[发明专利]一种周期极化薄膜基板及其制备方法

说明书

本申请提供了一种周期极化薄膜基板及其制备方法，所述周期极化薄膜基板包括依次层压的衬底(1)、缓冲层(2)和压电单晶层(3)，其中，压电单晶层(3)包括至少两层压电单晶子层(31)，相邻压电单晶子层(31)的极化方向相反，通过键合而得，本申请提供的制备方法通过在缓冲层上直接键合多层压电单晶子层从而形成周期极化薄膜基板，该方法在常温下即可进行，工艺难度低，所制得的周期极化薄膜基板的极化周期及周期数量可灵活控制；有效避免由高压造成的击穿风险以及由表面镀电极而造成的表面质量的变差问题，通过设置缓冲层防止光泄露至衬底中，从而降低信号损耗，基于该基板制得的PPLN具有完全贯穿的垂直电畴壁。

技术领域

本申请属于功能性半导体材料领域，特别涉及一种周期极化薄膜基板及其制备方法。

背景技术

基于准相位匹配技术的周期极化铌酸锂(Periodically Poled LN，PPLN)利用铌酸锂最大的非线性系数d33(25.2pm/V)已广泛应用于倍频/差频、光参量振荡等光参量过程和THz波产生等方面，此外，在光通信领域，尤其是波长变换、全光开关方面，也具有广阔的应用前景。

在铌酸锂中，相对于氧离子(负电)，由于锂离子(正电)和铌离子(正电)的位置有偏移，形成由正电指向负电的一个特殊方向，这个方向沿铌酸锂晶体的Z轴，即，+Z轴方向或-Z轴方向。如果对铌酸锂施加电压，能够使锂离子相对氧离子移动，从而使这个特殊方向调转180°，形成反转(即，逆转)，该反转可以永久保持，称为极化反转。在PPLN中，每隔几个微米就存在一个这样的反转结构，称为周期反转结构。

目前，激光诱导外加电场极化法是制备PPLN最常用的方法，该方法首先在单畴化(极化反转)铌酸锂晶体的+z面或者-z面上淀积或者溅射具有周期结构的金属电极，在铌酸锂晶体的另一面制作均匀电极，然后向铌酸锂晶体施加与晶体自发极化方向相反的外加电场，当外加电场超过晶体的矫顽场(21KV/mm)时，其自发极化方向便发生反转，然而，发生极化反转和未发生极化反转材料的边缘难以平齐，或者不呈直线，因此，制得PPLN的电畴壁通常不垂直。

此外，为实现较小的周期极化结构，需利用微电子工业的光刻技术，使用干涉测量反馈控制来使得电极周期结构位置误差限制在很小的范围内，但是，同成分铌酸锂具有较高的矫顽场，在施加高电场进行极化反转时，铌酸锂晶体存在被击穿的危险，击穿是指高压下电介质丧失其绝缘性的现象，一部分击穿现象是可以恢复的，另一部分则不可恢复。一旦铌酸锂晶体被击穿，不但极化进程立即停止，铌酸锂样品也很有可能破碎。

进一步地，由于铌酸锂晶体的矫顽场较高，而且，样品总厚度越大所需要施加的电压越大，而所施加的电压越大，样品被击穿的风险越高，因此，利用激光诱导外加电场极化法制备的PPLN通常对总厚度有严苛的限制，难以制备对于厚度有特殊需求的PPLN，尤其，对于周期厚度为纳米级别的铌酸锂，制备难度呈几何倍增加。

而且，如果在压电薄膜层中同时传输不同入射角的光(即，传输不同模式的光)，则入射角小的光易于从折射率大的压电薄膜层折射进折射率小的衬底层，导致光传输的损耗增加。

发明内容

为解决前述问题中的至少一种，例如，现有技术方法制备PPLN难度大，所制得PPLN的电畴壁具有弯曲形变，难以接近垂直，周期长度难以达到纳米级别、PPLN的周期总长度受限以及PPLN在光传输过程中信号损耗大等问题，本申请提供一种周期极化薄膜基板及其制备方法，所述周期极化薄膜基板通过键合的方法层叠制备，其中每层单晶压电子层的厚度均低至纳米级别，可通过控制每层单晶压电子层的厚度以及单晶压电子层的层数来按需制备周期极化薄膜的周期长度以及周期数量，因此，基于本申请提供的周期极化薄膜基板可获得具有完全贯穿的垂直电畴壁，周期长度为纳米级别，周期总长度可根据需要而具体设定的周期极化薄膜。本申请中所用键合的方法在常温下即可完成，无需表面镀电极或者光刻等，从而提高PPLN成品率，并且，能够提高PPLN的表面质量。