用离子注入和退火制备铌酸锂晶体波导的方法

(一)技术领域

本发明涉及一种铌酸锂晶体波导的制备方法，尤其适应于铌酸锂晶体的埋层条形和沟道波导的制备。属于光电子器件领域中的波导制备方法。

(二)背景技术

铌酸锂(LINbO₃)晶体是一种重要的多功能光学晶体，具有大的热电、压电、电光和光弹系数，而且性能稳定，容易生长出体积较大而且均匀性很好的单晶，成为光电子器件制造的重要材料。

条形波导结构是光电子器件的基本结构，由此为基础可以形成光开关、光调制器和滤波器等重要的光电子器件。根据公开铌酸锂晶体的波导的形成方法主要有高温扩散、离子交换、和轻离子(氢(H)、氦(He))注入等。美国学术期刊杂志《Applied Physics Letter》等公开了离子交换方法制备铌酸锂晶体的光波导制备方法(Wei-Yung，et al.，(1993)2012)，但由于离子交换是一个化学过程，受到晶向的限制，所形成的波导的非线性光学性质受到了影向；扩散需要高温(超过900℃)过程，不能良好的保持铌酸锂晶体的非线性特性；美国学术期刊杂志《Applied Optics》公开了氦(He)离子注入可以形成具有非线性光学性质的光波导(Fei Lu，et al.，Vol38，No.24(1999)5122)，其中注入剂量为1×10¹⁶离子/平方厘米到3×10¹⁶离子/平方厘米，由于注入剂量较大，注入时间较长，波导的制作成本较高。利用上述方法制备的条形波导受到晶体表面掩膜线条的限制，只能做到微米量级，而且只能在晶体表面形成沟道光波导。

(三)发明内容

本发明提出了一种制备铌酸锂晶体光波导的方法，不受掩膜线条的限制，能够在铌酸锂晶体上制备小于亚微米量级的可以较好保持晶体非线性特性的光波导，不但能够形成沟道光波导，还可以制备埋层条形波导。

本发明用离子注入和退火制备铌酸锂晶体波导的方法是：常温下采用重离子(指原子质量大于氦(He)的原子产生的离子)注入铌酸锂晶体造成注入层中晶体的极化发生变化，其结果是注入层中的异常光折射率产生变化，然后利用聚焦电子束扫描折射率改变的区域进行局域退火，可以使扫描区域的折射率高于未扫描区域，形成光波导结构。

本发明用离子注入和退火制备铌酸锂晶体的光波导的工艺流程为：首先对铌酸锂晶体进行表面和相对的两个端面光学抛光，进行清洗处理；利用加速器进行兆电子伏特(MeV)的离子注入；在注入区中造成了折射率的改变；用聚焦电子束按照需要的图形进行扫描退火；经过聚焦电子束扫描后的区域折射率增高，就形成了光波导结构，根据聚焦电子束扫描的区域不同能够形成埋层条形或者沟道光波导。

在本发明的工艺中，注入离子为：氮离子(N⁺)，氟离子(F⁺)，炭离子(C^-)，铜离子(Cu⁺)和镍离子(Ni⁺)；注入离子的能量为1MeV～6MeV；注入离子的剂量在1×10¹³离子/平方厘米到5×10¹⁵离子/平方厘米范围内，对于铜离子(Cu⁺)和炭离子(C^-)较为理想的剂量为10¹⁴离子/平方厘米量级，这比用轻离子注入低两个数量级，可以减小制造成本。为了增加离子注入的深度，可以采用上述离子的二价和三价态。

电子束扫描退火的电子束的能量范围为0.3～1.5兆电子伏特，束流范围为0.1～1000纳安培，束斑直径范围为0.01～100微米，区域的注入剂量范围为1×10¹⁰～1×10²²电子/平方厘米。

通过控制电子束的扫描路径，能够形成所需要图形的光波导，不需要制备掩膜，调整聚焦电子束束斑的大小，可以控制波导的线宽，调整聚焦电子束的扫描位置，能够形成埋层条形或者沟道光波导，由于电子束的直径可以聚焦到很小，可以造成纳米量级的折射率改变，这是其它方法很难做到的。退火还可以消除由离子注入引起的吸收损耗，可以降低光波导的损耗。该方法可在常温下进行，光波导的导模特性可以由制造工艺很好的控制，能够制作出具有很好非线性光学特性的多模和单模条形波导，根据该方法能够制作基于条形波导结构的光调制器和光开关等光电子器件和折射率光栅。

(四)附图说明：

图1为本发明的用离子注入和退火制备铌酸锂晶体波导的制作流程图；

图2A-图2C为用离子注入和退火制备铌酸锂晶体波导制作工艺示意图；

图3为用离子注入和退火制备铌酸锂晶体制作的埋层条形波导端面示意图；

图4为用离子注入和退火制备铌酸锂晶体制作的沟道波导端面示意图；

图5为图4的沟道波导俯视示意图。 

图中：1.X-切或Z-切的铌酸锂晶体，2.MeV离子注入，3.离子注入区折射率的改变层，4.聚焦电子束扫描，5.埋层条形波导，6.沟道波导。

(五)具体实施方式实施例一：Z-切的铌酸锂晶体的埋层条形和沟道波导的制备

样品处理：切割LiNbO₃晶体为Z切，尺寸为5毫米×4毫米，厚度为2毫米，表面及相对两个端面光学抛光。Z-切的铌酸锂晶体(1用中性清洗剂、去离子水和无水乙醇清洗后，准备离子注入。

离子注入：把准备好的样品放在加速器的靶室中，抽真空至10^-4帕斯卡(Pa)量级。进行MeV离子注入(2)，注入条件为：注入离子：炭离子(C⁺)，离子能量：3.0MeV(兆电子伏)，注入剂量：5.0×10¹⁴离子/平方厘米。离子束流为20纳安培，扫描面积为15厘米×20厘米。在这种条件下离子注入区的异常光折射率比注入前略为降低，形成离子注入区折射率的改变层(3)，该层的厚度为2.1微米。

电子束扫描：聚焦电子束扫描(4)的电子束能量为0.8兆电子伏特，束流为2.0纳安培，聚焦束斑为0.6微米，在据表面下1微米处扫描，在扫描区中可以使异常光的折射率增高，形成波导结构，该光波导是直径为0.7微米的埋层条形光波导(5)；在上述条件下，当把电子束斑调整为2.0微米在表面进行扫描，同样是扫描区的折射率增高，形成沟道光波导(6)。