[发明专利]一种铌酸锂周期光栅结构的制备方法

说明书

本发明公开一种铌酸锂周期光栅结构的制备方法。该方法选取合适尺寸的Y36°和Y128°切向的同成份铌酸锂晶片作为基底，在225℃下质子交换3个小时，然后采用湿法刻蚀的方法，即将样品放入HF‑HNO3混合刻蚀液中10个小时，得到周期光栅结构。本发明基于湿法刻蚀法制作周期光栅，该制作方法操作简便，无需掩模光刻，刻蚀的选择性好，成本较低，有利于推广和应用。

技术领域

本发明涉及周期光栅结构领域，具体涉及一种基于湿法刻蚀法制备铌酸锂周期光栅结构的方法。

背景技术

光栅是一种基本的波长选择光学元件，用光纤或光波导制作的光栅在光通信和光传感等领域有着广泛的应用。随着光网络的快速发展，光栅在光网络中的应用体现其越来越重要的地位。周期光栅结构，折射率周期性变化，其光传输谱也随光波长而改变，对传输的波长具有选择性。由于这一性质，光栅在光纤通信和传感的应用领域有着重大实用价值。

光栅分为周期小于1μm的布拉格光栅和周期长达100μm量级的长周期光栅。布拉格光栅能够反射特定波长(布拉格波长)的光，是窄带滤波器；而长周期光栅却能够将特定波长(谐振波长)的光从光纤或光波导的芯层耦合到包层，使得输出光谱出现抑制带，实现宽带的带阻功能。近年来，一系列新型光栅的出现对科学技术的发展和工业生产技术的革新也发挥着越来越大的促进作用：把光栅做在光纤里面，产生了光纤光栅，促进了光纤通信产业的发展；光栅与波导的结合，产生了波导光栅，可作为重要的光纤通信的波分解复用器件。经过多年的发展，光栅已应用于制作各种光栅调制器件，利用材料选择和结构设计上的灵活性，以及材料的各种特性，如电光效应、压电效应等等，制成各种基于这些效应的可控制器件。

光栅的制作方法主要有光刻技术、刻蚀法等，其中光刻技术包括电子束光刻技术、纳米压印技术和全息曝光技术。光刻技术制作光栅虽精度较高，但往往需要较复杂的系统和设备，容易受外界环境的影响，以及光路本身存在衍射、反射和干涉等光学现象，对光栅的制作过程造成干扰，工艺稳定性较差。

光刻技术中涉及干法刻蚀法或湿法刻蚀法。干法刻蚀是利用等离子体进行薄膜刻蚀的技术，需要较高的成本及昂贵的刻蚀设备。湿法刻蚀是将晶片浸入一定的刻蚀溶液中，利用化学反应进行刻蚀的技术，操作简便，对设备要求低，但化学反应的各向异性较差，容易出现过刻蚀现象。通过掩模在晶片表面制作抗蚀阻挡层，以保证刻蚀过程中因过刻蚀而损坏薄膜下面的其他材料。利用晶片晶向的选择性，更好地刻蚀出预期效果。专利《一种在铌酸锂晶体上制备周期性波导光栅的方法》中，通过镀膜光刻的方式在晶片表面制作钛条，高温下进行退火，钛向晶体内部扩散，对晶片钛扩散区域进行刻蚀，由于钛扩散区域刻蚀速率加快，晶体晶格的方向性使得晶片表面的刻蚀具有选择性，从而形成钛扩散制成的周期性波导光栅结构。

本发明基于湿法刻蚀法制作周期光栅，无需掩模光刻和外加材料制作缓冲层，通过质子交换后，由于晶体本身结构的选择性，从铌酸锂晶片上刻蚀出周期性的光栅结构。本发明优点是：该制作方法操作简便，无需掩模光刻，刻蚀的选择性好，成本较低，有利于推广和应用。

发明内容

本发明立足于周期光栅制备过程中的复杂工艺，涉及一种基于湿法刻蚀法制备铌酸锂周期光栅结构的简单方法，直接在基片表面刻蚀制作出均匀的周期光栅结构，为各种控制器件中光栅的制作提供简易方法，无需掩模光刻技术以及制作缓冲层，节约成本，为光栅制作的研究以及结构设计提供了新思路和新途径。

本发明涉及一种基于湿法刻蚀蚀法制备铌酸锂周期光栅结构的方法。在铌酸锂基底上刻蚀出均匀的周期光栅结构。Rei-Shin Chen等人报道Y切铌酸锂晶体经质子交换后带来巨大应力，由于酸锂晶体Y面本身不易移动，应力只能沿着X轴进行释放。本发明有效地利用这个应力释放的规律，通过湿法刻蚀将应力释放的路径显现，制备出一种周期光栅结构。采用的技术方案如下：

选取衬底为Y36°和Y128°切向的同成份铌酸锂原晶，清洗干净后放入质子交换炉中进行质子交换3小时，再放入HF-HNO3混合刻蚀液中10小时，取出便可观察到晶片表面的周期光栅结构。