高温质子交换的LiNbO3光波导制造方法技术

本发明专利技术涉及集成光学光波导制作领域，具体的讲是涉及一种高温质子交换的ＬｉＮｂＯ↓［３］光波导制造方法，该方法在铌酸锂基片上制作无相变的波导，制作出的波导主要适用于光纤陀螺的多功能芯片，该波导制造方法依次完成熔料工序、质子交换工序、退火工序和反质子交换工序，其特征在于该方法的质子交换工序是在３５０℃±３℃的温度状态下进行的，其特点是：波导由纯粹Ｈ↓［ｘ］Ｌｉ↓［１－ｘ］ＮｂＯ↓［３］的α相构成，结构均匀、简单，波导的稳定性好，并且提高了成品率，降低了温度差异对基片的冲击，避免了对环境的污染，降低了器件的损耗，降低了生产成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及集成光学光波导制作领域，具体的讲是涉及一种在铌酸锂基 片上制作无相变的波导，制作出的波导主要适用于光纤陀螺的多功能芯片。技术背景制作光波导时，采用钛内扩散时，异常折射率和寻常折射率都增大，TE 模和TM模都能制导。由于LiNb03的电光系数是各向异性，要使调制与偏振无关，电极结构就十分麻烦，并且带宽也上不去。因此实用器件，都使用最高 的电光系数和相应的偏振。但另一个偏振要用偏振器衰减掉。然而要制作高 消光比的偏振器，工艺参数控制十分严格，很难达到高消光比。此外制作钛 内扩散波导要在约1050° C温度下扩散达IO小时，LiNbO:,中的Li20要向外扩 散，其结果也使折射率增加，这样在Li20外扩散的平面波导上迭加上钛内扩 散形成的条状波导，波导之间的隔离变差，虽有抑制外扩散的办法，但很难 彻底。钛扩散模式剖面是在高温下长时间扩散形成的，其结构很难改变。钛 扩散波导的光功率保持能力也比质子交换波导差四倍。质子交换波导最大的 特点是单偏振，它是质子源中的H+与LiNb03中的Li+部分发生交换，但这种交 换不容易发生，质子进入晶体后，晶体结构逐步发生畸变，到达一定程度， 晶相就发生变化，质子就变得很容易进去，扩散系数急剧增加，很快就达到 要求的质子总量，但深度不够，在随后的退火中，质子向晶体的更深处扩散， 把已发生相变的晶相恢复为LiNbO:i结构最相似的H上ihNb03的a相，但不可 能完全恢复，波导由不同晶相构成的层状混合物组成，因此在不同的温度下 表现出较为复杂的行为，这是退火质子交换(APE)工艺。质子交换的结果， 异常折射率变大，但寻常折射率变小，只能制导与异常折射率相关的光束。 波导为单偏振波导，与实用型集成光学器件对偏振的要求完全一样，没有必 要再做偏振器，并且消光比很高，但退火质子交换(APE)的质子交换是在较 低温度下进行，质子的扩散能力弱，表面洁净度的微小差异就会对工艺产生影响，交换时间又短，因此最后波导的性质分散性较大，成品率低。
技术实现思路
本专利技术的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种高温质子交换的LiNbO:,光波导制造方法，该方法在高温35(TC士3""C的温度状态下进行质子 交换，解决了现有技术存在的问题。本专利技术目的实现由以下技术方案完成-一种高温质子交换的LiNb03光波导制造方法，该方法依次完成熔料工序、 质子交换工序、退火工序和反质子交换工序，其特征在于该方法的质子交换 工序是在35(TC土3'C的温度状态下进行的。在质子交换工序中所述的35(TC土3'C的温度状态需要保持恒温九个小时。在熔料工序中首先采用两个石英罐，其中一个石英罐中放置刻有波导图 案的基片，另一个石英罐中放置一定量的苯甲酸和铌酸锂粉末，二者开口相 对放置，其间接缝处夹紧密封，其中放置基片的石英罐位于另一个石英罐之 上；将两个石英罐放入交换炉，加热升温，最后使温度达到35(TC土3"C。所述的另一个石英罐中所放置的反应物，指的是按比例混合好的苯甲酸 粉末和铌酸锂粉末，在其加热升温至33(TC时，保持恒温，以保证二者充分熔 解反应，生成苯甲酸锂，用以解决在市场上无法购买到高纯度的苯甲酸锂这 一难题。在交换炉内的升温过程中，需要向炉膛内加压，以平衡石英罐内部的蒸 汽压。所述的加压是根据升温后产生的蒸汽压力变化，向炉膛内充入氮气加压， 用氮气的压力平衡蒸汽压力。当温度达到35(TC士3'C时，需要翻转交换炉，以使基片浸入在苯甲酸锂中。本专利技术的优点是(1)波导由纯粹H丄ihNbO:,的a相构成，结构均匀、简单，是最接近LiNbO:, 单晶的晶相，能保持Li衡O:,单晶的物理性质，大大的提高了波导的稳定 性(2) 由于反应是在高温下长时间进行，在很大的程度上降低了对基片上洁净 度的要求，提高了成品率；(3) 通过对反应炉的设计，确保了交换前基片的温度等于交换时的温度，从 而降低了温度差异对基片的冲击；(4) 通过在苯甲酸粉末中掺入铌酸锂粉末而非苯甲酸锂，大大提高了工艺的 稳定性；(5) 交换是在密封的石英罐中进行，反应过程中无任何蒸汽排出，避免了对 环境的污染；(6) 通过退火和反质子交换将波导埋进基片中，降低了器件的损耗；(7) 所有的工艺中设备均可重复使用，降低了生产成本。 附图说明图1为本专利技术实施例工艺流程图； 图2为本专利技术实施例石英罐I结构示意图； 图3为本专利技术实施例石英罐II结构示意图； 图4为本专利技术实施例放置芯片的夹具结构示意图； 图5为本专利技术实施例交换时所用的交换炉结构示意图。具体实施方式以下结合附图通过实施例对本专利技术特征及其它相关特征作进一步详细说 明，以便于同行业技术人员的理解-本实施例具体实施步骤如图1所示，主要工艺由熔料I 、质子交换II、退火m、反质子交换w这四步工序构成。熔料i工序是将混合好的苯甲酸粉末和铌酸锂粉末先加热反应，生成苯甲 酸锂，然后再冷却，使之凝固于石英罐内。其主要目的是为了生成苯甲酸锂 并将之与苯甲酸充分的混合。工艺中未采用直接添加苯甲酸锂的方法，主要 是因为市场上生产的苯甲酸锂纯度不高，且不同批次间产品相差较大，影响 了工艺流程的稳定性。如图i,本工序中(i)掺杂，是称取定量的苯甲酸和铌酸锂；(2)放入石英罐，是将称好的料放入图2所示的石英罐I中，再将 刻有波导图案的基片放入图4所示的样品夹具中，然后将夹具放在图3所示 的石英罐II中，然后将图3所示的石英罐II反转，并开口相向地放在石英罐I上，并在接缝处用夹子夹紧密封；(3)升温，是将石英罐I、 1I放入图5 所示的交换炉中，逐渐升温到330'C，并配合温度给炉膛内加入相应的压力， 以此来平衡石英罐内部的蒸汽压；(4)恒温熔料，是保持33(TC下五个小时， 让苯甲酸和铌酸锂充分熔解反应。质子交换II工序是在350'C恒温保持九小时进行质子交换，本工艺既防 止了相变的产生，也防止了由于熔体与样品有温度差而产生了冲击。如图l， 本工序中(5)升温，是升温到350°C，并配合温度升高压力；(6)恒温交换， 是当温度到达35(TC时，翻转交换炉，并启动马达，开始搅拌，同时保持恒温 九小时；(7)降温取片，是在交换完成后，炉子停止加热，搅拌马达关闭， 炉子反转18(T ，并通风降温，同时配合降温过程降低炉膛内压力，当温度低 于7(TC时，即可取出基片。退火m工序将波导中的氢氧根完全去掉，并且让进入晶体但还在间隙位置的质子进入晶体格点，降低了波导的损耗。如图l，本工序中(8)清洗， 是将取出的基片用酒精和去离子水冲洗干净；(9)退火，是将基片在25(TC 的温度下退火一小时，把波导中的氢氧根完全去掉；(10)溅射，是在波导 上面溅射上一层200A厚的Si(X.，防止氢氧根重新进入波导；在再在波导上面 覆盖2500A的Si0w (ll)光刻电极，是光刻上电极图案；(12)在35(TC下 退火五小时，让进入晶体但还在间隙位置的质子进入晶体格点，降低波导的 损耗。反质子交换IV工序将折射率较高的波导埋入LiNbO:,晶体中，表面层的折 射率跟基片一样，制导光束不跟晶体表面接触，避免了由表面加工中造成缺 陷而引起的光的散射，由于表面的折射率变化最大，光的局部强度较高，散 射也较大，另外由于表面又形本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高温质子交换的ＬｉＮｂＯ↓［３］光波导制作方法，该方法依次完成熔料工序、质子交换工序、退火工序和反质子交换工序，其特征在于该方法的质子交换工序是在３５０℃±３℃的温度下、密封石英罐中进行的。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曹泽煌，张海林，王若东，
申请(专利权)人：上海亨通光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]