一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导及制作方法技术

本发明专利技术涉及电光调制器件的技术领域，公开了一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导，由上而下依次为阵列电极、缓冲层、单晶铌酸锂薄膜、绝缘层、金属电极和衬底，所述阵列电极由形状为平行四边形的微结构电极单元组成，所述单晶铌酸锂薄膜中间包裹有条状的质子交换铌酸锂波导，设置在缓冲层下方并正对阵列电极。本发明专利技术制造工艺简单，且损耗低、稳定性强，兼顾器件的高速调制特性和电光效应引起折射率变化的有效性，能够通过电光效应达到光模式偏转和光模场调控目的。

【技术实现步骤摘要】
一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导及制作方法
本专利涉及电光调制器件的
，更具体地说是一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导及制作方法。
技术介绍
在超高功率激光驱动器性能里，在靶面上得到匀滑光束极其重要，否则光斑能量不均匀将导致激光在放大过程中某一局部能量过高，造成光学元件的激光损伤，使点火的激光系统无法正常工作。目前已有许多方法被提出用于实现光模场偏转和光束匀滑，如光谱色散匀滑（SSD）技术实现光束匀滑等。然而市面上利用这些方法的器件一般需要较高的驱动电压，否则不能对高功率激光器进行高速调制，因此需要寻求在电光光束偏转上的突破。光波导是集成光学中基本结构单元，它可在某些方向上将光限制在狭小区域并引导光的传输。铌酸锂由于其优良的电光（较高的电光系数：30.8pm/V）、声光、非线性光学、压电性质及在可见光和近红外波段良好的透过率，一直是集成光学里一种非常重要的光波导材料，通过在铌酸锂波导上设计一定结构的电极，施加电压后即可改变波导的折射率进而实现光束偏转。然而目前市面上，传统的铌酸锂波导（如质子交换或钛扩散后的波导）其折射率与衬底的折射率差较低，难以利用它制备微纳结构器件，因此传统铌酸锂波导在可调谐并可集成的器件中应用很少，且针对激光的高速调制也不易实现。正如电子芯片集成度的不断提高，集成光学的发展目标是实现光学信息处理系统的集成化与微小型化。目前商业用的铌酸锂电光器件的调制长度长、体积大，与传统微电子工艺兼容性差，不易实现高密度、低成本的集成，应用率低。铌酸锂光波导的制作工艺对其光电属性也有很大影响。制作传统铌酸锂光波导的工艺技术主要有氧化锂从表面外扩散、金属内扩散、离子交换等，然而这些技术不仅制作工艺复杂，而且所制备出的传统铌酸锂波导的波导与其衬底折射率差较低，对传输的光场未能实现有效地集中，且损耗较大，不适用于微型化集成光电器件。
技术实现思路
本专利旨在解决现有技术中至少一个技术缺陷，提供一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导，采用的技术方案如下：一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导，结构呈六层排布，由上而下依次为阵列电极、二氧化硅缓冲层、单晶铌酸锂薄膜、二氧化硅绝缘层、金属电极和铌酸锂衬底，所述阵列电极由形状为平行四边形的微结构电极单元组成，所述单晶铌酸锂薄膜中间包裹有质子交换铌酸锂波导。本专利通过设计多层排布的结构，并在表面设计了一种平行四边形形状的微结构电极单元组成的阵列电极，充分利用了铌酸锂晶体的电光特性。再有，二氧化硅层与铌酸锂波导具有高折射率对比度，可在波导工作时降低光损耗。上述结构使得传输光场与电极的电场分布实现较大的交叠从而激发较高的电光效应，进而实现局部较大的折射率变化，有利于提高调制效率，降低器件的驱动电压和功耗。进一步地，所述微结构电极单元的短边边长为4～6μm，锐角为45°～60°，相邻两个微结构电极单元的间距为2～3μm。多个面积较小的平行四边形微结构电极单元组成阵列电极，充分起到了类似棱镜阵列的作用，使光束偏转及在波导末端产生不同的光模场分布。进一步地，所述质子交换铌酸锂波导宽度为5～7μm。本专利旨在应用于微型化集成光电器件，因此有效宽度较小的波导会提高波导区域的载流子浓度，减少器件的等效电容和调制电压幅度，从而使器件的调制带宽更大，而损耗更低。进一步地，所述阵列电极的宽度与所述质子交换铌酸锂波导的宽度相同。一方面能充分利用铌酸锂波导的有效宽度，一方面也避免不必要的材料或能量损耗，提高利用率。进一步地，所述阵列电极厚度为0.08～0.12μm，所述二氧化硅缓冲层厚度为0.12～0.18μm，所述单晶铌酸锂薄膜厚度为0.8～1.2μm，所述二氧化硅绝缘层厚度为0.8～1.2μm，所述金属电极厚度为0.1～0.2μm，所述铌酸锂衬底厚度为450～550μm。本专利采用多层级结构，若每层材料设置过薄则起不到相应的作用，若设置过厚又会影响传导效果，因此每层材料的厚度应作合适的设置。再有，所述单晶铌酸锂薄膜上的阵列电极与金属电极之间的距离应保持约为2μm，当它们之间施加不同的外部电压时，由于电光效应，两电极层间的质子交换铌酸锂波导产生不同的折射率分布，作用在质子交换铌酸锂波导上的电光效应得到加强，且更敏感。本专利的另一目的为解决现有技术的缺陷，提供一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导制作方法，采用的技术方案如下：一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导制作方法，首先采用铌酸锂薄膜集成技术（LNOI）形成依次由铌酸锂衬底、金属电极、二氧化硅绝缘层和单晶铌酸锂薄膜构成的铌酸锂薄膜集成波导，然后在所述单晶铌酸锂薄膜上形成具有条状结构的二氧化硅掩模；接着通过退火质子交换方法（APE）将所述条状区域中的单晶铌酸锂薄膜加工成质子交换铌酸锂波导，采用二氧化硅层覆盖质子交换铌酸锂波导，与二氧化硅掩模共同形成二氧化硅缓冲层；最后通过微结构电极光刻技术在二氧化硅缓冲层表面、正对质子交换铌酸锂波导位置加工由形状为平行四边形的微结构电极单元组成的阵列电极。进一步地，具体步骤包括：S1.采用所述铌酸锂薄膜集成技术（LNOI）得到铌酸锂薄膜集成波导；S2.在所述铌酸锂薄膜集成波导上沉积一层负光胶，在负光胶上放置两片对称分布的铬掩模，中间预留出未覆盖掩模的条状区域；S3.进行紫外光照射后，除去铬掩模及其下的负光胶，只留下中间未覆盖掩膜预留的条状区域的负光胶；S4.在上述波导的上表面均匀沉积一层二氧化硅层；S5.将上述波导的条状区域的负光胶及其上的二氧化硅剥离，得到所述二氧化硅层分布在之前预留的条状区域的两边形成二氧化硅掩膜；S6.对所述条状区域中的单晶铌酸锂薄膜进行退火质子交换技术（APE）处理，生成质子交换铌酸锂波导；S7.在所述质子交换铌酸锂波导上再沉积一层二氧化硅层，并使该层二氧化硅与二氧化硅掩膜具有相同厚度，共同形成二氧化硅缓冲层；S8.通过所述微结构电极光刻技术，将平行四边形形状的微结构电极单元光刻在所述二氧化硅缓冲层上。上述步骤结合了铌酸锂薄膜集成技术（LNOI）、退火质子交换技术（APE）和微结构电极光刻技术的平面波导，实现将铌酸锂波导的传统技术和最新薄膜技术相结合，并将其巧妙地运用到实现光束偏转的工作上，解决了传统铌酸锂波导的波导与其衬底折射率差较低的问题，使传输的光场有效地集中在铌酸锂薄膜上，此设计为实现器件的微型化和低功耗提供了一种独特并行之有效的方法，并可用于片上集成。进一步地，所述步骤S1的铌酸锂薄膜集成技术（LNOI）具体包括：S11.准备一片铌酸锂衬底，在其上沉积一层金属电极；S12.在所述金属电极表面沉积一层二氧化硅绝缘层，对二氧化硅绝缘层进行抛光处理；S13.另准备一片铌酸锂晶片，并向其注入氦离子；S14.将经上述操作的铌酸锂晶片和铌酸锂衬底键合在一起，并加热，脱落下来的铌酸锂薄膜停留在所述二氧化硅绝缘层表面，得到铌酸锂薄膜集成波导。步骤S13对铌酸锂晶片进行氦离子的注入，加热后氦离子变为氦气并且体积膨胀，结果是整个注入层断裂，脱落下来的铌酸锂薄膜就停留在二氧化硅绝缘层表面。采用所述铌酸锂薄膜集成技术（LNOI）得到的铌酸锂薄膜集成波导在纵向形成强折射率对比度，防止导模泄露至衬底。这种波导克服了传统铌酸锂波导和衬底折射率差较小的缺点。进一步地，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导，其特征在于，包括由上而下依次为阵列电极、缓冲层、单晶铌酸锂薄膜、绝缘层、金属电极和衬底，所述阵列电极由形状为平行四边形的微结构电极单元组成，所述单晶铌酸锂薄膜中间包裹有条状的质子交换铌酸锂波导，设置在缓冲层下方并正对阵列电极。

【技术特征摘要】
1.一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导，其特征在于，包括由上而下依次为阵列电极、缓冲层、单晶铌酸锂薄膜、绝缘层、金属电极和衬底，所述阵列电极由形状为平行四边形的微结构电极单元组成，所述单晶铌酸锂薄膜中间包裹有条状的质子交换铌酸锂波导，设置在缓冲层下方并正对阵列电极。2.根据权利要求1所述的一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导，其特征在于，所述微结构电极单元的短边边长为4～6μm，锐角为45°～60°，相邻两个微结构电极单元的间距为2～3μm。3.根据权利要求1所述的一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导，其特征在于，所述质子交换铌酸锂波导宽度为5～7μm，所述阵列电极与质子交换铌酸锂波导等宽。4.根据权利要求1所述的一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导，其特征在于，所述缓冲层为二氧化硅缓冲层，所述绝缘层为二氧化硅绝缘层，所述衬底为铌酸锂衬底。5.根据权利要求4所述的一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导，其特征在于，所述阵列电极厚度为0.08～0.12μm，所述二氧化硅缓冲层厚度为0.12～0.18μm，所述单晶铌酸锂薄膜厚度为0.8～1.2μm，所述二氧化硅绝缘层厚度为0.8～1.2μm，所述金属电极厚度为0.1～0.2μm，所述铌酸锂衬底厚度为450～550μm。6.一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导制作方法，其特征在于，首先采用铌酸锂薄膜集成技术（LNOI）形成依次由铌酸锂衬底、金属电极、二氧化硅绝缘层和单晶铌酸锂薄膜构成的铌酸锂薄膜集成波导，然后在所述单晶铌酸锂薄膜上形成具有条状结构的二氧化硅掩模；接着通过退火质子交换方法（APE）将所述条状区域中的单晶铌酸锂薄膜加工成质子交换铌酸锂波导，采用二氧化硅层覆盖质子交换铌酸锂波导，与二氧化硅掩模共同形成二氧化硅缓冲层；最后通过微结构电极光刻技术在二氧化硅缓冲层表面、正对质子交换铌酸锂波导位置加工由形状为平行四边形的微结构电极单元组成的阵列电极。7.根据权利要求6所述的一种用阵列电极进行光束偏转的铌酸锂波导制作方法，其特征在于，步骤包括：S...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢惠辉，何冬辉，陈哲，王媛，余健辉，关贺元，罗云瀚，丘文涛，董江莉，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：广东,44