專利名稱：一種鈮酸鋰光波導的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種光波導的制備方法，特別是一種利用黏膠鍵合制備鈮酸鋰光波導的方法。
背景技術：
近年來，光通信行業逐漸走出低迷的狀態，全光網的研究與開發受到越來越多的重視。為了構建高速大容量的DWDM和OTDM全光網絡，超快、低噪聲、易集成、多功能的全光信號處理技術顯得至關重要。鈮酸鋰光波導中的二階和級聯二階非線性效應在全光波長轉換，全光開關，全光邏輯門，全光碼型轉換等方面具有巨大的應用潛力，受到越來越多的關注。目前為止，鈮酸鋰光波導的制備方法主要采用Ti擴散法，退火質子交換法和液相外延脊波導法，Ti擴散鈮酸鋰光波導(Ti:LiNb03)抗光折變損傷能力較差，通常需要工作在100°C以上以減小光折變損傷；退火質子交換鈮酸鋰光波導(APE:LiNb(X3)抗光折變損傷能力遠優于Ti:LiNb03，但也通常需要工作在90°C以上；摻Mg，MgO或Zn，ZnO可以降低光折變損傷，相應的退火質子交換光波導(APE Mg LiNb03，APE MgO LiNb03，APE Zn LiNb03， APE ZnO LiNb03)抗光折變損傷能力優于APE LiNb03,不過仍需要工作在60°C以上進一步消除光折變損傷的影響；液相外延脊波導法制備的鈮酸鋰光波導(LPE:LiNb(X3)在抗光折變損傷能力上有了顯著的提高，可以工作在室溫下，但液相外延脊波導法制備的光波導尺寸不大，轉換效率受到一定限制。
發明內容
本發明的目的在于提供一種應用于全光信號處理的采用黏膠鍵合的鈮酸鋰光波導的制備方法。本發明提供了一種鈮酸鋰光波導的制備方法，包含以下步驟(1)選取摻鋅濃度為7 9mol%的鈮酸鋰晶體作為波導層，摻鎂濃度為5 9mol%的鈮酸鋰晶體作為襯底；或者選取摻鎂濃度為5 9mol%的鈮酸鋰晶體作為波導層，鉭酸鋰晶體作為襯底；(2)對波導層進行周期極化，得到波導層的周期疇反轉結構；(3)采用光學膠將波導層和襯底對齊黏合，所述光學膠的折射率低于波導層的折射率；(4)將波導層的厚度減少至所設計的波導高度；(5)將所設計的波導結構圖形光刻到波導層上；(6)將波導層刻蝕成脊形結構，即得到鈮酸鋰光波導；進一步的，步驟O)中采用外加電場極化法對波導層進行周期極化。進一步的，步驟(3)中所述的光學膠為苯并環丁烯樹脂膠或者光學環氧樹脂膠。進一步的，步驟中采用化學機械平坦技術減少波導層的厚度。
進一步的，步驟(5)中首先在波導層上沉積NiCr合金的金屬薄膜作為掩模層，之后通過光刻法將所設計的波導結構圖形轉移至波導層上。進一步的，步驟(6)中采用電感耦合等離子體刻蝕的方法將波導層刻蝕成脊形結構。本發明的有益效果如下1.本發明所述的制備方法，采用折射率低于波導層折射率的膠層，該膠層與空氣折射率更接近，所以波導中光場限制作用更強且光場呈對稱分布，與單模光纖的耦合效率更高。2.本發明所述的制備方法，采用黏膠鍵合，使得晶圓表面潔凈度和粗糙度的要求要遠低于直接鍵合的晶圓表面，工藝上更容易實現。3.采用本發明所述的方法制備的鈮酸鋰光波導，波導層采用摻鋅鈮酸鋰晶體或摻鎂鈮酸鋰晶體，此種摻雜鈮酸鉀晶體具有非常優越的抗光折變能力，可以在室溫下高效穩定工作。使得此種方法制備的鈮酸鋰光波導在增強光場限制作用，降低波導傳輸損耗，抑制光折變效應以及降低制作工藝難度等方面有較優越的性能。4.本發明所述的制備方法，采用干法刻蝕制作脊形波導結構，使得制備的波導側壁垂直度更好，腐蝕表面更加平坦光滑，波導傳輸損耗減小，可以對光場進行更好的限制， 可以保持材料原有的電光系數和二階非線性系數不衰落，可以同時支持TE模和TM模在脊波導中傳輸。5.采用本發明所述的方法制備的鈮酸鋰光波導沿著光傳輸方向的尺寸比較大，有利于轉換效率的提高。
圖1實施例一中所述的鈮酸鋰光波導的制備方法流程圖。
具體實施例方式本發明所述的制備方法選用摻鋅或者摻鎂的鈮酸鋰晶體，對其表面進行雙面拋光處理，采用室溫外加電場極化的方法在摻雜鈮酸鋰晶體上制作周期疇反轉結構，以此為波導層，通過折射率低于波導層的光學膠與鈮酸鉀或者鉭酸鉀襯底黏膠鍵合，再用ICP干法刻蝕出脊形波導結構，得到此種新穎的黏膠鍵合鈮酸鋰波導。在采用本發明所述的方法制備鈮酸鉀光波導之前，需要根據波導的單模傳輸條件，設計脊形波導的寬度和高度。下面結合具體實施例對本發明的技術方案最進一步的詳細說明。實施例一為制備一種脊形波導寬度為5 μ m，高度為4μπι的鈮酸鋰光波導，如圖1 所示，其制備方法包含以下步驟(1)選擇摻鋅的ζ切鈮酸鋰晶圓片(Zn:LN)為波導層，其摻鋅濃度范圍為7 9m0l%，本實施例中取7m0l%。襯底為摻鎂鈮酸鋰晶體(Mg:LN)，摻鎂濃度范圍為5 9mol%，本實施例中取5mol%。(2)使用外加電場極化法對波導層進行周期極化，制備波導層的周期疇反轉結構；其中極化周期是用摻鋅鈮酸鋰不同波長折射率代入周期極化公式K = l/(np/Ap-Hi/ Ai-IiyAs)中得到，其中Atl為極化周期，設泵浦光波長λρ = 775nm，信號光波長Xs =1545nm,閑頻光波長λ , = 1555nm，對應的摻鋅鈮酸鋰晶體的折射率分別為np = 2. 2632， ns = 2. 2132，Hi = 2. 2133，從而得到極化周期為15. 5μ m。外加電場極化法具體是指首先，將SkLN晶體士ζ面進行光刻，即根據設計制作好的掩模版，在晶體+ζ面光刻出厚度為 200-300nm的周期金屬Al電極線條，并在晶體的_z面濺射均勻Al膜電極，光刻過程絕對保證金屬膜與晶體的良好接觸，隨后在金屬電極上覆蓋一層薄的導熱絕緣膠，使各金屬電極線條之間保持絕緣隔離。然后，利用高壓脈沖極化電源對光刻好的晶體施加一定波形的高壓電場，高壓極化電場脈沖電壓為三次觸發。對晶體施加于遠大于室溫下LiNbO3晶體的矯頑場的瞬時電壓，接著使用略過于晶體矯頑場的外加電壓，脈沖寬度為ms量級，實現疇的反轉，最后施加略低于晶體矯頑場的穩定電場，將極化階段產生的電疇結構凍結，形成穩定的電疇結構。最后，關掉電源，完成周期極化過程，用丙酮去除光刻膠，浸入NaOH溶液中去除金屬鋁電極。(3)在Mg:LN襯底上勻涂一層光學膠，用鍵合機將波導層與襯底粘合至一起。光學膠可以選用苯并環丁烯樹脂膠(BCB)或者光學環氧樹脂膠，或者其他光學膠，只要其折射率低于波導層的折射率，且有良好的粘接性、流動性和均勻性，固化后的膠能夠抵抗多種酸，堿和溶劑侵蝕等特點。本工藝中采用BCB膠作為光學膠，其為熱固化膠， 固化溫度為200-300°C，鍵合機工作條件為3X IO5Pa加載壓強，KT1I3a真空條件，250°C下保溫1小時，然后讓其自然冷卻。(4)將黏合后的晶圓片用化學機械平坦技術(CMP)將波導層厚度減薄至4 μ m。(5)用磁控濺射鍍膜技術在波導層上沉積一層NiCr合金的金屬薄膜作為刻蝕的掩模層，之后通過光刻法將波導結構圖形轉移至波導層上；所述光刻法具體如下在沉積了 MCr合金的金屬薄膜的波導層上勻涂一層光刻膠，曝光，顯影，將掩模板上的圖形轉移至光刻膠層上，再用硫酸鈰溶液清洗將波導圖形轉移至掩模層，用丙酮溶液去除光刻膠。(6)用電感耦合等離子體(ICP)刻蝕的方法刻蝕出脊形波導結構。即通入C4F8和 Ar氣的混合氣體，其混合流量比為5 95，刻蝕波導層的高度為4μπι。之后，用硫酸鈰溶液清洗去除晶圓片上的掩模層，得到高度為4 μ m,寬度為5 μ m的脊形波導結構。實施例二為制備一種脊形波導寬為8 μ m，高為5 μ m的鈮酸鋰光波導，其制備方法，包含以下步驟(1)選擇鈮酸鋰波導中的波導層為摻鎂鈮酸鋰晶體(Mg:LN)，摻鎂濃度范圍為5 9mol%，本實施例中取5mol%，襯底為鉭酸鋰晶體(LT)。(2)使用外加電場極化法對波導層進行周期極化，制備波導層的周期疇反轉結構；其中極化周期是用摻鎂鈮酸鋰不同波長折射率代入周期極化公式K = l/(np/Ap-Hi/ Ai-IiyAs)中得到，其中Atl為極化周期，設泵浦光波長λρ = 775nm，信號光波長Xs = 1545nm,閑頻光波長λ , = 1555nm，對應的摻鎂鈮酸鉀晶體的折射率分別為np = 2. 2579， ns = 2. 2082，Hi = 2. 2082，從而得到平均周期為15. 6μ m。外加電場極化法具體是指首先，將Mg:LN晶體士ζ面進行光刻，即根據設計制作好的掩模版，在晶體+ζ面光刻出厚度為 200-300nm的周期金屬Al電極線條，并在晶體的_z面濺射均勻Al膜電極，光刻過程絕對保證金屬膜與晶體的良好接觸，隨后在金屬電極上覆蓋一層薄的導熱絕緣膠，使各金屬電極線條之間保持絕緣隔離。然后，利用高壓脈沖極化電源對光刻好的晶體施加一定波形的高壓電場，高壓極化電場脈沖電壓為三次觸發。對晶體施加于遠大于室溫下LiNbO3晶體的矯頑場的瞬時電壓，接著使用略過于晶體矯頑場的外加電壓，脈沖寬度為ms量級，實現疇的反轉，最后施加略低于晶體矯頑場的穩定電場，將極化階段產生的電疇結構凍結，形成穩定的電疇結構。最后，關掉電源，完成周期極化過程，用丙酮去除光刻膠，浸入NaOH溶液中去除金屬鋁電極。(3)在LT襯底上勻涂一層光學膠，用鍵合機將波導層與襯底粘合至一起。光學膠可以選用苯并環丁烯樹脂膠(BCB)或者光學環氧樹脂膠，或者其他光學膠，只要其折射率低于波導層的折射率，且有良好的粘接性、流動性和均勻性，固化后的膠能夠抵抗多種酸，堿和溶劑侵蝕等特點。若選擇BCB黏合，其為熱固化膠，固化溫度為 200-300°C，所以其黏膠條件為3X IO5Pa加載壓強，KT1I3a真空條件，250°C下保溫1小時，然后讓其自然冷卻。若選用光學環氧樹脂膠EP3302，其為室溫固化膠，黏膠條件為 3 X IO5Pa加載壓強，10 真空條件，52°C放置數小時。(4)將黏合后的晶圓片用化學機械平坦技術(CMP)將波導層厚度減薄至5 μ m。(5)用磁控濺射鍍膜技術在波導層上沉積一層NiCr合金的金屬薄膜作為刻蝕的掩模層，之后通過光刻法將波導結構圖形轉移至波導層上；(6)用電感耦合等離子體(ICP)刻蝕的方法刻蝕出脊形波導結構，即通入C4F8和 Ar氣的混合氣體，其混合比為5 95，刻蝕波導層的高度為5μπι。之后，用硫酸鈰溶液清洗去除晶圓片上的掩模層，得到高度為5 μ m,寬度為8 μ m的脊形波導結構。本發明不僅局限于上述具體實施方式
，本領域一般技術人員根據本發明公開的內容，可以采用其它多種具體實施方式
實施本發明，因此，凡是采用本發明的設計結構和思路，做一些簡單的變化或更改的設計，都落入本發明保護的范圍。
權利要求
1.一種鈮酸鋰光波導的制備方法，包含以下步驟(1)選取摻鋅濃度為7 9mol%的鈮酸鋰晶體作為波導層，摻鎂濃度為5 9mol%的鈮酸鋰晶體作為襯底；或者選取摻鎂濃度為5 9m0l%的鈮酸鋰晶體作為波導層，鉭酸鋰晶體作為襯底；(2)對波導層進行周期極化，得到波導層的周期疇反轉結構；(3)采用光學膠將波導層和襯底對齊黏合，所述光學膠的折射率低于波導層的折射率；(4)將波導層的厚度減少至所設計的波導高度；(5)將所設計的波導結構圖形光刻到波導層上；(6)將波導層刻蝕成脊形結構，即得到鈮酸鋰光波導。
2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟( 中采用外加電場極化法對波導層進行周期極化。
3.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(3)中所述的光學膠為苯并環丁烯樹脂膠或者光學環氧樹脂膠。
4.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(4)中采用化學機械平坦技術減少波導層的厚度。
5.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(5)中首先在波導層上沉積 NiCr合金的金屬薄膜作為掩模層，之后通過光刻法將所設計的波導結構圖形轉移至波導層上。
6.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(6)中采用電感耦合等離子體刻蝕的方法將波導層刻蝕成脊形結構。
全文摘要
本發明提供了一種鈮酸鋰光波導的制備方法，該方法選用摻鋅或者摻鎂的鈮酸鋰晶體，采用外加電場極化的方法在摻雜鈮酸鋰晶體上制作周期疇反轉結構，以此為波導層，通過折射率低于波導層的光學膠與鈮酸鋰或者鉭酸鋰襯底黏膠鍵合，再用ICP干法刻蝕出脊形波導結構，得到鈮酸鋰波導。本發明采用的膠層與空氣折射率更接近，所以波導中光場限制作用更強且光場呈對稱分布，與單模光纖的耦合效率更高。采用黏膠鍵合，使得晶圓表面潔凈度和粗糙度的要求要遠低于直接鍵合的晶圓表面，工藝上更容易實現。使得此方法制備的鈮酸鋰光波導在增強光場限制作用，降低波導傳輸損耗，抑制光折變效應以及降低制作工藝難度等方面有較優越的性能。
文檔編號G02B6/13GK102253451SQ20111012434
公開日2011年11月23日 申請日期2011年5月13日 優先權日2011年5月13日
發明者馮力群, 周鈺杰, 孫軍強 申請人:華中科技大學