[发明专利]一种低损耗铌酸锂薄膜光波导的制备方法

说明书

本发明公开了一种低损耗铌酸锂薄膜光波导的制备方法，首先采用LNOI作为初始材料；然后在LN薄膜层的表面镀一层100nm厚的SiO₂膜，并对其进行光刻，制作出条状结构的2～3μm宽的SiO₂掩模；接着把光刻后的样品在520～550℃下LRVTE处理10～20个小时，得到LRVTE区域，将所述LRVTE区域的单晶LN薄膜制作成光波导；最后去除SiO₂掩模，并对样品的端面进行抛光处理。本发明采用LRVTE技术制作的LN薄膜光波导的芯层晶格结构未受损伤，各项光学指标完好地保留了铌酸锂体材料的固有的典型数值，可以实现较低的传输损耗低。

技术领域

本发明涉及集成光电子学领域，具体涉及一种低损耗LN薄膜光波导的制备方法。

背景技术

近十几年来出现了一种制作高折射率差单晶LN薄膜的方法，具体为利用离子注入技术和晶圆键合技术，使单晶LN薄膜与沉积在LN衬底上的SiO₂层相结合，制备出 LNOI。大部分文献记载的LNOI的基本结构自上而下依次为LN衬底、SiO₂层、LN薄膜层。因为其折射率对比度较高，能够严格限制光束，所以成为了集成光学的理想平台。

目前，科研人员已经在LNOI上制作出了了Y分束器、电光调制器、微环共振器以及二次谐波发生器等器件，且制作LNOI纳米线、微环等结构的加工工艺也日趋成熟和完善。因此，在LNOI上制作光波导具有重要的应用价值，也将是未来LNOI平台上的大规模集成光电子芯片中不可或缺的一部分。

然而，大量已报道LNOI中的波导是采用干法或湿法刻蚀技术制作的脊波导，由于刻蚀后波导边缘比较粗糙，导致波导损耗过大，通常为10dB/cm，这对于非线性频率变换、马赫-曾德尔调制器和波导激光器等应用来说损耗过高。

为解决这一问题，LuTongCai等人使用退火质子交换(APE)的方法，先将样品在200℃下质子交换5分钟，然后在350℃下退火5个小时，制作出了具有较低损耗的α相 LNOI波导，其波导损耗降低到0.6dB/cm。即便如此，使用APE方法制作的LNOI波导也存在一些问题。首先，APE过程不易控制，对交换和退火的温度、时间控制精度要求很高，否则极易出现晶格损伤，无法获得α相的情况，从而无法保证波导的低传输损耗。其次，APE过程还会导致铌酸锂非线性系数极大降低，无法应用于非线性频率变换器件。

发明内容

本发明旨在提出一种低损耗铌酸锂薄膜光波导的制备方法，采用LRVTE技术制作的LN薄膜光波导，主要解决当前光波导损耗高，晶格结构易被破坏的问题。

本发明的一种低损耗铌酸锂薄膜光波导的制备方法，该方法具体包括以下步骤：

首先采用LNOI作为初始材料，然后在LN薄膜层的表面镀一层100nm厚的SiO₂膜，对SiO₂膜进行光刻，制作出条状结构的2～3μm宽的SiO₂掩模，接着把光刻后的条状结构的SiO₂掩模样品在520～550℃下LRVTE处理10～20个小时，得到LRVTE 条状区域，将所述LRVTE区域的单晶LN薄膜制作成LN薄膜光波导；最后去除SiO₂掩模，并对样品的端面进行抛光处理。

所述LRVTE处理所包含的具体处理为：

以LNOI的基本结构为平台，局域提高LNOI中的铌酸锂薄膜层的Li/Nb比，降低其折射率，且保留LRVTE条状区域折射率不变，形成折射率差Δn_e为0.01-0.02之间、折射率不变区域，作为波导芯层。

本发明的有益效果是：

采用LRVTE技术制作的LN薄膜光波导，其芯层晶格结构未受损伤，各项光学指标完好地保留了铌酸锂体材料的固有的典型数值，可以实现较低的传输损耗低。

附图说明