[发明专利]一种铌酸锂光波导器件及其制备方法

说明书

本发明涉及一种铌酸锂光波导器件的制备方法，属于光通信技术领域。本发明引入新的包层结构，通过离子注入、旋涂BCB、键合、退火等工艺获得微米量级的铌酸锂薄膜光波导器件，工艺上利于脊型波导的制备，并且最终制备的光波导有效减少了传输损耗，增大光的束缚性；本发明选用BCB作为键合介质材料，常温下作为粘合剂，能够将铌酸锂薄膜与衬底有效结合在一起，退火后BCB固化，并作为波导包层，后续对铌酸锂薄膜的掩膜刻蚀工艺简便，也不会对铌酸锂薄膜造成损坏；铌酸锂的光折射率为2.2，大于BCB的折射率1.5并大于空气的折射率1，可以将光很好的约束在波导中，从而不需要进行质子交换即可实现优异的性能。

技术领域

本发明涉及一种铌酸锂光波导器件及其制备方法，属于光通信技术领域。

背景技术

铌酸锂晶体具有优异的电光、声光及非线性等性能，材料的化学性能稳定，是集成光学最常用的无机介电晶体材料，在光通信领域被广泛用于制备各种光波导器件。通过改变铌酸锂光波导和电极的结构，能够制备出多种光传输和控制的器件，如光波导、电光调制器、微环谐振器等。

为了制作出波导，需要在基片上表面制作SiO₂或Si₃N₄薄膜，然后通过光刻技术刻蚀出掩模窗口，再用离子交换等方法在铌酸锂晶体表面制作出光波导，然后再腐蚀掉表面的SiO₂或Si₃N₄薄膜。离子交换后的铌酸锂晶体会被分为上下两层，质子交换后的部分作为芯层，而为交换的部分作为包层，通过两层折射率的差异，将光束缚在表面波导中。

对于不同的电场方向，铌酸锂晶体应该选择合适的晶体取向，以便获得最大的电光系数。当电极电场方向平行于铌酸锂基片表面，应选择x切y方向传播的铌酸锂基片，此时光波导传播模应为TE模，其导光电场偏振方向与电极电场方向一致；亦可选择y切x方向传播的基片，光波仍为TE模。当电极电场方向垂直于基片表面，应选择z切铌酸锂基片和TM偏振状态的光传输模。

在实际应用中，由于基片厚度的原因，光会向四周消散，从而增大了传输损耗，所以需要对各种切向的铌酸锂块材减薄，目前的做法为对基片进行机械研磨，但该方法制得的铌酸锂厚度仍然在几十个微米，不能有效的减小损耗；其次，离子交换工艺复杂，不能适用于所有切向的铌酸锂，且上下两层的折射率差异较小，不能很好地将光束缚在波导中。

发明内容

针对上述存在问题或不足，为了克服现有铌酸锂光波导器件技术的缺陷，本发明提供了一种铌酸锂光波导器件及其制备方法，包括任意切向的铌酸锂薄膜的制备和带有发射层结构的光波导器件。

一种铌酸锂光波导器件，从上往下依次为空气、铌酸锂薄膜、BCB和光学衬底，光波导芯层为脊型的铌酸锂薄膜，厚度为300nm～1um，宽度1μm～20μm，长度5～15mm，四周由空气和BCB包裹。

所述铌酸锂薄膜为任意切向的铌酸锂薄膜；铌酸锂的光折射率为2.2，大于BCB的折射率1.5并大于空气的折射率1，可以将光很好的约束在波导中。

上述铌酸锂光波导器件的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、对铌酸锂基片进行离子注入，并在基片一面制备一层苯并环丁烯BCB；

步骤2、然后将步骤1离子注入后的铌酸锂基片BCB层一侧与光学衬底键合；

步骤3、将步骤2键合后的铌酸锂基片退火，通过退火剥离制得铌酸锂薄膜。

步骤4、将步骤3所得铌酸锂薄膜通过光刻掩膜的方式在铌酸锂薄膜上外延生长Cr掩模，利用DRIE对铌酸锂薄膜刻蚀出光波导芯层，最后洗掉Cr掩模，留下直波导；即可制得，光波导芯层为铌酸锂薄膜，四周由空气和BCB包裹的铌酸锂光波导器件。

进一步的，所述铌酸锂基片可选任意切向的铌酸锂晶体，厚度范围在毫米量级。