湿蚀刻法制备的LiNbO3

引言

我们介绍了以铬(Cr)条纹为掩模，用高频和硝酸混合物蚀刻的LiNbO3脊波导。通过在蚀刻剂中加入一些乙醇，可以获得光滑的蚀刻表面。在湿蚀过程之前，用Cr掩模对样品进行退火，几乎避免了下蚀。证明了高度高达8m、宽度在4.5到7.0m之间的低损耗单极管脊导轨。

脊波导是集成光学的重要基本结构。与传统的导轨相比，脊波导可以降低弯曲损失，从而提高光学器件的集成水平。此外，脊导轨减小了光模的尺寸，提高了非线性效应的效率。在电光材料中，如铌酸锂(LiNbO，LN)脊也可以降低调制器的半波电压或长度。

实验

LN岭波导分五步制作：

平面波导制造：通过电子束蒸发在0.5毫米厚的LN衬底表面真空沉积70纳米厚的钛膜。随后，分别在氩(7.5小时)和氧(1小时)气氛中，在1060℃下扩散8.5小时。 用已知扩散系数计算得到的钛浓度分布，对应于半高斯分布，表面浓度为cm，深度为3.24 m。由于非常折射率的增加与钛浓度成正比，所以在1.55μm波长和相同深度下，表面折射率为2.1477，得到高斯分布。

铬掩模制作:仔细清洗样品后，通过溅射在平面波导表面沉积60纳米厚的铬膜。随后，通过使用电子束写入掩模的光学接触光刻和使用硫酸铈溶液的湿法蚀刻来限定4到12 μm宽的铬条。最后，用丙酮去除剩余的光刻胶结构。

退火:样品在300温度下退火3小时，以提高铬膜的附着力。没有退火，观察到严重的欠蚀刻。

湿法蚀刻:在室温下，在搅拌下，将样品在浓度分别为40%和100%的60毫升氟化氢和39毫升HNO的混合物中蚀刻几个小时。

去除铬掩模和端面抛光：再次使用硫酸铈溶液，去除铬条纹，并使用一氧化硅悬浮液仔细抛光波导端面。

结果和讨论

表面的形态和山脊的结构：

图1显示了HF-HNO无乙醇和无乙醇蚀刻的未掺杂LN表面的比较。图1(a)是没有乙醇蚀刻的LN表面的顶视图。蚀刻深度约为7.5米。图1(b)是样品表面的侧视图，显示两种类型的山丘，分别用和标记。类型山丘的密度远高于类型山丘，并受搅拌强度的影响。缓慢搅拌产生高密度的山丘。图1(c)为HF-HNO用乙醇蚀刻的LN表面，蚀刻深度约为9.6m。该表面比图中所示的表面更平滑。1(a)，但表面上仍有一些类型的小山丘，如图1(d)所示，在蚀刻过程中，似乎可以产生小的氢气泡，氢气泡被吸附在表面，阻碍进一步的化学蚀刻。其结果是一个粗糙的表面。乙醇有助于避免气泡的形成，产生更好的表面质量，如图1(c)。

图1 扫描电镜显微镜来比较两个蚀刻的表面

图2显示了在cr掩模定义后没有和退火的LN脊波导的顶视图。波导部分被掩蔽的Cr条纹所覆盖；它的右手部分被剥离，以显示下面的山脊。图2(a)为不退火制作的约5.9m高的山脊；比原来8.4m宽度的Cr掩模小约3.3m。这种差异取决于蚀刻过程中搅拌的强度；搅拌得越快，差异就越大。图2(b)呈现在用6.5米宽的铬掩模退火样品后制造的8米高的脊。很明显，金属掩模和脊具有几乎相同的宽度；欠蚀刻已经大大减少。退火过程导致铬和氮的结合更紧密，从而经受住蚀刻剂的侵蚀。

图2 在光学显微镜下，部分去除cr掩模的脊波导的俯视图。(a)Cr掩模定义后不进行选择性化学的蚀刻，(b)进行退火。

光波导特性：

在1.55μm波长下，采用共振法测量了长度为30mm、高度为8μm的y型传播脊波导的传播损耗。此外，随着波导宽度的增加，损耗也有减小的趋势。例如，在5.5μm顶部宽度时，最低TE-（TM-）传播损耗为0.4dB/cm（1.2db/cm），而在6.5μm顶部宽度时，最低TE-（TM-）传播损耗为0.3dB/cm（0.9dB/cm）。TM模态的较高损失可能是由于在脊波导的上部有较强的约束(见图3)。

图3 在顶部宽度为6.5_x0016_m的y传播脊波导中，用等高线测量10%的等高线分布和计算分布

偏振相关的模式强度分布是在1.55μm波长下使用标准装置通过显微镜物镜放大波导端面的近场来测量的。如图3，Y传播脊波导是单模的。很明显，由于在深度上普通指数分布的引导较弱，TE模式比TM模式具有更大的延伸。此外，相应的强度分布已经用商业软件使用有限元方法计算。模式大小是一个重要的参数，特别是对于非线性光学应用。对不同宽度的Y传播脊波导进行了计算和测量；结果如图2所示。

该字母中定义的模式大小是垂直和水平方向上模式强度分布的FWHM积。模式强度在垂直方向上的FWHM随波导宽度的增加而减小，而模式强度在水平方向上的FWHM随波导宽度的增加而增加。图4(a)显示了TE模式的大小，它随着波导宽度的减小而减小到大约6.5μm，并且随着接近截止而减小到更小的宽度。计算和测量的热电模式大小显示出类似的相关性，但有一个偏移。这种差异可能是由于描述普通折射率的理论模型不准确，其非线性依赖于钛浓度。通过假设更高的折射率增加(20%增加)，模式大小被重新计算并显示在图4(a)也导致测量结果和计算结果有更好的一致性。图4(b)显示了计算和测量的TM模式大小，两者非常一致。

图4 Y传播脊形波导顶部波导宽度的函数

结论

主要有三个结果报道：1、在HF-HNO蚀刻剂中加入一定量的乙醇，得到纯LN的平坦蚀刻表面。2、在湿蚀刻过程中，Cr膜可作为掩模；适当的退火可显著减少脱蚀。3、制作了低传播损耗的单体脊波导。