用離子注入和退火製備鈮酸鋰晶體波導的方法

2023-06-10 22:29:06 3

專利名稱：用離子注入和退火製備鈮酸鋰晶體波導的方法
技術領域：
本發明涉及一種鈮酸鋰晶體波導的製備方法，尤其適應於鈮酸鋰晶體的埋層條形和溝道波導的製備。屬於光電子器件領域中的波導製備方法。
條形波導結構是光電子器件的基本結構，由此為基礎可以形成光開關、光調製器和濾波器等重要的光電子器件。根據公開鈮酸鋰晶體的波導的形成方法主要有高溫擴散、離子交換、和輕離子(氫(H)、氦(He))注入等。美國學術期刊雜誌《Applied Physics Letter》等公開了離子交換方法製備鈮酸鋰晶體的光波導製備方法(Wei-Yung，et al.，(1993)2012)，但由於離子交換是一個化學過程，受到晶向的限制，所形成的波導的非線性光學性質受到了影向；擴散需要高溫(超過900℃)過程，不能良好的保持鈮酸鋰晶體的非線性特性；美國學術期刊雜誌《Applied Optics》公開了氦(He)離子注入可以形成具有非線性光學性質的光波導(Fei Lu，et al.，Vol38，No.24(1999)5122)，其中注入劑量為1×1016離子/平方釐米到3×1016離子/平方釐米，由於注入劑量較大，注入時間較長，波導的製作成本較高。利用上述方法製備的條形波導受到晶體表面掩膜線條的限制，只能做到微米量級，而且只能在晶體表面形成溝道光波導。
本發明用離子注入和退火製備鈮酸鋰晶體波導的方法是常溫下採用重離子(指原子質量大於氦(He)的原子產生的離子)注入鈮酸鋰晶體造成注入層中晶體的極化發生變化，其結果是注入層中的異常光折射率產生變化，然後利用聚焦電子束掃描折射率改變的區域進行局域退火，可以使掃描區域的折射率高於未掃描區域，形成光波導結構。
本發明用離子注入和退火製備鈮酸鋰晶體的光波導的工藝流程為首先對鈮酸鋰晶體進行表面和相對的兩個端面光學拋光，進行清洗處理；利用加速器進行兆電子伏特(MeV)的離子注入；在注入區中造成了折射率的改變；用聚焦電子束按照需要的圖形進行掃描退火；經過聚焦電子束掃描後的區域折射率增高，就形成了光波導結構，根據聚焦電子束掃描的區域不同能夠形成埋層條形或者溝道光波導。
在本發明的工藝中，注入離子為氮離子(N+)，氟離子(F+)，炭離子(C-)，銅離子(Cu+)和鎳離子(Ni+)；注入離子的能量為1MeV～6MeV；注入離子的劑量在1×1013離子/平方釐米到5×1015離子/平方釐米範圍內，對於銅離子(Cu+)和炭離子(C-)較為理想的劑量為1014離子/平方釐米量級，這比用輕離子注入低兩個數量級，可以減小製造成本。為了增加離子注入的深度，可以採用上述離子的二價和三價態。
電子束掃描退火的電子束的能量範圍為0.3～1.5兆電子伏特，束流範圍為0.1～1000納安培，束斑直徑範圍為0.01～100微米，區域的注入劑量範圍為1×1010～1×1022電子/平方釐米。
通過控制電子束的掃描路徑，能夠形成所需要圖形的光波導，不需要製備掩膜，調整聚焦電子束束斑的大小，可以控制波導的線寬，調整聚焦電子束的掃描位置，能夠形成埋層條形或者溝道光波導，由於電子束的直徑可以聚焦到很小，可以造成納米量級的折射率改變，這是其它方法很難做到的。退火還可以消除由離子注入引起的吸收損耗，可以降低光波導的損耗。該方法可在常溫下進行，光波導的導模特性可以由製造工藝很好的控制，能夠製作出具有很好非線性光學特性的多模和單模條形波導，根據該方法能夠製作基於條形波導結構的光調製器和光開關等光電子器件和折射率光柵。


圖1為本發明的用離子注入和退火製備鈮酸鋰晶體波導的製作流程圖；圖2A-圖2C為用離子注入和退火製備鈮酸鋰晶體波導製作工藝示意圖；圖3為用離子注入和退火製備鈮酸鋰晶體製作的埋層條形波導端面示意圖；圖4為用離子注入和退火製備鈮酸鋰晶體製作的溝道波導端面示意圖；圖5為圖4的溝道波導俯視示意圖。
圖中1.X-切或Z-切的鈮酸鋰晶體，2.MeV離子注入，3.離子注入區折射率的改變層，4.聚焦電子束掃描，5.埋層條形波導，6.溝道波導。
離子注入把準備好的樣品放在加速器的靶室中，抽真空至10-4帕斯卡(Pa)量級。進行MeV離子注入(2)，注入條件為注入離子炭離子(C+)，離子能量3.0MeV(兆電子伏)，注入劑量5.0×1014離子/平方釐米。離子束流為20納安培，掃描面積為15釐米×20釐米。在這種條件下離子注入區的異常光折射率比注入前略為降低，形成離子注入區折射率的改變層(3)，該層的厚度為2.1微米。
電子束掃描聚焦電子束掃描(4)的電子束能量為0.8兆電子伏特，束流為2.0納安培，聚焦束斑為0.6微米，在據表面下1微米處掃描，在掃描區中可以使異常光的折射率增高，形成波導結構，該光波導是直徑為0.7微米的埋層條形光波導(5)；在上述條件下，當把電子束斑調整為2.0微米在表面進行掃描，同樣是掃描區的折射率增高，形成溝道光波導(6)。
權利要求
1.一種利用離子注入和退火製備鈮酸鋰晶體波導的方法，包括離子注入和電子束退火。其特徵在於用一定能量和劑量的離子注入形成注入區的折射率改變層，再用聚焦電子束進行掃描退火，在掃描區形成埋層條形或溝道光波導。
2.按照權利要求1所述，其特徵在於注入離子分別包括以下一種離子注入或兩種以上的離子組合注入氮離子(N+)，氟離子(F+)，炭離子(C+)，銅離子(Cu+)和鎳離子(Ni+)。注入離子還可利用離子的二價態或三價態。
3.按照權利要求1所述，其中所述的注入離子的能量範圍為1.0～6.0兆電子伏特。
4.按照權利要求1所述，其中所述的注入劑量範圍為1×1013～5×1015離子/平方釐米。
5.按照權利要求1所述，其中所述的用進行掃描退火，電子束的能量範圍為0.3～1.5兆電子伏特，束流範圍為0.1～1000納安培，束斑直徑範圍為0.01～100微米，區域的注入劑量範圍為1×1010～1×1022電子/平方釐米。
全文摘要
本發明用離子注入和退火製備鈮酸鋰晶體波導的方法，至少應包含離子注入和電子束退火等步驟。採用能量1MeV～6MeV的C
文檔編號C30B31/00GK1439750SQ03111918
公開日2003年9月3日 申請日期2003年3月4日 優先權日2003年3月4日
發明者盧霏, 胡卉, 陳 峰, 王雪林, 王克明 申請人:山東大學