一種大周期布拉格波導光柵結構及其製備方法與流程

2023-11-10 07:32:52

本發明屬于波導光柵領域，具體涉及一種大周期布拉格波導光柵的結構及其製備方法。

背景技術：
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光柵可以分為透射型和反射型兩類。布拉格光柵屬於反射型光柵，其工作原理是正向傳輸的導模和反向傳輸的導模在光柵區域產生能量耦合，形成特定波長的反射波。目前，布拉格光柵在傳感器、濾波器等光器件中有廣泛地應用。布拉格光柵根據材料又可以分為光纖布拉格光柵(FBG)和波導布拉格光柵(WBG)。隨著通信技術尤其是光通信技術的快速發展，傳統的光纖光柵由於只能實現基於彈光效應(應力)或者熱光效應(溫度)的慢性調諧，因而在高速光通信及光傳感領域中的應用受到很大的限制。與光纖光柵相比，波導光柵不僅可以突破光纖光柵結構上的局限性，而且波導材料具有多樣性和多功能性，極大地拓展了光柵的應用範圍。目前波導光柵已經在聚合物、無機晶體、半導體等多種材料上實現。能夠滿足大容量，超高速光通信的技術要求，因而成為當前的研究熱點。

雖然波導結構光柵突破了光纖光柵結構上的局限性，但是對於小周期的布拉格光柵，由於其周期非常小，通常為幾十到幾百納米，對製備工藝要求非常高，製備方法複雜，成本較高。

技術實現要素：
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本發明的目的主要是解決基於不同材料小周期布拉格波導光柵製備複雜的問題，提出了一種大周期布拉格波導光柵的結構及其製備方法。該結構在功能上具有與小周期布拉格波導光柵相同的特性，製備方法比小周期布拉格波導光柵更簡單，成本更低，具有廣泛的應用前景。

本發明的方案：

本發明提出的大周期布拉格波導光柵結構的波導寬度呈周期性變化，寬度變化周期>1um，所述波導寬度的變化形狀可以不同，圖1中波導寬度為雙邊矩形變化，圖2所示為波導寬度單邊矩形變化，此外變化形狀還可以為鋸齒形、正弦形等，基片材料可以為鈮酸鋰，矽，聚合物等。

本結構光柵周期>1um，能夠實現紅外波段(0.8-2um)的布拉格反射。本發明提出的結構還可以實現高階項的反射，並且隨著波導寬度差增大，最大反射率增大，中心波長向長波方向移動，波導寬度的變化形狀以及波導寬度的佔空比對反射率均產生影響，隨著佔空比的增大，反射率呈周期性變化；當佔空比一定時，光柵越長反射率越大。

本發明提出的大周期布拉格波導光柵的製備方法：

第1步、首先利用紫外曝光法在基片上製備紅外波段(0.8-2um)的大周期布拉格波導光柵的掩膜圖形，其步驟如下：

製備好具有大周期布拉格波導光柵圖形的掩膜板。掩膜板的圖形根據需要的波導寬度的變化函數進行製備，圖3所示為波導寬度呈雙邊矩形變化掩膜板圖形，圖4所示為波導寬度呈單邊矩形變化掩膜板圖形，此外變化函數還可以為鋸齒變化，三角變化等。波導寬度的變化函數可以為矩形函數，鋸齒函數，三角函數等。

準備好掩膜板後，對清洗乾淨的基片進行勻膠處理，在基片上滴上光刻膠，然後放在勻膠機上，設定勻膠機轉速為1500r/min，時間15s，然後設定轉速3000r/min，時間60s，之後放在加熱板上烘乾，固化光刻膠。圖5所示為勻膠完成後的基片。

勻膠完成後，利用紫外曝光機對基片進行曝光處理，採用接觸式曝光方式，即將掩膜板放在基片上與光刻膠層直接接觸，然後對覆有掩膜板的基片進行曝光，曝光時間20s。

曝光完成後進行顯影操作，將基片放入顯影液(50:7的水和四甲基氫氧化銨)中輕輕晃動，使溶液與晶片充分接觸，達到顯影的效果。

顯影的基本原理為曝光部分和未曝光部分的光刻膠對鹼性溶液具有不同溶解性，可以實現掩模圖形的轉移。顯影后用蒸餾水衝洗基片，然後放在加熱板上烘乾。

顯影完成後會在基片上形成與掩膜圖形相同的紅外波段大周期布拉格波導光柵圖形。圖6所示為完成顯影后的基片。

第2步、在基片上製備好紅外波段的大周期布拉格波導光柵的掩膜圖形後，根據選擇的基片的材料，採用相應的常規波導製備工藝在基片上製備出與掩膜圖形相同的布拉格波導光柵結構。

本發明提出了一種大周期布拉格波導光柵結構，該結構波導寬度呈周期性變化，變化周期大於1um，能夠實現紅外波段的反射。並提出一種該結構的製備方法，這種方法利用成熟的波導製備工藝在基片上形成與光柵掩膜圖形一致的結構；只需進行一次常規的波導製備工藝就可實現大周期布拉格波導光柵的製備；與常規的製備波導的方法的不同之處在於其光柵掩膜圖形不同。

本發明的優點和有益效果：

本發明提出的大周期布拉格波導光柵結構，能夠實現紅外波段(0.8-2um)的反射，在窄帶濾波方面具有比低階小周期布拉格光柵更好的特性的特性。與當前常用的低階小周期布拉格波導光柵的製備方法相比，本發明提出的製備方法也更為簡單，成本低廉，僅利用當前發展較為成熟的紫外曝光法和常規的波導製備工藝，即可實現波導光柵結構的製備，應用前景廣闊。

附圖說明

圖1波導寬度為雙邊矩形變化大周期布拉格波導光柵結構。

圖2波導寬度為單邊矩形變化大周期布拉格波導光柵結構。

圖3波導寬度為雙邊矩形變化大周期布拉格波導光柵掩膜板。

圖4波導寬度為單邊矩形變化大周期布拉格波導光柵掩膜板。

圖5勻膠後的基片。

圖6顯影后的基片。

具體實施方式

實施例1：在鈮酸鋰晶體上製備大周期布拉格波導光柵結構，製備步驟如下：

(1)利用紫外曝光技術將掩膜圖形曝光在鈮酸鋰基片上：

首先清洗基片，利用高濃度酒精或丙酮溶液擦拭鈮酸鋰基片，擦拭乾淨後用蒸餾水衝洗並烘乾。

烘乾後將清洗乾淨的鈮酸鋰基片放在勻膠機上，將光刻膠滴在基片上，然後設定勻膠機轉速為1500r/min，時間15s，然後設定轉速3000r/min，時間60s，之後放在加熱板上烘乾，固化光刻膠，此時在鈮酸鋰基片上形成厚度為5-6um的光刻膠層，如圖5所示。勻膠完成後，利用紫外曝光機對鈮酸鋰基片進行曝光處理，採用接觸式曝光方式，即將掩膜板放在鈮酸鋰基片上與光刻膠層直接接觸，然後利用紫外曝光機對覆有掩膜板的鈮酸鋰基片進行曝光處理，曝光時間為20s。

上述掩膜板上具有本發明提出的大周期布拉格波導光柵結構圖形，掩膜板上透光部分形狀布拉格波導光柵圖形一致，其餘部分為不透光的黑色，如圖3(雙邊矩形變化),圖4(單邊矩形變化)所示。

曝光完成後進行顯影操作，將鈮酸鋰基片放入顯影液(50:7的水和四甲基氫氧化銨)中輕輕晃動，使溶液與鈮酸鋰基片充分接觸，達到顯影的效果，顯影的基本原理為曝光部分和未曝光部分的光刻膠對鹼性溶液具有不同溶解性，可以實現掩模圖形的轉移。顯影后用蒸餾水衝洗基片，然後放在加熱板上烘乾。

顯影完成後會在鈮酸鋰基片上形成與掩膜圖形相同的紅外波段大周期布拉格波導光柵圖形。

(1)利用鈦擴散工藝在鈮酸鋰基片上製備大周期布拉格波導光柵結構：

在上述製備好的鈮酸鋰基片表面利用濺射法製備一層60nm的鈦膜，濺射法的工藝參數為：濺射機鐘罩內氣壓為5pa量級、在電流為0.1A下濺射5分鐘，然後在電流為0.06A下濺射10分鐘，至鈦膜厚度為60nm。

濺射完成後，將附有鈦膜的鈮酸鋰基片放入高濃度(>99v％)的丙酮溶液中，將基片上未曝光部分的光刻膠溶解掉，此時光刻膠上面的鈦膜也會一同被洗掉，這時會在鈮酸鋰基片表面形成與掩膜圖形相同的鈦條大周期布拉格波導光柵結構。

將上述鈮酸鋰基片放入高溫擴散爐中進行鈦擴散，擴散溫度為1030℃，擴散時間6h，在鈮酸鋰基片上形成大周期布拉格波導光柵結構。該結構與本發明提出的大周期布拉格波導光柵結構相同，與掩膜板上的圖形一致。

實施例2：在矽片上製備大周期布拉格波導光柵結構。

首先利用紫外曝光技術在矽片上形成大周期布拉格波導光柵圖形。具體步驟同實施例1。之後利用常規的在矽片上製備波導的工藝在矽片上製備大周期布拉格波導光柵結構。此處仍然可以採用濺射的方法製備光柵結構。

實施例3：在聚合物上製備大周期布拉格波導光柵結構

在聚合物上製備大周期布拉格波導光柵的方法與上述方法一致，首先利用紫外曝光技術在聚合物表面形成大周期布拉格波導光柵圖形，具體步驟同實施例1；然後根據選擇的聚合物材料，選擇相應的波導製備工藝，在聚合物上製備出與掩膜圖形一致的大周期布拉格波導光柵結構。