一种高品质波导结构及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高品质波导结构及制备方法，其制备包括铌酸锂薄膜表面镀金属铬膜、飞秒激光直写铬膜作掩模层、化学机械抛光、化学气相沉积以及铌酸锂薄膜键合等步骤。本发明专利技术方法的制备流程优化了化学机械抛光工艺制备波导的构型同时具备超低传输损耗的特性、优异电光特性，为实现铌酸锂光子器件迈向产业化提供了关键步骤，同时也可推进微纳光子学、集成光学以及微波光子学的发展。光学以及微波光子学的发展。光学以及微波光子学的发展。

【技术实现步骤摘要】
一种高品质波导结构及制备方法


[0001]本专利技术涉及片上集成铌酸锂波导微纳制备
，特别是一种利用飞秒激光直写结合化学机械抛光以及铌酸锂薄膜再键合技术制备高品质波导的方法。本专利技术适用于在各种薄膜材料表面制备高品质波导集成结构。

技术介绍

[0002]随着信息产业的迅速发展，传统电子芯片受限于摩尔定律以及以其电子作为信息载体，未来可能面临巨大的挑战；同时，以光子作为信息载体的集成光学器件有望在大容量、高速率信息传输领域取得突破。目前以绝缘体上的硅衬底为核心的硅基光子学技术已经获得比较成熟的发展，但由于其没有二阶非线性以及电光效应限制了其在非线性器件以及电光调制器件的发展，而铌酸锂由于其优异的非线性以及电光特性，相比于硅基光子器件有着较大的优势，成为目前微波光子学和集成光子学热门研究领域之一【参见文献：Y. Cheng, Lithium NiobateNanophotonics (1sted.),Jenny Stanford Publishing,2021;A.Boes et al., Laser Photonics Rev.,12,1700256,2018;J.Wang et al., Nature Photonics,14,273,2020；G.Poberaj, et al., Laser Photonics Rev., 6,488,2012; Y. Kong,et al., Advanced Materials, 32,1806452,2020】。
[0003]飞秒激光直写凭借其极低的热影响区域以及可突破衍射极限的加工精度【参见文献：C. Momma et al.，Opt. Commun.,123,134,1996;Y. Nakata et al.， Appl. Phys. A,77,237,2003】，同时对比电子束以及聚焦离子束直写在加工效率方面有着巨大的优势，因此，目前在铌酸锂集成光学器件加工领域得到了广泛应用。此前研究已经表明，通过化学机械抛光技术制备的铌酸锂的波导具有超低传输损耗【参见文献：CN 108766876 A 2018.11.06,R. Wu, et al., Opt. Lett.,43, 4116, 2018】，同时存在波导结构倾角较小，同时在电光设计上存在一定挑战等问题，对其结构进一步进行优化有望推动铌酸锂集成光子学迈向产业化发展。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的旨在克服纯化学机械抛光制备波导的工艺无法实现更为优异光学性能等问题而提供了一种可以实现电光性能优异、低损耗、单模性好的波导结构以及制备方法。
[0005]实现本专利技术目的的具体技术方案是：一种高品质波导结构的制备方法，该制备方法包括以下步骤：步骤1）准备铌酸锂薄膜样品并镀铬膜：1.1）铌酸锂薄膜样品包括三层：从上至下依次为：厚度100nm
‑
900nm的铌酸锂薄膜层、厚度1μm
‑
10μm的二氧化硅层和厚度100μm
‑
1mm的单晶硅衬底层；1.2）在所述的铌酸锂薄膜层表面镀厚度200nm
‑
1um的铬膜层作为硬掩模；步骤2）飞秒激光直写铬膜层：
2.1）将表面镀有铬膜层的铌酸锂薄膜样品通过吸盘固定在可计算机编程控制的三维运动平台上，通过显微物镜将飞秒激光聚焦到所述的铬膜层表面，通过计算机程序驱动运动平台利用飞秒激光直写所述铬膜层，形成铬掩模图案；步骤3）化学机械抛光：3.1）将经飞秒激光直写后的铌酸锂薄膜样品嵌入抛光盘后放置于抛光机内，使用直径20nm二氧化硅小球悬浮液的化学抛光液对其进行化学机械抛光，抛光过程中，在所述铬掩模图案保护下的铌酸锂薄膜不被化学机械抛光刻蚀，其它未被所述铬掩模图案保护的铌酸锂薄膜接触到抛光液被完全去除；步骤4）铬膜层化学腐蚀以及镀二氧化硅层：4.1）将化学机械抛光后的铌酸锂薄膜样品放置于商业铬腐蚀液中，去除铬掩模图案；4.2）去除铬掩模图案后利用化学气相沉积在铌酸锂薄膜上镀一层厚度100nm
‑
1um的二氧化硅薄膜；4.3）采用化学机械抛光的方法将铌酸锂薄膜上表面的二氧化硅薄膜去除；步骤5）生长铌酸锂薄膜层5.1）在铌酸锂薄膜样品上直接键合一层厚度50nm
‑
500nm的铌酸锂薄膜层，最终得到所述高品质波导结构。
[0006]一种上述方法制得的高品质波导结构。
[0007]与现有技术相比较，本专利技术的优点在于：1、利用飞秒激光加工技术与化学机械抛光技术可以制备侧壁及表面极其光滑且损耗超低的波导，再通过在上表面键合一层一定厚度铌酸锂薄膜可以保证具有极低传输损耗，同时在制备电光调制器件时实现微波以及光波的位相匹配以及大电光带宽，低半波电压的波导结构。
[0008]2、波导构型可根据实际应用需求灵活调整实现性能最优。
[0009]3、提供了一种单模性、传输损耗、电光性能等综合性能达到最佳的制备方法，此制备方法对光学调制器、波分复用器以及光学频率梳等领域有着重要的作用。
附图说明
[0010]图1为本专利技术制备方法流程示意图。
具体实施方式
[0011]下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步说明，但不应以此限制本专利技术的保护范围。
[0012]实施例1参阅图1，本专利技术利用飞秒激光直写结合化学机械抛光技术以及键合铌酸锂薄膜制备波导的方法包括以下步骤：（1）准备铌酸锂晶圆并在其表面镀铬膜：取3英寸铌酸锂薄膜晶圆，铌酸锂薄膜晶圆由300nm厚的铌酸锂薄膜1、4.7μm厚的二氧化硅层2以及0.5mm厚的单晶硅衬底3组成，用磁控溅射的方法在铌酸锂薄膜1表面上镀400nm厚的铬膜层4；
（2）飞秒激光直写铬掩模版：将上述镀完铬膜层4后的铌酸锂薄膜晶圆用丙酮擦拭保持铬膜表面的洁净度，然后将其固定在玻璃板上通过吸盘吸附放置于三维运动平台上，预先通过追焦模块扫描铬膜层4表面形貌以确保在加工过程中不离焦，1030nm飞秒激光通过100
×
数值孔径0.7的物镜聚焦到所述的铬膜层4，利用计算机编程程序控制三维运动平台以及激光开关光写出宽度为1μm波导结构的掩模图案5；（3）化学机械抛光：将飞秒激光直写后的铌酸锂薄膜晶圆固定在抛光盘上放置于抛光垫上，使用直径20nm二氧化硅小球悬浮液对所述铌酸锂薄膜1进行化学机械抛光，未被铬掩模图案5保护的铌酸锂薄膜1在抛光液作用下被去除，形成顶宽为1μm、底宽3μm的梯形波导结构；（4）铬膜化学腐蚀以及沉积二氧化硅：将上述化学机械抛光后的铌酸锂薄膜晶圆放置于商业的铬腐蚀液中，将剩余的铬掩模图案5去除，然后通过化学气相沉积300nm厚的二氧化硅层，再用化学机械抛光的方法将铌酸锂薄膜上表面的二氧化硅层去除，同时保证上表面的光滑平整；（5） 生长铌酸锂薄膜层：利用铌酸锂薄膜键合技术，生长一层300nm厚的铌酸锂薄膜6，最终制得高品质波导结构。
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高品质波导结构的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：步骤1）准备铌酸锂薄膜样品并镀铬膜：1.1）铌酸锂薄膜样品包括三层：从上至下依次为：厚度100nm
‑
900nm的铌酸锂薄膜层(1)、厚度1μm
‑
10μm的二氧化硅层(2)和厚度100μm
‑
1mm的单晶硅衬底层(3)；1.2）在所述的铌酸锂薄膜层（1）表面镀厚度200nm
‑
1um的铬膜层（4）作为硬掩模；步骤2）飞秒激光直写铬膜层：2.1）将表面镀有铬膜层（4）的铌酸锂薄膜样品通过吸盘固定在可计算机编程控制的三维运动平台上，通过显微物镜将飞秒激光聚焦到所述的铬膜层（4）表面，通过计算机程序驱动运动平台利用飞秒激光直写所述铬膜层（4），形成铬掩模图案（5）；步骤3）化学机械抛光：3.1）将经飞秒激光直写后的铌酸锂薄膜样品...

【专利技术属性】
技术研发人员：程亚，陈锦明，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：