專利名稱：在磷酸鈦氧鉀晶體上制備準(zhǔn)三維光子晶體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在磷酸鈦氧鉀晶體上制備準(zhǔn)三維光子晶體結(jié)構(gòu)的方法，屬于光電 子器件制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
磷酸鈦氧鉀(KTiOPO4，簡稱KTP)晶體是一種性能優(yōu)良的非線性光學(xué)晶體，具有非 線性系數(shù)大、電光系數(shù)高、倍頻效率高、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，是制作光電子器件的重要材 料，在集成光學(xué)方面有較多應(yīng)用。聚焦離子束系統(tǒng)(FIB)集形貌觀測、定位制樣、薄膜沉積和無掩模刻蝕各過程于 一身，具有優(yōu)良的無掩模及高分辨刻蝕能力，已成為微納米級加工領(lǐng)域中的重要技術(shù)手段。光子晶體具有許多特異的物理現(xiàn)象，提供了一種控制光束傳輸?shù)男路椒ǎ梢杂?于制作新型波導(dǎo)、光纖、濾波器等光電子器件，在光通訊和光集成領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前 景，在1999年被美國權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Science評為年度十大科技成就之一。根據(jù)目前公開的 資料，制作光子晶體結(jié)構(gòu)的主要方法有靜電力自組織生長法、電化學(xué)方法、微加工刻蝕法， 但由于技術(shù)水平及加工條件的限制，直接制作三維光子晶體還有一定的困難。英國學(xué)術(shù)期 刊Nature公共了在半導(dǎo)體材料AlGaAs上(材料最終被濕法氧化成AlxOy)形成的GaAs脊 型波導(dǎo)上制作二維六方格光子晶體的方法(Edmond Chow, Nature, Vol 407,26 OCTOBER 2000)。但是，在光學(xué)性能更為優(yōu)良的氧化物晶體上制作光子晶體，將會在光電器件領(lǐng)域中 擁有更廣泛的應(yīng)用前景。美國學(xué)術(shù)期刊Applied Physics Letters公布了將退火質(zhì)子交 換技術(shù)與FIB系統(tǒng)相結(jié)合在鈮酸鋰晶體上制作光子晶體的方法(Matthieu Roussey,Appl. Phys. Lett. 87，241101 (2005))，但目前將離子束技術(shù)與FIB技術(shù)相結(jié)合在KTP晶體上制作 可以三維約束光束傳輸?shù)墓庾泳w方案，目前還沒有任何資料涉及。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種在磷酸鈦氧鉀晶體上制備準(zhǔn)三維光子晶體 的方法，該方法降低直接制作三維光子晶體的難度，所形成的結(jié)構(gòu)在光通信波段范圍內(nèi)具 備三維光子晶體的特性。在磷酸鈦氧鉀晶體上制備準(zhǔn)三維光子晶體的方法如下1)制備、處理樣品樣品為Z切KTP晶體，尺寸為IOmmX 10mm，厚度為2mm ；對樣品 表面及相對兩個端面光學(xué)拋光，再先后用去離子水、酒精及丙酮清洗；2)離子注入形成平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)將清洗好的KTP樣品放入加速器靶室中進(jìn)行輕離 子或重離子注入，注入條件為輕離子H+或He+，能量400-550keV ；重離子C+或0+或P+或 Si+，能量lMeV-6MeV ；劑量為1 X 1013_5 X IO16離子/平方厘米；束流為20nA ；3)在平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)制備光刻膠掩模用勻膠機(jī)在平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上甩涂BP218光刻 膠勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速為5000轉(zhuǎn)/分鐘，用遮光條紋間距為20-50微米，遮光條紋寬度為5-10微米 的掩模板曝光，然后采用正膠顯影液顯影，放入恒溫爐中堅膜，在平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)表面形成光刻膠條形掩模；4)對帶有光刻膠條形掩模的平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行Ar離子束刻蝕:Ar離子束能量范 圍是0. 4-1. 9KeV,束斑直徑為30mm，束流密度為15-30毫安/平安厘米，刻蝕形成5_10微 米寬、深度為0. 5-1微米的KTP脊型波導(dǎo)，然后用丙酮除去光刻膠；5)應(yīng)用磁控濺射技術(shù)在KTP脊形波導(dǎo)樣品表面鍍鉻膜，鉻膜厚度為30nm ；6)應(yīng)用FIB系統(tǒng)對KTP脊形波導(dǎo)區(qū)進(jìn)行Ga離子束刻蝕，形成準(zhǔn)三維光子晶體；準(zhǔn) 三維光子晶體為正方孔洞結(jié)構(gòu)，孔洞間距為400-600nm，孔洞半徑100-200nm，所用Ga+能量 為30KeV，束流為50PA，單孔刻蝕2S。通過KTP晶體折射率及光子晶體結(jié)構(gòu)，確定周期以及刻蝕單元寬度與周期比值， 使KTP光子晶體禁帶可落在近紅外波段以及可見光波段范圍內(nèi)；調(diào)整形成KTP脊型波導(dǎo)時的注入的離子種類及劑量，使光子晶體與脊型波導(dǎo)區(qū)對 同一頻率同一偏振的光波具有約束作用；確定完美光子晶體中的缺陷結(jié)構(gòu)(點(diǎn)缺陷、線缺陷)，使其實(shí)現(xiàn)諧振腔、光波導(dǎo)的 不同功能；FIB系統(tǒng)刻蝕時所用Ga+能量在5KeV至30KeV范圍內(nèi)，Ga+束流直徑可以聚焦到 幾納米，可直接在KTP脊形波導(dǎo)區(qū)域精確制作周期在0. 1微米至1微米范圍內(nèi)的光子晶體。 通過向FIB系統(tǒng)輸入不同刻蝕圖形制備不同結(jié)構(gòu)亞微米級光子晶體，通過調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)及 工作條件，得到性能良好的亞微米級準(zhǔn)三維光子晶體。該方案可實(shí)現(xiàn)對光束的三維約束，用 于制作光子晶體濾波器、分束器、反射器等光電器件。


圖1為本發(fā)明應(yīng)用FIB系統(tǒng)在KTP晶體上制備準(zhǔn)三維光子晶體的制作流程圖。圖2A-圖2E為本發(fā)明制備光子晶體結(jié)構(gòu)的工藝步驟示意圖。圖中1.KTP晶體，2. MeV離子注入，3.平面波導(dǎo)層，4.光刻膠掩模，5. Ar離子束刻 蝕，6. KTP脊型波導(dǎo)，7. FIB系統(tǒng)Ga離子刻蝕，8.亞微米級光子晶體結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 一種在磷酸鈦氧鉀晶體上制備準(zhǔn)三維光子晶體結(jié)構(gòu)的方法，方法為1)制備、處理樣品樣品為Z切KTP晶體，尺寸為IOmmX 10mm，厚度為2mm ；對樣品 表面及相對兩個端面光學(xué)拋光，再先后用去離子水、酒精及丙酮清洗；2)離子注入形成平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)將清洗好的KTP樣品放入加速器靶室中進(jìn)行輕離 子或重離子注入，注入條件為輕離子H+，能量400keV;重離子C+，能量IMeV;劑量為輕離 子5 X IO16離子/平方厘米，重離子1 X IO13離子/平方厘米；束流為20nA ；3)在平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)制備光刻膠掩模用勻膠機(jī)在平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上甩涂BP218光刻 膠勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速為5000轉(zhuǎn)/分鐘，用遮光條紋間距為20微米，遮光條紋寬度為5微米的掩模 板曝光，然后采用正膠顯影液顯影，放入恒溫爐中堅膜，在平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)表面形成光刻膠條 形掩模；4)對帶有光刻膠條形掩模的平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行Ar離子束刻蝕:Ar離子束能量是
4IKeV，束斑直徑為30mm，束流密度為15毫安/平安厘米，刻蝕形成5微米寬、深度為1微米 的KTP脊型波導(dǎo)，然后用丙酮除去光刻膠；5)應(yīng)用磁控濺射技術(shù)在KTP脊形波導(dǎo)樣品表面鍍鉻膜，鉻膜厚度為30nm ；6)應(yīng)用FIB系統(tǒng)對KTP脊形波導(dǎo)區(qū)進(jìn)行Ga離子束刻蝕，形成準(zhǔn)三維光子晶體；準(zhǔn) 三維光子晶體為正方孔洞結(jié)構(gòu)，孔洞間距為500nm，孔洞半徑150nm，所用Ga+能量為30KeV， 束流為50PA，單孔刻蝕2S。實(shí)施例2 一種在磷酸鈦氧鉀晶體上制備準(zhǔn)三維光子晶體結(jié)構(gòu)的方法，方法與實(shí)施例1相 同，不同之處在于，步驟2)中，注入條件為輕離子He+，能量500keV ；重離子0+，能量 1. 5MeV ；步驟3)中，用遮光條紋間距為30微米，遮光條紋寬度為10微米的掩模板曝光；步 驟4)中，Ar離子束能量是1. 5KeV，束流密度為30毫安/平安厘米，刻蝕形成10微米寬、深 度為0. 8微米的KTP脊型波導(dǎo)；步驟6)中準(zhǔn)三維光子晶體的孔洞間距為600nm，孔洞半徑 200nm。
權(quán)利要求
一種在磷酸鈦氧鉀晶體上制備準(zhǔn)三維光子晶體的方法，其特征在于，制備方法如下1)制備、處理樣品樣品為Z切KTP晶體，尺寸為10mm×10mm，厚度為2mm；對樣品表面及相對兩個端面光學(xué)拋光，再先后用去離子水、酒精及丙酮清洗；2)離子注入形成平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)將清洗好的KTP樣品放入加速器靶室中進(jìn)行輕離子或重離子注入，注入條件為輕離子H+或He+，能量400 550keV；重離子C+或O+或P+或Si+，能量1MeV 6MeV；劑量為1×1013 5×1016離子/平方厘米；束流為20nA；3)在平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)制備光刻膠掩模用勻膠機(jī)在平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上甩涂BP218光刻膠勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速為5000轉(zhuǎn)/分鐘，用遮光條紋間距為20 50微米，遮光條紋寬度為5 10微米的掩模板曝光，然后采用正膠顯影液顯影，放入恒溫爐中堅膜，在平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)表面形成光刻膠條形掩模；4)對帶有光刻膠條形掩模的平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行Ar離子束刻蝕Ar離子束能量范圍是0.4 1.9KeV，束斑直徑為30mm，束流密度為15 30毫安/平安厘米，刻蝕形成5 10微米寬、深度為0.5 1微米的KTP脊型波導(dǎo)，然后用丙酮除去光刻膠；5)應(yīng)用磁控濺射技術(shù)在KTP脊形波導(dǎo)樣品表面鍍鉻膜，鉻膜厚度為30nm；6)應(yīng)用FIB系統(tǒng)對KTP脊形波導(dǎo)區(qū)進(jìn)行Ga離子束刻蝕，形成準(zhǔn)三維光子晶體；準(zhǔn)三維光子晶體為正方孔洞結(jié)構(gòu)，孔洞間距為400 600nm，孔洞半徑100 200nm，所用Ga+能量為30KeV，束流為50PA，單孔刻蝕2S。
全文摘要
在磷酸鈦氧鉀晶體上制備準(zhǔn)三維光子晶體結(jié)構(gòu)的方法，屬于光電子器件制備技術(shù)領(lǐng)域。具體制備方法如下首先將KTP晶體切割為10mm×10mm×2mm的樣品，對表面及相對兩個端面進(jìn)行光學(xué)拋光；將樣品放入加速器靶室中進(jìn)行離子注入形成平面光波導(dǎo)；用去離子水、酒精及丙酮清洗樣品，在樣品上甩涂BP218光刻膠，經(jīng)曝光、顯影、堅膜后形成光刻膠條形掩模；采用Ar離子束刻蝕制成脊形波導(dǎo)；在KTP脊型波導(dǎo)表面鍍導(dǎo)電薄膜后，應(yīng)用FIB系統(tǒng)在脊形波導(dǎo)區(qū)域刻蝕亞微米級光子晶體結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)及工作條件，得到性能良好的亞微米級準(zhǔn)三維光子晶體。該發(fā)明可實(shí)現(xiàn)對光束的三維約束，用于制作作光子晶體濾波器、分束器、反射器等光電器件。
文檔編號G02B6/122GK101950047SQ20101025822
公開日2011年1月19日 申請日期2010年8月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月20日
發(fā)明者劉鵬, 王雪林, 管婧, 趙金花, 黃慶 申請人:山東大學(xué)