4.1 光波导制作概述
4.1.3 材料与制作技术
制作技术
材料
高分子 化合物
玻璃
硫硒碲 化合物
LiNbO3 LiTaO3
ZnO
Nb2O5 Ta2O5
Si3N4
YIG
旋转涂敷
√
淀
真空镀膜
√
积
溅射
√
√
√
√
法 化学汽相沉积(CVD)
√
√
√
聚合
√
热扩散
√
离子交换
√
√
离子注入
√
外 液相外延生长(LPE)
√
√
延 汽相外延生长(VPE)
4.1 光波导制作概述
4.1.2 光波导制作难点
1、要求加工精度高 2、图形复杂 3、材料多样
波导的图形与尺寸是由器件所需要达到的设计尺寸决定的，即使在可见光范 围内，多数情况下的波导宽度也都 3µm 以上，因此，图形形成时通常都可以采 用光刻技术。集成光路中光波导的横向精度要达到 µm数量级以下，而且这个精 度不只是在某一个点的精度，而是在沿着光传输轴方向波导宽度都必须达到的精 度。
钠玻璃
K+:玻璃
钠玻璃
SiO2-B2O3-GeO2
离子：熔石英 As2S3
As40Se10
熔石英
熔石英 玻璃 玻璃
制作方法
离子交换 离子交换
CVD 离子注入
镀膜 镀膜
λ/µm 0.633
0.633
0.633 0.633 1.06 1.06
波导特性 Δn/nf
Δn=2-10×10-2
Δn=8-20×10-3
√
表4-1汇总了典型的光波导材料以及用它们制作波导的方法
材料与制作方法的选择遵循下述原则：波导层厚度和折射率的误差都要小，而且均匀； 传输损耗小，通常应在ldB/cm以下，换言之，光学透明度好，表面凹凸小，光学散射少； 在晶体的情况下，纯度和光轴应符合要求；强度大，与衬底附着性好；工艺重复性好。
4.1 光波导制作概述
【本章教学目的和学习目标】
掌握制备光波导薄膜材料 掌握光波导衬底材料的特性 掌握无源材料光波导的制备技术 掌握有源材料光波导的制备技术 掌握光刻技术和工艺 掌握光波导的加工技术 掌握条形波导的制作方法 掌握条形波导电极制作方法
第4章 光波导的制备技术
【本章引言】
光波导的制备通常需要两个过程，首先是要制作光波导薄膜，然后在 光波导薄膜上制作光波导器件最终形成集成光路。光波导薄膜的制作技术 主要包括原子掺杂技术，淀积技术，外延生长技术和电光技术。通过这些 技术可以制作出光波导薄膜。光路几何图形的微细加工技术主要包括化学 腐蚀法刻蚀和离子束刻蚀。进行刻蚀的目的：一是规定光的传输方向，让 光在通道上有效通过，二是在规定的通道上加工制作不同光波导器件以便 对光信号进行调制、分束、开关和探测。本章将在介绍光波导材料和衬底 材料的基础上，重点讲述有源材料和无源材料光波导的制作技术；光路几 何图形的微细加工技术和光波导电极的制作方法。
Δn <10-2 Δn=0.13 nf=2.20/2.29 Δn=2-4×10-2 Δn=10-2
β(dB/cm) 1 1-2 1 <3 1-2 2
表4-4表明，通常利用扩散技术制作铌酸锂波导。
4.1 光波导制作概述
4.1.4 波导的结构、制作方法和特性
波导结构
波导层
衬底
ZnO(多晶) ZnO(单晶)
4.1 光波导制作概述
4.1.1 光波导导光薄膜材料
导波光学有两个目的：一是制造微型薄膜光学元件，二是制造集成 光路。制作光波导的材料很多，可以分为衬底材料和导光薄膜材料。
对于导光薄膜材料的选择应当遵循两个基本原则：一是导光薄膜材料的折射 率高于衬底折射率的材料，二是导光薄膜材料能牢固涂敷在衬底上的材料。
0.633
波导特性
Δn/nf nf =2.015 nf =2.002 nf =2.1-2.3 nf =1.9-2. 2 nf =1.46-2.08
4.1.4 波导的结构、制作方法和特性
表4-2到表4-6列出了不同材料的波导的结构、制作方法和特性
材料
制作技术
旋转涂敷
淀
真空镀膜
积
溅射
法
化学汽相沉积(CVD)
聚合
热扩散
离子交换
离子注入
外
液相外延生长(LPE)
延
汽相外延生长(VPE)
高分子 化合物
√
√
玻璃 硫硒碲化 LiNbO3 合物 LiTaO3
√
Nb2O5 Ta2O5 （SiO2)x –(Ta2O5)y
玻璃，SiO2/Si Al2O3
玻璃，SiO2/Si 玻璃，SiO2/Si
玻璃，SiO2/Si
Si3N4
SiO2/Si
制作方法
溅射 溅射，CVD
反应溅射 反应溅射
溅射 CVD
λ/µm 0.633 0.633 0.633 0.633 0.633
Δn~10-2 Δn=2-50×10-3
nf =2.36 nf =2.28
β(dB/cm) 4-5
1
0.1 0.2 0.2-0.4 0.4
表4-3表明，通常利用离子交换制作玻璃波导，利用镀膜制作硫、硒、碲系波导。
4.1 光波导制作概述
4.1.4 波导的结构、制作方法和特性
波导结构
波导层
Ti:LiNbO3 LiNbO3-LiO2 H+ 光波导制作概述 4.2 光波导衬底材料及加工 4.3 无源材料光波导制备技术 4.4 有源材料光波导制备技术 4.5 光路几何图形的加工工艺 4.6 光刻技术 4.7 电子束扫描法 4.8 光波导加工技术 4.9 条形波导的制作方法
第4章 光波导的制备技术
√
√
√
√
√
√
√
√
ZnO √ √
√
Nb2O5 Ta2O5
Si3N4
YIG
√ √
√
表4-2表明，通常利用旋转涂敷的方法制作聚氨脂、环氧树脂和光致抗蚀剂波导，利 用光聚合法制作PMMA、聚碳酸脂和光聚合物波导。
4.1 光波导制作概述
4.1.4 波导的结构、制作方法和特性
波导结构
波导层
衬底
Ag+,Ti+:玻璃
导光薄膜材料可以是线性光学材料(linear optical material)，也可以是非 线性光学材料(nonlinear optical material)。
线性材料一般只用于光传输，但通常情况下，要对传输的信号进行处理，使 之具有放大、开光、偏转等能力，因此，非线性材料在光波导制造中十分重要。
LiNbO3 Nb:LiNbO3 Cμ:LiNbO3
衬底
LiNbO3 LiNbO3 LiNbO3 LiTaO3
玻璃 玻璃
制作方法
热扩散 LiO2外扩散 质子交换 外延生长
热扩散 电场热扩散
λ/µm 0.633 0.633 0.633 0.633 0.633 0.633
波导特性
Δn/nf Δn=5-30×10-3