一種鈮酸鋰光波導(dǎo)及通過鈦擴(kuò)散和vte制備近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰光波導(dǎo)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光電器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種鈮酸鋰光波導(dǎo)及通過鈦擴(kuò)散和VTE制備近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰光波導(dǎo)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]波導(dǎo)，是用來定向引導(dǎo)電磁波的結(jié)構(gòu)。常見的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)主要有平行雙導(dǎo)線、同軸線、平行平板波導(dǎo)、矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)、微帶線、平板介質(zhì)光波導(dǎo)和光纖。從引導(dǎo)電磁波的角度看，它們都可分為內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域，電磁波被限制在內(nèi)部區(qū)域傳播(要求在波導(dǎo)橫截面內(nèi)滿足橫向諧振原理)。
[0003]通常，波導(dǎo)專指各種形狀的空心金屬波導(dǎo)管和表面波波導(dǎo)，前者將被傳輸?shù)碾姶挪ㄍ耆拗圃诮饘俟軆?nèi)，又稱封閉波導(dǎo)；后者將引導(dǎo)的電磁波約束在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的周圍，又稱開波導(dǎo)。當(dāng)無線電波頻率提高到3000兆赫至300吉赫的厘米波波段和毫米波波段時(shí)，同軸線的使用受到限制而采用金屬波導(dǎo)管或其他導(dǎo)波裝置。波導(dǎo)管的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗小；功率容量大；沒有輻射損耗；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造。波導(dǎo)管內(nèi)的電磁場(chǎng)可由麥克斯韋方程組結(jié)合波導(dǎo)的邊界條件求解，與普通傳輸線不同，波導(dǎo)管里不能傳輸TEM模，電磁波在傳播中存在嚴(yán)重的色散現(xiàn)象，色散現(xiàn)象說明電磁波的傳播速度與頻率有關(guān)。表面波波導(dǎo)的特征是在邊界外有電磁場(chǎng)存在。其傳播模式為表面波。在毫米波與亞毫米波波段，因金屬波導(dǎo)管的尺寸太小而使損耗加大和制造困難。這時(shí)使用表面波波導(dǎo)，除具有良好傳輸性外，主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作容易，可具有集成電路需要的平面結(jié)構(gòu)。
[0004]鈮酸鋰晶體是一種熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性良好的多功能光電材料，具有優(yōu)秀的壓電、聲光、電光、鐵電、熱釋電、非線性等性能。目前，以鈮酸鋰晶體為基地的光電元件已經(jīng)在光通信調(diào)制器、激光調(diào)制器、光隔離器、激光倍頻器、等方面獲得廣泛的應(yīng)用。
[0005]與同成份鈮酸鋰晶體相比較，近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰晶體擁有眾多的優(yōu)異性能:(I)晶體的抗光致?lián)p傷能力更強(qiáng)，大約提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。(2)晶體內(nèi)部缺陷少，因此晶體響應(yīng)速度會(huì)更快，其響應(yīng)時(shí)間可以縮短至幾十至幾百毫秒。現(xiàn)在用于近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰晶體生長(zhǎng)制備的方法主要有以下幾種:摻入助熔劑法、雙坩堝法以及氣相輸運(yùn)平衡法。
[0006]目前，采用提拉法生長(zhǎng)的鈮酸鋰晶體大都是偏離其化學(xué)計(jì)量組分的同成分晶體，表現(xiàn)為L(zhǎng)i原子的缺失，通過在同成分熔體中加入氧化鉀或者改變鈮酸鋰熔體中的鋰鈮比(Li/Nb)，或者通過氣相運(yùn)輸平衡(VTE)技術(shù)對(duì)晶體進(jìn)行處理等，都可以改變鈮酸鋰晶體中的鋰鈮比，從而生長(zhǎng)制備出近化學(xué)計(jì)量比的LN晶體。
[0007]通過摻入氧化鉀助熔劑可以生長(zhǎng)出光學(xué)質(zhì)量好的近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰晶體。但是，因?yàn)檠趸浕静粫?huì)進(jìn)入晶體內(nèi)，熔體的組份會(huì)隨晶體不斷成長(zhǎng)而變化，致使晶體上下組份不均勻。雙坩堝法生長(zhǎng)的近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰晶體組份比較均勻，并且可以生長(zhǎng)出大尺寸的晶體。但是，采用這種方法需在晶體的生長(zhǎng)過程中持續(xù)填入等量的化學(xué)計(jì)量比原料，要求使用自動(dòng)填料系統(tǒng)，技術(shù)設(shè)備比較復(fù)雜，一般實(shí)驗(yàn)室很難實(shí)現(xiàn)。與前兩種方法直接生長(zhǎng)獲得近化學(xué)計(jì)量比LN晶體不同，富鋰VTE是以同成份鈮酸鋰晶體為原材料，通過改變其組份獲得近化學(xué)計(jì)量比LN晶體。采用VTE技術(shù)制作的晶片中氧化鋰的組份可以達(dá)到摩爾分?jǐn)?shù)50.0%，而且組份相對(duì)均勻。與前兩種方法相比較，富鋰VTE技術(shù)成本最低，具有重要的研究?jī)r(jià)值。隨著全光開關(guān)、周期極化鈮酸鋰波長(zhǎng)變換器的器件的研究應(yīng)用，采用VTE技術(shù)制作近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰晶片受到人們的矚目。
[0008]鈮酸鋰光波導(dǎo)從制備方法上可以分為:鈦擴(kuò)散鈮酸鋰光波導(dǎo)、離子交換鈮酸鋰光波導(dǎo)以及質(zhì)子交換鈮酸鋰光波導(dǎo)等。離子交換、質(zhì)子交換光波導(dǎo)因高溫時(shí)光學(xué)性能不穩(wěn)定，應(yīng)用領(lǐng)域受到限制。使用鈦擴(kuò)散技術(shù)在鈮酸鋰基底上制作光波導(dǎo)已經(jīng)是非常成熟的技術(shù)。人們對(duì)鈦擴(kuò)散技術(shù)作了詳細(xì)的理論研究，發(fā)現(xiàn)鈦原子是以替代的形式擴(kuò)散進(jìn)入晶體內(nèi)。在高溫條件下，鈦原子會(huì)擴(kuò)散到鈮酸鋰晶體內(nèi)部，彈光效應(yīng)和電光效應(yīng)使得鈦擴(kuò)散區(qū)域的折射率增大，從而形成折射率漸變的光波導(dǎo)。
[0009]集成光學(xué)以及光通信技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器要求越來越高。以往以鈮酸鋰等其他體材料作為核心元件制作的一類器件已經(jīng)不能滿足當(dāng)前對(duì)光學(xué)器件小型化、集成化的要求。與同成分鈮酸鋰晶體相比，鈦擴(kuò)散近化學(xué)計(jì)量比光波導(dǎo)具有重要的研究以及應(yīng)用價(jià)值。使用鈦擴(kuò)散在鈮酸鋰基底上制作光波導(dǎo)已經(jīng)是比較成熟的技術(shù)，單純的鈦擴(kuò)散光波導(dǎo)在波導(dǎo)層表面會(huì)出現(xiàn)局部疇反轉(zhuǎn)，造成波導(dǎo)深度和寬度的不均勻，從而波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)也會(huì)不均勻，導(dǎo)致波導(dǎo)的損耗過高，對(duì)光的約束能力弱。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)的不足，而提供一種鈮酸鋰光波導(dǎo)及通過鈦擴(kuò)散和VTE制備近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰光波導(dǎo)的方法，光波導(dǎo)性能優(yōu)良，損耗小，能夠在各種光學(xué)研究中起到良好的作用。
[0011 ] 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用以下技術(shù)方案:
一種鈮酸鋰光波導(dǎo)，其特征在于:包括基底以及位于所述基底上的波導(dǎo)層，所述基底采用鈮酸鋰晶體，所述波導(dǎo)層位于所述鈮酸鋰晶體的+Z面，條波導(dǎo)的方向是鈮酸鋰晶體的y方向。
[0012]優(yōu)選地，在所述基底上制備波導(dǎo)層采用的是光刻工藝。
[0013]一種通過鈦擴(kuò)散和VTE制備近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰光波導(dǎo)的方法，其特征在于:包括以下步驟:
步驟一，樣品準(zhǔn)備，選用是光學(xué)級(jí)Z切0.5mm厚同成份鈮酸鋰晶體為初始材料，使用精密切割機(jī)將鈮酸鋰晶體切割成樣品；
步驟二，光刻，第一步，將清洗干凈的樣品放在加熱板上烘烤lOmin，溫度為85°C，然后，進(jìn)行光刻膠的涂覆，使用勻膠機(jī)在樣品上涂覆一層SPR6112B型光刻膠進(jìn)行勻膠，設(shè)定勻膠機(jī)的轉(zhuǎn)速為3000r/min，時(shí)間為lmin，下面，在85°C下，把旋涂完光刻膠的樣品烘烤lOmin，第二步，曝光，將樣品和掩膜板放入光刻機(jī)的操作臺(tái)上，調(diào)整好位置，曝光40s，其中所選用的掩膜板為制作有7μπι的條形波導(dǎo)圖樣，第三步，顯影，使用質(zhì)量百分比為0.5%的氫氧化鈉溶液，顯影時(shí)間為16s，在曝光部分光刻膠溶解后，迅速使用純凈的去離子水清洗干凈，接著使用高純高壓氮?dú)鈽寣悠反蹈?，第四步，將進(jìn)行完顯影工作的晶片，放在加熱板上烘烤lOmin，溫度為85°C ； 步驟三，鍍鈦，把樣品放入直流濺射機(jī)中進(jìn)行鈦金屬薄膜的濺射，濺射時(shí)充入氬氣，使壓強(qiáng)維持在4Pa左右，在樣品表面形成一層鈦膜；
步驟四，剝離，使用丙酮對(duì)鍍完鈦金屬薄膜的樣品進(jìn)行剝離，利用超聲波清洗機(jī)洗掉鍍?cè)诠饪棠z上的鈦，剝離完成后，使用酒精和高純凈去離子水對(duì)晶片清洗，清洗完成后，使用高純高壓氮?dú)鈽寣悠反蹈?，剝離完成后，使用臺(tái)階儀測(cè)得鈦金屬膜的厚度為90nm。
[0014]步驟五，鈦金屬膜預(yù)擴(kuò)散，將樣品放入高溫爐中，進(jìn)行鈦金屬薄膜的預(yù)擴(kuò)散，時(shí)間和溫度分別為2h，1060°C，這樣能保證鈦離子進(jìn)入鈮酸鋰晶體內(nèi)部。
[0015]步驟六，富鋰VTE處理，使用富鋰VTE技術(shù)處理完成鈦金屬薄膜預(yù)擴(kuò)散的樣品，將樣品放入由摩爾分?jǐn)?shù)比為68mol%: 32mol%的Li2CO3和Nb2O5混合粉末燒結(jié)成的富鋰坩堝中，樣品下面加一層鉬金墊片，將坩堝用富鋰粉末密封后，放入箱式高溫節(jié)能爐中，箱式高溫爐的運(yùn)行過程由程序自動(dòng)控制，對(duì)樣品在1100°C下，處理30h。
[0016]步驟七,光波導(dǎo)端面拋光,先后用20、7、1.5 μ m的拋光粉以及拋光液對(duì)光波導(dǎo)的端面進(jìn)行拋光。
[0017]優(yōu)選地，所述箱式高溫爐中溫度控制分為四個(gè)階段:一低溫快速升溫過程，在50min內(nèi)，由25°C升至400°C ;二高溫升溫過程，400°C加熱到1100°C，用時(shí)140min ;三是保溫階段，在1100°C下維持30h ;四降溫階段，由1100°C降至室溫。
[0018]本發(fā)明的有益效果是:與現(xiàn)有技術(shù)相比，制備光波導(dǎo)采用鈦擴(kuò)散的方法，所制備的光波導(dǎo)性能優(yōu)良，損耗小，能夠在各種光學(xué)研究中起到良好的作用，對(duì)鈦擴(kuò)散后的鈮酸鋰晶體采用富鋰氣相輸運(yùn)平衡處理，達(dá)到近化學(xué)計(jì)量比(NS，[Li]/[Nb]>99%)。近化學(xué)計(jì)量比鈮酸鋰晶體具有很多更加優(yōu)異的性能:晶體缺陷少，光學(xué)均勻性好，具有更強(qiáng)的電光和非線性效應(yīng)。鈦擴(kuò)散光波導(dǎo)具有波導(dǎo)性能優(yōu)良，且損耗較小等優(yōu)點(diǎn)，能廣泛用于用于無線電通訊、雷達(dá)、導(dǎo)航等無線電領(lǐng)域。<