一种具有横向磁光效应的二氧化硅基磁光条形光波导制造技术

本发明专利技术公开了一种具有横向磁光效应的二氧化硅基磁光条形光波导，在光学晶片上采用微细加工工艺形成条形光波导的芯部。这种光波导的特征在于：条形光波导的芯部包括两部分，一部分是位于波导芯部最上层的铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部，另一部分是位于铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部与波导下包层之间的条形掺锗二氧化硅芯部，其中铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部中的铁磁金属纳米颗粒在光学晶片上的二氧化硅层中用掺杂技术原位形成。本发明专利技术可以实现二氧化硅基磁光非互易条形光波导的制作。

【技术实现步骤摘要】
一种具有横向磁光效应的二氧化硅基磁光条形光波导
本专利技术涉及集成光波导器件，具体涉及一种具有横向磁光效应的二氧化硅基磁光条形光波导。
技术介绍
随着微纳电子和光电子技术的发展，光通信网络和光传感系统对磁光功能器件的应用日益迫切。磁光隔离器和磁光电流传感器(MOCT)是最为典型的器件。磁光隔离器又被称为“光学二极管”，其非互易性质打破了光传播的时间反演对称性，可保证该器件所在光路中光波的单向传输，避免激光光源受反射光的影响而产生的不稳定性，是光通信网络中和光信息处理芯片上不可或缺的器件。MOCT通过测试电流所产生的磁场强度实现对电流强度的测量，在线性度和安全性等方面比传统的电流互感器有显著优势，因而在电力测量，尤其是高压输电线的电流测量中扮演着越来越重要的角色。面向光信息处理和光传感的应用需求，在光波导芯片上实现磁光器件的集成制作受到前所未有的关注。截至目前，由微小光学元件和光纤元件构建的磁光器件(譬如磁光隔离器和MOCT等)制作技术已经基本发展成熟，并在光传感和光通信网络中成功获得应用。但这些基于分立元件的磁光器件一方面具有体积大和制作成本高的不足，另一方面，分立器件不能应用于集成光学信息处理芯片。受到器件功能集成需求的驱动，集成型磁光器件制作成为研究者们的一个主攻方向。磁光器件集成化的优势不仅体现在器件尺寸的大幅缩减，以及批量化生产带来的器件成本的大幅降低，更体现在功能集成给光信息处理芯片带来的便利。磁光波导是构建集成磁光器件的基本结构单元，高性能磁光波导的研制对磁光器件的实现具有基础性的意义。<br>二氧化硅基波导由于具有优异的性能且能与光纤匹配而受到广泛重视，被认为是光电子产业发展的重要方向。受到来自磁光隔离器、以及基于磁场传感原理的多种传感器应用的需求牵引，在二氧化硅基集成光学芯片实现磁光功能的集成变成一个新兴的研究热点。磁光波导制作是构建磁光功能集成的基础，也是实现磁光功能集成必须解决的核心问题。现有的二氧化硅基磁光波导的制作都是基于纵向磁光效应(TE-TM模转换的原理)，这种光波导用磁光材料作为条形光波导的芯部，但这种光波导很难实现集成光器件所需的磁光功能，由于在光波导中这种TE-TM模的有效转换要求光波导TE模和TM模之间传输常数很高程度的匹配，而这种匹配往往得不到保证。因此，这种二氧化硅基磁光波导器件的制作条件要求极为苛刻，制约了这类波导的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有横向磁光效应(非互易相移效应)的二氧化硅基条形光波导。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：在光学晶片采用微细加工工艺形成条形光波导的芯部。这种光波导在光学晶片1上制作，包括波导下包层2、条形光波导芯部，以及波导上包层7。这种光波导的特征在于：条形光波导芯部包括两部分，一部分是位于波导芯部最上层的铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部4，另一部分是位于铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部4与波导下包层2之间的条形掺锗二氧化硅芯部3。其中铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部4中的铁磁金属纳米颗粒在掺锗二氧化硅层中用掺杂技术原位形成。所述铁磁金属材料为Fe、Co或Ni。所述的条形掺锗二氧化硅芯部3的折射率高于波导下包层2的折射率，也高于波导上包层7的折射率。所述铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部4的折射率高于波导下包层2的折射率，也高于波导上包层7的折射率。本专利技术具有的有益效果是：铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部4作为磁光功能层，具有高磁光活性的特点，因此器件的尺寸可以大幅度减小，可以实现二氧化硅基磁光非互易条形光波导的制作。不仅如此，这种含有铁磁金属纳米颗粒的光波导中铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部4中的铁磁金属纳米颗粒在二氧化硅层中用掺杂技术原位形成，容易实现铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部4与条形掺锗二氧化硅芯部3之间的折射率匹配。这种含有铁磁金属纳米颗粒的二氧化硅基光波导的制备可以通过常规的微细加工工艺即可实现，具有现有的二氧化硅基光波导工艺过程简单的显著优点。附图说明图1是本专利技术的二氧化硅基磁光非互易条形光波导横截面结构示意图(横截面图)。图2是本专利技术的二氧化硅基磁光非互易条形光波导的主要制作步骤示意图(横截面图)。图中：1、光学晶片；2、波导下包层；3、条形掺锗二氧化硅芯部；4、铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部；5、平板状掺锗二氧化硅芯部；6、平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂含锗二氧化硅层；7、波导上包层。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。如图2所示，本专利技术所述的二氧化硅基磁光非互易光波导在光学晶片1上制作。在光学晶片1上方设有波导下包层2；波导下包层2上方设有条形掺锗二氧化硅芯部3；条形掺锗二氧化硅芯部3上方设有铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部4；铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部4中的铁磁金属纳米颗粒在二氧化硅层中用掺杂技术原位形成；条形掺锗二氧化硅芯部3和铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部4共同构成二氧化硅基条形光波导芯部。这种二氧化硅基条形光波导具有磁光非互易光波导的特性。所述铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部4中的铁磁金属为Fe，Co或Ni。实施例1下面以Fe金属纳米颗粒掺杂的二氧化硅基磁光非互易条形光波导为例，介绍这种光波导制作方式，如图2所示：光波导以光学晶片1为衬底制作，准备4英寸厚度1.0～1.2mm的高纯二氧化硅基片。(A)制作波导下包层2(如图2步骤A)采用PECVD技术在高纯二氧化硅基片上沉积10～15μm的SiO2薄膜材料，所用气体未SiH4和N2O。主要工艺参数包括：SiH4:N2O＝17:2000、射频功率500～1000W、温度300℃、淀积时间沉积腔压强300mTorr。并通过退火消除薄膜中的应力。(B)制作平板状掺锗二氧化硅芯部5(如图2步骤B)沉积光波导芯层。采用PECVD技术在SiO2薄膜材料上沉积6.5μm的SiO2-GeO2薄膜材料，所用气体未SiH4、GeH4和N2O。沉积完成后，进行He和O2气氛中的高温退火。主要工艺参数包括：10％GeH4:SiH4:N2O＝20:17:2000、射频功率500～1000W、温度300℃、淀积时间沉积腔压强300mTorr。并通过退火消除薄膜中的应力。(C)制作平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂含锗二氧化硅层6(如图2步骤C)采用离子注入设备，离子注入在室温下进行，将Fe离子加速至100keV，注入剂量(1～10)×1016ion/cm2；离子注入完成后，将基片在700～950℃下退火，退火时间2～8h。经过此离子注入和退火过程，基片中平板状掺锗二氧化硅芯部5上面部分20-100nm的厚度范围内，Fe纳米颗粒形成，平板状掺锗二氧化硅芯部5的上部转换成平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂含锗二氧化硅层6。(D)制作条形光波导芯部(如图2步骤D)这一环节主要步骤：首先，用溅射法制备厚度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有横向磁光效应的二氧化硅基磁光条形光波导，其特征在于：条形光波导的芯部包括两部分，一部分是位于波导芯部最上层的铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部(4)，另一部分是位于铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部(4)与波导下包层(2)之间的条形掺锗二氧化硅芯部(3)，其中铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部(4)中的铁磁金属纳米颗粒在光学晶片上的二氧化硅层中用掺杂技术原位形成。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有横向磁光效应的二氧化硅基磁光条形光波导，其特征在于：条形光波导的芯部包括两部分，一部分是位于波导芯部最上层的铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部(4)，另一部分是位于铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部(4)与波导下包层(2)之间的条形掺锗二氧化硅芯部(3)，其中铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部(4)中的铁磁金属纳米颗粒在光学晶片上的二氧化硅层中用掺杂技术原位形成。


2.根据权利要求1所述的一种具有横向磁光效应的二氧化硅基磁光条形光波导，其特征在于：所述铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部(4)中的铁磁金属为Fe、Co或Ni。
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【专利技术属性】
技术研发人员：郝寅雷，牛梦华，邓鑫宸，车录锋，杨建义，
申请(专利权)人：浙江大学绍兴微电子研究中心，浙江大学，绍兴市科技创业投资有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33