悬空式铌酸锂光波导制造技术

本发明专利技术涉及一种悬空式铌酸锂光波导，选取铌酸锂样品作为基材按以下面步骤操作，首先，使用能量为1兆电子伏(MeV)的氦离子(He+)束轰击铌酸锂样品，在样品表面下方一定区域内形成晶格损伤，形成晶格损伤的部分具有小于没有损伤的部分的折射率，将光束限制在波导区域中传播。第二步使用聚焦离子束刻蚀的方法在样品表面刻蚀出圆形或矩形的孔洞，混合的酸溶液可以通过这些孔洞接触到具有晶格损伤的部分并进一步把这些部分腐蚀掉，从而形成空气隔层，悬空的波导结构便在铌酸锂样品的表面形成了。本发明专利技术铌酸锂光波导对在其中传播的光信号有非常好的限制作用，具有极低的传输损耗，可以被广泛应用于电子、光学、和调制类器件。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于一种光波导材料，具体的是一种具有悬空式结构的铌酸锂光波导材料。
技术介绍
铌酸锂(LiNbO3)晶体是目前用途最广泛的新型无机材料之一，它是很好的压电换能材料，铁电材料，电光材料，非线性光学材料及表面波基质材料。铌酸锂作为具有电光效应的材料在光通讯中起到光调制作用并被广泛使用。所谓电光效应是指对晶体施加电场时，晶体的折射率发生变化的效应。有些晶体内部由于自发极化存在着固有电偶极矩，当对这种晶体施加电场时，外电场使晶体中的固有偶极矩的取向倾向于一致或某种优势取向，因此，必然改变晶体的折射率，即外电场使晶体的光率体发生变化。在光通讯中，电一一光调制器就是利用电场使晶体的折射率改变这一原理制成的。电光晶体位于起偏镜和检偏镜之间，在未施加电场时，起偏镜和检偏镜相互垂直，自然光通过起偏镜后检偏镜挡住而不能通过。施加电场时，光率体变化，光便能通过检偏镜。通过检偏镜的光的强弱由施加于晶体上的电压的大小来控制，从而实现通过控制电压对光的强弱进行调制的目的。铌酸锂晶体作为一种非线性光学材料，应用范围很广，被称为是一种万能光电子材料，以其优良的非线性光学效应、电光效应、压电效应和光折变效应被广泛用于激光器的电光调Q元件、激光倍频器、光学开关、光参量放大器、高频宽带滤波器和超大容量存储器件、集成光学调制器系列和军事、民用领域有着广泛的用途。此外，铌酸锂晶体还被广泛用作1000纳米以上波长的倍频和1064纳米泵浦光的光参量放大，也可做准相位匹配。同时，铌酸锂晶体也被广泛应用于光电调节器及波导材料。在微波技术中用于调Q开关、光电调制、倍频、光参量振荡；掺加一定量的铁和其他金属杂质的铌酸锂晶体，可用作全息记录介质材料。铌酸锂也可用于相位调解器、相位光栅调解器、大规 模集成光学系统和红外探测器、高频宽道带滤波器等。目前，市场上已存在的铌酸锂波导通常是通过质子交换和钛扩散技术进行制备的。这两种传统方法制备的光波导具有折射率对比度小、光在波导中的限制较弱、传播损耗较大等缺点。光在波导中传播时，由于波导区和包裹区介质折射率的差异形成对光在传播过程中的限制，使得光能量在波导中传播而不至于扩散至周围区域甚至消散损耗掉，因此波导区域和周围包裹限制区域的折射率差异(即折射率对比度)越大越好。图1(a)和(b)分别为使用质子交换法在铌酸锂晶体中制备平板型和隧道型光波导的示意图。当把铌酸锂样品浸泡在以有机酸溶液组成的质子源中时，在一定的反应条件下(温度、溶液浓度等参数合适的情况下)，质子交换就会发生，交换过程可用离子反应式:LiNb03+xH+^HxLi1-xNb03+xU+来表示，波导中H+主要是以氢键OH和自由OH两种官能团形式存在。交换的程度主要取决于反应的时间和温度，对于波导的形成而言则只需部分交换，即O < X < I。为了制备隧道型波导，可以使用金属掩膜遮挡将样品表面一定区域覆盖，这样质子交换在这些被遮挡的区域就不会发生，选择性的质子交换就可以形成隧道型光波导了。图1.使用质子交换法在铌酸锂材料中制备(a)平板型和(b)隧道型波导。使用钛扩散方法时，其工作原理和质子交换技术类似，也是通过改变样品表面一定区域的材料构成从而改变其折射率，进而形成和基底相比的折射率差异从而构成波导。其原理如图2所示。图2.钛扩散法在铌酸锂中制备光波导。此外，铌酸锂这种晶体由于本身硬度比较大，因此很难用传统方法进行刻蚀。无论是湿法刻蚀还是干法刻蚀都只有很慢的刻蚀速率。其中，湿法刻蚀由于刻蚀速率受溶液浓度和环境温度影响较大，使得刻蚀速率不均一，造成参差不齐的波对边界(如如图3所示)，使得光在传输过程中容易产生较大的损耗。此夕卜，由于刻蚀速率不均一，湿法刻蚀还会造成弯曲的如图4所示，这种不垂直的器件侧壁会造成光在传播过程中的较大损耗，严重影响器件的性能。图3.由湿法刻蚀所制备的波导显示出带有毛刺的参差不齐的边界:(a)显微镜图和(b)扫描电镜图。图4.由湿法刻蚀所制备的波导具有弯曲的侧壁。另一方面，在使用离子束的干法刻蚀技术时，由于在刻蚀过程中的再沉积效应的影响使得波导的侧壁(如图5所示)不垂直，这种具有一定倾斜角度的侧壁也会造成器件的传输效率大幅度降低。图5.由干法刻蚀所制备的波导结构具有倾斜的波导则壁。综上所述，传统方法所制备的铌酸锂波导具有较低的波导层和包裹层的缺点。而且，由于铌酸锂本身质地非常坚硬，因此用传统的湿法和干法刻蚀都存在一定的缺陷和弊端，波导的侧壁不能达到垂直的状态，因此也会限制器件的工作性能。
技术实现思路
针对目前市场上传统的铌酸锂光波导折射率对比度差异过小(η仅为0.1左右)和传统刻蚀方法对铌酸锂晶体难以加工的问题，本专利技术提出一种悬空式铌酸锂光波导，该悬空式银酸锂光波导通过使用氦(He)离子注入、聚焦离子束(focused ion beam)刻蚀、湿法刻蚀(wet etching)等技术的方法对铌酸锂样品进行刻蚀加工，并最终得到悬空式光波导结构，使得波导区域上、下两侧均为空气(折射率=I)，将波导区域和周围限制区域的折射率差异最大化(η = 2.3-1 = 1.3)，其中2.3为铌酸锂的折射率，I为空气折射率，使得光在传播过程中得到很好的限制，进而大幅度降低传输损耗，从而在最大限度内提升器件的工作效率。使用本专利技术所制备的铌酸锂光波导对在其中传播的光信号有非常好的限制作用，具有极低的传输损耗，可以被广泛应用于电子、光学、和调制类器件，具体包括激光倍频器、光学开关、光参量放大器、高频宽带滤波器和超大容量存储器件、集成光学调制器系列等，不论在军事还是民用领域都有着广泛的用途。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的:悬空式铌酸锂光波导，其特征在于:选取铌酸锂样品作为基材按以下面步骤操作，首先，使用能量为I兆电子伏(MeV)的氦离子(He+)束轰击铌酸锂样品，在样品表面下方一定区域内形成晶格损伤，形成晶格损伤的部分具有小于没有损伤的部分的折射率，因此可以形成折射率差异，进而构成波导，将光束限制在波导区域中传播。但是，同传统的质子交换和钛扩散法类似，由氦离子轰击产生的晶格损伤所带来的折射率对比度差异较小，尤其是在垂直方向上，光在传输过程中很容易漏向基底方向并消散形成损耗。第二步使用聚焦离子束刻蚀的方法在样品表面刻蚀出圆形或矩形的孔洞，以便使得在随后第三步的湿法刻蚀中，混合的酸溶液可以通过这些孔洞接触到具有晶格损伤的部分并进一步把这些部分腐蚀掉，从而形成空气隔层。这样，悬空的波导结构便在铌酸锂样品的表面形成了。光在传播过程中，在垂直方向上折射率的对比度差异达到了最大化，波导层为铌酸锂本身(折射率为2.3)，而上、下包裹层均为空气(折射率为I)。因此，光在垂直方向上会很好地限制在波导的范围内，漏出波导向基底方向扩散损耗的能量几乎可以忽略不计。为了验证这种方法的有效性，我们先使用聚焦离子束刻蚀法在铌酸锂样品表面具有晶格损伤和无晶格损伤的区域边界处刻蚀出一个矩形的孔洞，如图7所示，在白色虚线的左侧为经过高能量氦离子束轰击过的晶格损伤区，而虚线右侧则为没有经过轰击的无损伤区。把此样品放入氢氟酸和硝酸的混合溶液中(混合比例为1: 2)进行湿法刻蚀一段时间后，我们可以看到，在有晶格损伤的区域，已经形成了空气隔层。图7.扫描电子显微镜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种悬空式铌酸锂光波导，其特征在于：选取铌酸锂样品作为基材按以下面步骤操作，首先，使用能量为1兆电子伏(MeV)的氦离子(He+)束轰击铌酸锂样品，在样品表面下方一定区域内形成晶格损伤，形成晶格损伤的部分具有小于没有损伤的部分的折射率，因此可以形成折射率差异，进而构成波导，将光束限制在波导区域中传播。但是，同传统的质子交换和钛扩散法类似，由氦离子轰击产生的晶格损伤所带来的折射率对比度差异较小，尤其是在垂直方向上，光在传输过程中很容易漏向基底方向并消散形成损耗。第二步使用聚焦离子束刻蚀的方法在样品表面刻蚀出圆形或矩形的孔洞，以便使得在随后第三步的湿法刻蚀中，混合的酸溶液可以通过这些孔洞接触到具有晶格损伤的部分并进一步把这些部分腐蚀掉，从而形成空气隔层。这样，悬空的波导结构便在铌酸锂样品的表面形成了。光在传播过程中，在垂直方向上折射率的对比度差异达到了最大化，波导层为铌酸锂本身(折射率为2.3)，而上、下包裹层均为空气(折射率为1)。因此，光在垂直方向上会很好地限制在波导的范围内，漏出波导向基底方向扩散损耗的能量几乎可以忽略不计。

【技术特征摘要】
1.一种悬空式铌酸锂光波导，其特征在于:选取铌酸锂样品作为基材按以下面步骤操作，首先，使用能量为I兆电子伏(MeV)的氦离子(He+)束轰击铌酸锂样品，在样品表面下方一定区域内形成晶格损伤，形成晶格损伤的部分具有小于没有损伤的部分的折射率，因此可以形成折射率差异，进而构成波导，将光束限制在波导区域中传播。但是，同传统的质子交换和钛扩散法类似，由氦离子轰击产生的晶格损伤所带来的折射率对比度差异较小，尤其是在垂直方向上，光在传输过程中很容易漏向基底方向并消散形成损耗。第二...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜潇潇，司光远，吕江涛，谷琼婵，马振鹤，王凤文，
申请(专利权)人：东北大学秦皇岛分校，
类型：发明
国别省市：