CN1218206C - 用质子交换制造铌酸锂光波导的方法 - Google Patents

Abstract

用质子交换制造铌酸锂光波导的方法及其装置，主要包括清洗衬底片、在衬底片上制备掩膜、光刻出波导图形、质子交换、退火、端面抛光、波导调整与检查步骤。本发明由于将质子交换的质子源采用用苯甲酸锂稀释的苯甲酸混合溶液，根据质子交换的化学反应原理，在苯甲酸中掺入苯甲酸锂增加了溶液中锂离子浓度，改变了反应中H⁺到Li⁺的平衡，使H⁺浓度降低，由此降低了反应速度和锂离子交换量，使波导与衬底的折射率差减小。结合退火得到更适于与光纤耦合的折射率分布，同时使苯甲酸的腐蚀作用降低，减少了波导缺陷，降低了波导自身的损耗。

Description

用质子交换制造铌酸锂光波导的方法

技术领域

本发明涉及一种制造光波导的方法及其装置，特别是一种用质子交换制造铌酸锂光波导的方法及其装置。

背景技术

近年来，光通迅技术飞速发展，人们正雄心勃勃进行着全光网的研究与开发，铌酸锂光波导器件在其中扮演着重要的角色。在光通信系统中可大量应用的铌酸锂光波导器件包括强度调制器、相位调制器、耦合器、光开关及光开关阵列、波长可调谐滤波器、偏振控制器等等。这些器件无一例外都需要在铌酸锂晶体上制作光波导，利用铌酸锂晶体的电光效应改变波导中光波的物理参量，实现器件功能。因此这些器件制作的关键在于铌酸锂晶体上光波导的制作。对于光波导性能，从工艺制作的角度讲主要有以下几个方面的要求：一是制作的波导自身损耗小、光损伤阈值高，主要是在波导制作过程中避免引入缺陷和有害杂质，减小波导对光的散射，吸收。二是要求波导与光纤有较高的耦合效率，根据耦合效率公式，波导折射率分布确定的模场与光纤模场越接近耦合效率越高。合理的工艺过程和工艺参数是获得理想的折射率分布的关键。三是波导形成过程不能破坏波导区域铌酸锂晶体的电光效应，电光系数不应受到损失。

现有铌酸锂调制器的光波导有两种制作途径：钛扩散和质子交换。

1、钛扩散

钛扩散制作波导工艺插入损耗较小，晶体电光系数不会受到损害，是目前LiNbO₃基片上制作光波导用得最多的方法。可用于X-切，Y-切，Z-切LiNbO₃基片。钛扩散方法制作波导的过程为：先在铌酸锂晶体上用电子束蒸发或射频溅射制做一层钛膜，然后用光刻工艺刻蚀掉非波导区域部份，然后再在高温炉中扩散。扩散完成后通常需要抛光基片两端形成波导端面。钛扩散进入铌酸锂晶体内部，使得晶体的寻常光和非寻常光折射率都得到增加，从而形成可以同时传导两种偏振模式的波导。用钛扩散方法制作波导的关键在于所选择的工艺条件，包括：蒸发或溅射的钛膜厚度、扩散前钛膜条的宽度，扩散温度、扩散时间。通常的工艺条件为：制作传播波长为1.55μm附近的单模波导，扩散前钛膜条的宽度为4-8μm，钛膜的厚度为30-100nm，扩散温度900-1100℃，扩散时间4-10小时。钛扩散深度约2-3μm。扩散过程的高温会引起晶体中Li₂O的外扩散，形成不期望的平板波导。为了抑制Li₂O的外扩散，扩散时在富有Li₂O的气氛中进行，并通入了湿氧。

2、质子交换

质子交换没有钛扩散工艺中Li₂O的外扩散现象，是一种简单易行的波导制作方法。质子交换用熔融的苯甲酸做为质子源。纯的苯甲酸熔融体对Y-切晶片有腐蚀，通常质子交换只能在X-切、Z-切基片上进行(但在用苯甲酸锂稀释后，熔融的苯甲酸腐蚀性降低，质子交换也可用于Y-切晶片)。质子交换的制作过程为：在铌酸锂抛光基片上制作一层掩膜，可以是金属或介质的薄膜；用光刻工艺刻蚀波导区域的掩膜，露出供质子交换的晶体表面；将做好掩膜图形的铌酸锂基片浸入熔融的苯甲酸中，让铌酸锂晶体中的Li⁺与苯甲酸中H⁺进行交换反应。质子交换的化学反应式为：

H⁺扩散入晶体中替代了晶体中Li⁺的位置，而Li⁺则从晶体进入到苯甲酸中。Li_1-xH_xNbO₃中x约为0.5使得非寻常光折射率增加0.1-0.12，而寻常光折射率变化近似用下式表示：

          Δn_o＝0.007-0.40Δn_e

由上式可见质子交换后寻常光折射率减小了。因此质子交换形成的波导只能传导非寻常光对应的模式，是一种偏振消光比很高的光波导。H⁺替换Li⁺使LiNbO₃晶体的晶格发生畸变，当Li_1-xH_xNbO₃的x大于0.12时，这种畸变和Li⁺的严重缺乏使铌酸锂晶体的电光系数大大降低，并且使波导存在严重的与时间、温度相关的不稳定性。质子交换后波导区域折射率增加0.1，这样大的折射率差形成波导和光纤的数值孔径严重失配。为了获得合理的模场结构，恢复晶格形变和Li⁺的浓度，质子交换通常都配合有退火工艺。退火使得交换的H⁺向衬底深处扩散，减小其在波导区域中的浓度；晶体内部的Li⁺向波导区域扩散，Li⁺浓度增加，晶格畸变减小，恢复了因交换损失的电光系数。波导与衬底的折射率差由0.1减小至0.01，波导模场结构更加适合与光纤的耦合。这样质子交换能够做出损耗和电光系数与钛扩散工艺波导性能相当的波导，成为波导制作工艺的另一选择。如：P.G.Suchoski等在“LiNbO₃ integrated optical components for fiber opticgyroscopes”，SPIE.vol.993 Integrated Optical CircuitEngineering VI(1988)文中报道的波导制作。现有的质子交换工艺采用纯苯甲酸交换，交换量大，H⁺迅速在表层富积，折射率分布差，耦合效率较低；纯苯甲酸对晶体表面的腐蚀作用较强，引起波导缺陷，导致器件插损降不下来；波导区域晶体晶格畸变，Li原子的损失严重，电光系数大幅降低；交换反应速度快，工艺不容易控制调节，重复性差，成品率低。虽然结合退火工艺，折射率分布和电光效率有一定的改善，但效果不是很理想。

发明内容

本发明的目的是针对上述缺点，提供一种可降低反应速度和锂离子交换量、减小波导与衬底的折射率差的铌酸锂光波导的方法及装置，所述的用质子交换制造铌酸锂光波导的方法主要包括清洗衬底片、在衬底片上制备掩膜、光刻出波导图形、质子交换、退火、端面抛光、波导调整与检查步骤，其特征在于所述质子交换步骤中的质子交换方法包括以下步骤：

a、将用于装载铌酸锂基片的石英夹具、用于盛装交换溶液的石英管道、已光刻波导图形的铌酸锂基片分别清洗干净；

b、用天平称取适量的苯甲酸锂和苯甲酸在石英管道进行混和，得到用于进行质子交换的苯甲酸混合溶液；

c、在石英管道的测温管道中安装好热电偶，将石英管道放入到加热炉中；

d、启动加热炉控制电源，调节加热电压，将石英管道内的混合溶液加热至200℃，再缓慢升温至250℃并保持稳定。

e、在进行d步骤的同时将铌酸锂基片装到石英夹具上，放入烧杯中，将装置有铌酸锂基片的烧杯放入到烘箱中预热至250℃并烧透；

f、在石英管道内的混合溶液温度和铌酸锂基片温度均达到250℃后，将装置有铌酸锂基片的石英夹具迅速放入到石英管道的混合溶液中进行质子交换；

g、通过石英拉杆对石英夹具进行搅动，让混合溶液和铌酸锂基片充分均匀接触，依此持续进行200分钟的质子交换后取出石英夹具及铌酸锂基片；

h、待冷却到接近室温后将石英夹具及铌酸锂基片放到乙醇溶液中超声清洗2分钟，将铌酸锂基片取下，再用乙醇溶液超声清洗两次。

所述的制造铌酸锂光波导的退火方法包括：

1)、将待退火处理的铌酸锂基片清洗干净；

2)、装置好退火炉，往退火炉中通入氧气，将退火炉升温至300℃后恒定温度；

3)、将铌酸锂基片装至石英舟上，用适量的时间将铌酸锂基片从退火炉炉口推到退火炉的恒温区，启动计时器；

4)、调节退火炉的加热电源，使退火炉温度恒定在350℃±3℃；

5)、设定的退火时间到后，逐渐将铌酸锂基片从恒温区拉出，并从石英舟上取下铌酸锂基片。

实现上述质子交换方法的质子交换装置包括：

加热炉；

用于盛装苯甲酸混合溶液的石英管道；

用于装载铌酸锂基片的石英夹具；

用于监测温度的测温管和热电偶；

其中石英管道套置在加热炉中，石英夹具通过石英拉杆伸入到石英管道的苯甲酸混合溶液中；热电偶伸入到测温管内，测温管位于石英管道中，其下端位于苯甲酸混合溶液中。

本发明的再一目的是提供一种与上述质子交换相配合的进一步保证可减少波导缺陷、降低波导自身损耗，使波导具有更适于与光纤耦合的折射率分布的制造铌酸锂光波导的退火装置。

该退火装置包括：

加热炉；

石英管道；

用于装置铌酸锂基片的石英舟；

用于监测温度的测温管和热电偶；

其中石英管道套置在加热炉中，石英舟置于石英管道中，热电偶伸入到测温管内，测温管位于石英管道内侧壁上。

本发明由于将质子交换的质子源采用用苯甲酸锂稀释的苯甲酸混合溶液，根据质子交换的化学反应原理，在苯甲酸中掺入苯甲酸锂增加了溶液中锂离子浓度，改变了反应中H⁺到Li⁺的平衡，使H⁺浓度降低，由此降低了反应速度和锂离子交换量，使波导与衬底的折射率差减小。结合退火得到更适于与光纤耦合的折射率分布，同时使苯甲酸的腐蚀作用降低，减少了波导缺陷，降低了波导自身的损耗。苯甲酸锂的掺入降低了反应速度，使交换过程容易控制，使相同条件下制作的波导一致性更好。同时退火时通入了干氧，是为了防止LiNbO₃中氧原子的化学比降低，并起到了清洁炉管，减少有害杂质的作用。经过优化的质子交换和退火工艺条件，使制成的波导耦合损耗小于3dB，电光系数得到很好的恢复，电压长度积小于6V.cm。

以下结合附图详细说明本发明的制造方法及其装置和结构原理；

附图说明

图1是本发明所述质子交换装置的结构示意图；

图2是本发明所述退火装置的结构示意图；

具体实施方式

如图1所示，本发明发述的质子换装置包括：

加热炉1；

用于盛装苯甲酸混合溶液7的石英管道2；

用于装载铌酸锂基片的石英夹具6；

用于监测温度的测温管4和热电偶5；

其中石英管道2套置在加热炉1中，石英夹具6通过石英拉杆3伸入到石英管道2的苯甲酸混合溶液7中；热电偶5伸入到测温管4内，测温管4位于石英管道2中，其下端位于苯甲酸混合溶液7中。

本发明所述用质子交换制造铌酸锂光波导的完整方法包括抛光衬底片的制备、衬底片清洗、掩膜制备、波导图形制备、质子交换、退火、端面抛光、光波导调整与检查等步骤，其中本发明的发明要点在于质子交换和退火两个步骤，其余的步骤同现有技术没有多大区别，本领域的普通技术人员均可以实现，在此不再详细描述。其中利用上述质子交换装置进行质子交换的工艺流程包括以下步骤：

a、将用于装载铌酸锂基片的石英夹具、用于盛装交换溶液的石英管道、已光刻波导图形的铌酸锂基片分别清洗干净；其中清洗石英夹具是先将石英夹具用去离子水加乙醇超声清洗两次，每次超声清洗20分钟；再将石英夹具用去离子水冲洗后超声清洗20分钟，如此进行15次，将石英夹具清洗干净。清洗石英管道是在石英管道中加乙醇500ml，然后用去离子水加满至管口，超声清洗10分钟，再用大量去离子水冲洗，然后在石英管道内盛水将其在交换炉上加热到约80℃后，在超声波清洗机中超声清洗10分钟，再用大量去离子水冲洗净石英管道，如此重复清洗10次再将石英管道清洗干净，清洗铌酸锂基片是：

(1)用乙醇棉球擦基片表面(如片子较脏，可先用洗液泡10分钟)；

(2)将基片放在80℃的四氯化碳中水浴10分钟；

(3)将基片放在丙酮加热约45℃，10分钟；

(4)将基片放在80℃乙醇中水浴10分钟。然后去离子水冲两次；

(5)将基片放在比例为氨水∶过氧化氢∶水＝1∶1∶7的混合液中水浴80℃，10分钟，用去离子水冲两次；

(6)将基片放在比例为盐酸∶过氧化氢∶水＝1∶1∶7的混合液中水浴80℃，10分钟，用去离子水冲三次，将其泡在去离子水中待用。

b、用天平称取适量的苯甲酸锂和苯甲酸在石英管道进行混和，配备得到用于进行质子交换的苯甲酸混合溶液；本步骤中配备苯甲酸混合溶液是用天平称取200g苯甲酸和4g苯甲酸锂混合后得到苯甲酸锂浓度为2％的苯甲酸混合溶液作为进行质子交换的质子源。

c、将热电偶丝放入到交换用的石英管道的测温管道中，连结好监视用的数字表，并将热电偶冷端放入冰瓶中，再将石英管道放入到加热炉中；

d、启动加热炉控制电源，设置较高的加热功率，将石英管道内的混合溶液加热至200℃，再调低加热将混合溶液温度缓慢升温至250℃，再反复微调加热功率使混合溶液温度稳定在250℃；

e、在进行d步骤的同时将铌酸锂基片装到石英夹具上，放入烧杯中，将装置有铌酸锂基片的烧杯放入到烘箱中预热至250℃并烧透；

f、在石英管道内的混合溶液温度和铌酸锂基片温度均达到250℃后，用石英钩子钩住石英夹具，将装置有铌酸锂基片的石英夹具及石英钩子一起迅速放入到石英管道的混合溶液中进行质子交换；

g、每隔几分钟(一般为5分钟)通过石英拉杆上下轻轻移动石英夹具一下，让混合溶液和铌酸锂基片充分均匀接触，依此持续进行200分钟的质子交换后取出石英夹具及铌酸锂基片；

h、待冷却到接近室温后将石英夹具及铌酸锂基片放到乙醇溶液中超声清洗2分钟，将铌酸锂基片取下，再用乙醇溶液将铌酸锂基片超声清洗两次。同时将石英管道用乙醇溶液浸泡留待下一次的交换清洗。

如图2所示，本发明所述的退火装置包括：

加热炉21；

石英管道22；

用于装置铌酸锂基片8的石英舟23；

用于监测温度的测温管25和热电偶24；

其中石英管道22套置在加热炉21中，石英舟23置于石英管道22中，热电偶24伸入到测温管25内，测温管25位于石英管道22内侧壁上。

其退火方法包括以下步骤：

1)、将待退火处理的铌酸锂基片清洗干净；本步骤中清洗铌酸锂基片是将刚交换过的铌酸锂基片用乙醇超声清洗2分钟，水浴煮5分钟，重复煮两次，清洗后用氮枪吹干，用红外灯烧烤待用。

2)、装置好退火炉，往退火炉中通入氧气，其中通入氧气的流量为3升/分钟，用数字电压表监测退火炉热电偶，将退火炉升温至300℃后恒定温度；

3)、将铌酸锂基片装至石英舟上，用适量的时间将铌酸锂基片从退火炉炉口推到退火炉的恒温区，本步骤中用适量的时间是每分钟用推杆推一次，将铌酸锂基片用5～10分钟的时间从炉口推到恒温区，启动计时器；

4)、调节退火炉的加热电源，使退火炉温度恒定在350℃±3℃；同时每隔10分钟记录一次温度。

5)、设定的退火时间(一般为3小时)到后，每分钟拉一次，逐渐将铌酸锂基片从恒温区拉出，拉出的时间一般为5～10分钟，并从石英舟上取下铌酸锂基片。

Claims (1)

1、一种用质子交换制造铌酸锂光波导的方法，主要包括清洗衬底片、在衬底片上制备掩膜、光刻出波导图形、质子交换、退火、端面抛光、波导调整与检查步骤，其特征在于所述质子交换步骤中的质子交换方法包括以下步骤：

a、将用于装载铌酸锂基片的石英夹具、用于盛装交换溶液的石英管道、已光刻波导图形的铌酸锂基片分别清洗干净；

b、用天平称取适量的苯甲酸锂和苯甲酸在石英管道进行混和，得到用于进行质子交换的苯甲酸混合溶液；

c、在石英管道的测温管道中安装好热电偶，将石英管道放入到加热炉中；

d、启动加热炉控制电源，调节加热电压，将石英管道内的混合溶液加热至200℃，再缓慢升温至250℃并保持稳定。

e、在进行d步骤的同时将铌酸锂基片装到石英夹具上，放入烧杯中，将装置有铌酸锂基片的烧杯放入到烘箱中预热至250℃并烧透；

f、在石英管道内的混合溶液温度和铌酸锂基片温度均达到250℃后，将装置有铌酸锂基片的石英夹具迅速放入到石英管道的混合溶液中进行质子交换；

g、通过石英拉杆对石英夹具进行搅动，让混合溶液和铌酸锂基片充分均匀接触，依此持续进行200分钟的质子交换后取出石英夹具及铌酸锂基片；

h、待冷却到接近室温后将石英夹具及铌酸锂基片放到乙醇溶液超声清洗2分钟，将铌酸锂基片取下，再用乙醇溶液超声清洗两次；

上述退火步骤包括以下步骤：

1)、将待退火处理的铌酸锂基片清洗干净；

2)、装置好退火炉，往退火炉中通入氧气，将退火炉升温至300℃后恒定温度；

3)、将铌酸锂基片装至石英舟上，用适量的时间将铌酸锂基片从退火炉炉口推到退火炉的恒温区，启动计时器；

4)、调节退火炉的加热电源，使退火炉温度恒定在350℃±3℃；

5)、设定的退火时间到后，逐渐将铌酸锂基片从恒温区拉出，并从石英舟上取下铌酸锂基片。

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