一种在铌酸锂晶体上制备周期性波导光栅的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于波导光栅领域，具体涉及一种在铌酸锂晶体上制备周期性波导光栅的方法。
【背景技术】
[0002]随着光通信技术的快速发展，传统光纤光栅由于只能实现基于弹光效应(应力)或者热光效应(温度)的慢性调谐，因而在高速光通信及光传感领域中的应用受到很大的限制。与光纤光栅相比，波导光栅不仅可以突破光纤光栅结构上的局限性，而且波导材料具有多样性和多功能性，极大地拓展了光栅的应用范围。调谐波导光栅已经在聚合物、无机晶体、半导体等多种材料上实现，尤其是基于电光效应的可调谐的铌酸锂波导光栅，克服了传统光纤光栅调谐速度慢的弊端，实现了快速调谐，能够满足大容量，超高速光通信的技术要求，因而成为快速可调谐光栅的研宄热点。
[0003]目前，常见波导光栅的制备方法主要有激光写入法，离子束刻蚀法和电极调制法等，本文提出了一种新的制备波导光栅的方法，即利用二次钛扩散在铌酸锂上形成周期性的波导光栅。而钛扩散法制备铌酸锂波导的工艺已经发展的非常成熟，其实验操作简单，实验精度比较高，且实验成本比较低，这为利用二次钛扩散在铌酸锂晶体上制备周期性波导光栅提供了很好的工艺基础，使得实验易于操作，制备的光栅精密度较高，光栅周期可根据需要做相应调整，且成本较低，有利于推广应用。
【发明内容】
[0004]本发明目的是针对上述存在问题，提供一种在铌酸锂基片中制备周期性波导光栅的方法，该方法是以在铌酸锂中进行钛扩散可以提高铌酸锂折射率为原理基础，利用二次钛扩散在铌酸锂基片中制备周期性波导光栅；该制备方法简单、易于操作，制备的光栅精密度高，光栅周期可根据需要做相应调整，且成本较低，有利于推广应用。
[0005]本发明的技术方案:
[0006]一种利用二次钛扩散在铌酸锂基片中制备周期性波导光栅的方法，在铌酸锂中利用二次钛扩散在铌酸锂基片中制备周期性波导光栅，所述二次钛扩散包括两种方式:第一种方式为第一次钛扩散在铌酸锂基片中形成折射率周期性变化的光栅结构，第二次钛扩散在铌酸锂基片中形成单模条形波导结构；第二种方式为第一次钛扩散在铌酸锂基片中形成单模条形波导结构，第二次钛扩散在铌酸锂基片中形成折射率周期性变化的光栅结构，经第一次和第二次钛扩散后在铌酸锂基片中形成周期性波导光栅。
[0007]所述在铌酸锂基片中形成周期性波导光栅的第一种方式，制备方法如下:
[0008](一 )首先通过光刻技术在铌酸锂基片上形成周期性光栅结构的钛条，对铌酸锂基片进行第一次高温钛扩散，在铌酸锂基片中形成折射率周期性变化的光栅结构，步骤如下:
[0009]I)将铌酸锂基片依次用酒精和丙酮清洗干净并放在温度为120°C的加热板上进行烘烤，然后对铌酸锂基片进行匀胶，在铌酸锂基片表面附着一层光刻胶，光刻胶厚度为2_3um ；
[0010]2)利用栅格周期为180-210um或350-370nm的光栅掩膜板对上述均胶后的铌酸锂基片进行曝光，在显影剂中对光刻胶进行显影，然后将铌酸锂基片放置在加热板上烘烤，温度为120°C，时间lOmin，固化光刻胶，在铌酸锂基片表面的光刻胶形成周期性结构的光栅掩膜；
[0011]3)在上述在步骤2)得到的铌酸锂基片表面制备一层厚度为40-80nm的钛膜，然后将铌酸锂基片放入浓度大于99.5%丙酮溶液中Imin对光刻胶进行剥离，在铌酸锂基片上形成周期性光栅结构的钛条；
[0012]4)将上述铌酸锂基片放入高温扩散炉中进行第一次钛扩散，扩散温度为980-1150°C，扩散时间为4-8h，在铌酸锂基片中形成折射率周期性变化的光栅结构；
[0013]( 二)通过光刻技术铌酸锂基片上形成条形波导结构的钛条，对铌酸锂基片进行第二次高温钛扩散，在铌酸锂基片中形成单模条形波导结构，步骤如下:
[0014]I)用酒精和丙酮清洗(一)中步骤4)得到的铌酸锂基片，将铌酸锂基片放在温度为120°C的加热板上进行烘烤，然后对铌酸锂基片进行匀胶，在铌酸锂基片表面附着一层光刻胶，光刻胶厚度为2-3um ；
[0015]2)利用条宽为4-8um的波导掩膜板对上述铌酸锂基片进行曝光，在显影剂中对光刻胶进行显影，然后将铌酸锂基片放置在加热板上烘烤，温度为120°C，时间lOmin，固化光刻胶，在铌酸锂基片表面的光刻胶形成条形结构的波导掩膜；
[0016]3)在上述在步骤2)得到的铌酸锂基片表面制备一层厚度为60-90nm的钛膜，然后将铌酸锂基片放入浓度大于99.5%的丙酮溶液中lmin，在铌酸锂基片上形成波导结构的钛条；
[0017]4)将步骤上述铌酸锂基片放入高温扩散炉中进行第二次钛扩散，扩散温度为980-1150°C，扩散时间为6-9h，在铌酸锂基片中形成单模条形波导结构。
[0018]所述在铌酸锂基片中形成周期性波导光栅的第二种方式，制备方法如下:
[0019](一 )首先通过光刻技术在铌酸锂基片上形成条形波导结构的钛条，对铌酸锂基片进行第一次高温钛扩散，在铌酸锂基片中形成单模条形波导结构，步骤如下:
[0020]I)将铌酸锂基片依次用酒精和丙酮清洗干净并放在温度为120°C的加热板上进行烘烤，然后对铌酸锂基片进行匀胶，在铌酸锂基片表面附着一层光刻胶，光刻胶厚度为2_3um ；
[0021]2)利用条宽为4-8um的波导掩膜板对上述铌酸锂基片进行曝光，在显影剂中对光刻胶进行显影，然后将铌酸锂基片放置在加热板上烘烤，温度为120°C，时间lOmin，固化光刻胶，在铌酸锂基片表面的光刻胶形成条形结构的波导掩膜；
[0022]3)在上述在步骤2)得到的铌酸锂基片表面制备一层厚度为40-80nm的钛膜，然后将铌酸锂基片放入浓度大于99.5%的丙酮溶液中lmin，在铌酸锂基片上形成波导结构的钛条；
[0023]4)将上述铌酸锂基片放入高温扩散炉中进行第一次钛扩散，扩散温度为980-1150°C，扩散时间为4-8h，在铌酸锂基片中形成单模条形波导结构；
[0024]( 二)通过光刻技术在铌酸锂基片上形成周期性光栅结构的钛条，对铌酸锂基片进行第二次高温钛扩散，在铌酸锂基片中形成折射率周期性变化的光栅结构，步骤如下；
[0025]I)用酒精和丙酮清洗(一)中步骤4)得到的铌酸锂基片，将铌酸锂基片放在温度为120°C的加热板上进行烘烤，然后对铌酸锂基片进行匀胶，在铌酸锂基片表面附着一层光刻胶，光刻胶厚度为2-3um ；
[0026]2)利用栅格周期为180-210um或350-370nm的光栅掩膜板对上述均胶后的铌酸锂基片进行曝光，在显影剂中对光刻胶进行显影，然后将铌酸锂基片放置在加热板上烘烤，温度为120°C，时间lOmin，固化光刻胶，在铌酸锂基片表面的光刻胶形成周期性结构的光栅掩膜；
[0027]3)在上述在步骤2)得到的铌酸锂基片表面制备一层厚度为60_90nm的钛膜，然后将铌酸锂基片放入浓度大于99.5%的丙酮溶液中lmin，在铌酸锂基片上形成波导结构的钛条；
[0028]4)将上述铌酸锂基片放入高温扩散炉中进行第二次钛扩散，扩散温度为980-1150°C，扩散时间为6-9h，在铌酸锂基片中形成折射率周期性变化的光栅结构。
[0029]所述在铌酸锂基片中形成的光栅结构的周期由光栅掩膜板的栅格周期决定，当使用的光栅掩膜板的栅格周期为长周期时，在铌酸锂基片中形成的光栅结构的周期为长周期；当使用的光栅掩膜板的栅格周期为短周期时，在铌酸锂基片中形成的光栅结构的周期为短周期。
[0030]所述在铌酸锂基片中形成光栅结构的方法，在铌酸锂基片中形成光栅结构时，最大折射率变化量及折射率分布由钛膜厚度、扩散时间和扩散温度决定，当钛膜厚度为40-80nm、扩散时间为4_8h、扩散温度为980-1150 °C时，其最大折射率变化量为0.0075-0.0012，折射率分布近似服从高斯分布。
[0031]本发明的工作原理:
[0032]由于在铌酸锂晶体中掺杂钛金属时，铌酸锂晶体的折射率会变大，则可以利用二次钛扩散的方法来制备铌酸锂波导光栅。可以首先通过光刻技术在铌酸锂基片上形成周期性光栅结构的钛条，对铌酸锂基片进行第一次高温钛