(完整版)第4章光波导的制备技术
光波导器件的设计与制备研究
光波导器件的设计与制备研究近年来，随着光通信和光电子技术的飞速发展，光波导器件作为重要的光学器件之一，其研究和应用也得到了广泛关注。
本文将介绍光波导器件的设计与制备研究，探讨其在光通信、光电子领域中的重要性和前景。
1. 光波导器件的概念和基本原理光波导器件是指利用光的全内反射现象，在一个特定材料中限制和输送光信号的器件。
其基本原理是光在高折射率材料和低折射率材料的分界面上，以全内反射的方式传播，从而实现对光信号的控制和传输。
2. 光波导器件的设计方法在光波导器件的设计过程中，首先需要选择适当的材料，并进行材料的特性分析和参数测量。
然后，根据设计要求和需求，采用数值模拟和光学计算方法进行器件的结构优化和性能调试。
最后，通过实验制备和测试，验证光波导器件的性能和稳定性。
3. 光波导器件的制备技术光波导器件的制备是实现其设计和应用的重要环节。
常用的制备技术包括光刻、离子注入、溅射和等离子体增强化学气相沉积等。
其中，光刻技术是制备光波导器件不可或缺的工艺，它可以通过光刻胶对器件的光学结构进行精确的图案转移。
离子注入技术则可以改变器件中的材料折射率，并实现对光信号的调控和控制。
4. 光波导器件的应用领域光波导器件的设计与制备研究不仅是学术研究的重要方向，也是实现光通信、光电子等领域应用的关键技术。
在光通信领域，光波导器件可以用于实现高速光纤通信、光互连、光开关等功能。
在光电子领域，光波导器件可以用于激光器、光学传感器、光调制器等器件的制备和集成。
5. 光波导器件的挑战与展望尽管光波导器件在光通信和光电子领域有着广泛的应用前景，但其设计和制备过程中仍然存在一些挑战。
例如，器件的尺寸缩小和集成度提高对制备工艺和技术要求更高；器件的损耗和传输性能的互相制约需要进行更精确和全面的优化。
未来，研究人员可通过跨学科的合作，进一步完善光波导器件的设计和制备技术，推动其应用领域的发展。
总结起来，光波导器件的设计与制备研究是光通信和光电子领域重要的研究方向之一。
光波导的制备
12.3.5 离子注入法 (Ion implantation)
将重离子或者轻离子（技术及性质有一定差别）加速后注入事 先制作好的晶体或者其他材料中，注入位置的性质（包括折射率） 发生变化，并呈一定分布。 轻离子使折射率下降 （He +、Li + ） 一般重离子使折射率增加（Si+、P+）
也使系统工作不稳定。
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第12章 光波导的制备
12.3 薄膜制备
12.3.3 中频、射频磁控溅射法 MFMS、RFMS
10～80kHz 、十几～几十MHz
直流偏压
双靶溅射。溅射过程中的每 氩气
氧气
个靶在一个溅射周期内先后承
担阴/阳、阳/阴极的作用，正负
样品 架
真 空
离子交替轰击靶面。
室
绝缘靶材或导电性很差的非金 属靶材，如陶瓷、玻璃等，一般
沉积系统示意图
优点：适用于多组元化合物的沉积；可以蒸发金属、半导体、陶
瓷等无机材料，有利于解决难熔材料的薄膜沉积问题；能够可控沉
积高质量纳米薄膜；换靶装置便于实现多层膜及超晶格的生长。
缺点：沉积的薄膜中有时会有熔融小颗粒或靶材碎片，在激光烧
蚀过程中喷溅出来，这些颗粒的存在降低了薄膜的质量。
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第12章 光波导的制备
优点：适用范围广，100多种光学材料；
可以形成“晶体”波导，晶体保持原有的属性；
在常温或低温下完成；
准确控制光波导的特征参数；
重复性好；
可以与其它技术相结合等等。
缺点：对波导材料有损伤，需要退火处理。
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第12章 光波导的制备
12.3 薄膜制备
12.3.6 薄膜制备的化学方法 （CVD)
(完整版)第4章光波导的制备技术
透光范围/µm 0.12-4.5
0.21-5.0 0.28-4.5 0.44-3.4
表4-8表明，用于衬底玻璃的材料主要为熔石英、高硼硅酸玻璃、派热克斯玻璃和钠玻璃。
4.2 光波导衬底材料及加工
4.2.1 光波导衬底材料
材料 LiNbO3 LiTaO3
波长/µm 0.633 1.0 0.633 1.2
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)
洗好的衬底需要用简单而快速的方法进行检验，通常利用水消法和照 射法。水消法是将洗干净的衬底表面浸入去离子水当中，然后观察其干 燥的图样。若衬底表面不存在有机残留物，则去离子水能够均匀浸湿衬 底表面，由于缓慢蒸发，水几乎完全消失，在水层变得很薄时会显现出 干涉色。
【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。
平面光波导的制备与测试技术
平面光波导的制备与测试技术光通信作为一种高速、大容量的通信方式，在现代通信领域中扮演着重要角色。
而平面光波导作为光通信中的核心组件之一，其制备与测试技术的发展对于提高光通信的性能和可靠性起着至关重要的作用。
一、平面光波导的制备技术平面光波导的制备过程主要包括材料选择、器件设计和加工工艺三个环节。
首先，材料选择是平面光波导制备的基础。
常见的平面光波导材料有硅(Si)、氧化硅(SiO2)、聚合物等。
硅是一种优良的基底材料，具有优异的光学和电子特性，被广泛应用于平面光波导的制备。
而氧化硅和聚合物则具有较好的光学特性和加工性能，适用于一些特殊需求的光波导器件。
其次，器件设计是平面光波导制备的核心。
器件设计主要包括平面光波导核心层的宽度、厚度等参数的确定，以及相应的布线规则。
平面光波导的核心层应保证光的传输效果，一般会采用较薄的材料。
此外，根据需要，还可以设计一些附加的结构，如激光器、光电探测器等。
最后，加工工艺是平面光波导制备的关键。
平面光波导的加工工艺主要包括光刻、湿法刻蚀、干法刻蚀和热压等步骤。
光刻是通过光干涉技术制备光刻胶阻隔层的过程，湿法刻蚀和干法刻蚀则用来刻蚀材料，以形成平面光波导结构。
热压则用来固定光波导结构与衬底之间的粘合。
二、平面光波导的测试技术平面光波导的测试技术对于确保器件的性能和可靠性至关重要。
首先，常见的平面光波导测试技术包括波导特性测试和光输出功率测试。
波导特性测试主要关注光波导的传输性能，包括驻波比、插损、耦合效率等参数的测量。
光波导可以通过光纤器件的耦合测试来评估光纤与光波导之间的传输效果。
而光输出功率测试则用来评估光波导器件的输出性能，可以通过光功率计等仪器进行测量。
其次，光波导对环境的敏感性和稳定性也需要进行测试。
在实际应用中，光波导往往会受到温度、湿度等环境因素的影响，因此需要对其在不同环境条件下的性能进行测试。
常见的测试方法包括温度循环、湿度暴露和振动测试等。
最后，平面光波导的可靠性测试是评估其在长期使用中的性能和稳定性的关键。
光波导的理论以及制备方法介绍
光波导的理论以及制备方法介绍光波导是一种通过光信号的传导来实现信息交互的技术。
它是利用光在介质中的传播特性来实现光的传输和调控的一种器件。
光波导已经成为现代通信、光电子技术和光器件研究领域中不可或缺的一部分。
光波导的理论基础是基于光在介质中的传播原理。
当光束通过介质分界面时，会产生折射现象。
这种折射现象可以用斯涅尔定律来描述，即入射角与折射角之间的正弦比等于两种介质的折射率之比。
光波导利用不同折射率的介质之间的折射现象，将光束从一种介质中导入到具有更高折射率的介质中，并通过光束的反射、折射和散射等效应，使光能够在介质中传播和传输。
制备光波导的方法有多种，包括经典的物理刻蚀法、化学沉积法、水热法等，以及现代的微电子加工技术和激光加工技术等。
下面将介绍几种常见的制备方法：1.光刻法：光刻法是一种常见的光波导制备方法。
它利用光刻胶的光敏性，通过光学曝光和显影，将需要刻蚀的部分暴露出来，然后使用物理或化学刻蚀方法将暴露的部分去除，从而形成光波导的结构。
2.离子注入法：离子注入法是一种通过离子注入技术来改变材料的折射率分布，从而形成光波导结构的方法。
它通过在材料表面注入高能离子，改变材料的折射率，并形成光波导结构。
3.RF磁控溅射法：RF磁控溅射法是一种通过溅射技术制备光波导的方法。
它利用高频电场对目标材料进行离子化，然后通过磁场聚焦离子束，使其瞄准到底片上，从而形成光波导结构。
4.激光加工法：激光加工法是一种利用激光器对材料进行加工的方法。
它通过调节激光的功率、扫描速度和扫描路径等参数，实现对光波导结构的制备。
激光加工法不仅可以实现直写制备光波导，还可以实现二光子聚焦制备光波导。
除了上述方法外，还有其他一些新型的制备光波导的方法，例如自组装法、溶胶-凝胶法、光聚合法等。
这些方法在光波导的制备中发挥着重要的作用，并为光波导的研究和应用提供了更多的可能性。
总之，光波导是一种基于光的传导原理来实现光信号传输和调控的技术。
基于光刻机的纳米级光波导制备技术
基于光刻机的纳米级光波导制备技术光波导是一种基于光学原理的器件，能够将光信号传输在其内部，具有很高的传输效率和低的损耗。
随着纳米科技的发展，纳米级光波导的制备技术成为了研究的热点之一。
在这个领域中，光刻机起到了重要的作用，能够实现对光波导结构的精确控制和高效制备。
一、光刻机的原理及应用光刻机主要基于光刻技术，其原理是利用光散射和光照射的特性，将图案模具上的图形投射到物质表面上，形成图案。
而光刻技术则是一种用于制作微细器件的加工技术，可应用于半导体芯片制造、纳米结构制备等领域。
光刻机的应用非常广泛，特别是在集成电路制造中。
它可以实现对芯片表面的光刻胶进行曝光、显影等工艺，形成精细且规律的图案。
随着技术的发展，光刻机在制备纳米级光波导方面也发挥着重要作用。
二、纳米级光波导的意义纳米级光波导是指尺寸在纳米量级的光波导器件。
相对于传统的光波导，纳米级光波导具有更小的尺寸和更高的集成度，能够实现更高的光信号传输效率。
同时，纳米级光波导还可以在表面上实现光波的局域化和调控，具备操控光子态的能力。
纳米级光波导的制备技术对于光电子学、集成光路等领域的发展具有重要意义。
它可以用于实现高速光通信、光信号处理和量子信息传输等应用，并且对于减小器件尺寸、降低能耗和提高集成度也有着积极的影响。
三、基于光刻机的纳米级光波导制备技术1. 光刻胶选择与涂覆：在制备纳米级光波导的过程中，选择合适的光刻胶非常重要。
通常情况下，光刻胶的选择会考虑其分辨率、耐蚀性和显影性能。
利用光刻机进行涂覆时，需要确保光刻胶均匀地覆盖在材料表面。
2. 曝光与显影：光刻机的曝光过程是将模板上的图案投射到光刻胶表面的过程。
曝光之后，通过显影工艺将暴露在光的作用下的部分去除，形成光波导的结构。
显影过程中，需要严格控制显影液的浓度和显影时间，以保证获得所需的纳米级结构。
3. 热处理与固化：纳米级光波导的制备过程中，常常需要对经过显影的样品进行热处理和固化。
光波导器件的设计与制备
光波导器件的设计与制备随着信息技术和光电子技术的不断发展，光波导器件在通信、计算机、医疗、工业等领域中得到了广泛应用。
光波导器件是一种利用光在材料中传递能量和信息的器件，其设计和制备对其性能和应用具有重要影响。
一、光波导器件的设计原理光波导是一种在光学器件中将光引导进通道内的媒介结构，其原理基于相对折射率不同的光的传导特性。
光波导器件可以分为平面波导和光纤波导两种。
平面波导是一种通过在两种不同折射率的光学材料之间建立界面来引导光的波导，其结构简单，易于制备，广泛应用于微波集成电路、激光器等光电子器件中。
光纤波导是利用光纤的全反射原理实现光的传输和分配的波导，其具有体积小、灵活易变、损耗小和干扰少等优点，成为高速通信、宽带网络、光学传感、光存储等领域中最为常见的光波导器件。
在光波导器件的设计过程中，首先需要确定其工作波长和折射率等参数。
光波导器件的工作波长与其工作原理和应用场景密切相关，可根据应用需要选取合适的光源和检测器。
折射率是波导结构中最重要的参数之一，可以通过材料的物理、化学性质和制备工艺进行控制。
此外，光波导器件的模式、损耗等性能也需要考虑。
二、光波导器件的制备方法光波导器件的制备方法通常分为传统的光刻技术和现代的光子晶体制备技术两种。
传统的光刻技术采用光刻胶膜和光刻掩膜制作波导图案，再通过蚀刻或填充材料的方式形成波导结构。
该技术已经发展成为一种成熟的制备方法，具有成本较低、制备精度高、可重复性好等优点，在微波集成电路、激光器等领域得到了广泛应用。
但是该技术在光子晶体和纳米光学器件的制备方面具有局限性，难以满足高精度、高效率和高品质的要求。
现代的光子晶体制备技术是一种利用光子晶体材料的光学性质，通过光学拉伸、声波处理、离子注入等方式调控其结构和性质的方法。
光子晶体是一种具有周期性介电常数分布的光学材料，其特殊的光学性质在光波导器件中得到了广泛应用。
光子晶体波导器件具有体积小、损耗低、传输带宽和波导模式可调等优点，在高速光通信、量子通信、激光器等领域中具有广泛的应用前景。
光波导的理论以及制备方法介绍
光波导的理论以及制备方法介绍摘要由光透明介质(如石英玻璃)构成的传输光频电磁波的导行结构。
光波导的传输原理是在不同折射率的介质分界面上，电磁波的全反射现象使光波局限在波导及其周围有限区域内传播。
光波导的研究条件与当前科技的飞速发展是密不可分的，随着技术的发展，新的制备方法不断产生，从而形成了各种各样的制备方法，如离子注入法、外延生长法、化学气相沉淀法、溅射法、溶胶凝胶法等。
重点介绍离子注入法。
光波导简介如图所示为光波导结构图表1光波导结构如图中共有三层平面相层叠的光学介质，其对应折射率n0,n1,n2。
其中白色曲折线表示光的传播路径形式。
可以看出，这是依靠全反射原理使光线限制在一层薄薄的介质中传播，这就是光波导的基本原理。
为了形成全反射，图中要求n1>n0,n2。
一般来讲，被限制的方向微米量级的尺度。
图表2光波导模型如图2所示，选择适当的角度θ（为了有更好的选择空间，一般可以通过调整三层介质的折射率来取得合适的取值），则可以将光线限制在波导区域传播。
光波导具有的特点光波导可以用于限制光线传播光路，由于本身其尺寸在微米量级，就使得其有很多较好的特点：（1）光密度大大增强光波导的尺寸量级是微米量级，这样就使得光斑从平方毫米尺度到平方微米尺度光密度增大104—106倍。
（2）光的衍射被限制从前面可以看出，图示的光波导已经将光波限制在平面区域内，后面会提到稍微变动一下技术就可以做成条形光波导了，这样就把光波限制在一维条形区域传播，这就限制了光波的衍射，有一维限制（一个方向），二维限制（两个方向）区分（注：此处“一维”与“二维”的说法并不是专业术语，仅仅指光的传播方向的空间自由度，不与此研究专业领域的说法相混同）。
（3）微型元件集成化微米量级的尺寸集成度高，相应的成本降低（4）某些特性最优化非线性倍频阈值降低，波导激光阈值降低综上所述，光波导本身的尺寸优势使得其有很好的研究前景以及广泛的应用范围。
光波导的分类一般来讲，光波导可以分为以下几个大类别：图表3平面波导（planar）图表4光纤（fiber）图表5条形波导（channel）图表6脊型波导（ridge）上面介绍了几大类光波导形式，实际上这只是基本的几种形式，每一种都可以加以变化以适应不同环境及应用的需求。
光波导的理论以及制备方法介绍
光波导的理论以及制备方法介绍摘要由光透明介质(如石英玻璃)构成的传输光频电磁波的导行结构。
光波导的传输原理是在不同折射率的介质分界面上，电磁波的全反射现象使光波局限在波导及其周围有限区域内传播。
光波导的研究条件与当前科技的飞速发展是密不可分的，随着技术的发展，新的制备方法不断产生，从而形成了各种各样的制备方法，如离子注入法、外延生长法、化学气相沉淀法、溅射法、溶胶凝胶法等。
重点介绍离子注入法。
光波导简介如图所示为光波导结构图表1光波导结构如图中共有三层平面相层叠的光学介质，其对应折射率n0,n1,n2。
其中白色曲折线表示光的传播路径形式。
可以看出，这是依靠全反射原理使光线限制在一层薄薄的介质中传播，这就是光波导的基本原理。
为了形成全反射，图中要求n1>n0,n2。
一般来讲，被限制的方向微米量级的尺度。
图表2光波导模型如图2所示，选择适当的角度θ（为了有更好的选择空间，一般可以通过调整三层介质的折射率来取得合适的取值），则可以将光线限制在波导区域传播。
光波导具有的特点光波导可以用于限制光线传播光路，由于本身其尺寸在微米量级，就使得其有很多较好的特点：（1）光密度大大增强光波导的尺寸量级是微米量级，这样就使得光斑从平方毫米尺度到平方微米尺度光密度增大104—106倍。
（2）光的衍射被限制从前面可以看出，图示的光波导已经将光波限制在平面区域内，后面会提到稍微变动一下技术就可以做成条形光波导了，这样就把光波限制在一维条形区域传播，这就限制了光波的衍射，有一维限制（一个方向），二维限制（两个方向）区分（注：此处“一维”与“二维”的说法并不是专业术语，仅仅指光的传播方向的空间自由度，不与此研究专业领域的说法相混同）。
（3）微型元件集成化微米量级的尺寸集成度高，相应的成本降低（4）某些特性最优化非线性倍频阈值降低，波导激光阈值降低综上所述，光波导本身的尺寸优势使得其有很好的研究前景以及广泛的应用范围。
光波导的分类一般来讲，光波导可以分为以下几个大类别：图表3平面波导（planar）图表4光纤（fiber）图表5条形波导（channel）图表6脊型波导（ridge）上面介绍了几大类光波导形式，实际上这只是基本的几种形式，每一种都可以加以变化以适应不同环境及应用的需求。
光波导制备
光波导制备光波导是一种用于光通信和光电子技术中的重要器件，能够将光信号有效地传输和控制。
光波导的制备是实现其应用的关键步骤之一，下面将介绍几种常见的光波导制备方法。
一、化学气相沉积法化学气相沉积法是一种常用的光波导制备方法。
该方法通过将所需材料的气体源引入反应室中，并在高温下进行化学反应，使材料沉积在基底上形成光波导结构。
这种方法制备的光波导具有良好的结晶性和较高的光学性能，适用于制备高性能的光波导器件。
二、离子交换法离子交换法是一种常见的光波导制备方法，适用于制备玻璃基底的光波导结构。
该方法通过将金属离子置换到玻璃基底中的某些离子位置上，形成折射率变化的光波导结构。
离子交换法制备的光波导具有低损耗、低散射和较高的光学性能，广泛应用于光通信领域。
三、溶胶凝胶法溶胶凝胶法是一种简单、灵活的光波导制备方法。
该方法通过将溶胶和凝胶剂混合形成溶胶凝胶体系，再通过光热处理使其形成光波导结构。
溶胶凝胶法制备的光波导具有较好的光学性能和结构可控性，适用于制备复杂结构的光波导器件。
四、电子束曝光法电子束曝光法是一种高分辨率的光波导制备方法。
该方法通过利用电子束曝光系统在光敏材料表面进行精确的曝光和显影过程，形成光波导结构。
电子束曝光法制备的光波导具有高分辨率、良好的光学性能和较小的尺寸误差，适用于制备微纳光波导器件。
五、光刻技术光刻技术是一种常用的光波导制备方法。
该方法通过将光刻胶涂覆在基底上，然后使用光刻机进行光刻曝光和显影过程，形成光波导结构。
光刻技术制备的光波导具有较好的光学性能和尺寸控制能力，适用于制备大面积的光波导器件。
光波导制备是光通信和光电子技术中的关键步骤之一。
化学气相沉积法、离子交换法、溶胶凝胶法、电子束曝光法和光刻技术是几种常见的光波导制备方法。
不同的制备方法适用于不同的光波导器件需求，选择合适的制备方法可以提高光波导器件的性能和可靠性。
在未来的发展中，随着材料科学和制备技术的不断进步，光波导制备方法将会得到进一步的改进和创新，为光通信和光电子技术的发展提供更好的支撑。
第4章 光波导的制备技术
表4-7表明，用于LD，LED，PD的衬底材料主要为砷化镓、磷化铟、锗和硅。
4.2 光波导衬底材料及加工
4.2.1 光波导衬底材料
材料 波长/µm 0.633 1.064 0.633 0.633 0.633 折射率 1.457 透光范围/µm
熔石英(SiO2)
高硼硅酸玻璃 派热克斯玻璃 钠玻璃
0.12-4.5
4.1 光波导制作概述
4.1.3 材料与制作技术
材料 制作技术 旋转涂敷 真空镀膜 溅射 化学汽相沉积(CVD) 聚合 热扩散 离子交换 离子注入 液相外延生长(LPE) 汽相外延生长(VPE) 高分子 化合物 √ 玻璃 硫硒碲 化合物 √ √ LiNbO3 LiTaO3 ZnO Nb2O5 Ta2O5 Si3N4 YIG
4.1 光波导制作概述
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 淀 积 法 高分子 化合物 √ 玻璃 硫硒碲化 LiNbO3 合物 LiTaO3 √ √ ZnO Nb2O5 Si3N4 Ta2O5 YIG
外 延
旋转涂敷 真空镀膜 溅射 化学汽相沉积(CVD) 聚合 热扩散 离子交换 离子注入 液相外延生长(LPE) 汽相外延生长(VPE)
1.451 1.470 1.472 1.512 0.21-5.0 0.28-4.5 0.44-3.4
表4-8表明，用于衬底玻璃的材料主要为熔石英、高硼硅酸玻璃、派热克斯玻璃和钠玻璃。
4.2 光波导衬底材料及加工
4.2.1 光波导衬底材料
材料 LiNbO3 LiTaO3 波长/µm 0.633 1.0 0.633 1.2 折射率 ne=2.200、 no=2.286 ne=2.157、 no=2.237 ne=2.180、 no=2.176 ne=2.188、 no=2.131 透光范围/µm 0.4-5.0 0.45-5.0
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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