[发明专利]一种光致稳定非线性硫系薄膜及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学薄膜和非线性光学材料，特别是一种光致稳定非线性硫系薄膜及其制备方法。

背景技术

由于光电信号转换能力的限制，目前信息传输容量和速度遇到了瓶颈。为解决这一问题，科学家正积极开发新型光器件以推动光信息处理进入全光时代。平面光波导器件由于具有易集成化、低成本和规模化等优势，成为光通信器件的发展方向。目前用于制作平面集成光波导器件的材料体系中，硅基光波导在制作工艺上和光电子集成电路兼容，并能够与标准单模光纤很好地实现模式匹配，耦合损耗较低，得到广泛应用。作为光信息处理系统中关键非线性光学器件的基质材料，尽管硅具有高的非线性折射率，但它在通信波段（~1.55μm）具有显著的双光子吸收和自由载流子吸收，非线性损耗较高，限制了器件的最大增益。

硫系玻璃材料在平面光波导器件上的应用近年来备受关注。硫系玻璃是指以周期表VIA 族元素S、Se、Te为主引入一定量其它金属或非金属元素形成的非晶态材料。该类材料具有极高的线性折射率n（2.2~3.5）和非线性折射率系数n₂ ( 2~20x10^-14cm² / W，是石英材料的100~1000 倍)、较小的双光子吸收系数( 0.01~1 x 10^-10 cm/W) 、超快的非线性响应( 响应时间小于200 fs ) 等特点，已成为未来光波导器件首选膜层基质材料之一。目前，科学家已采用硫系玻璃制备薄膜和波导器件实现了全光信号再生，频率转换和解复用等信号处理。由于硫系玻璃具有较低的声子能量（≤350cm^-1）和优异的近红外和中红外透射性（1~20μm），它们也是较理想的长波红外波导激光器和红外光学非线性材料。科学家已采用硫系平面波导获得了2~8μm超宽带中红外超连续光谱，有望在红外光谱学和分子传感等领域获得应用。

目前硫系薄膜存在的问题是：1. 大部分性能优异的硫系薄膜具有光敏性，特别是光致折射率变化，导致光学器件工作不稳定，并且强光在器件中传播时易导致自聚焦而损伤材料；2. 绝大部分硫系薄膜中包含大量同极键，与均匀块体硫系玻璃性能差别较显著，特别是不同批次薄膜折射率稳定性很难控制。此外，一些硫系薄膜制备方法（如脉冲激光沉积法，PLD）易导致薄膜表面光洁度差，甚至出现大量亚微米级斑点，导致薄膜无法用于制造光学器件。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种光致稳定非线性硫系薄膜及制备方法，解决常用硫系薄膜及相关光学器件在使用过程中由于光致变化导致的光学性能不稳定问题。适用于光通信系统中的信号处理、红外非线性光学等领域。

本发明的目的是这样实现的，本发明的光致稳定非线性硫系薄膜的化学组成为Ge_xAs_yS_zSe_100-x-y-z，其中，10≤ x ≤14，20≤ y ≤28，16≤ z ≤50。 

薄膜的制备方法为真空热蒸镀法，包括如下步骤：

（1）在万级以上净化室中，将与选定薄膜组成相同的块体玻璃放入真空镀膜机腔体内的蒸发舟中，加上缓冲盖，然后将Si/SiO₂基片固定在旋转样品架上，关紧腔体门，抽真空使腔体内真空度至10^-7 torr；

（2）镀膜前先用Ar离子枪清洗基片60~120秒，去除基片表面附着的残余气体分子，增强基片与硫系薄膜间的结合力，然后对蒸发舟加热升温，同时监视蒸镀时腔体内的真空度和热蒸发速率，缓慢调节加热功率，直至蒸镀速率稳定至3~20nm/min，此时真空腔的压力应为10^-4~10^-6 torr；

（3）薄膜厚度到达预设值后停止加热，待腔体温度冷却至室温后向真空腔内缓慢充入纯度为99.999%的氮气，腔体内压力与大气压平衡后打开腔体门，取出基片，即得本发明所述的光致稳定非线性硫系薄膜。

所用蒸发源为与薄膜组成相同的硫系玻璃块体材料。