專利名稱：一種鈮酸鋰光波導(dǎo)的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光波導(dǎo)的制備方法，特別是一種利用黏膠鍵合制備鈮酸鋰光波導(dǎo)的方法。
背景技術(shù)：
近年來，光通信行業(yè)逐漸走出低迷的狀態(tài)，全光網(wǎng)的研究與開發(fā)受到越來越多的重視。為了構(gòu)建高速大容量的DWDM和OTDM全光網(wǎng)絡(luò)，超快、低噪聲、易集成、多功能的全光信號處理技術(shù)顯得至關(guān)重要。鈮酸鋰光波導(dǎo)中的二階和級聯(lián)二階非線性效應(yīng)在全光波長轉(zhuǎn)換，全光開關(guān)，全光邏輯門，全光碼型轉(zhuǎn)換等方面具有巨大的應(yīng)用潛力，受到越來越多的關(guān)注。目前為止，鈮酸鋰光波導(dǎo)的制備方法主要采用Ti擴散法，退火質(zhì)子交換法和液相外延脊波導(dǎo)法，Ti擴散鈮酸鋰光波導(dǎo)(Ti:LiNb03)抗光折變損傷能力較差，通常需要工作在100°C以上以減小光折變損傷；退火質(zhì)子交換鈮酸鋰光波導(dǎo)(APE:LiNb(X3)抗光折變損傷能力遠優(yōu)于Ti:LiNb03，但也通常需要工作在90°C以上；摻Mg，MgO或Zn，ZnO可以降低光折變損傷，相應(yīng)的退火質(zhì)子交換光波導(dǎo)(APE Mg LiNb03，APE MgO LiNb03，APE Zn LiNb03， APE ZnO LiNb03)抗光折變損傷能力優(yōu)于APE LiNb03,不過仍需要工作在60°C以上進一步消除光折變損傷的影響；液相外延脊波導(dǎo)法制備的鈮酸鋰光波導(dǎo)(LPE:LiNb(X3)在抗光折變損傷能力上有了顯著的提高，可以工作在室溫下，但液相外延脊波導(dǎo)法制備的光波導(dǎo)尺寸不大，轉(zhuǎn)換效率受到一定限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種應(yīng)用于全光信號處理的采用黏膠鍵合的鈮酸鋰光波導(dǎo)的制備方法。本發(fā)明提供了一種鈮酸鋰光波導(dǎo)的制備方法，包含以下步驟(1)選取摻鋅濃度為7 9mol%的鈮酸鋰晶體作為波導(dǎo)層，摻鎂濃度為5 9mol%的鈮酸鋰晶體作為襯底；或者選取摻鎂濃度為5 9mol%的鈮酸鋰晶體作為波導(dǎo)層，鉭酸鋰晶體作為襯底；(2)對波導(dǎo)層進行周期極化，得到波導(dǎo)層的周期疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)；(3)采用光學(xué)膠將波導(dǎo)層和襯底對齊黏合，所述光學(xué)膠的折射率低于波導(dǎo)層的折射率；(4)將波導(dǎo)層的厚度減少至所設(shè)計的波導(dǎo)高度；(5)將所設(shè)計的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖形光刻到波導(dǎo)層上；(6)將波導(dǎo)層刻蝕成脊形結(jié)構(gòu)，即得到鈮酸鋰光波導(dǎo)；進一步的，步驟O)中采用外加電場極化法對波導(dǎo)層進行周期極化。進一步的，步驟(3)中所述的光學(xué)膠為苯并環(huán)丁烯樹脂膠或者光學(xué)環(huán)氧樹脂膠。進一步的，步驟中采用化學(xué)機械平坦技術(shù)減少波導(dǎo)層的厚度。
進一步的，步驟(5)中首先在波導(dǎo)層上沉積NiCr合金的金屬薄膜作為掩模層，之后通過光刻法將所設(shè)計的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖形轉(zhuǎn)移至波導(dǎo)層上。進一步的，步驟(6)中采用電感耦合等離子體刻蝕的方法將波導(dǎo)層刻蝕成脊形結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的有益效果如下1.本發(fā)明所述的制備方法，采用折射率低于波導(dǎo)層折射率的膠層，該膠層與空氣折射率更接近，所以波導(dǎo)中光場限制作用更強且光場呈對稱分布，與單模光纖的耦合效率更高。2.本發(fā)明所述的制備方法，采用黏膠鍵合，使得晶圓表面潔凈度和粗糙度的要求要遠低于直接鍵合的晶圓表面，工藝上更容易實現(xiàn)。3.采用本發(fā)明所述的方法制備的鈮酸鋰光波導(dǎo)，波導(dǎo)層采用摻鋅鈮酸鋰晶體或摻鎂鈮酸鋰晶體，此種摻雜鈮酸鉀晶體具有非常優(yōu)越的抗光折變能力，可以在室溫下高效穩(wěn)定工作。使得此種方法制備的鈮酸鋰光波導(dǎo)在增強光場限制作用，降低波導(dǎo)傳輸損耗，抑制光折變效應(yīng)以及降低制作工藝難度等方面有較優(yōu)越的性能。4.本發(fā)明所述的制備方法，采用干法刻蝕制作脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，使得制備的波導(dǎo)側(cè)壁垂直度更好，腐蝕表面更加平坦光滑，波導(dǎo)傳輸損耗減小，可以對光場進行更好的限制， 可以保持材料原有的電光系數(shù)和二階非線性系數(shù)不衰落，可以同時支持TE模和TM模在脊波導(dǎo)中傳輸。5.采用本發(fā)明所述的方法制備的鈮酸鋰光波導(dǎo)沿著光傳輸方向的尺寸比較大，有利于轉(zhuǎn)換效率的提高。


圖1實施例一中所述的鈮酸鋰光波導(dǎo)的制備方法流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明所述的制備方法選用摻鋅或者摻鎂的鈮酸鋰晶體，對其表面進行雙面拋光處理，采用室溫外加電場極化的方法在摻雜鈮酸鋰晶體上制作周期疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，以此為波導(dǎo)層，通過折射率低于波導(dǎo)層的光學(xué)膠與鈮酸鉀或者鉭酸鉀襯底黏膠鍵合，再用ICP干法刻蝕出脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，得到此種新穎的黏膠鍵合鈮酸鋰波導(dǎo)。在采用本發(fā)明所述的方法制備鈮酸鉀光波導(dǎo)之前，需要根據(jù)波導(dǎo)的單模傳輸條件，設(shè)計脊形波導(dǎo)的寬度和高度。下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案最進一步的詳細說明。實施例一為制備一種脊形波導(dǎo)寬度為5 μ m，高度為4μπι的鈮酸鋰光波導(dǎo)，如圖1 所示，其制備方法包含以下步驟(1)選擇摻鋅的ζ切鈮酸鋰晶圓片(Zn:LN)為波導(dǎo)層，其摻鋅濃度范圍為7 9m0l%，本實施例中取7m0l%。襯底為摻鎂鈮酸鋰晶體(Mg:LN)，摻鎂濃度范圍為5 9mol%，本實施例中取5mol%。(2)使用外加電場極化法對波導(dǎo)層進行周期極化，制備波導(dǎo)層的周期疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)；其中極化周期是用摻鋅鈮酸鋰不同波長折射率代入周期極化公式K = l/(np/Ap-Hi/ Ai-IiyAs)中得到，其中Atl為極化周期，設(shè)泵浦光波長λρ = 775nm，信號光波長Xs =1545nm,閑頻光波長λ , = 1555nm，對應(yīng)的摻鋅鈮酸鋰晶體的折射率分別為np = 2. 2632， ns = 2. 2132，Hi = 2. 2133，從而得到極化周期為15. 5μ m。外加電場極化法具體是指首先，將SkLN晶體士ζ面進行光刻，即根據(jù)設(shè)計制作好的掩模版，在晶體+ζ面光刻出厚度為 200-300nm的周期金屬Al電極線條，并在晶體的_z面濺射均勻Al膜電極，光刻過程絕對保證金屬膜與晶體的良好接觸，隨后在金屬電極上覆蓋一層薄的導(dǎo)熱絕緣膠，使各金屬電極線條之間保持絕緣隔離。然后，利用高壓脈沖極化電源對光刻好的晶體施加一定波形的高壓電場，高壓極化電場脈沖電壓為三次觸發(fā)。對晶體施加于遠大于室溫下LiNbO3晶體的矯頑場的瞬時電壓，接著使用略過于晶體矯頑場的外加電壓，脈沖寬度為ms量級，實現(xiàn)疇的反轉(zhuǎn)，最后施加略低于晶體矯頑場的穩(wěn)定電場，將極化階段產(chǎn)生的電疇結(jié)構(gòu)凍結(jié)，形成穩(wěn)定的電疇結(jié)構(gòu)。最后，關(guān)掉電源，完成周期極化過程，用丙酮去除光刻膠，浸入NaOH溶液中去除金屬鋁電極。(3)在Mg:LN襯底上勻涂一層光學(xué)膠，用鍵合機將波導(dǎo)層與襯底粘合至一起。光學(xué)膠可以選用苯并環(huán)丁烯樹脂膠(BCB)或者光學(xué)環(huán)氧樹脂膠，或者其他光學(xué)膠，只要其折射率低于波導(dǎo)層的折射率，且有良好的粘接性、流動性和均勻性，固化后的膠能夠抵抗多種酸，堿和溶劑侵蝕等特點。本工藝中采用BCB膠作為光學(xué)膠，其為熱固化膠， 固化溫度為200-300°C，鍵合機工作條件為3X IO5Pa加載壓強，KT1I3a真空條件，250°C下保溫1小時，然后讓其自然冷卻。(4)將黏合后的晶圓片用化學(xué)機械平坦技術(shù)(CMP)將波導(dǎo)層厚度減薄至4 μ m。(5)用磁控濺射鍍膜技術(shù)在波導(dǎo)層上沉積一層NiCr合金的金屬薄膜作為刻蝕的掩模層，之后通過光刻法將波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖形轉(zhuǎn)移至波導(dǎo)層上；所述光刻法具體如下在沉積了 MCr合金的金屬薄膜的波導(dǎo)層上勻涂一層光刻膠，曝光，顯影，將掩模板上的圖形轉(zhuǎn)移至光刻膠層上，再用硫酸鈰溶液清洗將波導(dǎo)圖形轉(zhuǎn)移至掩模層，用丙酮溶液去除光刻膠。(6)用電感耦合等離子體(ICP)刻蝕的方法刻蝕出脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。即通入C4F8和 Ar氣的混合氣體，其混合流量比為5 95，刻蝕波導(dǎo)層的高度為4μπι。之后，用硫酸鈰溶液清洗去除晶圓片上的掩模層，得到高度為4 μ m,寬度為5 μ m的脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。實施例二為制備一種脊形波導(dǎo)寬為8 μ m，高為5 μ m的鈮酸鋰光波導(dǎo)，其制備方法，包含以下步驟(1)選擇鈮酸鋰波導(dǎo)中的波導(dǎo)層為摻鎂鈮酸鋰晶體(Mg:LN)，摻鎂濃度范圍為5 9mol%，本實施例中取5mol%，襯底為鉭酸鋰晶體(LT)。(2)使用外加電場極化法對波導(dǎo)層進行周期極化，制備波導(dǎo)層的周期疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)；其中極化周期是用摻鎂鈮酸鋰不同波長折射率代入周期極化公式K = l/(np/Ap-Hi/ Ai-IiyAs)中得到，其中Atl為極化周期，設(shè)泵浦光波長λρ = 775nm，信號光波長Xs = 1545nm,閑頻光波長λ , = 1555nm，對應(yīng)的摻鎂鈮酸鉀晶體的折射率分別為np = 2. 2579， ns = 2. 2082，Hi = 2. 2082，從而得到平均周期為15. 6μ m。外加電場極化法具體是指首先，將Mg:LN晶體士ζ面進行光刻，即根據(jù)設(shè)計制作好的掩模版，在晶體+ζ面光刻出厚度為 200-300nm的周期金屬Al電極線條，并在晶體的_z面濺射均勻Al膜電極，光刻過程絕對保證金屬膜與晶體的良好接觸，隨后在金屬電極上覆蓋一層薄的導(dǎo)熱絕緣膠，使各金屬電極線條之間保持絕緣隔離。然后，利用高壓脈沖極化電源對光刻好的晶體施加一定波形的高壓電場，高壓極化電場脈沖電壓為三次觸發(fā)。對晶體施加于遠大于室溫下LiNbO3晶體的矯頑場的瞬時電壓，接著使用略過于晶體矯頑場的外加電壓，脈沖寬度為ms量級，實現(xiàn)疇的反轉(zhuǎn)，最后施加略低于晶體矯頑場的穩(wěn)定電場，將極化階段產(chǎn)生的電疇結(jié)構(gòu)凍結(jié)，形成穩(wěn)定的電疇結(jié)構(gòu)。最后，關(guān)掉電源，完成周期極化過程，用丙酮去除光刻膠，浸入NaOH溶液中去除金屬鋁電極。(3)在LT襯底上勻涂一層光學(xué)膠，用鍵合機將波導(dǎo)層與襯底粘合至一起。光學(xué)膠可以選用苯并環(huán)丁烯樹脂膠(BCB)或者光學(xué)環(huán)氧樹脂膠，或者其他光學(xué)膠，只要其折射率低于波導(dǎo)層的折射率，且有良好的粘接性、流動性和均勻性，固化后的膠能夠抵抗多種酸，堿和溶劑侵蝕等特點。若選擇BCB黏合，其為熱固化膠，固化溫度為 200-300°C，所以其黏膠條件為3X IO5Pa加載壓強，KT1I3a真空條件，250°C下保溫1小時，然后讓其自然冷卻。若選用光學(xué)環(huán)氧樹脂膠EP3302，其為室溫固化膠，黏膠條件為 3 X IO5Pa加載壓強，10 真空條件，52°C放置數(shù)小時。(4)將黏合后的晶圓片用化學(xué)機械平坦技術(shù)(CMP)將波導(dǎo)層厚度減薄至5 μ m。(5)用磁控濺射鍍膜技術(shù)在波導(dǎo)層上沉積一層NiCr合金的金屬薄膜作為刻蝕的掩模層，之后通過光刻法將波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖形轉(zhuǎn)移至波導(dǎo)層上；(6)用電感耦合等離子體(ICP)刻蝕的方法刻蝕出脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，即通入C4F8和 Ar氣的混合氣體，其混合比為5 95，刻蝕波導(dǎo)層的高度為5μπι。之后，用硫酸鈰溶液清洗去除晶圓片上的掩模層，得到高度為5 μ m,寬度為8 μ m的脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明不僅局限于上述具體實施方式
，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容，可以采用其它多種具體實施方式
實施本發(fā)明，因此，凡是采用本發(fā)明的設(shè)計結(jié)構(gòu)和思路，做一些簡單的變化或更改的設(shè)計，都落入本發(fā)明保護的范圍。
權(quán)利要求
1.一種鈮酸鋰光波導(dǎo)的制備方法，包含以下步驟(1)選取摻鋅濃度為7 9mol%的鈮酸鋰晶體作為波導(dǎo)層，摻鎂濃度為5 9mol%的鈮酸鋰晶體作為襯底；或者選取摻鎂濃度為5 9m0l%的鈮酸鋰晶體作為波導(dǎo)層，鉭酸鋰晶體作為襯底；(2)對波導(dǎo)層進行周期極化，得到波導(dǎo)層的周期疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)；(3)采用光學(xué)膠將波導(dǎo)層和襯底對齊黏合，所述光學(xué)膠的折射率低于波導(dǎo)層的折射率；(4)將波導(dǎo)層的厚度減少至所設(shè)計的波導(dǎo)高度；(5)將所設(shè)計的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖形光刻到波導(dǎo)層上；(6)將波導(dǎo)層刻蝕成脊形結(jié)構(gòu)，即得到鈮酸鋰光波導(dǎo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟( 中采用外加電場極化法對波導(dǎo)層進行周期極化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(3)中所述的光學(xué)膠為苯并環(huán)丁烯樹脂膠或者光學(xué)環(huán)氧樹脂膠。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(4)中采用化學(xué)機械平坦技術(shù)減少波導(dǎo)層的厚度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(5)中首先在波導(dǎo)層上沉積 NiCr合金的金屬薄膜作為掩模層，之后通過光刻法將所設(shè)計的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖形轉(zhuǎn)移至波導(dǎo)層上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(6)中采用電感耦合等離子體刻蝕的方法將波導(dǎo)層刻蝕成脊形結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種鈮酸鋰光波導(dǎo)的制備方法，該方法選用摻鋅或者摻鎂的鈮酸鋰晶體，采用外加電場極化的方法在摻雜鈮酸鋰晶體上制作周期疇反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，以此為波導(dǎo)層，通過折射率低于波導(dǎo)層的光學(xué)膠與鈮酸鋰或者鉭酸鋰襯底黏膠鍵合，再用ICP干法刻蝕出脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，得到鈮酸鋰波導(dǎo)。本發(fā)明采用的膠層與空氣折射率更接近，所以波導(dǎo)中光場限制作用更強且光場呈對稱分布，與單模光纖的耦合效率更高。采用黏膠鍵合，使得晶圓表面潔凈度和粗糙度的要求要遠低于直接鍵合的晶圓表面，工藝上更容易實現(xiàn)。使得此方法制備的鈮酸鋰光波導(dǎo)在增強光場限制作用，降低波導(dǎo)傳輸損耗，抑制光折變效應(yīng)以及降低制作工藝難度等方面有較優(yōu)越的性能。
文檔編號G02B6/13GK102253451SQ20111012434
公開日2011年11月23日 申請日期2011年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月13日
發(fā)明者馮力群, 周鈺杰, 孫軍強 申請人:華中科技大學(xué)