CN101950047A - 在磷酸钛氧钾晶体上制备准三维光子晶体的方法 - Google Patents
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Abstract
在磷酸钛氧钾晶体上制备准三维光子晶体结构的方法，属于光电子器件制备技术领域。具体制备方法如下：首先将KTP晶体切割为10mm×10mm×2mm的样品，对表面及相对两个端面进行光学抛光；将样品放入加速器靶室中进行离子注入形成平面光波导；用去离子水、酒精及丙酮清洗样品，在样品上甩涂BP218光刻胶，经曝光、显影、坚膜后形成光刻胶条形掩模；采用Ar离子束刻蚀制成脊形波导；在KTP脊型波导表面镀导电薄膜后，应用FIB系统在脊形波导区域刻蚀亚微米级光子晶体结构，通过调整系统参数及工作条件，得到性能良好的亚微米级准三维光子晶体。该发明可实现对光束的三维约束，用于制作作光子晶体滤波器、分束器、反射器等光电器件。
Description
技术领域
本发明涉及一种在磷酸钛氧钾晶体上制备准三维光子晶体结构的方法，属于光电子器件制备技术领域。
背景技术
磷酸钛氧钾(KTiOPO4，简称KTP)晶体是一种性能优良的非线性光学晶体，具有非线性系数大、电光系数高、倍频效率高、化学性质稳定的优点，是制作光电子器件的重要材料，在集成光学方面有较多应用。
聚焦离子束系统(FIB)集形貌观测、定位制样、薄膜沉积和无掩模刻蚀各过程于一身，具有优良的无掩模及高分辨刻蚀能力，已成为微纳米级加工领域中的重要技术手段。
光子晶体具有许多特异的物理现象，提供了一种控制光束传输的新方法，可以用于制作新型波导、光纤、滤波器等光电子器件，在光通讯和光集成领域有着广阔的应用前景，在1999年被美国权威学术期刊Science评为年度十大科技成就之一。根据目前公开的资料，制作光子晶体结构的主要方法有静电力自组织生长法、电化学方法、微加工刻蚀法，但由于技术水平及加工条件的限制，直接制作三维光子晶体还有一定的困难。英国学术期刊Nature公共了在半导体材料AlGaAs上(材料最终被湿法氧化成AlxOy)形成的GaAs脊型波导上制作二维六方格光子晶体的方法(Edmond Chow，Nature，Vol 407，26 OCTOBER 2000)。但是，在光学性能更为优良的氧化物晶体上制作光子晶体，将会在光电器件领域中拥有更广泛的应用前景。美国学术期刊Applied Physics Letters公布了将退火质子交换技术与FIB系统相结合在铌酸锂晶体上制作光子晶体的方法(Matthieu Roussey，Appl.Phys.Lett.87，241101(2005))，但目前将离子束技术与FIB技术相结合在KTP晶体上制作可以三维约束光束传输的光子晶体方案，目前还没有任何资料涉及。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种在磷酸钛氧钾晶体上制备准三维光子晶体的方法，该方法降低直接制作三维光子晶体的难度，所形成的结构在光通信波段范围内具备三维光子晶体的特性。
在磷酸钛氧钾晶体上制备准三维光子晶体的方法如下：
1)制备、处理样品：样品为Z切KTP晶体，尺寸为10mm×10mm，厚度为2mm；对样品表面及相对两个端面光学抛光，再先后用去离子水、酒精及丙酮清洗；
2)离子注入形成平面波导结构：将清洗好的KTP样品放入加速器靶室中进行轻离子或重离子注入，注入条件为：轻离子H+或He+，能量：400-550keV；重离子C+或O+或P+或Si+，能量：1MeV-6MeV；剂量为1×1013-5×1016离子/平方厘米；束流为20nA；
3)在平面波导结构制备光刻胶掩模：用匀胶机在平面波导结构上甩涂BP218光刻胶匀胶机转速为5000转/分钟，用遮光条纹间距为20-50微米，遮光条纹宽度为5-10微米的掩模板曝光，然后采用正胶显影液显影，放入恒温炉中坚膜，在平面波导结构表面形成光刻胶条形掩模；
4)对带有光刻胶条形掩模的平面波导结构进行Ar离子束刻蚀：Ar离子束能量范围是0.4-1.9KeV，束斑直径为30mm，束流密度为15-30毫安/平安厘米，刻蚀形成5-10微米宽、深度为0.5-1微米的KTP脊型波导，然后用丙酮除去光刻胶；
5)应用磁控溅射技术在KTP脊形波导样品表面镀铬膜，铬膜厚度为30nm；
6)应用FIB系统对KTP脊形波导区进行Ga离子束刻蚀，形成准三维光子晶体；准三维光子晶体为正方孔洞结构，孔洞间距为400-600nm，孔洞半径100-200nm，所用Ga+能量为30KeV，束流为50PA，单孔刻蚀2S。
通过KTP晶体折射率及光子晶体结构，确定周期以及刻蚀单元宽度与周期比值，使KTP光子晶体禁带可落在近红外波段以及可见光波段范围内；
调整形成KTP脊型波导时的注入的离子种类及剂量，使光子晶体与脊型波导区对同一频率同一偏振的光波具有约束作用；
确定完美光子晶体中的缺陷结构(点缺陷、线缺陷)，使其实现谐振腔、光波导的不同功能；
FIB系统刻蚀时所用Ga+能量在5KeV至30KeV范围内，Ga+束流直径可以聚焦到几纳米，可直接在KTP脊形波导区域精确制作周期在0.1微米至1微米范围内的光子晶体。通过向FIB系统输入不同刻蚀图形制备不同结构亚微米级光子晶体，通过调整系统参数及工作条件，得到性能良好的亚微米级准三维光子晶体。该方案可实现对光束的三维约束，用于制作光子晶体滤波器、分束器、反射器等光电器件。
附图说明
图1为本发明应用FIB系统在KTP晶体上制备准三维光子晶体的制作流程图。
图2A-图2E为本发明制备光子晶体结构的工艺步骤示意图。
图中：1.KTP晶体，2.MeV离子注入，3.平面波导层，4.光刻胶掩模，5.Ar离子束刻蚀，6.KTP脊型波导，7.FIB系统Ga离子刻蚀，8.亚微米级光子晶体结构。
具体实施方式
实施例1：
一种在磷酸钛氧钾晶体上制备准三维光子晶体结构的方法，方法为：
1)制备、处理样品：样品为Z切KTP晶体，尺寸为10mm×10mm，厚度为2mm；对样品表面及相对两个端面光学抛光，再先后用去离子水、酒精及丙酮清洗；
2)离子注入形成平面波导结构：将清洗好的KTP样品放入加速器靶室中进行轻离子或重离子注入，注入条件为：轻离子H+，能量：400keV；重离子C+，能量：1MeV；剂量为轻离子5×1016离子/平方厘米，重离子1×1013离子/平方厘米；束流为20nA；
3)在平面波导结构制备光刻胶掩模：用匀胶机在平面波导结构上甩涂BP218光刻胶匀胶机转速为5000转/分钟，用遮光条纹间距为20微米，遮光条纹宽度为5微米的掩模板曝光，然后采用正胶显影液显影，放入恒温炉中坚膜，在平面波导结构表面形成光刻胶条形掩模；
4)对带有光刻胶条形掩模的平面波导结构进行Ar离子束刻蚀：Ar离子束能量是1KeV，束斑直径为30mm，束流密度为15毫安/平安厘米，刻蚀形成5微米宽、深度为1微米的KTP脊型波导，然后用丙酮除去光刻胶；
5)应用磁控溅射技术在KTP脊形波导样品表面镀铬膜，铬膜厚度为30nm；
6)应用FIB系统对KTP脊形波导区进行Ga离子束刻蚀，形成准三维光子晶体；准三维光子晶体为正方孔洞结构，孔洞间距为500nm，孔洞半径150nm，所用Ga+能量为30KeV，束流为50PA，单孔刻蚀2S。
实施例2：
一种在磷酸钛氧钾晶体上制备准三维光子晶体结构的方法，方法与实施例1相同，不同之处在于，步骤2)中，注入条件为：轻离子He+，能量：500keV；重离子O+，能量：1.5MeV；步骤3)中，用遮光条纹间距为30微米，遮光条纹宽度为10微米的掩模板曝光；步骤4)中，Ar离子束能量是1.5KeV，束流密度为30毫安/平安厘米，刻蚀形成10微米宽、深度为0.8微米的KTP脊型波导；步骤6)中准三维光子晶体的孔洞间距为600nm，孔洞半径200nm。
Claims (1)
1.一种在磷酸钛氧钾晶体上制备准三维光子晶体的方法，其特征在于，制备方法如下：
1)制备、处理样品：样品为Z切KTP晶体，尺寸为10mm×10mm，厚度为2mm；对样品表面及相对两个端面光学抛光，再先后用去离子水、酒精及丙酮清洗；
2)离子注入形成平面波导结构：将清洗好的KTP样品放入加速器靶室中进行轻离子或重离子注入，注入条件为：轻离子H+或He+，能量：400-550keV；重离子C+或O+或P+或Si+，能量：1MeV-6MeV；剂量为1×1013-5×1016离子/平方厘米；束流为20nA；
3)在平面波导结构制备光刻胶掩模：用匀胶机在平面波导结构上甩涂BP218光刻胶匀胶机转速为5000转/分钟，用遮光条纹间距为20-50微米，遮光条纹宽度为5-10微米的掩模板曝光，然后采用正胶显影液显影，放入恒温炉中坚膜，在平面波导结构表面形成光刻胶条形掩模；
4)对带有光刻胶条形掩模的平面波导结构进行Ar离子束刻蚀：Ar离子束能量范围是0.4-1.9KeV，束斑直径为30mm，束流密度为15-30毫安/平安厘米，刻蚀形成5-10微米宽、深度为0.5-1微米的KTP脊型波导，然后用丙酮除去光刻胶；
5)应用磁控溅射技术在KTP脊形波导样品表面镀铬膜，铬膜厚度为30nm；
6)应用FIB系统对KTP脊形波导区进行Ga离子束刻蚀，形成准三维光子晶体；准三维光子晶体为正方孔洞结构，孔洞间距为400-600nm，孔洞半径100-200nm，所用Ga+能量为30KeV，束流为50PA，单孔刻蚀2S。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20110119 |