性能相当。

在本实例中，所述釉料层2的厚度可以为2μm～500μm，使得所述压电薄膜光波导的总体积基本不变，从而保证所述压电薄膜光波导的适用范围至少满足传统光波导的适用范围。

在本实例中，所述衬底层1与所述电极层3通过所述釉料层2熔合为一体。

在本实例中，在所述釉料层2与所述电极层3之间还设置可以一层二氧化硅层4，所述二氧化硅层4可作为过渡层使得所述釉料层2与所述电极层3的结合强度更大，从而提高终产品压电薄膜光波导的结构稳定性。

在本实例中，所述釉料层2由釉料制备而得，所述釉料的主要成分为二氧化硅，优选为高纯二氧化硅，并辅以辅料和溶剂，其中，所述辅料包括：氧化铝、氧化锌、乙基纤维素，所述溶剂包括：酯类和醚类、醇类、烃类化合物中的至少两种。

在本实例中，所述釉料可以为掺杂的玻璃浆料或是其它熔点较低的粘合剂。

可选地，所述溶剂为脂类化合物与其它类化合物形成的组合物，本申请人发现，脂类化合物能够使所述釉料具有良好的润滑性能，从而使所述釉料在高温状态下更加平滑，并且，由于所述脂类化合物的沸点较低，在对所述釉料升温处理过程中即可气化，即，在所述釉料未完全固化前脂类化合物即可气化，使所得釉料层中的气孔比较少，降低釉料层2的孔隙率。

在本实例中，基于所述釉料的总体积，所述二氧化硅的含量为50g/mL～200g/mL，所述釉料的粘度为50Pa·s～400Pa·s，优选地，所述釉料可以为玻璃浆料、掺杂的玻璃浆料或者其它熔点低于压电晶片的粘合剂，其中，所述玻璃浆料的烧结温度可以为470℃～550℃，细度可以小于8μm，粘度可以为100Pa·s～200Pa·s，所述釉料的熔点低于压电晶圆的熔点，以便于在制备复合压电基体过程中仅有所述釉料为熔融状态，而压电晶圆为固态，并且，压电晶圆的晶格结构能够保持不变，以便保证所述复合压电基体的压电性能。

本申请人发现，使用上述釉料制备釉料层，所述釉料在经过处理后，溶剂等易挥发组分被除去，最终在所述衬底层上形成釉料层2，并且，所述釉料层2的主要成分为二氧化硅。

在本实例中，所述电极层3可以为铬电极层。

在本实例中，所述二氧化硅层4的厚度为20nm～50nm，优选为30nm～40nm，本申请人发现，上述厚度的二氧化硅层4便于制备，并且，能够为釉料层2以及电极层3提供充足的过渡连接作用。

在本实例中，所述压电薄膜层5可以为现有技术中任意一种压电材料薄膜，例如，同成分铌酸锂薄膜、同成分钽酸锂薄膜、近化学计量比铌酸锂薄膜、近化学计量比钽酸锂薄膜、掺杂铌酸锂薄膜、掺杂钽酸锂薄膜和KTP薄膜等，可以理解的是，还可以是现有技术中其它压电薄膜。

在本实例中，所述压电薄膜层5的厚度为100nm～10000nm，优选为200nm～3000nm。本申请人发现，所述压电薄膜层5的厚度在上述范围内，所制得的薄膜光学超晶格波导的性能和尺寸均可满足使用需求。

在本实例中，所述脊型波导6与所述压电薄膜层5一体成型，从而使声光信号可沿所述脊型波导而传播。

图4示出本申请另一优先实施方案的薄膜光学超晶格波导的剖面结构示意图，如图4所示，在所述压电薄膜层5的另一侧面上与所述脊型波导6相对的位置可以设置有波导凹槽7。本申请人发现，所述波导凹槽7使得所述脊型波导6形成“凹”形结构，而该结构更有利于波导对光电信号的束缚，从而降低信号的损耗，提高薄膜光学超晶格波导的性能。

可选地，所述波导凹槽7的深度为100～10000nm，优选为200～3000nm，进一步地，所述波导凹槽7的宽度略大于所述脊型波导6的宽度，可选地，所述波导凹槽7的宽度与所述脊型波导6的宽度相接近。本申请人发现，上述规格的波导凹槽7越宽，刻蚀误差比较大，若宽度小于波导宽度，则会造成额外的损耗。

在本实例中，所述脊型波导6的高度为100～10000nm，优选为200～3000nm。本申请人发现所述脊型波导6在的高度在上述范围内，可对信号进行有效束缚，防止信号泄露，并且，所述薄膜波导的整体尺寸小。

图5示出本实例一种优选的制备图3所述薄膜光学超晶格波导的方法流程图，所述方法可以包括以下步骤1至步骤7：

步骤1，在压电晶圆上制备脊型波导。

在本实例中，所述压电晶圆用于制备压电薄膜波导，所述压电晶圆可以为现有技术中任意一种可用于制备压电薄膜的材料，例如，同成分铌酸锂薄膜、同成分钽酸锂薄膜、近化学计量比铌酸锂薄膜、近化学计量比钽酸锂薄膜、掺杂铌酸锂薄膜、掺杂钽酸锂薄膜和KTP薄膜等，可以理解的是，还可以是现有技术中其它压电薄膜。

在本实例中，在压电晶圆上制备脊型波导可以包括光刻胶法和聚集离子束刻蚀法。以下，以光刻胶法为例说明在压电晶圆上制备脊型波导，具体地，可包括以下步骤1-1至步骤1-5：

步骤1-1，利用紫外光刻或电子束曝光在压电晶圆表面制备与脊型波导形状互补的光刻胶结构。

步骤1-2，利用电子束镀膜的方法在制备有光刻胶的表面镀上50nm～1μm的金属Cr掩膜，可以理解的是，还可制备其它金属掩膜。

步骤1-3，溶去除光刻胶，留下金属掩膜结构。

在本步骤中，可利用N-甲基吡咯烷酮(NMP)溶液或者丙酮等溶剂溶解去除光刻胶。

可选地，所述金属掩膜可以为铬金属掩膜。

步骤1-4，利用ICP刻蚀的方法刻蚀压电晶圆表面，从而将金属掩膜结构转移到铌酸锂表面，刻蚀深度为100nm～5μm。

步骤1-5，对所述波导表面进行抛光处理，从而减小波导在使用中所产生的损耗，然后去除残留的金属掩膜。

步骤2，在所述脊型波导上制备二氧化硅层。

在本实例中，在所述脊型波导上制备二氧化硅层可以包括热沉积法、电子束蒸镀以及磁控溅射法等。

在本实例中，优选采用热沉积法在具有脊型波导结构的表面上沉积厚度为0.1～10μm的二氧化硅层，使得所述脊型波导完全被包覆于二氧化硅层中，再对二氧化硅层的上表面进行平坦化加工，使得二氧化硅层的上表面为平面，而无脊型结构。

在本实例中，二氧化硅层被平坦化处理后，所述脊型波导仍完全被包覆于所述二氧化硅层中。

可选地，在制备二氧化硅层前，可对脊型波导表面进行预处理，例如，进行抛光、清洗等处理。

步骤3，在所述二氧化硅层上制备电极层。

在本实例中，在所述二氧化硅层上制备电极层的方法可以包括电子束镀膜法、磁控溅射等，优选为电子束镀膜法。

在本实例中，所述电极层可以为现有技术中任意一种可用于薄膜光学超晶格波导中的电极，例如，铬电极，可以理解的是，还可以为其它可用的金属电极。

可选地，所述电极层的厚度可以为50nm～200nm。

步骤4，在衬底材料上制备釉料层。

在本实例中，本步骤可以包括以下步骤4-1和步骤4-2：

步骤4-1，在压电晶圆表面涂覆釉料。

可选地，所述釉料的主要成分为二氧化硅，辅料包括：氧化铝、氧化锌、乙基纤维素，溶剂包括：酯类和醚类、醇类、烃类化合物中的至少两种，一般是脂类的再加上其它类的混合，脂类可以让浆料有良好的润滑性能，也就是可以加热完更平滑，其它的由于沸点低，在升温过程中气化，保证升温后气孔比较少其中，基于所述釉料的总体积，所述二氧化硅的含量为50g/mL～200g/mL，所述釉料的粘度为50Pa·s～400Pa·s，主要成分为高纯二氧化硅，所述釉料的熔点低于压电晶圆的熔点，优选地，所述釉料可以为玻璃浆料，其中，所述玻璃浆料的烧结温度为470℃-550℃，细度小于8μm，粘度为100Pa·s～200Pa·s，以便于在制备复合压电基体过程中仅有所述釉料为熔融状态，而压电晶圆为固态，并且，压电晶圆的晶格结构能够保持不变，以便保证所述复合压电基体的压电性能。

可选地，在压电晶圆表面涂覆釉料的方法包括刷涂、悬涂和喷涂。

进一步地，所述刷涂包括：

在压电晶圆上铺设一层丝网，所述丝网的厚度为100μm～500μm，所述丝网的网格可以为正方形，网孔尺寸为1mm～20mm，材料可以为铜或者不锈钢；

透过所述丝网向所述压电晶圆表面上均匀刷覆一层釉料，所述釉料的厚度小于或者等于所述丝网的厚度；

取下所述丝网。

在本申请中，所述悬涂可以为现有技术中任意一种可以晶圆为对象的悬涂方法；所述喷涂可以为现有技术中任意一种可以晶圆为对象的悬涂方法。

步骤4-2，对所述釉料进行平坦化处理并且定型。

在本实例中，对所述釉料进行平坦化处理并且定型包括以下步骤4-2-1和步骤4-2-2：

步骤4-2-1，对涂覆有所述釉料的压电晶圆加热至釉料溶剂的挥发温度，并保温。

步骤4-2-2，继续升温至釉料熔点，保温后冷却。

可选地，所述釉料冷却凝固后可对所述釉料层进行表面处理，所述表面处理包括研磨和抛光。在本申请中，经过表面处理后，所述釉料层表面的粗糙度为小于10nm，方便基底与上层薄膜熔合后，上下表面平行。

在本实例中，所述釉料层的涂覆厚度可以为0.1μm～1000μm，从而为压电晶圆提供充足的支撑作用。

步骤5，将所述电极层与所述釉料层熔合。

在本实例中，本步骤可以包括步骤5-1至步骤5-3：

步骤5-1，加热所述釉料层至熔融状态。

在本实例中，可以对釉料层进行加热，使得所述釉料层中的溶剂挥发，具体地，可以通过对衬底材料进行加热来间接加热釉料层。

在本实例中，使所述釉料层中溶剂完全挥发。

在本实例中，在所述釉料层中溶剂挥发完全后，可通过对所述衬底材料二次升温，使得所述釉料到达熔点，使并呈为熔融状态，从而使所述釉料均匀成膜，即，所述釉料层的厚度均匀。

在本实例中，在所述釉料均匀成膜后，可通过冷却衬底材料的方法来冷却釉料层，并对固化后的釉料层进行平坦化加工，例如，研磨等。

步骤5-2，将所述釉料层与所述二氧化硅层贴合。

在本实例中，将压电晶体上的二氧化硅层与所述釉料层的表面贴合，贴合后加热贴合体，至所述釉料的熔点，再向所述贴合面施加压力，可选地，所述压力可以为20g/cm²～20000g/cm²，并在此压力下保持此温度0.5h～10h，使两个贴合面充分结合。

步骤5-3，冷却体系，所述釉料冷凝形成釉料熔接层。

在本实例中，在所述二氧化硅层与所述釉料层充分结合后，冷却所述体系，使得所述釉料层固化，从而形成釉料熔接层，并使得所述压电晶圆与所述衬底材料熔接为一体。

步骤6，减薄所述压电晶圆获得压电薄膜层。

在本实例中，减薄所述压电晶圆获得压电薄膜层可以包括离子注入分离法、研磨、湿法与干法刻蚀等。

可选地，可将所述压电晶圆减薄至5μm左右。

在本实例中，在步骤6之后，还可以包括制备波导凹槽的步骤，具体地，可以采用电子束镀膜法、磁控溅射等方法制备金属掩膜，再利用ICP刻蚀刻蚀得到波导凹槽，所述波导凹槽位于所述压电薄膜层无脊型结构的一侧，并且，所述波导凹槽位置脊型结构的背面，凹槽宽度大于等于波导宽度。

步骤7，采用室温电场极化技术对所述薄膜层制备超晶格结构。

在本实例中，采用室温电场极化技术对所述薄膜层制备超晶格结构可以采用室温电场极化法，具体地，可以包括步骤7-1至步骤7-4：

步骤7-1，在所述压电薄膜层上表面制备格栅电极。

可选地，在所述薄膜层上表面制备格栅电极可以包括电子束镀膜法、磁控溅射等，以下以电子束镀膜法为例进行说明：

利用紫外光刻或电子束曝光的方法在压电薄膜层表面光刻上一层具有周期性光栅结构的光刻胶；

再利用电子束镀膜在所述光刻胶表面镀上一层金属电极，所述金属电极的厚度为50nm～200nm，所述金属电极可以为铬电极。

步骤7-2，通过所述格栅电极以及电极层向所述压电薄膜层施加电压。

在本实例中，将所述光刻胶所接触的金属电极连接到极化电路的正极，并将与二氧化硅层接触的金属由其边缘引出，接到极化电路的负极，向通过极化电极向电极施加脉冲电压，至周期性的畴翻转结束。

在本实例中，通过所述格栅电极以及电极层向所述压电薄膜层所施加电压的方向与压电薄膜层的极化方向相反，使得所述压电薄膜发生畴翻转。

在本实例中，所施加电压可以为100V～400V。

步骤7-3，形成超晶格结构后停止施加电压。

步骤7-4，除去格栅电极。

在本实例中，所述除去格栅电极可以包括化学溶解法、干法刻蚀等，例如，可以通过化学溶解法去除光刻胶来去除光刻胶上的周期性格栅电极。

本申请提供的制备薄膜光学超晶格波导的方法首先以压电晶圆为基础制备预设形状的波导层，再将波导层埋入二氧化硅层中，再在二氧化硅层平坦的表面上制备格栅电极，并利用所述格栅电极实现压电薄膜的周期性畴翻转，从而获得薄膜光学超晶格波导。由于将制备工序调整为先刻蚀波导再制备超晶格结构，有效地避免由于超晶格结构正负畴刻蚀速度不同而造成的波导畴壁不光滑的问题，因此，根据本申请提供方法制备的薄膜光学超晶格波导具有较低的波导损耗，可将波导损耗降低至0.3dB/cm以下；此外，本申请提供的方法以釉料作为粘结剂熔合压电薄膜与衬底材料，所需要设备成本相对较低，单台熔合设备可同时进行多组薄膜与衬底材料的结合，加工精度、环境要求均较为宽松，并且设备成本也相对较低，而无需使用对加工精度、环境要求均很高的键合工艺，也无需使用成本较高的键合设备，因此，本申请提供的方法成本大幅度降低，适于大批量生产。

实施例

实施例1

1.波导结构的刻蚀

(1)取3寸铌酸锂晶圆，利用紫外光刻在所述铌酸锂晶圆表面制备与波导结构互补的光刻胶结构；

(2)利用电子束镀膜的方法在步骤(1)获得的具有光刻胶的铌酸锂晶圆表面镀一层厚度为50nm的金属Cr掩膜；

(3)利用NMP溶液去除光刻胶，留下与波导结构相同的金属Cr掩膜结构；

(4)利用ICP刻蚀的方法刻蚀铌酸锂晶圆表面，从而将金属Cr掩膜结构转移到铌酸锂晶圆表面，刻蚀深度为100nm；

(5)将刻蚀后的铌酸锂样品表面进行抛光处理，以减小波导损耗，然后去除残留的金属Cr掩膜。

2.薄膜的制备

(1)将步骤1中已刻蚀波导结构的铌酸锂晶圆表面以及与衬底材料的表面分别抛光，清洗；

(2)在波导结构面上沉积厚度为200nm的二氧化硅层，并对所述二氧化硅层表面进行平坦化加工，使得所述二氧化硅层表面的平坦度小于40nm，即，二氧化硅表面为平面，并且，所述铌酸锂的波导结构被包覆于所述二氧化硅层中；

(3)在二氧化硅表面利用电子束蒸发镀上一层厚度为50nm的金属Cr薄膜；

(4)在衬底材料上涂覆一层玻璃釉料，涂覆厚度为0.1μm；

(5)对所述衬底材料进行第一次加热，使所述玻璃釉料中的溶剂挥发完全；

(6)继续对所述衬底材料加热，升温至所述玻璃釉料的熔点，使得所述玻璃釉料成厚度均匀的釉料液膜；

(7)冷却衬底材料，并对固化后的釉料层进行平坦化加工；

(8)将二氧化硅表面的金属Cr薄膜与所述釉料层表面贴合，对贴合后的组合体进行加热，直至釉料熔点，向所述贴合面施加压力，所述压力为20g/cm²，保持当前温度和当前压力共10h，使两者充分结合；

(9)保温结束后，自然冷却降至室温，再将上层铌酸锂晶圆减薄至5μm。

3.光学超晶格的制备

(1)利用紫外光刻的方法在步骤2制备的铌酸锂薄膜表面光刻上一层周期性格栅的光刻胶；

(2)利用电子束镀膜在光刻胶表面镀上一层厚度为50nm的Cr金属电极；

(3)表面光刻胶接触的金属Cr连接到极化电路正极，与二氧化硅接触的金属Cr从边缘引出，接极化电路负极；

(4)施加脉冲电压，至周期性的畴翻转结束；

(5)去除表面光刻胶以及光刻胶上面的周期性格栅电极，获得薄膜光学超晶格波导。

所得薄膜光学超晶格波导的波导损耗为0.5dB/cm。所述薄膜光学超晶格波导对比于传统的扩散型波导(理论上归一化倍频转换效率约为60％/W·cm²)，理论上归一化倍频转换效率提高了1200％/W·cm²，体积缩小约1/2；对比于传统键合工艺制备的波导，单片制备成本可以降低至一半。

实施例2

本实施例与实施例1制备方法相似，区别在于，在步骤2(9)之后，在所述压电薄膜无脊型结构的一侧开设波导凹槽，所述波导凹槽位于脊型结构的背面。

所得薄膜光学超晶格波导的波导损耗为0.4dB/cm。所述薄膜光学超晶格波导对比于传统的扩散型波导(理论上归一化倍频转换效率约为60％/W·cm²)，理论上归一化倍频转换效率提高了2800％/W·cm²，体积缩小了约3/4；对比于传统键合工艺制备的超晶格波导，单片制备成本可以降低至一半。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种薄膜光学超晶格波导，所述薄膜光学超晶格波导依次包括衬底层(1)、釉料层(2)、电极层(3)、二氧化硅层(4)和压电薄膜层(5)，其中，所述压电薄膜层(5)与二氧化硅层(4)相邻的一侧形成脊型波导(6)，所述脊型波导(6)具有超晶格结构。

2.根据权利要求1所述的薄膜光学超晶格波导，其特征在于，在所述压电薄膜层(5)的另一侧面上与所述脊型波导(6)相对的位置具有波导凹槽(7)。

3.根据权利要求1或2所述的薄膜光学超晶格波导，其特征在于，所述波导凹槽(7)的深度为100～10000nm，优选为200～3000nm。

4.根据权利要求1至3任一项所述的薄膜光学超晶格波导，其特征在于，所述波导凹槽(7)的宽度小于所述脊型波导(6)的宽度。

5.一种制备权利要求1至4任一项所述薄膜光学超晶格波导的方法，其特征在于，所述方法包括：

在压电晶圆上制备脊型波导；

在所述脊型波导上制备二氧化硅层；

在所述二氧化硅层上制备电极层；

在衬底材料上制备釉料层；

将所述电极层与所述釉料层熔合；

减薄所述压电晶圆获得压电薄膜层；

采用室温电场极化技术对所述薄膜层制备超晶格结构。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述脊型波导上制备二氧化硅层可以包括热沉积法、电子束蒸镀、磁控溅射等。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，在衬底材料上制备釉料层可以包括：

在压电晶圆表面涂覆釉料；

对所述釉料进行平坦化处理并且定型。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在压电晶圆表面涂覆釉料的方法包括刷涂、悬涂和喷涂。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述刷涂包括：

在压电晶圆上铺设一层丝网，；

透过所述丝网向所述压电晶圆表面上均匀刷覆一层釉料；

取下所述丝网。

10.根据权利要求5至9任一项所述的方法，其特征在于，将所述电极层与所述釉料层熔合可以包括：

加热所述釉料层至熔融状态；

将所述釉料层与所述二氧化硅层贴合；

冷却所述釉料层。

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