專利名稱：一種新型集成波導(dǎo)型光隔離器及其制備工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利涉及光學(xué)、集成光電子學(xué)、材料物理等多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，具體涉及ー種集成光隔離器及其制備エ藝。
背景技術(shù)：
近年來，隨著長距離、高速大容量的光通信系統(tǒng)的發(fā)展、全光通信網(wǎng)絡(luò)(AON)的興起以及光子集成電路(PICs)技術(shù)的日益成熟，對光隔離器的需求顯得日益迫切。由于系統(tǒng)內(nèi)反射光對光源的影響，使得光源產(chǎn)生寄生振蕩，影響光源的頻率穩(wěn)定性、限制了它的調(diào)制帶寬，從而限制了整個(gè)系統(tǒng)性能的提高，因此光隔離器是整個(gè)系統(tǒng)不可缺少的器件之一。隨著BiHG (鉍-釔鐵石榴石)薄膜和CeHG (鈰-釔鐵石榴石)薄膜的相繼出現(xiàn)，為集成光隔離器的研制提供了材料方面的保證。從器件設(shè)計(jì)的角度來看，磁光波導(dǎo)及器件的理論仿真及計(jì)算對于它們在集成光學(xué)中的應(yīng)用具有重要意義。盡管在這ー領(lǐng)域的研究已經(jīng)持續(xù)了 20多年，集成光隔離器至今還處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，尚且沒有實(shí)用化的器件。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一種基于CeHG薄膜的集成光隔離器及其制備方法，包括Ce1Y2Fe5O12靶材(CdIG)的制備，CeYIG磁光薄膜的制備以及光隔離器的制備。具體如下CeYIG陶瓷靶材的制備方法，包括如下步驟I)將氧化鈰(Ce02)、氧化釔(Y203)、氧化鐵(Fe2O3)粉末稱量后，按摩爾比1:1: 2. 5的比例均勻混合后放入球磨罐中混合球磨；2)球磨后進(jìn)行烘干煅燒；3) 二次球磨、并烘干煅燒；4)研磨過篩再加粘合劑研磨造粒并放入壓靶模具中壓制成型并燒結(jié)。進(jìn)ー步，所述步驟2)具體為烘干濕料并在900°C下預(yù)煅燒2小吋。進(jìn)ー步，所述步驟3)具體為二次球磨8小時(shí)并烘干濕料在1100°C下煅燒2小吋。進(jìn)ー步，所述步驟4)中燒結(jié)時(shí)的壓カ為40MP，并在1350°C燒結(jié)2小時(shí)。集成光隔離器制備エ藝，包括如下步驟首先在硅(Si)基底(I)上覆蓋ニ氧化硅(SiO2)層(2)作為隔離器的襯底層，然后濺射生長ー層CeHG磁光薄膜(3)作為芯層并晶化處理，接著進(jìn)行勻膠光刻エ藝，并在光刻的凹槽內(nèi)填充一定厚度的CeHG，最后通過刻蝕得到磁光波導(dǎo)。ー種集成波導(dǎo)型光隔離器，包括Si基底(I)、硅基底上覆蓋的SiO2層(2)和SiO2層上濺射生長的CeHG磁光薄膜(3)。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明提出的集成波導(dǎo)型光隔離器，通過薄膜波導(dǎo)形式實(shí)現(xiàn)，與半導(dǎo)體激光器同時(shí)實(shí)現(xiàn)集成，可在集成系統(tǒng)中起到保護(hù)激光器的作用。


圖I (a)為集成光隔離器波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖。圖1(b)為波導(dǎo)截面圖。圖2為集成光隔離器制備エ藝過程示意圖。
具體實(shí)施例方式圖I (a)為集成光隔離器波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖，圖I (b)為波導(dǎo)截面圖。光波導(dǎo)的芯層為CeYIG磁光薄膜，襯底材料為Si02/Si，空氣為覆蓋層。兩臂中有一支為非互易臂，磁場方向垂直于光傳輸方向，且平行于膜面，非互易臂產(chǎn)生非互易相移，當(dāng)光波正向傳輸時(shí)，兩臂相位差為零，干涉增強(qiáng)，光能正常通過；反向傳輸時(shí)，兩臂相位差為η/2，干渉相消，光被隔離。圖2為集成光隔離器制備エ藝。首先在硅基底上覆蓋一定厚度的SiO2層作為波導(dǎo)隔離器的襯底層，然后濺射生長ー層CeYIG磁光薄膜作為芯層，接著進(jìn)行勻膠光刻エ藝，并在凹槽內(nèi)填充一定厚度的CeHG，最后通過刻蝕得到所需的磁光波導(dǎo)。I. Ce1Y2Fe5O12 (CeHG)陶瓷靶材的制備用純度均為99. 99%的CeO2, Y2O3和Fe2O3粉末稱量后，按摩爾比I I 2. 5的比例均勻混合后放入球磨罐中混合球磨8小時(shí)，烘干濕料并在900°C下預(yù)煅燒2小時(shí)后，采用銅(Cu)的Ka線進(jìn)行X射線衍射儀(XRD)測量，測量粉體的晶相結(jié)構(gòu)。二次球磨8小時(shí)并烘干濕料在1100°C下煅燒2小吋，再通過XRD測量粉體晶相結(jié)構(gòu)；用透射電子顯微鏡(TEM)分析粉體顆粒的表面形貌及顆粒大??；粉體的飽和磁化強(qiáng)度由振動樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)在常溫下測量得到。研磨過篩再加粘合劑研磨造粒并放入壓靶模具中壓制成型，在壓カ40MP并在1300°C進(jìn)行燒結(jié)2小時(shí)，采用TEM分析靶材的表面形貌。所得石榴石粉體顆粒的尺寸可以由以下方法得到通過測量XRD譜中某一特定衍射峰的半高峰寬，由Scherrer公式進(jìn)行
估算メ=^^，式中，d表示晶化顆粒的尺寸(nm)，λ為X射線的波長(Α)，Θ為衍射角，
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B表示在Θ處衍射峰的半高峰寬(FWHM)。按摩爾比I : I : 2. 5，制得Ce1Y2Fe5O12 ;而若按摩爾比O. 5 I. 25 2. 5，制得Cea5Y^5Fe5O12 ;按摩爾比 1.5 O. 75 2. 5，制得 Ceh5Yh5Fe5O12tj2. CeYIG磁光薄膜的制備及其微觀結(jié)構(gòu)分析CeYIG之所以具有磁光法拉第效應(yīng)，是由于順磁性的Ce3+離子所引起的法拉第增 強(qiáng)效應(yīng)。能譜分析儀(XPS)對晶化薄膜中的Ce元素的價(jià)態(tài)分析表明，當(dāng)晶化氣氛為空氣時(shí)，取晶化溫度為700°C，晶化時(shí)間為Ih (晶化時(shí)間過長，由于氧的擴(kuò)散，導(dǎo)致Ce3+離子價(jià)態(tài)的進(jìn)ー步氧化，使得磁光法拉第效應(yīng)減弱。晶化O. 5h時(shí)僅有微弱的磁光性能；晶化Ih時(shí)，法拉第旋轉(zhuǎn)系數(shù)達(dá)到最大值；晶化2h時(shí)，法拉第旋轉(zhuǎn)角又明顯減小，由此可確定最佳的晶化時(shí)間為lh)。薄膜中的Ce3+含量相對較大，因而CeHG薄膜的磁光性能良好.薄膜的飽和法拉第旋轉(zhuǎn)系數(shù)約為O. 8deg/ μ m。所制備的CeYIG薄膜為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，必須經(jīng)過后續(xù)的晶化處理方能得到晶化薄膜。用XPS圖譜來分析薄膜的成分，用原子力顯微鏡(AFM)觀察微觀結(jié)構(gòu)。由薄膜的微觀結(jié)構(gòu)，可以判斷薄膜的晶化程度。而薄膜晶化程度的好壞直接影響到薄膜的性能，只有在晶化完成時(shí)，薄膜才表現(xiàn)出磁光性能。用VSM測量薄膜的飽和磁化強(qiáng)度，由曲線中斜率最大處作切線與溫度軸相交，得到的交點(diǎn)即居里溫度(約為220°C)。3.薄膜光學(xué)性能測試及光隔離器制備I)通過勻膠(實(shí)驗(yàn)室用的普通光刻膠2000+4000+4000)、前烘、曝光、顯影、堅(jiān)膜、濕 法刻蝕和去膠等步驟完成光隔離器薄膜制備。2)對所制備的光學(xué)薄膜通光觀測，并施加電場，形成磁光隔離器。
權(quán)利要求
1.光隔離器用CeHG陶瓷靶材的制備方法，其特征在于，包括如下步驟 1)將氧化鈰(Ce02)、氧化釔(Y203)、氧化鐵(Fe2O3)粉末稱量后，按摩爾比I: I : 2. 5的比例均勻混合后放入球磨罐中混合球磨； 2)球磨后進(jìn)行烘干煅燒； 3)二次球磨、并烘干煅燒； 4)研磨過篩再加粘合劑研磨造粒并放入壓靶模具中壓制成型并燒結(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述步驟2)具體為烘干濕料并在900°C下預(yù)煅燒2小吋。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述步驟3)具體為二次球磨8小時(shí)并烘干濕料在1100°C下煅燒2小吋。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在干所述步驟4)中燒結(jié)時(shí)的壓カ為40MP，并在1350°C進(jìn)行燒結(jié)2小時(shí)。
5.集成光隔離器制備エ藝，其特征在于，包括如下步驟首先在硅(Si)基底(I)上覆蓋ニ氧化硅(SiO2)層(2)作為隔離器的襯底層，然后濺射生長ー層CeHG磁光薄膜(3)作為芯層并晶化處理，接著進(jìn)行勻膠光刻エ藝，并在光刻的凹槽內(nèi)填充一定厚度的CeHG，通過刻蝕得到磁光波導(dǎo)；通過勻膠、前供、曝光、顯影、堅(jiān)膜、濕法刻蝕和去膠完成光隔離器薄膜制備。
6.ー種集成光隔離器，其特征在于包括硅基底、硅基底上覆蓋的SiO2層和SiO2層上濺射生長的CeYIG磁光薄膜。
全文摘要
一種新型集成波導(dǎo)型光隔離器及其制備工藝。光隔離器與激光器一起使用，起到保護(hù)激光器的作用。所研制的集成波導(dǎo)型光隔離器基于鈰-釔鐵石榴石(CeYIG)薄膜，通過勻膠、前烘、曝光、顯影、堅(jiān)膜、濕法刻蝕和去膠等工藝步驟完成磁光薄膜的制備，然后通過外加磁場實(shí)現(xiàn)光隔離器。
文檔編號G02B6/136GK102674827SQ20121016874
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月28日
發(fā)明者張坤, 李磊, 楊樹明, 胡慶杰, 蔣莊德, 韓楓 申請人:西安交通大學(xué)