[发明专利]一种铌酸锂脊型光波导的制备方法

说明书

本发明公开了一种铌酸锂脊型光波导的制备方法，选择光学级Z切0.35mm厚的同成份铌酸锂晶片作为基底，在240℃下进行轻质子交换接近20小时，制成平面波导，质子源采用苯甲酸和苯甲酸锂的混合物；在+Z面平面波导上采用紫外光刻制作出条宽近2‑4μm、厚度为近100‑200nm的SiO₂掩模；将做好掩模的晶片在240℃下再进行质子交换近1小时，所得到的交换层厚度近0.7μm，质子源为纯苯甲酸；室温下进行湿法刻蚀近4小时，将质子交换层全部刻蚀掉，得到刻蚀后的脊高近0.7μm，刻蚀液采用体积比HF:HNO3＝1:3的HF‑HNO3混合液。本发明所制备出的脊型光波导表面光滑、损耗低、高质量；避免了高温退火环节，更好的保留了波导区域的晶向结构；整体工艺环节少，难度相对较低，降低了制作成本。

技术领域

本发明涉及集成光电子学领域，具体涉及一种铌酸锂脊型光波导的制备方法。

背景技术

铌酸锂晶体是最优良的集成光学材料之一，利用非常成熟的钛扩散以及质子交换工艺技术，已经成功研制调制器、开关及开关阵列、光耦合器等集成光学器件，并获得大量应用。高速的铌酸锂调制器是高速光通信系统中的重要器件。为了提高其调制带宽，更好地适应高频化工作，LiNbO₃脊波导得到了广泛的研究。

LiNbO₃脊型波导的制作，通常采用干法刻蚀，如等离子束刻蚀、射频喷溅刻蚀、反应离子刻蚀等。1974年，Kaminow等人制备了脊波导相位调制器，其中脊型波导采用离子束刻蚀形成。1975年，Ohmachi等人制备了基于TiO₂-扩散平面波导的脊波导马赫-曾德尔调制器，采用射频真空喷溅的方法来制作脊型结构。然而，调制器的支路区域和脊侧壁过于粗糙，不能成为低损耗器件。1979年，Kawabe等人采用离子轰击技术来刻蚀LiNbO₃基片，先用氩离子轰击再用氢氟酸刻蚀掉轰击过的区域。重复6次可获得高度为0.42μm的脊型波导。但由于基片和掩模区的刻蚀速率大致相同，需要很厚的掩模以及很长的时间才能得到1μm高的脊型波导。1981年，Jackel等人采用反应离子刻蚀方法提高了刻蚀速率，但得到的脊面侧壁仍然粗糙。因此，干法刻蚀虽然适用于制作脊型结构，但常常导致制作的波导损耗较大。

另一方面，湿法刻蚀技术既经济又简单，广泛用于半导体器件制作，但很少应用于LiNbO₃上的波导器件制作。据报道，LiNbO₃的-Z面受到氢氟酸和硝酸(HF+HNO₃)混合物的侵蚀，而+Z面基本不受影响。因此，借助于LiNbO₃的+Z面上的畴反转，形成具有自发极化Ps负方向的区域，并且通过选择性湿法刻蚀技术可以刻蚀掉具有Ps负方向的畴，然后在LiNbO₃上获得脊型图案。但是以往的实验结果表明，刻蚀速率低且刻蚀后的表面不均匀。因此，除了观察在Z切基片上发生的畴反转外，很少对LiNbO₃使用湿法刻蚀。