一種用陣列電極進行光束偏轉的鈮酸鋰波導及制作方法與流程

本專利涉及電光調制器件的技術領域，更具體地說是一種用陣列電極進行光束偏轉的鈮酸鋰波導及制作方法。

背景技術：

在超高功率激光驅動器性能里，在靶面上得到勻滑光束極其重要，否則光斑能量不均勻將導致激光在放大過程中某一局部能量過高，造成光學元件的激光損傷，使點火的激光系統無法正常工作。目前已有許多方法被提出用于實現光模場偏轉和光束勻滑，如光譜色散勻滑（SSD）技術實現光束勻滑等。然而市面上利用這些方法的器件一般需要較高的驅動電壓，否則不能對高功率激光器進行高速調制，因此需要尋求在電光光束偏轉上的突破。

光波導是集成光學中基本結構單元，它可在某些方向上將光限制在狹小區域并引導光的傳輸。鈮酸鋰由于其優良的電光（較高的電光系數：30.8pm/V）、聲光、非線性光學、壓電性質及在可見光和近紅外波段良好的透過率，一直是集成光學里一種非常重要的光波導材料，通過在鈮酸鋰波導上設計一定結構的電極，施加電壓后即可改變波導的折射率進而實現光束偏轉。然而目前市面上，傳統的鈮酸鋰波導（如質子交換或鈦擴散后的波導）其折射率與襯底的折射率差較低，難以利用它制備微納結構器件，因此傳統鈮酸鋰波導在可調諧并可集成的器件中應用很少，且針對激光的高速調制也不易實現。正如電子芯片集成度的不斷提高，集成光學的發展目標是實現光學信息處理系統的集成化與微小型化。目前商業用的鈮酸鋰電光器件的調制長度長、體積大，與傳統微電子工藝兼容性差，不易實現高密度、低成本的集成，應用率低。

鈮酸鋰光波導的制作工藝對其光電屬性也有很大影響。制作傳統鈮酸鋰光波導的工藝技術主要有氧化鋰從表面外擴散、金屬內擴散、離子交換等，然而這些技術不僅制作工藝復雜，而且所制備出的傳統鈮酸鋰波導的波導與其襯底折射率差較低，對傳輸的光場未能實現有效地集中，且損耗較大，不適用于微型化集成光電器件。

技術實現要素：

本專利旨在解決現有技術中至少一個技術缺陷，提供一種用陣列電極進行光束偏轉的鈮酸鋰波導，采用的技術方案如下：

一種用陣列電極進行光束偏轉的鈮酸鋰波導，結構呈六層排布，由上而下依次為陣列電極、二氧化硅緩沖層、單晶鈮酸鋰薄膜、二氧化硅絕緣層、金屬電極和鈮酸鋰襯底，所述陣列電極由形狀為平行四邊形的微結構電極單元組成，所述單晶鈮酸鋰薄膜中間包裹有質子交換鈮酸鋰波導。

本專利通過設計多層排布的結構，并在表面設計了一種平行四邊形形狀的微結構電極單元組成的陣列電極，充分利用了鈮酸鋰晶體的電光特性。再有，二氧化硅層與鈮酸鋰波導具有高折射率對比度，可在波導工作時降低光損耗。上述結構使得傳輸光場與電極的電場分布實現較大的交疊從而激發較高的電光效應，進而實現局部較大的折射率變化，有利于提高調制效率，降低器件的驅動電壓和功耗。

進一步地，所述微結構電極單元的短邊邊長為4～6μm，銳角為45°～60°，相鄰兩個微結構電極單元的間距為2～3μm。多個面積較小的平行四邊形微結構電極單元組成陣列電極，充分起到了類似棱鏡陣列的作用，使光束偏轉及在波導末端產生不同的光模場分布。

進一步地，所述質子交換鈮酸鋰波導寬度為5～7μm。本專利旨在應用于微型化集成光電器件，因此有效寬度較小的波導會提高波導區域的載流子濃度，減少器件的等效電容和調制電壓幅度，從而使器件的調制帶寬更大，而損耗更低。

進一步地，所述陣列電極的寬度與所述質子交換鈮酸鋰波導的寬度相同。一方面能充分利用鈮酸鋰波導的有效寬度，一方面也避免不必要的材料或能量損耗，提高利用率。

進一步地，所述陣列電極厚度為0.08～0.12μm，所述二氧化硅緩沖層厚度為0.12～0.18μm，所述單晶鈮酸鋰薄膜厚度為0.8～1.2μm，所述二氧化硅絕緣層厚度為0.8～1.2μm，所述金屬電極厚度為0.1～0.2μm，所述鈮酸鋰襯底厚度為450～550μm。

本專利采用多層級結構，若每層材料設置過薄則起不到相應的作用，若設置過厚又會影響傳導效果，因此每層材料的厚度應作合適的設置。再有，所述單晶鈮酸鋰薄膜上的陣列電極與金屬電極之間的距離應保持約為2μm，當它們之間施加不同的外部電壓時，由于電光效應，兩電極層間的質子交換鈮酸鋰波導產生不同的折射率分布，作用在質子交換鈮酸鋰波導上的電光效應得到加強，且更敏感。

本專利的另一目的為解決現有技術的缺陷，提供一種用陣列電極進行光束偏轉的鈮酸鋰波導制作方法，采用的技術方案如下：

一種用陣列電極進行光束偏轉的鈮酸鋰波導制作方法，首先采用鈮酸鋰薄膜集成技術（LNOI）形成依次由鈮酸鋰襯底、金屬電極、二氧化硅絕緣層和單晶鈮酸鋰薄膜構成的鈮酸鋰薄膜集成波導，然后在所述單晶鈮酸鋰薄膜上形成具有條狀結構的二氧化硅掩模；接著通過退火質子交換方法（APE）將所述條狀區域中的單晶鈮酸鋰薄膜加工成質子交換鈮酸鋰波導，采用二氧化硅層覆蓋質子交換鈮酸鋰波導，與二氧化硅掩模共同形成二氧化硅緩沖層；最后通過微結構電極光刻技術在二氧化硅緩沖層表面、正對質子交換鈮酸鋰波導位置加工由形狀為平行四邊形的微結構電極單元組成的陣列電極。

進一步地，具體步驟包括：

S1.采用所述鈮酸鋰薄膜集成技術（LNOI）得到鈮酸鋰薄膜集成波導；

S2.在所述鈮酸鋰薄膜集成波導上沉積一層負光膠，在負光膠上放置兩片對稱分布的鉻掩模，中間預留出未覆蓋掩模的條狀區域；

S3.進行紫外光照射后，除去鉻掩模及其下的負光膠，只留下中間未覆蓋掩膜預留的條狀區域的負光膠；

S4.在上述波導的上表面均勻沉積一層二氧化硅層；

S5.將上述波導的條狀區域的負光膠及其上的二氧化硅剝離，得到所述二氧化硅層分布在之前預留的條狀區域的兩邊形成二氧化硅掩膜；

S6.對所述條狀區域中的單晶鈮酸鋰薄膜進行退火質子交換技術（APE）處理，生成質子交換鈮酸鋰波導；

S7.在所述質子交換鈮酸鋰波導上再沉積一層二氧化硅層，并使該層二氧化硅與二氧化硅掩膜具有相同厚度，共同形成二氧化硅緩沖層；

S8.通過所述微結構電極光刻技術，將平行四邊形形狀的微結構電極單元光刻在所述二氧化硅緩沖層上。

上述步驟結合了鈮酸鋰薄膜集成技術（LNOI）、退火質子交換技術（APE）和微結構電極光刻技術的平面波導，實現將鈮酸鋰波導的傳統技術和最新薄膜技術相結合，并將其巧妙地運用到實現光束偏轉的工作上，解決了傳統鈮酸鋰波導的波導與其襯底折射率差較低的問題，使傳輸的光場有效地集中在鈮酸鋰薄膜上，此設計為實現器件的微型化和低功耗提供了一種獨特并行之有效的方法，并可用于片上集成。

進一步地，所述步驟S1的鈮酸鋰薄膜集成技術（LNOI）具體包括：

S11.準備一片鈮酸鋰襯底，在其上沉積一層金屬電極；

S12.在所述金屬電極表面沉積一層二氧化硅絕緣層，對二氧化硅絕緣層進行拋光處理；

S13.另準備一片鈮酸鋰晶片，并向其注入氦離子；

S14.將經上述操作的鈮酸鋰晶片和鈮酸鋰襯底鍵合在一起，并加熱，脫落下來的鈮酸鋰薄膜停留在所述二氧化硅絕緣層表面，得到鈮酸鋰薄膜集成波導。

步驟S13對鈮酸鋰晶片進行氦離子的注入，加熱后氦離子變為氦氣并且體積膨脹，結果是整個注入層斷裂，脫落下來的鈮酸鋰薄膜就停留在二氧化硅絕緣層表面。

采用所述鈮酸鋰薄膜集成技術（LNOI）得到的鈮酸鋰薄膜集成波導在縱向形成強折射率對比度，防止導模泄露至襯底。這種波導克服了傳統鈮酸鋰波導和襯底折射率差較小的缺點。

進一步地，所述鈮酸鋰薄膜集成波導從上而下層級排布依次為單晶鈮酸鋰薄膜、二氧化硅絕緣層、金屬電極、鈮酸鋰襯底。通過鈮酸鋰薄膜集成技術（LNOI）得到的所述鈮酸鋰薄膜集成波導是本專利的半成品，需要后續進行進一步加工得到本專利。

進一步地，所述步驟S6的退火質子交換技術（APE）具體包括：

S61.選擇苯甲酸作為質子源；

S62.進行質子交換，交換在溫度為150℃～300℃的環境下完成，過程持續100分鐘；

S63.將已經交換好的波導片進行退火處理，在溫度為300℃～400℃的環境下完成。

Li⁺和H⁺之間的質子交換是由苯甲酸提供供交換的質子源（H⁺），交換程度取決于反應的時間和溫度，因此經實驗，本專利設置了150℃～300℃的溫度環境和100分鐘的反應時間。Li⁺和H⁺交換過程可用如下的離子反應式表示：LiNbO₃+xH⁺→H_xLi_1-xNbO₃+xLi⁺，反應式中X的值反應了質子交換的程度。為了提高波導折射率穩定性，降低波導的損耗和恢復其電光系數，使波導的折射率分布更符合要求，經實驗所得，質子交換后光波導的退火環境最適宜溫度為300～400℃。

采用退火質子交換技術（APE）處理得到的質子交換波導，較同層的鈮酸鋰薄膜折射率高，在橫向引發折射率差，具有橫向的弱折射率對比度，對波導模式的橫向限制比較弱，有利于模式的橫向偏轉，實現光束偏轉。

與現有技術相比，本發明的有益效果：本專利通過鈮酸鋰薄膜集成技術（LNOI）、退火質子交換技術（APE）和微結構電極光刻技術，制作出具有平行四邊形形狀微結構陣列電極結構的Z切鈮酸鋰薄膜平面波導，能夠通過電光效應達到光模式偏轉和光模場調控目的，解決了傳統鈮酸鋰波導的波導與其襯底折射率差較低的問題，對電光調制的影響因素做出了分析和進行了方案優化，能夠用相對較低的電壓使輸出模的場強分布得到高速電光調制，在靶平面上得到勻滑光束，實現對光束偏轉的高速、有效的調制。且損耗低、制作工藝簡單，能夠與電光材料制成的其他光波導進行很好地兼容。

附圖說明

圖1是本專利實施例1的結構示意圖。

圖2是本專利實施例1的三視圖，其中(a)、（b）、（c）分別為正視圖、側視圖和俯視圖。

圖3是本專利實施例1的工作示意圖。

圖4是本專利實施例2的部分制作流程示意圖。

圖中：100陣列電極、200二氧化硅緩沖層、300單晶鈮酸鋰薄膜、400二氧化硅絕緣層、500金屬電極、600鈮酸鋰襯底、110微結構電極單元、310質子交換鈮酸鋰波導、700靶面、負光膠800、鉻掩膜900。

具體實施方式

下面結合具體實施方式對本專利作進一步說明。其中，附圖僅用于示例性說明，表示的僅是示意圖，而非實物圖，不能理解為對本專利的限制。

圖1、圖2和圖3結合所示為本專利的實施例1一種用陣列電極進行光束偏轉的鈮酸鋰波導。

如圖1所示，本實施例公開了一種用陣列電極進行光束偏轉的鈮酸鋰波導，整體為一平面波導，上表面有一條狀陣列電極100，位于二氧化硅緩沖層200的中間，所述陣列電極100寬度小于二氧化硅緩沖層200的寬度。所述陣列電極100由形狀為平行四邊形的微結構電極單元110組成，所述微結構電極單元110的短邊邊長為4～6μm，銳角為45°～60°，相鄰兩個微結構電極單元110的間距為2～3μm。多個面積較小的平行四邊形微結構電極單元110組成陣列電極100，起到了類似棱鏡陣列的作用，充分地利用了鈮酸鋰晶體的電光特性，使光束偏轉及在波導末端產生不同的光模場分布。

如圖2所示，本實施例結構呈六層排布，由上而下依次為陣列電極100（厚度為0.08～0.12μm）、二氧化硅緩沖層200（厚度為0.12～0.18μm）、單晶鈮酸鋰薄膜300（厚度為0.8～1.2μm）、二氧化硅絕緣層400（厚度為0.8～1.2μm）、金屬電極500（厚度為0.1～0.2μm）和鈮酸鋰襯底600（厚度為450～550μm）。所述單晶鈮酸鋰薄膜300中間包裹有質子交換鈮酸鋰波導310。本實施例采用層級結構，因此每層材料設置過薄則起不到相應的作用，若設置過厚則不僅會影響傳導效果，也會使波導體積過大而損耗增加、不適用于微型化集成光電器件，因此每層材料的厚度按照實驗所得而作了合適的設置。

本實施例中，所述陣列電極100與金屬電極500之間的距離設置約為2μm，當在它們之間施加不同的外部電壓時，由于電光效應，兩電極層間的質子交換鈮酸鋰波導310產生不同的折射率分布，使作用在質子交換鈮酸鋰波導310上的電光效應得到加強，且更敏感。

所述二氧化硅緩沖層200和二氧化硅絕緣層400與鈮酸鋰波導具有高折射率對比度，可在波導工作時降低光損耗。

所述質子交換鈮酸鋰波導310寬度為5～7μm，所述陣列電極100的寬度與所述質子交換鈮酸鋰波導310的寬度相同。由于本實施例旨在應用于微型化集成光電器件，因此有效寬度較小的波導不僅會提高波導區域的載流子濃度，減少器件的等效電容和調制電壓幅度，從而使器件的調制帶寬更大，損耗更低。這樣一方面能充分利用鈮酸鋰波導的有效寬度，另一方面也避免不必要的材料或能量損耗，提高利用率。

如圖3所示，本實施例通過設計多層排布的結構以及平行四邊形的微結構電極單元110組成陣列電極100的設計，使得傳輸光場與電極的電場分布實現較大的交疊從而激發較高的電光效應，進而實現局部較大的折射率變化，有利于提高調制效率，降低器件的驅動電壓和功耗。當在本實施例的陣列電極100及金屬電極500之間施加正負不同電壓時，在本專利末端得到偏轉光束，偏轉角度為±θ：當外加電壓為0時，偏轉角θ為0；施加高頻交流電時，θ快速變化，從而在靶面700上得到勻滑光束，本實施例能夠應用于慣性約束的核聚變系統中。

此外，本專利還公開了一種用陣列電極進行光束偏轉的鈮酸鋰波導制作方法，包括了鈮酸鋰薄膜集成技術（LNOI）、退火質子交換技術（APE）和微結構電極光刻技術。

以下結合圖4進一步詳細說明本專利實施例2的一種用陣列電極進行光束偏轉的鈮酸鋰波導的制作方法。

S1.采用所述鈮酸鋰薄膜集成技術（LNOI）得到鈮酸鋰薄膜集成波導，該步驟具體包括（未在附圖中示出）：

S11.準備一片鈮酸鋰襯底600，在其上沉積一層金屬電極500；

S12.在所述金屬電極500表面沉積一層二氧化硅絕緣層400，對二氧化硅絕緣層400進行拋光處理；

S13.另準備一片鈮酸鋰晶片，并向其注入氦離子；

S14.將經上述操作的鈮酸鋰晶片和鈮酸鋰襯底鍵合在一起，并對其進行加熱，加熱后氦離子變為氦氣并且體積膨脹，結果是整個注入層斷裂，脫落下來的單晶鈮酸鋰薄膜300就停留在二氧化硅絕緣層表面，得到如圖4（a）所示的鈮酸鋰薄膜集成波導；

S2.如圖4（b）所示，所述鈮酸鋰薄膜集成波導從上而下層級排布依次為單晶鈮酸鋰薄膜300、二氧化硅絕緣層400、金屬電極500、鈮酸鋰襯底600。在所述單晶鈮酸鋰薄膜300上沉積一層負光膠800（選用TiO₉X₇，厚度約為1μm），在負光膠上放置兩片對稱分布的鉻掩模900，中間預留出未覆蓋掩模的條狀區域；

S3.進行紫外光照射后，除去鉻掩模900及其下的負光膠800，只留下中間未覆蓋掩膜預留的條狀區域的負光膠800；

S4.在上述波導的上表面均勻沉積一層二氧化硅層；

S5.將上述波導的條狀區域的負光膠及其上的二氧化硅剝離，得到所述二氧化硅層分布在之前預留的條狀區域兩邊；

S6.對上述波導進行退火質子交換技術（APE）處理，生成質子交換鈮酸鋰波導310的步驟具體包括：

S61.由于苯甲酸在交換溫度范圍內化學性質穩定、毒性小，且在質子交換進行時對LiNbO₃無損傷作用，對大部分金屬不腐蝕，因此選擇苯甲酸作為質子交換的質子源；

S62.進行質子交換，交換在溫度為150℃～300℃的環境下完成，過程持續100分鐘，由于熔融的苯甲酸易揮發，并且有強烈的刺激性氣味，因此質子交換要在密封狀態下進行；

S63將已經交換好的波導片進行退火處理，在溫度為300℃～400℃的環境下進行，升溫過程應該盡量快、退火溫度應該盡可能保持恒定；

S7.如圖4（c）所示，在所述質子交換鈮酸鋰波導上再沉積一層二氧化硅層，并使該層二氧化硅與步驟S4沉積的二氧化硅層具有相同厚度，形成二氧化硅緩沖層200；

S8.如圖4（d）所示，通過所述微結構電極光刻技術，將平行四邊形形狀的微結構電極單元110光刻在所述二氧化硅緩沖層200上，形成陣列電極100。

綜觀上述，本專利采用鈮酸鋰薄膜集成技術（LNOI）、退火質子交換技術（APE）和微結構電極光刻技術相結合的制作方法，通過層級結構以及平行四邊形的微結構電極單元組成陣列電極的設計，巧妙地利用和增強了鈮酸鋰晶體對電光效應的靈敏度，當光束偏轉被電光效應高速調制時，所述陣列電極可用于產生勻滑光束。因此與傳統鈮酸鋰波導相比，所需模式偏轉和光模場調控的驅動電壓較低，損耗較少。本專利兼顧了器件的高速調制特性和電光效應引起折射率變化的有效性，質量高、穩定性強，很好適用于微型化集成光電器件領域，具體可用于制造高效率的電光可調諧非線性光學器件、鐵電存儲器件和應用于高功率激光系統等其他光信號處理系統中。