一种片上电可调高品质薄膜微光学器件的制备方法技术

一种片上电可调高品质薄膜微光学器件的制备方法，包括在薄膜表面镀金属层、飞秒激光选择性烧蚀金属膜、化学机械抛光、表面镀介质膜封装以及电极制备等步骤。本发明专利技术方法制备的片上微光学器件具有极高的表面光洁度，极低的光学损耗，并且能通过电极进行电光调制或电热调制。该方法适用于各种片上薄膜(包含但不限于铌酸锂单晶薄膜、石英薄膜、硅薄膜、二氧化硅薄膜、金刚石薄膜等)上制备高品质的电可调微光学结构(包含但不限于微环腔、光波导及其耦合器件)。

【技术实现步骤摘要】
一种片上电可调高品质薄膜微光学器件的制备方法
本专利技术涉及飞秒激光加工和化学机械抛光，特别是一种利用飞秒激光加工结合化学机械抛光制备片上电可调微结构(含微腔盘、微环、光波导及其集成结构)的方法。本方法适用于各种片上薄膜材料，包含但不限于铌酸锂单晶薄膜、石英薄膜、硅薄膜、二氧化硅薄膜、金刚石薄膜等。
技术介绍
微光学器件，指结构尺寸在亚微米级以上，表面粗糙度可达纳米级的微结构光学器件。片上微光学器件一般通过在空间乃至时间上对光场进行局域化，显著增加光与物质的相互作用，在基础研究和工程应用中，如量子光学、非线性光学、量子电动力学、光子学、低阈值激射、极小型滤波器、生物传感器、光学陀螺仪、光学频率梳等领域，有着重要的应用和发展前景。其中微盘腔和微环腔通过在介质腔与周围环境之间的圆形边界的连续多次全内反射把光长时间地限制在小体积内，具有相当高的品质因子和极小的模式体积，使其能够极大增强光与物质的相互作用；片上光波导是片上微光学器件的基础元件，利用波导材料与环境的高折射率差将光束缚在光波导中，一般具有强的光与物质相互作用强度和低的传输损耗；集成器件是由上述微腔与微腔、微腔与光波导及光波导与光波导组成，其具有可控的耦合效率和极低的插入损耗，其制备是片上微光学集成的一个难点。目前主流的芯片上的微光学器件如微盘腔(参见文献1：Lin,Jintian,etal."Fabricationofhigh-Qlithiumniobatemicroresonatorsusingfemtosecondlasermicromachining."Scientificreports5(2015):8072.；参见文献2：Wang,Jie,etal."High-Qlithiumniobatemicrodiskresonatorsonachipforefficientelectro-opticmodulation."Opticsexpress23.18(2015):23072-23078.)、微环腔(参见文献3：Zhang,Mian,etal."Monolithicultra-high-Qlithiumniobatemicroringresonator."Optica4.12(2017):1536-1537.)、光波导(参见文献3：Zhang,Mian,etal."Monolithicultra-high-Qlithiumniobatemicroringresonator."Optica4.12(2017):1536-1537.)，其制造技术或借助半导体光刻方法，或借助飞秒激光结合聚焦离子束(FIB)刻蚀的方法，这两种技术在材料表面微结构的制备上已经较为成熟，但前者只适合处理半导体薄膜材料或二氧化硅薄膜，面对铌酸锂等难以化学处理的介质薄膜时常常面临困境，也难以制备毫米乃至厘米量级的高质量结构；后者受限于FIB的加工效率，在制备大尺寸的结构以及大规模集成时面临问题。飞秒激光脉冲具有极短的脉冲宽度和极高的峰值功率，与物质相互作用时呈现出强烈的非线性效应。由于飞秒脉冲作用时间极短，热效应非常小,因而大大提高了加工精度。基于上述优点，该技术已成为微制造领域的研究热点，在微流体、微电子、微光学、微机电系统和生物医学等领域已展露出重要的应用前景。利用飞秒激光微加工技术结合聚焦离子束(FIB)刻蚀已经实现对片上铌酸锂薄膜的加工，制备出了高品质的光学回音壁模式微腔(参见文献1：Lin,Jintian,etal."Fabricationofhigh-Qlithiumniobatemicroresonatorsusingfemtosecondlasermicromachining."Scientificreports5(2015):8072.)。但受限于FIB的低效率，更大尺度的片上微光学器件及大规模的光学集成面临巨大困难，如何寻找一种合适的方案替代FIB与飞秒激光直写相结合以实现大尺寸片上微光学器件的制备和大规模微光学器件的集成是目前片上集成光子学领域面临的重要问题。相对于传统的抛光方法，化学机械抛光可以同时借助于抛光液的腐蚀作用和磨料的机械作用完成工件表面的加工，在较高的材料去除率下，获得高品质无损伤的加工表面。其综合了化学抛光与机械抛光的优势，只采用化学抛光的优点是低损伤、完整性好，但是加工效率低。只采用机械抛光的有点是材料去除率高、平整度好，但是损伤深、精度差。而化学机械抛光通过优化抛光液和机床工艺参数，结合化学抛光和机械抛光的优点，可以同时实现较高材料去除率和低损伤高质量的抛光加工(参见文献4：Cadien,KennethC.,andLucyNolan."ChemicalMechanicalPolishingMethodandPractice."HandbookofThinFilmDeposition(FourthEdition).2018.317-357.)。但传统化学机械抛光都是用于制备平整的材料表面，而非用于实现片上薄膜结构整体质量的提升。本专利技术将飞秒激光加工技术与化学机械抛光技术相结合，使得片上大尺寸高品质微光学器件的制备和大规模集成为可能。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于克服现有的片上微加工技术难以在介质薄膜、半导体薄膜上构建亚微米乃至厘米量级尺寸的结构的缺点，提供一种制备片上电可调薄膜微光学器件的方法，该方法加工效率高，制备的微光学器件形貌可控、具有极低的损耗且能通过电极进行电光调制或电热调制。所述的薄膜材料包含但不限于铌酸锂单晶薄膜、石英薄膜、硅薄膜、二氧化硅薄膜、金刚石薄膜等。本专利技术的技术方案如下：一种片上高品质电可调薄膜微光学器件的制备方法，该制备方法包括下列步骤：(1)薄膜表面镀金属膜：①由上至下依次为薄膜层(9)、支柱层(8)和衬底(7)构成薄膜样品(6)，所述的薄膜层(9)由介质薄膜或半导体薄膜制成，包括铌酸锂薄膜、石英薄膜、二氧化硅薄膜、金刚石薄膜、硅薄膜或氮化铝薄膜等。②在薄膜样品表面镀金属膜，金属膜厚度根据需要的边角形貌决定。(2)飞秒激光烧蚀：①所述的微光学结构包括微盘腔、微环腔、脊型和线状光波导以及其耦合结构，所述的微盘腔是衬底上由支柱支撑的微盘结构；所述的光波导是衬底上的脊型或线状结构；所述的微环腔由环形或跑道型周期结构光波导组成；所述的耦合结构是由微盘腔与光波导、微环腔与光波导、微盘腔与微盘腔或者光波导与光波导组成；所述的耦合结构相对位置根据实际需要设计。②将镀有金属膜的薄膜样品固定在装有液体的样品槽中，使液面微高于金属膜表面，然后将所述的样品槽固定在三维位移平台上；③通过显微物镜将飞秒激光聚焦在所述的金属膜(11)表面，对薄膜样品上表面进行烧蚀，同时驱动所述的三维位移平台运动，使所述的飞秒激光光束选择性去除覆盖于所述片上薄膜样品表面的金属膜，直到形成所需要的金属图案层(12)；(3)化学机械抛光：①将所述含有微结构图案的金属膜的薄膜样品嵌入到模具中，利用抛光垫和抛光液如二氧化硅小球悬浮液进行抛光，通过控制施加在所述片上薄膜样品上的压力、抛光垫相对所述片上薄膜样品的转速，以及二氧化硅小球悬浮液的流速以实现对抛光速率的控制进行抛光。抛光过程中，覆盖有金属图案层(12)的薄膜区域没有接触到抛光垫和抛本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种片上电可调高品质薄膜微光学器件的制备方法，该制备方法包括下列步骤：步骤1)薄膜表面镀金属膜：①由上至下依次为薄膜层(10)、支柱层(9)和衬底(8)构成薄膜样品(7)，所述的薄膜层(10)由介质薄膜或半导体薄膜制成；②在所述的薄膜层(10)的表面镀金属膜(11)；步骤2)飞秒激光烧蚀：①将镀有金属膜的薄膜样品固定在装有液体的样品槽中，使液面微高于金属膜表面，然后将所述的样品槽固定在三维位移平台上；②通过显微物镜将飞秒激光聚焦在所述的金属膜(11)表面，对薄膜样品上表面进行烧蚀，同时驱动所述的三维位移平台运动，使所述的飞秒激光光束选择性去除覆盖于所述片上薄膜样品表面的金属膜，直到形成所需要的金属图案层(12)；步骤3)化学机械抛光：①将含有金属图案层的薄膜样品嵌入到模具中，利用抛光垫和抛光液进行抛光，抛光过程中，覆盖有金属图案层(12)的薄膜区域没有接触到抛光垫和抛光液而被保留，其他薄膜区域经化学机械抛光被去除，金属图案层边缘的薄膜材料离金属图案层(12)边缘越近，去除效率越低，形成楔形边角(13)；②通过光学显微镜和CCD探测器观测所述楔形边角形貌变化，当楔形边角形貌符合设计要求后，结束抛光；步骤4)金属膜(12)化学腐蚀：①将经过化学机械抛光的薄膜样品置于腐蚀液中，对所述金属图案层(12)进行腐蚀去除得到微光学结构(14)；步骤5)微光学结构表面镀介质膜(15)①在薄膜样品上的微光学结构(14)表面镀介质膜(15)；步骤6)制备三维电极①在所镀的介质膜(15)中制备三维电极(16)。...

【技术特征摘要】
1.一种片上电可调高品质薄膜微光学器件的制备方法，该制备方法包括下列步骤：步骤1)薄膜表面镀金属膜：①由上至下依次为薄膜层(10)、支柱层(9)和衬底(8)构成薄膜样品(7)，所述的薄膜层(10)由介质薄膜或半导体薄膜制成；②在所述的薄膜层(10)的表面镀金属膜(11)；步骤2)飞秒激光烧蚀：①将镀有金属膜的薄膜样品固定在装有液体的样品槽中，使液面微高于金属膜表面，然后将所述的样品槽固定在三维位移平台上；②通过显微物镜将飞秒激光聚焦在所述的金属膜(11)表面，对薄膜样品上表面进行烧蚀，同时驱动所述的三维位移平台运动，使所述的飞秒激光光束选择性去除覆盖于所述片上薄膜样品表面的金属膜，直到形成所需要的金属图案层(12)；步骤3)化学机械抛光：①将含有金属图案层的薄膜样品嵌入到模具中，利用抛光垫和抛光液进行抛光，抛光过程中，覆盖有金属图案层(12)的薄膜区域没有接触到抛光垫和抛光液而被保留，其他薄膜区域经化学机械抛光被去除，金属图案层边缘的薄膜材料离金属图案层(12)边缘越近，去除效率越低，形成楔形边角(13)；②通过光学显微镜和CCD探测器观测所述楔形边角形貌变化，当楔形边角形貌符合设计要求后，结束抛光；步骤4)金属膜(12)化学腐蚀：①将经过化学机械抛光的薄膜样品置于腐蚀液中，对所述金属图案层(12)进行腐蚀去除得到微光学结构(14)；步骤5)微光学结构表面镀介质膜(15)①在薄膜样品上的微光学结构(14)表面镀介质膜(15)；步骤6)制备三维电极①在所镀的介质膜(15)中制备三维电极(16)。2.根据权利要求1所述的片上高品质电可调薄膜微光学器件的制备方法，其特征在于所述的薄膜层(10)为介质薄膜和半导体薄膜。3.根据权利要求2所述的片上高品质电可调薄膜微光学器件的制备方法，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：程亚，伍荣波，张健皓，乔玲玲，林锦添，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31