CN1438500A - 离子注入制备光学晶体的脊形光波导的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是利用离子注入制备光学晶体的脊形光波导的方法，该方法离子注入、光刻胶掩膜制备和Ar离子束刻蚀。采用能量为2.0－5.0MeV的离子注入到光学晶体的表面，在形成的平面光波导上制备掩膜，用Ar离子束进行刻蚀，能够在光学晶体表面形成脊形光波导；用氧离子和硅离子等注入铌酸锂和偏硼酸钡等非线性光学晶体能够形成增加型的脊形光波导；用氦离子或者氢离子注入多数光学晶体能够形成位垒型脊形光波导。所形成的脊形光波导可以保持较好的非线性光学特性。脊形光波导的厚度、脊背的宽度、深度以及导波模式可以由工艺参数控制。采用本发明可以制作光开关、光调制器等光电子器件。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种制备光学晶体光波导的方法，尤其适应于用离子注入制备光学晶体的脊形光波导。属于光电子器件领域中的波导制备方法。
(二)背景技术
集成光电子学是以光波导为基础结构的信号处理系统，在此系统中传送信号的载波是光导波，因此人们应用多种技术研制光波导，光波导是制造光电子器件的基础。光学晶体材料，特别是非线性光学晶体材料对于光信号的传输、变换、放大和调制等具有重要的价值，因此光学晶体材料上的波导制备至为重要。光波导的主要形成方法有离子交换、高温扩散、化学气相淀积、分子束外延和离子注入等。1992年美国的科技期刊杂志《ElectronicsLetter》发表了利用选择腐蚀形成了硅基衬底的SiGe/Si脊形光波导(Y.M.Liu，et al，28(1992)1434)；同年在同一杂志又发表了用硅基衬底上Ge扩散的方法形成了脊形光波导S.F.Pesarcik，et al.，E28(1992)159)，条形光波导特别是脊形光波导的形成主要有在离子交换和高温扩散形成的平面光波导上进行各向异性腐蚀，或者利用掩膜在基底上进行化学气相淀积或者分子束外延，这些方法大多是化学过程，所制备的光波导的非线性光学性质受到了影响；这些方法都是针对特定的材料，很难在其它光学晶体材料上实现。
(三)发明内容
本发明提供了一种在光学晶体材料上制备脊形光波导的方法，能够在多数光学晶体上形成脊形光波导，所形成的波导层能够较好的保持光学晶体的非线性特性，为集成光电子器件中应用光学晶体的非线性特性提供了可能，
本发明离子注入制备光学晶体的脊形光波导的方法是：利用离子注入首先在光学晶体上形成平面光波导，在形成的光波导表面制备掩膜，然后用Ar离子刻蚀形成脊形光波导。
离子注入光学晶体折射率的改变有两种结果，一种是采用质量较大如氧(O)离子、硅(Si)离子等注入光学晶体，如铌酸锂(LiNbO3)、偏硼酸钡(β-BBO)晶体等，在离子注入区内能够形成晶体的异常光折射率增加，在晶体中形成折射率增加型的平面光波导；另一种是采用氦(He)离子或氢(H)离子注入光学晶体，在离子注入区的末端造成光学晶体的折射率的降低形成位垒区，从而在位垒区和晶体表面之间形成光波导结构。
本发明利用离子注入制备光学晶体的脊形光波导的工艺流程是：光学晶体进行表面光学抛光，清洗；用高能加速器进行离子注入，在光学晶体中形成平面光波导；在平面光波导上涂覆光刻胶，光刻，形成掩膜图形；在160℃氧气气氛下固化光刻胶；用离子束刻蚀机进行氩(Ar)离子束对平面光波导进行刻蚀；形成光学晶体的脊形光波导。
其中：注入离子的种类为：氦离子(He+)、氢离子(H+)、氧离子(O+)、硼离子(B+)、硅离子(Si+)和铌离子(Nb+)。还可利用离子的二价态或三价态。
注入离子的能量：对于对于氦(He)离子和氢(H)离子为1.0～2.0兆电子伏(MeV)；对于氧(O)离子、硼(B)离子、硅(Si)离子和铌(Nb)离子为为1.0～5.0兆电子伏(MeV)。
注入离子的剂量：对于氦(He)离子和氢(H)离子为1×1016～5×1016离子/平方厘米；对于氧(O)离子、硼(B)离子、硅(Si)离子和铌(Nb)离子为5×1012～3×1015离子/平方厘米。
为了获得特定的折射率分布，对于光学晶体，可以进行一种离子和两种以上的离子组合注入，也可以进行一种能量或者两种以上的能量组合注入。
本方法制备的光学晶体的折射率增加型的脊形光波导厚度的最大厚度为3微米，可以形成单模或多模光波导，脊背的深度和宽度可以控制，宽度的最小线条为1微米；制备的光学晶体的位垒型脊形光波导的厚度可以达到15微米，脊背的深度和宽度可以控制，宽度的最小线条为1微米。
本发明可以在大多数光学晶体上形成脊形光波导，拓展了光电子器件制造的材料，脊形光波导区的厚度和折射率的改变可以通过注入离子的能量和剂量进行控制，脊背的宽度和深度可以通过掩膜和离子束刻蚀精确调节和控制，因此波导区的导波模式可以容易的调整和控制。整个制备过程可以没有高温过程，这对于相变点较低的晶体也可以形成光波导，对于晶体的普适性强。
(四)附图说明
图1为本发明离子注入制备光学晶体的脊形光波导的制作流程图；
图2A～图2D为离子注入制备光学晶体的折射率增加型的脊形光波导的制作工艺示意图；
图3A～图3D为离子注入制备光学晶体的折射率位垒型的脊形光波导的制作工艺示意图；
图中：1.光学晶体，2.MeV能量离子注入，3.折射率增加型的平面光波导，4.光刻胶掩膜，5.Ar离子束刻蚀，6.折射率增加型脊形光波导，7.脊背，8.MeV能量氦(He)或氢(H)离子注入，9.光学晶体中折射率降低形成位垒层，10.位垒型平面光波导，11.位垒型脊形光波导，12.位垒型脊形光波导的脊背。
(五)具体实施方式实施例1：偏硼酸钡(β-BBO)晶体的折射率增加的脊形光波导的制备
样品抛光：切割β-BBO晶体为Z切，尺寸为10毫米×7毫米，厚度为2毫米，表面光学抛光。光学晶体(1)用中性清洗剂、去离子水和无水乙醇清洗后，准备离子注入。
离子注入：把准备好底样品放在加速器的靶室中，抽真空至10-4帕斯卡(Pa)量级。MeV能量离子注入(2)，注入条件为：注入离子：氧离子(O+)，离子能量：2.2兆电了伏(MeV)，注入剂量：5.0×1014离子/平方厘米。离子束流为60纳安培，扫描面积为15厘米×20厘米。在这种条件下可以形成波导区异常光折射率增加型的平面光波导(3)，该层波导的厚度约为1.8微米。完成注入后拿出样品，清洗烘干准备制备掩膜。
制备掩膜
匀胶：利用高速匀胶机在形成的折射率增加型的平面光波导(3)上涂布光刻胶，转速为3500转/分钟，85℃下预烘20分钟，光刻胶为紫外正胶。
光刻：光刻版为面积50毫米×50毫米的铬版，线条为遮光部分为7微米，不遮光部分为13微米，条形周期为20微米。曝光后用专用显影液显影，用去离子水冲洗。形成光刻胶掩膜层(4)。
坚膜：将光刻后制成的膜版在氮气保护下加热至160℃，进行20分钟的处理，在此过程中使光刻胶中的溶剂挥发出来，并且还可以起到光刻胶的固化，完成了光致抗蚀剂掩膜图形的制备。
离子束刻蚀：在刻蚀机上进行Ar离子束刻蚀(5)，工作物质为氩(Ar)，离子束的束径为8厘米，最大束流密度为1.0毫安培/厘米，离子束在300～800电子伏特的范围内可调，束流入射角为25°，高真空工作腔的本底真空度为10-4帕斯卡(Pa)量级，工作压力为10-2帕斯卡(Pa)量级。控制刻蚀速率微40纳米/分钟，刻蚀时间为20分钟，刻蚀深度微0.8微米。形成折射率增加型脊形光波导(6)。
后处理：将完成离子束刻蚀的晶体端面粗抛光成10毫米×5毫米，然后进行端面光学抛光，用专用的光刻胶腐蚀液去掉残留的光刻胶，用去离子水和无水乙醇清洗后，即在偏硼酸钡晶体上形成乐端面为矩形的波导区折射率增加型的脊形光波导(6)。
该脊形光波导厚度为1.8微米，脊背(7)的宽度为7微米，深度为0.8微米。实施例2铌酸锂(LiNbO3)晶体上的位垒型的脊形光波导的制备。
样品抛光：切割LiNbO3晶体为Z切，尺寸为15毫米×10毫米，厚度为2毫米，表面光学抛光。光学晶体(1)用中性清洗剂、去离子水和无水乙醇清洗后，准备离子注入。
离子注入：把准备好底样品放在加速器的靶室中，抽真空至10-4帕斯卡(Pa)量级。MeV能量离子注入(8)，注入条件为：注入离子：氦离子(He+)，离子能量：1.8MeV(兆电子伏)，注入剂量：2.0×1016离子/平方厘米。离子束流为210纳安培，扫描面积为15厘米×20厘米。在这种条件下在晶体表面以下4.1微米处可以形成光学晶体中折射率降低形成位垒层(9)，由该层和空气即形成位垒型平面光波导(10)，该层波导的厚度约为4.1微米。完成注入后拿出样品，清洗烘干准备制备掩膜。
制备掩膜
匀胶：利用高速匀胶机在形成的位垒型平面光波导表面上(10)涂布光刻胶，转速为3500转/分钟，85℃下预烘20分钟，光刻胶为紫外正胶。
光刻：光刻版为面积50毫米×50毫米的铬版，线条为遮光部分为15微米，不遮光部分为35微米，条形周期为50微米。曝光后用专用显影液显影，用去离子水冲洗。形成光刻胶掩膜(5)。
坚膜：将光刻后制成的膜版在氮气保护下加热至160℃，进行20分钟的处理，在此过程中使光刻胶中的溶剂挥发出来，并且还可以起到光刻胶的固化，完成了光致抗蚀剂掩膜图形的制备。
离子束刻蚀：在刻蚀机上进行Ar离子束刻蚀(5)，工作物质为氩(Ar)，离子束的束径为8厘米，最大束流密度为1.0毫安培/厘米，离子束在300～800电子伏特的范围内可调，束流入射角为25°，高真空工作腔的本底真空度为10-4帕斯卡(Pa)量级，工作压力为10-2帕斯卡(Pa)量级。控制刻蚀速率微30纳米/分钟，刻蚀时间为60分钟，刻蚀深度微1.8微米。形成位垒型脊形光波导(11)。
后处理：将完成离子束刻蚀的晶体端面粗抛光成13毫米×7毫米，然后进行端面光学抛光，用专用的光刻胶腐蚀液去掉残留的光刻胶，用去离子水和无水乙醇清洗后，即在铌酸锂晶体上形成端面为矩形的位垒型的脊形光波导(11)。
在铌酸锂晶体上制备的该位垒型脊形光波导(11)的厚度为4.1微米，位垒型脊形光波导的脊背(12)的宽度为15微米，深度为1.8微米。
Claims (5)
1.一种离子注入制备光学晶体的脊形光波导的方法，该制备方法包含：离子注入光学晶体、晶体表面光刻胶掩膜的制备和晶体表面的Ar离子束刻蚀。
其特征在于用一定能量和剂量的离子注入到光学晶体表面，在晶体中形成平面光波导，然后在光学晶体形成的平面光波导上制备掩膜，最后进行氩(Ar)离子束刻蚀平面光波导，形成脊形光波导。
2.按照权利要求1所述，其特征所分别包括以下一种离子注入或两种以上的离子组合注入：氦离子(He+)、氢离子(H+)、氧离子(O+)、硼离子(B+)、硅离子(Si+)和铌离子(Nb+)。还可利用离子的二价态或三价态。
3.按照权利要求1所述，其中所述的能量：
(1)对于氦(He)离子和氢(H)离子，注入能量为1.0～2.0兆电子伏(MeV)。
(2)对于氧(O)离子、硼(B)离子、硅(Si)离子和铌(Nb)离子，注入能量为1.0～5.0兆电子伏(MeV)。
4.按照权利要求1所述，其中所述的剂量：
(1)对于氦(He)离子和氢(H)离子，注入剂量为1×1016～5×1016离子/平方厘米。
(2)对于氧(O)离子、硼(B)离子、硅(Si)离子和铌(Nb)离子，注入剂量为5×1012～3×1015离子/平方厘米。
5.按照权利要求1所述，所形成的光学晶体的脊形光波导包括折射率增加型的脊形光波导和位垒型的脊形光波导。
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|---|---|
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Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010009581A1 (zh) * | 2008-07-25 | 2010-01-28 | 中国科学院福建物质结构研究所 | 掺杂的低温相偏硼酸钡单晶体、其制备方法及其变频器件 |
| CN101943768A (zh) * | 2010-08-02 | 2011-01-12 | 山东大学 | 一种用离子注入与离子束刻蚀相结合制备ktp脊形光波导的方法 |
| CN101950047A (zh) * | 2010-08-20 | 2011-01-19 | 山东大学 | 在磷酸钛氧钾晶体上制备准三维光子晶体的方法 |
| CN101957474A (zh) * | 2010-08-06 | 2011-01-26 | 山东大学 | 在周期极化近化学剂量比铌酸锂上制备平面和条形波导的方法 |
| CN101969170A (zh) * | 2010-09-17 | 2011-02-09 | 山东大学 | 铒掺杂钇铝石榴石陶瓷脊形波导激光器件的制备方法 |
| CN102540337A (zh) * | 2010-12-24 | 2012-07-04 | 苏州东微半导体有限公司 | 一种plc光器件的制造方法 |
| CN102540334A (zh) * | 2010-12-24 | 2012-07-04 | 苏州东微半导体有限公司 | 一种plc光器件的制造方法 |
| CN103064228A (zh) * | 2011-10-21 | 2013-04-24 | 夏普株式会社 | 紫外激光器光源和形成用于生成紫外光的倍频波导的方法 |
| CN103413746A (zh) * | 2013-06-25 | 2013-11-27 | 上海华力微电子有限公司 | 提高离子注入机使用周期的锗注入方法 |
| CN107621675A (zh) * | 2017-08-29 | 2018-01-23 | 天津工业大学 | 用碳离子束辐照制备氧化锌条形波导的方法 |
| CN108490541A (zh) * | 2018-05-17 | 2018-09-04 | 山东大学 | 基于氧离子注入铽镓石榴石光波导的空间光隔离器及光波导的制备方法 |
| CN110161608A (zh) * | 2018-02-13 | 2019-08-23 | 采钰科技股份有限公司 | 光学元件 |
| CN111180302A (zh) * | 2020-01-03 | 2020-05-19 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 一种通过离子注入调节光学元件光学性能的方法 |
| CN111781675A (zh) * | 2020-06-30 | 2020-10-16 | 天津大学 | 一种凸型多模光波导及多模色散调控方法 |
| CN115508949A (zh) * | 2022-11-09 | 2022-12-23 | 山东师范大学 | 一种基于连续域中束缚态机制的非线性光波导的制备方法 |
-
2003
- 2003-03-04 CN CN 03111919 patent/CN1438500A/zh active Pending
Cited By (21)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010009581A1 (zh) * | 2008-07-25 | 2010-01-28 | 中国科学院福建物质结构研究所 | 掺杂的低温相偏硼酸钡单晶体、其制备方法及其变频器件 |
| CN101943768A (zh) * | 2010-08-02 | 2011-01-12 | 山东大学 | 一种用离子注入与离子束刻蚀相结合制备ktp脊形光波导的方法 |
| CN101957474A (zh) * | 2010-08-06 | 2011-01-26 | 山东大学 | 在周期极化近化学剂量比铌酸锂上制备平面和条形波导的方法 |
| CN101950047A (zh) * | 2010-08-20 | 2011-01-19 | 山东大学 | 在磷酸钛氧钾晶体上制备准三维光子晶体的方法 |
| CN101969170A (zh) * | 2010-09-17 | 2011-02-09 | 山东大学 | 铒掺杂钇铝石榴石陶瓷脊形波导激光器件的制备方法 |
| CN101969170B (zh) * | 2010-09-17 | 2012-02-22 | 山东大学 | 铒掺杂钇铝石榴石陶瓷脊形波导激光器件的制备方法 |
| CN102540337A (zh) * | 2010-12-24 | 2012-07-04 | 苏州东微半导体有限公司 | 一种plc光器件的制造方法 |
| CN102540334A (zh) * | 2010-12-24 | 2012-07-04 | 苏州东微半导体有限公司 | 一种plc光器件的制造方法 |
| CN103064228B (zh) * | 2011-10-21 | 2016-06-29 | 夏普株式会社 | 紫外激光器光源和形成用于生成紫外光的倍频波导的方法 |
| CN103064228A (zh) * | 2011-10-21 | 2013-04-24 | 夏普株式会社 | 紫外激光器光源和形成用于生成紫外光的倍频波导的方法 |
| CN103413746A (zh) * | 2013-06-25 | 2013-11-27 | 上海华力微电子有限公司 | 提高离子注入机使用周期的锗注入方法 |
| CN107621675A (zh) * | 2017-08-29 | 2018-01-23 | 天津工业大学 | 用碳离子束辐照制备氧化锌条形波导的方法 |
| CN110161608A (zh) * | 2018-02-13 | 2019-08-23 | 采钰科技股份有限公司 | 光学元件 |
| CN110161608B (zh) * | 2018-02-13 | 2024-03-26 | 采钰科技股份有限公司 | 光学元件 |
| CN108490541A (zh) * | 2018-05-17 | 2018-09-04 | 山东大学 | 基于氧离子注入铽镓石榴石光波导的空间光隔离器及光波导的制备方法 |
| CN111180302A (zh) * | 2020-01-03 | 2020-05-19 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 一种通过离子注入调节光学元件光学性能的方法 |
| CN111781675A (zh) * | 2020-06-30 | 2020-10-16 | 天津大学 | 一种凸型多模光波导及多模色散调控方法 |
| CN115508949A (zh) * | 2022-11-09 | 2022-12-23 | 山东师范大学 | 一种基于连续域中束缚态机制的非线性光波导的制备方法 |
| CN115508949B (zh) * | 2022-11-09 | 2024-01-30 | 山东师范大学 | 一种基于连续域中束缚态机制的非线性光波导的制备方法 |
| US20240069436A1 (en) * | 2022-11-09 | 2024-02-29 | Shandong Normal University | Method for building an etching-free hybrid nonlinear waveguide composed of polymer and ion-implanted nonlinear crystal |
| US12038687B2 (en) * | 2022-11-09 | 2024-07-16 | Shandong Normal University | Method for building an etching-free hybrid nonlinear waveguide composed of polymer and ion-implanted nonlinear crystal |
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