采用金刚石划片机制备脊形光波导的方法技术

本发明专利技术涉及一种采用金刚石划片机制备脊形光波导的方法，属于光电子器件制备领域，包括：将平面光波导进行清洗；将刀片安装到金刚石划片机的刀架上；使用蓝膜粘结到平面光波导的背面，将平面光波导的粘结面固定安装到在真空吸附操作盘上；设置切割深度、进刀速度和刀片转速；使用金刚石划片机在平面光波导上表面划凹槽制备得到脊形光波导，脊形光波导的宽度为2～50μm，凹槽的深度为20～200μm，宽度为50～200μm；将脊形光波导从蓝膜或基底上取下，将垂直于脊型光波导的两个端面进行光学抛光。本发明专利技术能够制备出高性能、低损耗、微米量级且较好保持晶体非线性和光学增益特性的光波导，且不受掩膜线条的限制。

A Method of Fabricating Ridge Optical Waveguides by Diamond Slicing Machine

【技术实现步骤摘要】
采用金刚石划片机制备脊形光波导的方法
本专利技术涉及一种采用金刚石划片机制备脊形光波导的方法，属于光电子器件制备方法

技术介绍
现代光通讯产业特别是集成光电子器件的发展对器件的性能提出了越来越高的要求，微电子材料硅以及光纤材料虽然具有工艺成熟、成本低廉的优点，但是硅和光纤都不具有二阶非线性，不能满足特定器件的需求。此外，硅不具备光学增益特性，需要在整个器件中集成具有相关增益功能的部分才能具有相关的功能。铌酸锂和钽酸锂晶体具有非常大的二阶非线性，容易生长出体积大、光学均匀性好的单晶体，能够对光信号进行二阶甚至更高阶的处理。稀土掺杂的钇铝石榴石(YAG)晶体是一种能够实现高效率光学增益的晶体材料。这两种晶体的波导结构能够作为硅波导的有益补充，在现代集成光路中起到重要的作用。光波导是一种被低折射率介质包裹的高折射率结构。它是集成光学的最基本元件，用于限制和引导光信号的传输。目前波导制备方法主要有高温扩散、质子交换、离子注入和飞秒直写等。与普通沟道光波导结构相比，脊形波导的侧壁对光的限制能力更强，具有更小的模式面积，从而具有更高的非线性转化和/或光学增益效率。铌酸锂和YAG都属于晶体材料，材料抗腐蚀性能较强。但是，铌酸锂的干法刻蚀会出现刻蚀出的锂盐再沉积问题，制备出的脊形结构侧壁比较粗糙，影响通光效果，而且由于掩膜的厚度有限，所制备出的脊形结构深度只能在微米量级，不能制备出深度几十微米的脊形波导。稀土离子掺杂(钕离子、铒离子等)YAG晶体也是一种比较难以刻蚀的材料，目前的研究表明可以使用飞秒激光写入沟槽从而形成脊形波导，但是损耗较大，而且形成波导的深宽比较低。例如：中国专利文件CN102005688A公开了钕掺杂钒酸镥晶体内制备条形波导激光器件的方法，主要包括在钕掺杂钒酸镥晶体中形成条形波导和实现条形波导激光输出。但是钕掺杂钒酸镥晶体的硬度不如YAG晶体，因此在锯片的选择以及转速调整上都有较大不同。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种采用金刚石划片机制备脊形光波导的方法，能够制备出高性能、低损耗、微米量级且较好保持晶体非线性和光学增益特性的光波导，且不受掩膜线条的限制。本专利技术采用以下技术方案：一种采用金刚石划片机制备脊形光波导的方法，包括以下步骤：(1)将平面光波导进行清洗，去除表面的有机沾污和无机微粒，此处平面光波导的长度优选为2～4cm，宽度优选为0.5～2cm；(2)将刀片安装到金刚石划片机的刀架上；(3)使用蓝膜热粘结到平面光波导的背面，要求粘接后均匀无气泡，将粘结完的平面光波导的粘结面固定安装到在金刚石划片机的真空吸附操作盘上；(4)调整光波导的位置，根据波导要求设置切割深度、进刀速度和刀片转速；(5)使用金刚石划片机在平面光波导上表面划凹槽制备得到脊形光波导，脊形光波导的宽度X为2～50μm，凹槽的深度为20～200μm，宽度W为50～200μm，通过调节刀片的位置可以调整制备出的脊形光波导的宽度X，优选的，刀片的宽度与凹槽的宽度W一致；(6)将步骤(5)得到的脊形光波导从蓝膜或基底上取下，将垂直于脊型光波导的两个端面进行光学抛光，对样品进行通光实验以测试脊形波导的性能，将波导的两个端面进行光纤端面耦合和紫外胶固化，光纤跳线两端分别作为输入和输出端，从而可制备出光量子芯片。优选的，平面光波导为掺镁周期极化铌酸锂平面光波导或YAG平面光波导。优选的，所述步骤(1)中清洗的步骤如下：(a)使用去离子和无纺布对样品表面进行擦洗以去除样品表面的无机物大颗粒；(b)使用肥皂水进行超声清洗，去除有机沾污及无机物微粒，用去离子水冲洗并使用氮气吹干。优选的，所述步骤(2)前还包括将金刚石划片机开机后确认水路和气路工作正常，水路中冷却水的温度控制在18～22℃，当然金刚石划片机的前期还需要其他准备(如检查其他方面是否正常、参数设置等)，可参照现有技术进行，此处不再赘述。优选的，所述步骤(2)中所使用的刀片为树脂金刚石刀片或电镀刀片；优选的，刀片中含有的金刚石微粒的粒度小于2μm。优选的，所述步骤(3)中，当平面光波导的尺寸在2cm2以下时，先将平面光波导用蓝膜进行保护后，再用热熔石蜡固定在一个尺寸为5～15cm2的基底上，然后将基底背面用蓝膜覆盖后安装在金刚石划片机的操作盘上，在平面光波导尺寸较小时方便在金刚石划片机上进行切割。优选的，所述步骤(3)中蓝膜粘结温度低于100℃，防止蓝膜受热变质后对波导面造成沾污。优选的，所述步骤(4)中，可根据平面光波导的硬度及切割深度设置进刀速度和刀片转速，进刀速度优选为0.01～1mm/s，刀片转速优选为10000～30000转/分钟。优选的，所述步骤(6)中光学抛光过程为：先使用W14和W7的棕刚玉研磨粉分别进行粗磨和精磨，然后使用W2的金刚石研磨液进行粗抛，最后使用粒度在100nm的二氧化硅悬浮液进行精抛光，得到光滑平整的端面。值得注意的是，本专利技术所采用的金刚石划片机为现有设备，其型号可采用OPTO金刚石划片机(InPGaAs)，或者根据实际需要选择其他市售产品，本专利技术未详尽之处，均可采用现有技术。本专利技术的有益效果为：1)金刚石划片机精自身具有高精度，切割深度精确的优点，本专利技术利用金刚石划片机对铌酸锂或YAG平面光波导进行直接加工，在划片的同时，刀片可以对脊形结构的侧面进行研磨抛光，形成镜面，本专利技术制备的脊形光波导性能优异、损耗低，宽度能够达到微米量级。2)传统的脊形光波导制备方法，如离子束刻蚀法及湿法刻蚀容易对脊形结构本身产生不利影响，离子束刻蚀的离子会对刻蚀表明产生离子束损耗，湿法腐蚀容易产生侧蚀。而本专利技术的方法为纯物理方法，不会对晶体的非线性和光学增益特性产生影响，能够很好的保持晶体非线性和光学增益特性。3)本专利技术中使用刀片对铌酸锂或YAG平面光波导进行脊形波导加工，刀片的加工深度最大值在300微米左右。在干法刻蚀以及湿法刻蚀中所使用的光刻胶掩膜厚度最大不超过100微米，因此本专利技术中的加工深度已经大大超过了干法刻蚀和湿法刻蚀的刻蚀深度。利用本专利技术可以制备出厚度几十微米的脊形波导且本专利技术不受掩膜线条的限制。4)本专利技术中所制备的脊形波导的宽度由金刚石划片机程序控制，不需要额外的掩膜版和微加工工艺，简化了加工步骤，有利于提高产能。附图说明图1为本专利技术的采用金刚石划片机制备脊形光波导的方法的流程图；图2为金刚石划片机的一种结构示意图；图3为本专利技术所采用的的平面波导的结构示意图；图4为本专利技术采用金刚石划片机制备脊形光波导的过程结构示意图；其中，1-平面光波导衬底，2-平面光波导层，3-凹槽，4-脊形光波导，5-刀片。具体实施方式：为使本专利技术要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本专利技术未详尽说明的，均按本领域常规技术。实施例1：一种采用金刚石划片机制备脊形光波导的方法，如图1～4所示，包括以下步骤：(1)将长度3厘米、宽度1厘米的掺镁周期极化铌酸锂平面光波导进行清洗，平面光波导的结构如图3所示，包括平面光波导衬底1和平面光波导层2；(2)将刀片5安装到金刚石划片的刀架上；(3)将蓝膜均匀的粘接到平面光波导的背面，要求粘接后均匀无气泡，将平面光波导的蓝膜面固定到金刚石划片机的真空吸附操作盘上；(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种采用金刚石划片机制备脊形光波导的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将平面光波导进行清洗；(2)将刀片安装到金刚石划片机的刀架上；(3)使用蓝膜粘结到平面光波导的背面，要求粘接后均匀无气泡，将粘结完的平面光波导的粘结面固定安装到在金刚石划片机的真空吸附操作盘上；(4)调整光波导的位置，根据波导要求设置切割深度、进刀速度和刀片转速；(5)使用金刚石划片机在平面光波导上表面划凹槽制备得到脊形光波导，脊形光波导的宽度X为2～50μm，凹槽的深度为20～200μm，宽度W为50～200μm；(6)将步骤(5)得到的脊形光波导从蓝膜或基底上取下，将垂直于脊型光波导的两个端面进行光学抛光。

【技术特征摘要】
1.一种采用金刚石划片机制备脊形光波导的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将平面光波导进行清洗；(2)将刀片安装到金刚石划片机的刀架上；(3)使用蓝膜粘结到平面光波导的背面，要求粘接后均匀无气泡，将粘结完的平面光波导的粘结面固定安装到在金刚石划片机的真空吸附操作盘上；(4)调整光波导的位置，根据波导要求设置切割深度、进刀速度和刀片转速；(5)使用金刚石划片机在平面光波导上表面划凹槽制备得到脊形光波导，脊形光波导的宽度X为2～50μm，凹槽的深度为20～200μm，宽度W为50～200μm；(6)将步骤(5)得到的脊形光波导从蓝膜或基底上取下，将垂直于脊型光波导的两个端面进行光学抛光。2.根据权利要求1所述的采用金刚石划片机制备脊形光波导的方法，其特征在于，平面光波导为掺镁周期极化铌酸锂平面光波导或YAG平面光波导。3.根据权利要求1所述的采用金刚石划片机制备脊形光波导的方法，其特征在于，所述步骤(1)中清洗的步骤如下：(a)使用去离子和无纺布对样品表面进行擦洗以去除样品表面的无机物大颗粒；(b)使用肥皂水进行超声清洗，去除有机沾污及无机物微粒，用去离子水冲洗并使用氮气吹干。4.根据权利要求1所述的采用金刚石划片机制备脊形光波导的方法，其特征在于，所述步骤(2)前...

【专利技术属性】
技术研发人员：王磊，陈峰，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37