光波导材料及制备
(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。
3平面光波导材料
1.平面光波导材料
PLC光器件一般在六种材料上制作，它们是：铌酸锂（LiNbO3）、Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物、二氧化硅（SiO2）、SOI（Silicon-on-Insulator, 绝缘体上硅）、聚合物（Polymer）和玻璃，各种材料上制作的波导结构如图1所示，其波导特性如表1所示。
图1. PLC光波导常用材料
表1. PLC光波导常用材料特性
铌酸锂波导是通过在铌酸锂晶体上扩散Ti离子形成波导，波导结构为扩散型。
InP波导以InP为称底和下包层，以InGaAsP为芯层，以InP或者InP/空气为上包层，波导结构为掩埋脊形或者脊形。
二氧化硅波导以硅片为称底，以不同掺杂的SiO2材料为芯层和包层，波导结构为掩埋矩形。
SOI波导是在SOI基片上制作，称底、下包层、芯层和上包层材料分别为Si、SiO2、Si和空气，波导结构为脊形。
聚合物波导以硅片为称底，以不同掺杂浓度的Polymer 材料为芯层，波导结构为掩埋矩形。
玻璃波导是通过在玻璃材料上扩散Ag离子形成波导，波导结构为扩散型。
第六章常见光波导材料与工艺
第六章常见光波导材料与工艺光波导是一种通过光信号传输的器件，由于光波在光纤中的传输速度快、带宽大、抗干扰等优点，使得光波导在通信、数据传输、传感器等领域得到广泛应用。
光波导的关键是选择合适的光波导材料和工艺。
常见的光波导材料有硅、光纤、聚合物等。
硅是光波导材料中应用最广泛的一种材料，主要可以通过两种方式制备硅光波导。
一种是利用硅晶圆制备，通过光刻、腐蚀、沉积等工艺将硅晶圆制备成光波导结构；另一种是利用SOI（Silicon On Insulator）材料制备，即在SOI材料上通过光刻、腐蚀等工艺制备出光波导结构。
硅光波导具有低损耗、可靠性高、适合集成等特点，在光子芯片、光通信等领域有着广泛应用。
光纤是将光信号传输的一种波导形式，由于其材料的优良性能，使其在通信领域得到广泛应用。
光纤通信是将光信号转换成光脉冲信号通过光纤传输，然后再转换成电信号进行传输。
光纤具有低损耗、大容量、抗干扰等优点，在现代通信系统中占有重要地位。
聚合物是另一种光波导材料，其制备工艺相对简单，成本相对较低，因此在传感器、生物医学等领域有着广泛应用。
聚合物光波导可以通过热压法、注入法等工艺制备，其制备工艺简单、成本较低，可以灵活地满足不同需求。
光波导的制备工艺主要包括光刻、腐蚀、沉积等步骤。
光刻是一种通过光刻胶和光掩模制备的技术，可以制备出所需的光波导结构。
通过选择合适的光刻胶和光掩模，可以制备出不同形状和尺寸的光波导结构。
腐蚀是一种通过腐蚀液将光波导结构形成的工艺。
不同的材料需要选择不同的腐蚀液，腐蚀液可以将不需要的材料腐蚀掉，从而形成所需的光波导结构。
沉积是一种通过化学气相沉积或物理气相沉积等工艺将材料沉积在基底上的技术。
通过选择合适的沉积工艺和材料，可以制备出所需的光波导结构。
在实际应用中，常见光波导材料与工艺的选择要根据具体的需求来确定。
不同的光波导材料具有不同的特点和优势，不同的制备工艺也有各自的适用范围和要求。
在选择光波导材料和工艺时，需要综合考虑其性能、成本、制备工艺等因素，以满足具体应用的需求。
光波导量产工艺
光波导量产工艺光波导是一种用于光通信和集成光学器件的关键技术。
光波导量产工艺是指大规模制造光波导器件的工艺流程和方法。
在这篇文档中，我将详细介绍光波导量产工艺的步骤和注意事项。
光波导量产工艺是通过将光波导材料和器件进行一系列的制作步骤，实现大规模制造的过程。
光波导器件主要由光波导芯片和外部封装组成。
光波导量产工艺的主要步骤包括：芯片设计、材料选择、制备工艺、封装和测试。
二、芯片设计1. 确定应用需求：根据波导器件的具体应用需求，例如光通信、生物传感等，确定波导器件的结构、尺寸、曲率等参数。
2. 设计光波导布图：使用光波导设计软件，根据应用需求进行布图设计，包括波导芯片的位置、宽度等。
3. 优化光波导参数：通过仿真软件模拟光波导的传输性能，优化芯片的形状和参数。
三、材料选择1. 选择基材：根据光波导器件的需求，选择适合的基材，如硅、氮化硅等。
2. 选择光波导材料：根据芯片设计，选择合适的光波导材料，如光纤、掺铒光纤等。
3. 获得材料并准备：从供应商处获得所需材料，并按照要求进行清洗、切割和研磨等处理。
四、制备工艺1. 制备基板：将选择的基材进行清洗，并进行干燥和去除表面杂质。
2. 制备光波导：使用光刻技术和薄膜沉积技术，将设计好的光波导布图转移到基材上。
3. 电子束曝光：使用电子束曝光仪器对波导芯片进行微细加工和曝光。
4. 膨胀：利用热处理技术，控制材料的膨胀系数，保证波导的整体结构稳定。
5. 晶圆切割：对制备好的基板进行切割，得到单个光波导芯片。
1. 选择封装材料：根据应用需求选择合适的封装材料，如环氧树脂、光纤等。
2. 选定封装方式：根据芯片的性质和尺寸，选择合适的封装方式，如倒装封装、直插封装等。
3. 进行封装：将光波导芯片放置在封装材料中，并进行固化和热处理等工艺步骤。
4. 进行电气连接：将封装好的波导芯片与其他电路板或设备进行连接。
1. 光学性能测试：通过光学仪器进行波导器件的传输性能、反射损耗、耦合损耗等方面的测试。
光波导材料与制备
波导的传输特性进行了分析。
数值计算与电磁仿真软件结果能很好地符合。
研究了不同尺寸对脊波导带宽的影响,对这类结构的优化具有指导意义。
图6参15(于晓光) TN2522008021545溶胶-凝胶条波导Sagnac环的乙醇蒸气传感特性=Sensing char acter istics to ethano l vapor o f so-l g el st ripe wav eg uides inco rpor ated in a Sagnac lo op[刊,中]/初凤红(中科院上海光机所信息光学实验室.上海(201800)),庞拂飞,//中国激光.―2007,34(9).―1263-1266采用有机/无机混合溶胶-凝胶法制作条形光波导,并将条波导接入光纤Sag nac环中,测量了输出光功率随环境气氛中乙醇蒸气体积分数变化的特性,表明在实验研究的范围内,输出信号与乙醇蒸气体积分数呈正弦变化。
根据Sagnac环结构输出特性的基本关系,反映了溶胶-凝胶条波导在乙醇蒸气气氛下产生了双折射效应。
图5参14 (严寒)光波导材料与制备TN2522008021546氟化聚酰亚胺光波导材料制备工艺及性能研究=Invest-i g atio n o n preparat ion and pro per ties of f luor inat ed polyim-ide fo r w aveguide[刊,中]/董林红(华中科技大学光电子科学与工程学院.武汉,武汉(430074)),朱大庆,//激光技术.―2007,31(4).―370-373为合成较大分子量的氟化聚酰亚胺光波导材料,采用了几种不同制备工艺,找到了较好的合成大分子量氟化聚酰亚胺的工艺,利用智能傅里叶红外光谱仪测量了合成的氟化聚酰亚胺的红外光谱,证实了材料的结构。
对材料做了热重分析和差示扫描量热测试,材料在530e左右才会分解,说明材料具有良好的热稳定性。
光波导量产工艺
光波导量产工艺
光波导量产工艺指的是将光波导器件进行大规模制造的工艺过程。
以下是常见的光波导量产工艺步骤：
1. 基片准备：选择合适的基片材料，如硅、玻璃等，并进行清洗和表面处理。
2. 涂覆光波导材料：将光波导材料涂覆在基片上，形成薄膜。
3. 光刻：使用光刻技术，在光波导材料上进行图案的定义和转移。
4. 刻蚀：通过化学刻蚀或物理刻蚀的方法，将光刻图案转移到光波导材料上。
5. 接入器件：在光波导器件上接入探针或其他电子元件，以便对光波导进行测试和调试。
6. 熔接/蒸镀：如果需要进行光波导器件之间的连接，则使用熔接或蒸镀技术，在器件之间形成良好的光传输通道。
7. 选划/封装：对光波导器件进行选择并封装，以保护器件免受环境的影响。
8. 测试和质量控制：对光波导器件进行性能测试，并进行质量控制，以确保量产的光波导器件符合规格要求。
以上是光波导量产的一般工艺流程，不同的光波导器件可能会有些许差异，具体操作方法还需参考具体的制造工艺。
同时，随着光波导技术的不断发展，新的量产工艺也在不断出现。
光波导器件及其制备方法
光波导器件及其制备方法The use of optical waveguide devices has become increasingly important in various fields, including telecommunications, medical imaging, and sensing applications. Optical waveguide devices are used to guide and manipulate light within a material, and are an essential component of modern optical communication systems. These devices are typically fabricated using materials with high refractive indices, such as silica or polymer, to confine light within the waveguide and minimize loss. 光波导器件的使用在各个领域变得越来越重要，包括电信、医疗成像和传感应用。
光波导器件用于引导和操作材料内的光，并且是现代光通信系统的重要组成部分。
通常使用折射率高的材料（如二氧化硅或聚合物）制作这些器件，以在波导内限制光线，并最小化损耗。
One of the most common optical waveguide devices is the optical fiber, which is widely used for transmitting data over long distances with minimal loss. Optical fibers are typically made of silica or other transparent materials, and are designed to confine light within the core of the fiber through the principle of total internal reflection. Optical fibers are crucial for modern telecommunications andinternet infrastructure, enabling high-speed data transmission and communication across the globe. 光纤是最常见的光波导器件之一，被广泛应用于在长距离内传输数据而减小损耗。
光波导加工工艺流程
光波导加工工艺流程光波导加工可是个超有趣的事儿呢！咱先来说说啥是光波导。
简单来讲呀，光波导就像是光的小管道，能让光按照我们想要的路线走。
就好比给光修了一条专属的高速公路。
那光波导加工的工艺流程呢？这可就有不少好玩的步骤啦。
一、材料准备。
这是光波导加工的第一步哦。
要选择合适的材料呢。
比如说，有些时候会用玻璃材料，因为玻璃对光的传输特性很不错。
不过玻璃也有很多种类呀，就像我们挑水果一样，得精挑细选。
有时候呢，也会用一些特殊的聚合物材料，这种材料就像是个很听话的小助手，在加工过程中比较容易塑形。
这材料的纯度、均匀性都很重要呢。
要是材料不好，就像盖房子用了劣质的砖头，后面的工序再怎么努力都可能白搭啦。
二、光刻。
光刻这个步骤就像是给光波导画个设计图。
这时候呢，会用到光刻胶这种神奇的东西。
把光刻胶涂在材料表面，就像给材料穿了一件特殊的衣服。
然后呢，用光刻设备通过光照射光刻胶，把我们想要的光波导的图案印上去。
这个图案可讲究啦，就像画家画画一样，每一笔都有它的意义。
光刻设备的精度也得很高，要是精度不够，那画出来的图案就歪歪扭扭的，做出来的光波导就不能很好地让光跑在正确的路线上啦。
三、刻蚀。
光刻完了就到刻蚀啦。
刻蚀就像是个雕刻大师拿着小刻刀在材料上按照光刻出来的图案进行雕刻。
这时候呢，会用到一些化学试剂或者物理的方法。
如果是用化学试剂的话，就像让试剂和材料发生一场小小的化学反应，把不需要的部分去掉，留下我们想要的光波导的形状。
这个过程就像是在做一个超级精细的手工，一点点偏差都不行。
而且化学试剂的浓度、反应时间都得控制得刚刚好，不然就可能把该留的部分也给腐蚀掉了，那就糟糕咯。
四、清洗。
刻蚀完了之后呀，材料表面肯定脏兮兮的啦，有好多残留的东西。
这时候清洗就很重要啦。
就像我们做完饭要洗碗一样，得把锅碗瓢盆洗得干干净净的。
清洗的时候呢，要用专门的清洗液，把那些残留的光刻胶啊，刻蚀的副产物啊都给清洗掉。
要是清洗不干净，这些残留的东西就可能会影响光波导的性能，就像灰尘进到机器里，会让机器运转不顺畅一样呢。
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