CN109975926B - 一种二氧化硅加载条型波导及其制作方法 - Google Patents

一种二氧化硅加载条型波导及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于加载条型光波导技术领域,尤其涉及一种二氧化硅加载条型波导及其制作方法。所述二氧化硅加载条型波导从下到上依次包括：单晶铌酸锂衬底、二氧化硅缓冲层、单晶铌酸锂薄膜、二氧化硅加载条，所述二氧化硅缓冲层覆盖于单晶铌酸锂衬底上，单晶铌酸锂薄膜覆盖于二氧化硅缓冲层上，若干个所述二氧化硅加载条排列、覆盖在单晶铌酸锂薄膜上。本发明制备的加载条型光波导损耗低，仅为0.16dB/cm，同时，与其他加载条用刻蚀工艺来制备的方式相比较，本发明的制备工艺中二氧化硅加载条不需要额外的刻蚀步骤，通过反剥工艺即可实现加载条的制备，制作工艺简易方便，易于实现。

Description

一种二氧化硅加载条型波导及其制作方法
技术领域
本发明属于加载条型光波导技术领域,尤其涉及一种二氧化硅加载条型波导及其制作方法。
背景技术
铌酸锂由于其优良的电光，声光，非线性光学性能是集成光学中最有潜质的材料之一。此外，它还是平面光波导(PLC)工艺中的一种重要材料。用离子注入和晶圆键合制备的单晶铌酸锂薄膜材料具有与体材料接近的物理性质，在集成光学领域具有广泛的应用。二氧化硅是一种具有高透过率，易于制备的材料，它是PLC技术中最常用的材料之一。此外，作为光纤的芯层材料，二氧化硅是制备波导模式尺寸转换器的理想材料。但是二氧化硅不具有电光和非线性效应，这会限制它在集成光学方面的应用。加载条型光波导是集成光学器件的基础元件。目前，国内外已经报道的作为加载条的材料包括氮化硅，二氧化钛，硅，五氧化二钽等。但是还没有用二氧化硅作为加载条的相关报道。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种二氧化硅加载条型波导及其制作方法。本发明将二氧化硅和铌酸锂的结合，铌酸锂可以使二氧化硅的PLC具有电光和非线性光学特性，二氧化硅的波导则可以制备波导模式尺寸转换器从而实现铌酸锂的PLC和光纤之间的耦合，从而使两者的优势很好的结合起来。通过试验证明：本发明制备的二氧化硅加载条型波导的光主要限制在铌酸锂薄膜中，具有低损耗特点。
本发明的目的之一是提供一种二氧化硅加载条型波导。
本发明的目的之二是提供一种二氧化硅加载条型波导的制备方法。
本发明的目的之三是提供含有上述二氧化硅加载条型波导及其制作方法的应用。
为实现上述发明目的，具体的，本发明公开了下述技术方案：
首先，本发明公开一种二氧化硅加载条型波导，其从下到上依次包括：单晶铌酸锂衬底、二氧化硅缓冲层、单晶铌酸锂薄膜、二氧化硅加载条，所述二氧化硅缓冲层覆盖于单晶铌酸锂衬底上，单晶铌酸锂薄膜覆盖于二氧化硅缓冲层上，所述二氧化硅加载条覆盖在单晶铌酸锂薄膜上。
优选地，所述单晶铌酸锂薄膜的厚度为0.4-0.5μm，所述二氧化硅加载条的宽度为2-5μm，厚度为100-150nm。
为了保证光在波导中传播时不受高阶模式的影响，单模条件是首先要考虑的一个因素，本发明发现在铌酸锂平面波导中准TE和准TM模式的一阶模式分别出现在铌酸锂厚度为0.6μm和0.7μm时，因此，本发明将铌酸锂的厚度选择为0.4-0.5μm。另外，二氧化硅加载条的尺寸是影响光功率在铌酸锂中的分布的重要因素，本发明发现由于二氧化硅的折射率远小于铌酸锂的折射率，所以光功率主要分布在铌酸锂薄膜中，二氧化硅的尺寸对光功率的影响很小，本发明将二氧化硅的厚度选为100-150nm，宽度选为2-5μm时，得到的波导的准TE和准TM模式的损耗维持在低水平，而低水平损耗波导的实现有效提高了波导的传输效率，为单个芯片上多个集成光学器件的集成奠定了基础。
其次，本发明公开一种二氧化硅加载条型波导的制备方法，包括如下步骤：
(1)在单晶铌酸锂薄膜上用光刻的方法制备出与二氧化硅加载条的结构相反的掩模图形；
(2)用磁控溅射的方法在光刻好的掩模图形表面沉积二氧化硅薄膜；
(3)用反剥工艺将二氧化硅薄膜上有光刻胶的部分去除，未被光刻胶覆盖的部分即为二氧化硅加载条的结构，得到二氧化硅加载条型波导半成品；
(4)将步骤(3)最终得到的二氧化硅加载条型波导半成品的两端面抛光，即得二氧化硅加载条型波导。
步骤(2)中，所述磁控溅射的工艺参数为：
Figure BDA0002001235300000021
步骤(3)中，所述去除光刻胶的方法为用丙酮浸泡下来。
步骤(4)中，可采用机械抛光的方式对二氧化硅加载条型波导半成品的两端面进行抛光。
最后，本发明公开上述二氧化硅加载条型波导及其制作方法在集成光学，光通信等领域中的应用。
与现有技术相比，本发明取得的有益效果是：
(1)本发明制备的加载条型光波导损耗低，波导损耗为0.16dB/cm，远低于用其他材料作为加载条制备的光波导。
(2)与其他加载条用刻蚀工艺来制备的方式相比较，本发明的制备工艺中二氧化硅加载条不需要额外的刻蚀步骤，通过反剥工艺即可实现加载条的制备，制作工艺简易方便，易于实现。
(3)本发明通过将二氧化硅和铌酸锂的结合，铌酸锂可以使二氧化硅的PLC具有电光和非线性光学特性，二氧化硅的波导则可以制备波导模式尺寸转换器从而实现铌酸锂的PLC和光纤之间的耦合，从而使两者的优势很好的结合起来，二氧化硅的折射率远小于铌酸锂的折射率，这使得光始终主要限制在铌酸锂中，二氧化硅加载条的尺寸可以实现灵活设计。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例制备的二氧化硅加载条型光波导结构示意图。
图2为本发明实施例1制备的二氧化硅加载条型光波导的模式分布图。
图3本发明实施例1制备的二氧化硅加载条型光波导的准TE和准TM模式的模式传输曲线图。
附图中标记分别代表：1-单晶铌酸锂衬底、2-二氧化硅缓冲层、3-单晶铌酸锂薄膜、4-二氧化硅加载条。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，作为光纤的芯层材料，二氧化硅是制备波导模式尺寸转换器的理想材料。但是二氧化硅不具有电光和非线性效应，这会限制它在集成光学方面的应用。为此，本发明提出一种二氧化硅加载条型波导及其制作方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
实施例1
如图1所示，一种二氧化硅加载条型波导，其从下到上依次包括：单晶铌酸锂衬底1、二氧化硅缓冲层2、单晶铌酸锂薄膜3、二氧化硅加载条4，所述二氧化硅缓冲层2覆盖于单晶铌酸锂衬底1上，单晶铌酸锂薄膜3覆盖于二氧化硅缓冲层2上，所述二氧化硅加载条4覆盖在单晶铌酸锂薄膜3上。
实施例2
一种实施例1中二氧化硅加载条型波导的制备方法，包括如下步骤：
(1)在单晶铌酸锂薄膜上用光刻的方法制备出与二氧化硅加载条的结构相反的掩模图形，所述单晶铌酸锂薄膜的厚度为0.5μm；
(2)用磁控溅射的方法在光刻好的掩模图形表面沉积二氧化硅薄膜；
(3)用反剥工艺将二氧化硅薄膜上有光刻胶的部分用丙酮去除，未被光刻胶覆盖的部分即为二氧化硅加载条的结构，所述二氧化硅加载条的宽度为2μm，厚度为120nm，得到二氧化硅加载条型波导半成品；
(4)采用机械抛光的方式将步骤(3)最终得到的二氧化硅加载条型波导半成品的两端面抛光，即得二氧化硅加载条型波导。
步骤(2)中，所述磁控溅射的工艺参数如表1所示：
表1
Figure BDA0002001235300000041
实施例3
一种实施例1中二氧化硅加载条型波导的制备方法，包括如下步骤：
(1)在单晶铌酸锂薄膜上用光刻的方法制备出与二氧化硅加载条的结构相反的掩模图形，所述单晶铌酸锂薄膜的厚度为0.4μm；
(2)用磁控溅射的方法在光刻好的掩模图形表面沉积二氧化硅薄膜；
(3)用反剥工艺将二氧化硅薄膜上有光刻胶的部分用丙酮去除，未被光刻胶覆盖的部分即为二氧化硅加载条的结构，所述二氧化硅加载条的宽度为3μm，厚度为150nm，得到二氧化硅加载条型波导半成品；
(4)采用机械抛光的方式将步骤(3)最终得到的二氧化硅加载条型波导半成品的两端面抛光，即得二氧化硅加载条型波导。
步骤(2)中，所述磁控溅射的工艺参数如表2所示：
表2
Figure BDA0002001235300000042
实施例4
一种实施例1中二氧化硅加载条型波导的制备方法，包括如下步骤：
(1)在单晶铌酸锂薄膜上用光刻的方法制备出与二氧化硅加载条的结构相反的掩模图形，所述单晶铌酸锂薄膜的厚度为0.5μm；
(2)用磁控溅射的方法在光刻好的掩模图形表面沉积二氧化硅薄膜；
(3)用反剥工艺将二氧化硅薄膜上有光刻胶的部分用丙酮去除，未被光刻胶覆盖的部分即为二氧化硅加载条的结构，所述二氧化硅加载条的宽度为4μm，厚度为100nm，得到二氧化硅加载条型波导半成品；
(4)采用机械抛光的方式将步骤(3)最终得到的二氧化硅加载条型波导半成品的两端面抛光，即得二氧化硅加载条型波导。
步骤(2)中，所述磁控溅射的工艺参数如表3所示：
表3
Figure BDA0002001235300000051
实验例1
一种二氧化钛加载条型波导，其结构和制备方法同实施例2，区别在于：所述加载条的材质为二氧化钛。
实验例2
一种氮化硅加载条型波导，其结构和制备方法同实施例2，区别在于：所述加载条的材质为氮化硅。
实验例3
一种非晶硅加载条型波导，其结构和制备方法同实施例2，区别在于：所述加载条的材质为硅。
性能测试：
(1)实施例1制备的二氧化硅加载条型光波导的模式分布图如图2所示，其中，图2(a)为波导的准TE模式分布图，图2(b)为波导的准TM模式分布图，从图3中可以得到传输光强的最大值和最小值Imax和Imin，将数值代入公式(1)，即可求得波导的传输损耗。
Figure BDA0002001235300000052
公式(1)中，
Figure BDA0002001235300000061
(2)本发明采用法布里-波罗方法测量了上述具体实施方式中制备的波导的损耗，其中，实施例1制备的二氧化硅加载条型光波导的测试结果如图3所示，图3(a)为波导的准TE模式下的测试结果，图3(b)为波导的准TM模式下的测试结果。最终得到的波导损耗结果如表4所示。
表4
Figure BDA0002001235300000062
从表4可以看出，本发明实施例制备的加载条型光波导损耗普遍远低于用其他几种材料作为加载条制备的光波导；这是因为二氧化硅在近红外波段具有良好的透过率，避免了由材料吸收引起的吸收损耗。
另外，影响加载条型光波导的主要因素包括铌酸锂薄膜的厚度，二氧化硅加载条的宽度和厚度等。本发明首先对铌酸锂薄膜的厚度进行了研究，为了保证光在波导中传播时不受高阶模式的影响，单模条件是本发明首先要考虑的一个因素。通过模拟本发明得到在铌酸锂平面波导中准TE和准TM模式的一阶模式分别出现在铌酸锂厚度为0.6μm和0.7μm时，所以本发明将铌酸锂的厚度选择为0.4-0.5μm。二氧化硅加载条的尺寸是影响光功率在铌酸锂中的分布的重要因素，通过模拟本发明发现由于二氧化硅的折射率远小于铌酸锂的折射率，所以光功率主要分布在铌酸锂薄膜中，二氧化硅的尺寸对光功率的影响很小。实验中本发明将二氧化硅的厚度选为100-150nm，宽度选为2-5μm。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种二氧化硅加载条形波导，其特征在于，其从下到上依次包括：单晶铌酸锂衬底、二氧化硅缓冲层、单晶铌酸锂薄膜、二氧化硅加载条，所述二氧化硅缓冲层覆盖于单晶铌酸锂衬底上，单晶铌酸锂薄膜覆盖于二氧化硅缓冲层上，所述二氧化硅加载条覆盖在单晶铌酸锂薄膜上；
二氧化硅加载条形波导的制备方法，包括如下步骤：
(1)在单晶铌酸锂薄膜上用光刻的方法制备出与二氧化硅加载条的结构相反的掩模图形，所述单晶铌酸锂薄膜的厚度为0.5μm；
(2)用磁控溅射的方法在光刻好的掩模图形表面沉积二氧化硅薄膜；
(3)用反剥工艺将二氧化硅薄膜上有光刻胶的部分用丙酮去除，未被光刻胶覆盖的部分即为二氧化硅加载条的结构，所述二氧化硅加载条的宽度为4μm，厚度为100nm，得到二氧化硅加载条形波导半成品；
(4)采用机械抛光的方式将步骤(3)最终得到的二氧化硅加载条形波导半成品的两端面抛光，即得二氧化硅加载条形波导；
步骤(2)中，所述磁控溅射的工艺参数为：本底真空为7×10-4Pa，工作气压为4Pa，Ar流量为30sccm，射频功率为40W，样品与靶距离为10cm。
2.如权利要求1所述的二氧化硅加载条形波导在集成光学、光通信领域中的应用。
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