CN111708188A - 一种钽酸锂薄膜波导声光调制器 - Google Patents

一种钽酸锂薄膜波导声光调制器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及声光调制器技术领域，尤其是一种钽酸锂薄膜波导声光调制器，由压电材料、光波导和压电换能器构成，所述光波导为LT薄膜光波导，所述压电换能器为分离式叉指换能器，LT薄膜光波导设置在压电材料上，分离式叉指换能器设置在LT薄膜光波导上，本发明采用Y42‑LNOT作为初始材料，使用VPPE技术制备了高质量的LT薄膜光波导，并充分利用材料优良的声光特性进一步制作出了高Q值、高调制效率、低损耗的LT薄膜波导声光调制器。

Description

一种钽酸锂薄膜波导声光调制器
技术领域
本发明涉及声光调制器技术领域，具体领域为一种钽酸锂薄膜波导声光调制器。
背景技术
声光调制器是一种控制激光束强度变化的声光器件，主要由声光介质和压电换能器构成。其基本原理是当驱动源(某种特定载波频率)驱动换能器时，换能器即产生同一频率的超声波并传入声光介质，使介质的折射率产生周期性的变化，光束通过介质时会发生相互作用而改变光的传播方向，即产生衍射。目前，科研人员已利用这种基本原理制作出了多种功能各异的声光器件，如声光调制器、声光偏转器、声光滤光器、声光调Q激光器等，被广泛应用于激光显示记录***、光信号处理、激光谐振腔、光计算及军事上。
然而，大量已报道的声光调制器仍普遍存在驱动功率(>2W)高，调制效率(约66％)低等问题。为解决上述问题，2019年，LuTong Cai等人首次选用LNOI作为初始材料，使用电子束光刻和Ar等离子体刻蚀相结合的技术制作出了MZ型波导声光调制器，开创了使用LNOI制作波导声光调制器的先河。其结构主要包括压电材料(LNOI)、MZ型光波导和压电换能器三部分，利用压电换能器激励出声表面波，通过声表面波和LNOI的声光效应来改变光波导的有效折射率，实现声光调制。由于波导设计在介质的表面，而声表面波的能量也主要集中在介质表面1～2个波长深度区域内，有利于声波和光波的耦合，使其驱动功率降低至0.18W，而通过合理设计波导的方向，充分利用材料的非线性光学特性，使得器件的调制效率达到了88％。然而，利用LNOI制作的MZ型波导声光调制器***损耗却高达20dB/cm，这个损耗值对于声光滤光器、声光调Q激光器等应用来说太高了。
钽酸锂薄膜(LTOI)常被用来制作滤波器和谐振器，与LNOI相比，LTOI具有更高的Q值、更好的阻带抑制、更低的***损耗。此外，LTOI还具有优良的声光性能，可以有效的激发声表面波。在LTOI材料上制作波导声光调制器，可以充分利用材料的性能，进一步提高器件的调制效率，降低***损耗。然而，LTOI上的波导声光调制器却一直未有报道，这主要是因为常用的波导制作方法在LTOI上制作波导存在各种不足：首先，普通质子交换法会使得LTOI波导的非线性系数大大降低，无法获得处于α相的低损耗波导；其次，缓冲质子交换通过减缓交换速度来制作波导，虽然可以保留材料的非线性光学特性，但其制作周期较长，生产效率较低；钛扩散法制作波导则需要较高的实验温度(>1100℃)，在如此高温环境下会使得LTOI的衬底与LT薄膜分离，破坏LTOI的结构。YiWen Wang等人使用退火质子交换(APE)的方法，先将样品在200℃下质子交换5分钟，然后在350℃下退火5个小时，制作出了具有较低损耗的α相LNOI波导。LTOI与LNOI结构和制作方法类似，由此可以看出，LTOI的键合可以经受350℃的高温不会被破坏。此外，R.Osellame等人选用LT作为初始材料，用石英细颈瓶将样品与质子源隔开，使用气相质子交换(VPPE)技术，用苯甲酸蒸汽代替液态酸作为质子源进行质子交换，在350℃下处理8h，制作出了具有较低损耗的α相LT波导，其波导损耗低至0.4～0.8dB/cm。结合这两个团队的实验，我们采用LTOI作为初始材料，使用VPPE技术，在350℃下处理8～10h，成功制作出了高质量的LTOI波导，满足声光调制器的应用，并在此基础上进一步开发制作了LTOI波导声光调制器，推进了波导声光调制器的发展。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种钽酸锂薄膜波导声光调制器。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种钽酸锂薄膜波导声光调制器，由压电材料、光波导和压电换能器构成，所述光波导为LT薄膜光波导，所述压电换能器为分离式叉指换能器，LT薄膜光波导设置在压电材料上，分离式叉指换能器设置在LT薄膜光波导上。
优选的，所述压电材料其结构自下而上依次包括Si衬底、SiOn层和LT薄膜层。
优选的，所述的LT薄膜光波导设置在LT薄膜层中。
优选的，所述的LT薄膜光波导在压电材料上的制备过程为：
S1.镀膜，选择压电材料，用PECVD镀膜机在压电材料的LT薄膜层的表面镀一层100～150nm厚的SiO2膜；
S2.光刻，在LT薄膜层表面的SiO2膜上沉积一层负光胶，100～120℃下烘烤20～30分钟；在负光胶上放置一块光波导掩膜板，紫外光照射30～60秒；将样品在显影液中放置30～60秒进行显影,除去未被照射的负光胶，然后在去离子水中漂洗干净，100～120℃下烘烤8～12分钟；用SiO2腐蚀液去除未被光刻胶覆盖的SiO2膜，制作出间距为1～2μm的SiO2掩模；最后用除胶剂去除SiO2掩模上覆盖的光刻胶；
S3.VPPE处理，将光刻后的样品用丙酮或酒精清洗干净，在100～120℃下烘烤5～10分钟；在石英细颈瓶底部铺一层苯甲酸粉末3～8g，然后把样品放入细颈瓶中，瓶子中部的细颈可将样品与苯甲酸隔开；将石英细颈瓶竖直放入恒温槽中，然后在320～350℃下密封处理8～10个小时。
优选的，所述的分离式叉指换能器的制备过程为：
S1.将VPPE处理后的样品用丙酮或酒精清洗干净，在100～120℃下烘烤5～10分钟；
S2.在做完光波导的LT薄膜层的表面利用正光胶，通过对准套刻方式制作出压电换能器的图形，100～120℃下烘烤2～10分钟；
S3.用电子束真空蒸镀机在做完压电换能器图形的LT薄膜层的表面镀一层500～700nm厚的Pt薄膜层；
S4.将镀膜后的样品放入丙酮或NMP溶剂中，剥离掉多余的Pt薄膜层，制作出Pt金属层的压电换能器，并清洗干净。
优选的，所述的压电材料为Y42-LTOI材料结构。
优选的，Si衬底的厚度为400～1000μm，SiO2层的厚度为400～600nm，LT薄膜层的厚度为500～1000nm。
优选的，所述LT薄膜层中均匀分布的每个LT薄膜光波导宽度为1～2μm，厚度与LT薄膜层一致。
优选的，所述的分离式叉指换能器厚度为500～700nm，间距为20～40μm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用Y42-LTOI作为初始材料，利用其优良的声光性能和高Q值，可以有效的激发声表面波，可使器件的调制效率高达93％；采用VPPE技术制作的LT薄膜光波导不但损耗低(0.4～0.6dB/cm)，并且完好地保留了材料的非线性光学特性；采用分离式叉指换能器激发声表面波，可以减少其反射损耗。
附图说明
图1为本发明的压电材料结构示意图；
图2为本发明的分离式叉指换能器的结构示意图；
图3为本发明的结构示意图；
图4为本发明的制作流程图。
图中：1、Si衬底，2、SiO2层，3、LT薄膜层，4、分离式叉指换能器，5、SiO2掩膜，6、LT薄膜光波导。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1至4，本发明提供一种技术方案：一种钽酸锂薄膜波导声光调制器，由压电材料、光波导和压电换能器构成，所述光波导为LT薄膜光波导，所述压电换能器为分离式叉指换能器，LT薄膜光波导设置在压电材料上，分离式叉指换能器设置在LT薄膜光波导上。
所述压电材料其结构自下而上依次包括Si衬底、SiOn层和LT薄膜层。
所述的LT薄膜光波导设置在LT薄膜层中。
所述的LT薄膜光波导在压电材料上的制备过程为：
S1.镀膜，选择压电材料，用PECVD镀膜机在压电材料的LT薄膜层的表面镀一层100～150nm厚的SiO2膜；
S2.光刻，在LT薄膜层表面的SiO2膜上沉积一层负光胶，100～120℃下烘烤20～30分钟；在负光胶上放置一块光波导掩膜板，紫外光照射30～60秒；将样品在显影液中放置30～60秒进行显影,除去未被照射的负光胶，然后在去离子水中漂洗干净，100～120℃下烘烤8～12分钟；用SiO2腐蚀液去除未被光刻胶覆盖的SiO2膜，制作出间距为1～2μm的SiO2掩模；最后用除胶剂去除SiO2掩模上覆盖的光刻胶；
S3.VPPE处理，将光刻后的样品用丙酮或酒精清洗干净，在100～120℃下烘烤5～10分钟；在石英细颈瓶底部铺一层苯甲酸粉末3～8g，然后把样品放入细颈瓶中，瓶子中部的细颈可将样品与苯甲酸隔开；将石英细颈瓶竖直放入恒温槽中，然后在320～350℃下密封处理8～10个小时。
所述的分离式叉指换能器的制备过程为：
S1.将VPPE处理后的样品用丙酮或酒精清洗干净，在100～120℃下烘烤5～10分钟；
S2.在做完光波导的LT薄膜层的表面利用正光胶，通过对准套刻方式制作出压电换能器的图形，100～120℃下烘烤2～10分钟；
S3.用电子束真空蒸镀机在做完压电换能器图形的LT薄膜层的表面镀一层500～700nm厚的Pt薄膜层；
S4.将镀膜后的样品放入丙酮或NMP溶剂中，剥离掉多余的Pt薄膜层，制作出Pt金属层的压电换能器，并清洗干净。
所述的压电材料为Y42-LTOI材料结构。
Si衬底的厚度为400～1000μm，SiO2层的厚度为400～600nm，LT薄膜层的厚度为500～1000nm。
所述LT薄膜层中均匀分布的每个LT薄膜光波导宽度为1～2μm，厚度与LT薄膜层一致。
所述的分离式叉指换能器厚度为500～700nm，间距为20～40μm。
通过本技术方案，钽酸锂薄膜波导声光调制器，主要由压电材料(Y42-LTOI)、LT薄膜光波导和分离式叉指换能器构成，其中Y42-LTOI的基本结构自下而上分别为Si衬底、SiO2层、LT薄膜层，LT薄膜层中间包括LT薄膜光波导，其厚度与LT薄膜层的厚度一致，宽为1.5μm。分离式叉指换能器位于LT薄膜层的表面，材料为Pt,厚度为600nm。当驱动源驱动换能器时，换能器即产生同一频率的声表面波传入声光介质，使介质产生周期性的折射率变化，形成光栅，光束通过光栅时便会发生相互作用而改变光的强度和传播方向，即产生衍射，当外加信号通过驱动电源作用到声光器件时，声表面波强度随此信号变化，衍射光强也随之变化，从而实现了对光的振幅或强度调制。
一种钽酸锂薄膜波导声光调制器，具体制作方案如下：
S1.镀膜，选用Y42-LTOI作为初始材料，用PECVD镀膜机在LT薄膜层的表面镀一层100nm厚的SiO2膜。
S2.光刻，在LT薄膜层表面的SiO2膜上沉积一层负光胶，100℃下烘烤25分钟；在负光胶上放置一块光波导掩膜板，紫外光照射40秒；将样品在显影液中放置40秒进行显影除去未被照射的负光胶，然后在去离子水中漂洗干净，100℃下烘烤10分钟；用SiO2腐蚀液去除未被光刻胶覆盖的SiO2膜，制作出间距为1.5μm的SiO2掩模；最后用除胶剂去除SiO2掩模上覆盖的光刻胶。
S3.VPPE处理制作LT薄膜光波导，将光刻后的样品用丙酮或酒精清洗干净，在100℃下烘烤5～10分钟；在石英细颈瓶底部铺一层苯甲酸粉末(5g)，然后把样品放入细颈瓶中，瓶子中部的细颈可将样品与苯甲酸隔开；将石英细颈瓶竖直放入恒温槽中，然后在350℃下VPPE密封处理8个小时，制作出LT薄膜光波导。
S4.将VPPE处理后的样品用丙酮或酒精清洗干净，在100℃下烘烤5～10分钟。
S5.在完成光波导的LT薄膜层的表面利用正光胶，通过对准套刻方式制作出压电换能器的光刻图形，曝光显影后在120℃温度下烘烤5分钟固模。
S6.用电子束真空蒸镀机在完成压电换能器光刻图形的LT薄膜层的表面镀一层600nm厚的Pt膜。
S7.将镀膜后的样品放入NMP溶剂中，剥离掉多余的Pt薄膜层，制作出压电换能器，并清洗干净。
S8.对样品的端面进行抛光处理，以便测量器件的传输损耗。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种钽酸锂薄膜波导声光调制器，其特征在于：由压电材料、光波导和压电换能器构成，所述光波导为LT薄膜光波导，所述压电换能器为分离式叉指换能器，LT薄膜光波导设置在压电材料上，分离式叉指换能器设置在LT薄膜光波导上。
2.根据权利要求1所述的一种钽酸锂薄膜波导声光调制器，其特征在于：所述压电材料其结构自下而上依次包括Si衬底、SiOn层和LT薄膜层。
3.根据权利要求2所述的一种钽酸锂薄膜波导声光调制器，其特征在于：所述的LT薄膜光波导设置在LT薄膜层中。
4.根据权利要求3所述的一种钽酸锂薄膜波导声光调制器，其特征在于：所述的LT薄膜光波导在压电材料上的制备过程为：
S1.镀膜，选择压电材料，用PECVD镀膜机在压电材料的LT薄膜层的表面镀一层100～150nm厚的SiO2膜；
S2.光刻，在LT薄膜层表面的SiO2膜上沉积一层负光胶，100～120℃下烘烤20～30分钟；在负光胶上放置一块光波导掩膜板，紫外光照射30～60秒；将样品在显影液中放置30～60秒进行显影,除去未被照射的负光胶，然后在去离子水中漂洗干净，100～120℃下烘烤8～12分钟；用SiO2腐蚀液去除未被光刻胶覆盖的SiO2膜，制作出间距为1～2μm的SiO2掩模；最后用除胶剂去除SiO2掩模上覆盖的光刻胶；
S3.VPPE处理，将光刻后的样品用丙酮或酒精清洗干净，在100～120℃下烘烤5～10分钟；在石英细颈瓶底部铺一层苯甲酸粉末3～8g，然后把样品放入细颈瓶中，瓶子中部的细颈可将样品与苯甲酸隔开；将石英细颈瓶竖直放入恒温槽中，然后在320～350℃下密封处理8～10个小时。
5.根据权利要求4所述的一种钽酸锂薄膜波导声光调制器，其特征在于：所述的分离式叉指换能器的制备过程为：
S1.将VPPE处理后的样品用丙酮或酒精清洗干净，在100～120℃下烘烤5～10分钟；
S2.在做完光波导的LT薄膜层的表面利用正光胶，通过对准套刻方式制作出压电换能器的图形，100～120℃下烘烤2～10分钟；
S3.用电子束真空蒸镀机在做完压电换能器图形的LT薄膜层的表面镀一层500～700nm厚的Pt薄膜层；
S4.将镀膜后的样品放入丙酮或NMP溶剂中，剥离掉多余的Pt薄膜层，制作出Pt金属层的压电换能器，并清洗干净。
6.根据权利要求4所述的一种钽酸锂薄膜波导声光调制器，其特征在于：所述的压电材料为Y42-LTOI材料结构。
7.根据权利要求3所述的一种钽酸锂薄膜波导声光调制器，其特征在于：Si衬底的厚度为400～1000μm，SiO2层的厚度为400～600nm，LT薄膜层的厚度为500～1000nm。
8.根据权利要求1所述的一种钽酸锂薄膜波导声光调制器，其特征在于：所述LT薄膜层中均匀分布的每个LT薄膜光波导宽度为1～2μm，厚度与LT薄膜层一致。
9.根据权利要求4所述的一种钽酸锂薄膜波导声光调制器，其特征在于：所述的分离式叉指换能器厚度为500～700nm，间距为20～40μm。
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