非晶态Sn₁As₂₀S₇₉条形光波导制造方法

专利名称：非晶态Sn₁As₂₀S₇₉条形光波导制造方法
技术领域：
本发明涉及一种光波导技术，特别涉及一种非晶态SniAs2。S79条形光波导 制造方法。
技术背景非晶态硫族多元化合物半导体作为一种长波长非线性光学介质被用来制 备红外透镜、红外生化传感器、C02激光传输光纤、高速光开关、功率限制器、 光克尔效应斩波器和光学非线性环镜等的工作已有报道(Bureau B等J. Non-Cryst. Solids., Vol. 345&346， p. 276， 2004; Hocde S等J. Non—Cryst. Solids. ， Vol. 274， p. 17， 2000;Nishii J等J. Non-Cryst. Solids. ， Vol. 140: p. 199， 1992; AsobeM等:J. A卯l. Phys., Vol. 77， p. 5518， 1995; Troles J等Opt. Mater. ， Vol. 25， p. 231, 2004; AsobeM等Opt, Lett. ， Vol. 18， p. 1056， 1993; AsobeM等Electron. Lett., Vol. 32， p, 1396， 1996)。与 熟知的A&S3不同，As2S8的平均配位数较低，反常电子组态构成的化学键缺陷 密度较高，能隙内存在若干次能级(Adler D: J. Non-Cryst. Solids.， Vol.35&36， p. 819， 1980)。我们报告了唯有在As"波导上可以看到的光-光 效应的光阻断试验(L. Zou, B.Chen等Appl. Phy. Lett., Vol. 88， p. 153510-1， 2006)，光阻断效应有ms量级的切断响应，由于极化子自陷势 阱对受激电子的重复俘获，恢复响应是一个较慢的s量级过程。为改善恢复 响应，我们试验了在As2Ss中低浓度掺Sn的实验，利用SmAs2。S79独有的配价键抗键态能级提供的浅能级退激通道，不仅使光阻断的恢复响应提升到了 ms 量级，还具有减少残留损耗的效果(杜丽萍、陈抱雪等物理学报，57巻，3593页，2008)。要利用这个效应制备新功能的波导器件，制备SmAs2。S79条状 波导是必须的，试验表明常规的反应离子蚀刻工艺或湿法蚀刻工艺不能适用， 前者不能使As发生气化反应，造成蚀刻后的条波导侧壁残留大量氧化砷颗粒; 后者是由于Sra&。S79不耐碱，过不了多道工序中碱性溶液的关。 发明内容本发明是针对现有制备Sn,As2。S79条状波导困难的问题，提出了一种非晶 态SruAs2。S79条形光波导制造方法，采用两次履经退火-辐照过程的方法制备 SniAs2。S79非晶态条状波导的技术，使得被光波辐照的条状区域的折射率发生 不可逆增高，达到形成SmAs2。S79非晶态条状波导的目的。本发明的技术方案为 一种非晶态SmAs2。S79条形光波导制造方法，制造 方法包括如下步骤(1 )、基板采用上表面经光学级平面研磨的光学平板玻璃或光学平板晶体， 所述基板的两侧向端面经光学级抛光，在所述基板的上表面上采用真空镀膜 工艺制备0. 5拜 2阿厚的SruAs2。S79非晶态薄膜；(2) 、将所述Sras2。S79非晶态薄膜及其基板置于125t: 135"C空气氛围中保 温1小时，完成l次退火；(3) 、采用波长范围为300 436nm、光功率面密度为58 mW/cm2的紫外光辐照 经步骤(2) 1次退火后的SmAs2。S79非晶态薄膜，辐照持续时间在60分钟 100 分钟之间，完成l次辐照；(4) 、将所述完成1次辐照的SmAs2。S79非晶态薄膜及其基板置于125°C 135x:空气氛围中保温i小时，完成2次退火；(5) 、将开有条形透明窗口的掩模版置于所述经2次退火后的SmAs2。S79非晶态薄膜上表面，所述条形窗口的宽度在3阿 6nm之间；(6)、采用波长范围为300 436nm、光功率面密度为58 mW/cm2的紫外光通过 所述条形窗口辐照所述SmAs2。S79非晶态薄膜，辐照持续时间在80分钟 120 分钟之间，完成选择性紫外曝光，所述SmAs2。S79非晶态薄膜中经所述紫外曝 光的条形区域的折射率增加，形成条形光波导。在所述真空镀膜工艺制备的过程中，所述基板的温度控制在60°C以下。 本发明的有益效果在于本发明的非晶态SmAs2。S79条形光波导制造方法， 解决了反应离子蚀刻技术和湿法蚀刻技术等常规技术不能实现的SniAs2。S79非 晶态条状波导的制备工艺问题，为制备由SmAs2。S79非晶态条状波导构成的导 波光回路器件提供了实施可能性。


图1是本发明非晶态Sras2。S79条形光波导制造方法中SniAs2。S79的可见光光谱 示意图；图2是本发明非晶态SmAs2。S79条形光波导制造方法中沉积态SnA&。S79薄膜的 折射率和膜厚变化与紫外照辐时间的关系示意图；图3是本发明非晶态SruAs2。S79条形光波导制造方法中SmAs2。S79薄膜样品在紫 外光辐照前后的X线衍射谱示意图；图4是本发明非晶态SmAs2。S79条形光波导制造方法中SmAs2。S79薄膜的折射率 和膜厚变化与退火温度的关系示意图；图5是本发明非晶态SrhAs2。S79条形光波导制造方法中13(TC退火态SniAs2。S79 薄膜的光折变效应与退火履历的关系示意图；图6是本发明非晶态SmAs2。S79条形光波导制造方法中118'C退火态SniAs2。S79薄膜的光折变效应与退火履历的关系示意图；图7是本发明非晶态SmAs2。S79条形光波导制造方法中退火态SmAs2。S79薄膜样 品在紫外光辐照后的X线衍射谱示意图；图8是本发明非晶态SmAs2。S79条形光波导制造方法中光饱和态SmAS2。S79薄膜 折射率增量与退火温度的关系示意图；图9是本发明非晶态SmAs2。S79条形光波导制造方法中SmAs2。S79条波导中632. 8mn波长导模的输出近场照片。
具体实施方式
SniAs2。S79非晶态条波导的制造试验步骤如下(1) 长度为10mm的、上表面经光学级平面研磨的光学石英基板经两端抛光，其 上采用真空镀膜工艺制备了 1^im厚的SrnAs2。S79非晶态薄膜，真空镀膜过程中， 基板的温度控制在6(TC以下。(2) 将SmAs2。S79非晶态薄膜连同基板一起置于13(TC空气氛围中保温1小时， 完成1次退火。(3) 采用波长范围为300 436nm、光功率面密度为58 mW/cm2的紫外光辐照经 1次退火后的SmAs2。S79非晶态薄膜，辐照持续时间为80分钟，完成1次辐照。(4) 将完成1次辐照的SmAs2。S79非晶态薄膜连同基板一起置于13(TC空气氛围 中保温1小时，完成2次退火。(5) 将开有条形透明窗口的掩模版置于经2次退火后的SmAs2。S79非晶态薄膜上 表面，条形窗口的宽度为5)am。(6) 采用波长范围为300 436nm、光功率面密度为58 mW/cm2的紫外光通过条 形窗口辐照SnAs2。S79非晶态薄膜，辐照持续时间为100分钟，完成选择性紫外曝光。SrnAs2。S79非晶态薄膜中经紫外曝光的条形区域的折射率增加，形成条 形光波导。制备完成的SmAs2。S79非晶态条波导，采用端面耦合技术进行光波导的导 模激励，输入端与单模光纤对接，对准调节采用了自动调芯方法。在波导输 出端，采用CCD摄像观察导模的模场分布。图9是632. 8nm波长导模的输出近场照片，显示了十分良好的导光特性。对SmAs2。S79非晶态条波导的制造方法阐述如下 一 、SniAs2。S79非晶态薄膜制备SnAs2。S79薄膜采用真空镀膜技术制备，将组分材料Sn、 As和S按莫尔数 配平，真空加温至90(TC熔融，搅拌保温10小时，自然冷却后磨成粉末用作 蒸发源。衬底基板可以是光学玻璃，也可以是铌酸锂晶体。为了防止镀膜过 程中薄膜的成分配比变动，基板温度控制在6(TC以下。膜厚控制采用称量法， 通过调节蒸发源的质量控制膜厚。二、 沉积态SmAs2。S79薄膜的光折变效应如图1所示SmAs2。S79薄膜的可见光光谱，短波吸收边在450nm附近，能 隙宽度约为2.81eV。实验采用的辐照光源是紫外汞灯，波长范围是300 436nm。光辐照前后的SmAs2。S79薄膜的折射率和膜厚采用棱镜薄膜耦合技术测 试，测试波长是632. 8nm。未经退火处理的沉积态SniAs2。S79薄膜的折射率增量与紫外辐照时间之间 的关系如图2所示，紫外汞灯强度为58 mW/cm2，辐照前的薄膜折射率 n。=2.2988。 15分钟内折射率增量与辐照时间呈线性关系，70分钟后开始出现 饱和现象，折射率增量的饱和值约在0.045附近。图2还给出了相应的膜厚变化的实测曲线，膜厚随辐射时间的增加而变薄，辐射70分钟后，膜厚变化减小，趋于一个稳定值，最大变化量约为-0.018nin。图3是紫外光辐照前以及辐照80分钟后的沉积态SmAs2。S79薄膜的 Cu-Ka-X射线(X=0. 1542nm)衍射图，显示很宽的衍射光晕，表明样品在紫 外光辐射前后都是玻璃态。紫外光辐照前的主峰值衍射角2e是8.20。，对应 的平均分子直径为1. 0784nm，紫外光辐照后，主峰值衍射角增大至8. 50° ， 对应的平均分子直径为1. 0404nm，变化率(1. 0404-1. 0784)/ 1. 0784 = -3. 52%, 显示沉积态SnAs2。S79薄膜在紫外光辐照后体积縮小，这与实验得到的膜厚变 薄的现象一致。在26 =16.4°附近还可以观察到一个小的次峰，这是As2S3 的典型衍射峰，表明SmAs2。S79薄膜样品中含有少量As2S3成分，紫外光辐照后， 主峰的衍射强度相对增加而次峰的相对降低，意味着As2S3的比例进一步减少。 SmAs2。S79的平均配位数为2. 19，沉积态薄膜含有大量过剩S元素，紫外光辐 照下部分光子的能量通过激发外壳电子的能级跃迁转化为分子的化学活性 能，薄膜分子间的力学构造发生了包括塌陷和应力释放在内的新的平衡重构， 结构更趋稳定，致密度提高。根据Lorenz-Lorentz关系，折射率与材料密度 成正比，SniAs2。S79薄膜折射率的增加主要源于紫外光辐照后薄膜密度的提高。三、退火态SnAs2。S79薄膜的光折变效应退火有助于改善薄膜与基板的附着力、薄膜致密性以及薄膜物理特性的 稳定性，是制备高品质光波导的一个重要工艺环节。SniAS2。S79的玻璃化温度 Tg在130'C左右，退火温度低于Tg不会明显影响薄膜的组分。退火实验在IIO 'C 130"C之间的空气氛围中进行，恒温时间为l小时，在室温中冷却。图4 给出了退火温度与折射率增量之间关系，在低温范围，折射率增量与退火温度大致成线性关系，在124'C附近有最大值An^"0.04，退火温度接近L时， 折射率增量出现下降趋势。图4是SmAs2。S79薄膜的折射率和膜厚变化与退火 温度的关系图，在124"C之前膜厚随退火温度的增加递减，接近Tg时，膜厚开 始反弹。由于Tg以下的退火温度不影响薄膜质量，膜厚变化与折射率增量的 实验数据依然反映Lorenz-Lorentz关系。退火态Sras2。S79薄膜的光折变效应示于图5、 6，图5、 6的退火温度分别 是13(TC和118°C，退火时间均为1小时，辐照光源是上述58 mW/cii^的紫外 汞灯。可以发现退火态SmAs2。S79薄膜的折射率虽然也随辐照剂量的增加而递 增，但光折变效应与退火履历有关，图5的实验结果显示两个重要特点，一 个是履经两次以上"130。C/lh退火一80min辐照"的过程，折射率增量与辐 照时间的关系曲线趋于稳定，折射率增量饱和值与沉积态SmAs2。S79薄膜的光 折变饱和值趋于一致；另一个重要特点是，130°C/lh退火态样品的光致折射 率增量可以通过退火来擦除，退火和紫外辐照的作用提供了近乎完全的可逆 过程。这些特点不仅为制备条波导指出了可靠的折射率控制方法，还预示 SruAs2。S79薄膜作为一种可热擦除的记录介质的可能性。值得指出的是，这种完 全可逆过程只有在退火温度接近Tg时才能看到，对于明显低于Tg的退火态样 品，履经两次以上退火一辐照过程后，光折变效应变得不明显，图6给出了 118'C退火态样品的例子，反复退火后光折变效应明显退化。图7给出了履经两次以上"130 (or 118) °C/lh退火一80min辐照"过 程的SruAs2。S79薄膜样品的X线衍射谱，为了比较，图中还给出了沉积态 SruAs2。S79薄膜经80分钟紫外辐照样品的X线衍射谱，三者的主峰值衍射角近 乎一致，这与图5显示的三者的折射率增量十分接近的现象相符合。另外，经过热处理的样品的衍射光晕更加平坦，更具玻璃化特征。四、光饱和态SmAs2。S79薄膜的退火效应上述实验表明，紫外光辐照和热退火都可以改变SmAs2。S79薄膜的折射率， 不同的退火履历还会引起完全的可逆过程或部分擦除现象。沉积态样品经紫 外辐照达到折射率增量饱和值的光饱和态SniAs2。S79薄膜的退火实验是观察光 辐照和热退火关系的另一个重要视角。图8给出了光饱和态SmAs2。S79薄膜的 折射率增量与退火温度的关系，退火时间均为l小时，纵坐标An是退火后样 品与光饱和态样品的折射率差。 一个十分有用的结论是，在115t:附近退火， 不会明显改变光饱和态薄膜的折射率，退火温度取其左右可以调节折射率的 大小。沉积态和退火态SmAs2。S79薄膜经紫外辐照后的样品、以及光饱和态经退 火后的样品在干燥室温条件下分别放置6个月和近4个月后，再度测试均显示折射率至小数点后第三位维持不变，表明采用热处理结合光折变技术制备 SniAs2。S79非晶态条波导是一种可以期待的工艺。
权利要求
1、一种非晶态Sn1As20S79条形光波导制造方法，制造方法包括如下步骤(1)、基板采用上表面经光学级平面研磨的光学平板玻璃或光学平板晶体，所述基板的两侧向端面经光学级抛光，在所述基板的上表面上采用真空镀膜工艺制备0.5μm～2μm厚的Sn1As20S79非晶态薄膜；(2)、将所述Sn1As20S79非晶态薄膜及其基板置于125℃～135℃空气氛围中保温1小时，完成1次退火；(3)、采用波长范围为300～436nm、光功率面密度为58mW/cm2的紫外光辐照经步骤(2)1次退火后的Sn1As20S79非晶态薄膜，辐照持续时间在60分钟～100分钟之间，完成1次辐照；(4)、将所述完成1次辐照的Sn1As20S79非晶态薄膜及其基板置于125℃～135℃空气氛围中保温1小时，完成2次退火；(5)、将开有条形透明窗口的掩模版置于所述经2次退火后的Sn1As20S79非晶态薄膜上表面，所述条形窗口的宽度在3μm～6μm之间；(6)、采用波长范围为300～436nm、光功率面密度为58mW/cm2的紫外光通过所述条形窗口辐照所述Sn1As20S79非晶态薄膜，辐照持续时间在80分钟～120分钟之间，完成选择性紫外曝光，所述Sn1As20S79非晶态薄膜中经所述紫外曝光的条形区域的折射率增加，形成条形光波导。
2、 根据权利要求l所述非晶态SmAs2。S79条形光波导制造方法，其特征在于， 在所述真空镀膜工艺制备的过程中，所述基板的温度控制在6(TC以下。
全文摘要
本发明涉及一种非晶态Sn₁As₂₀S₇₉条形光波导制造方法，采用两次履经退火-辐照过程的方法制备Sn₁As₂₀S₇₉非晶态条状波导的技术，解决了反应离子蚀刻技术和湿法蚀刻技术等常规技术不能实现的Sn₁As₂₀S₇₉非晶态条状波导的制备工艺问题，为制备由Sn₁As₂₀S₇₉非晶态条状波导构成的导波光回路器件提供了实施可能性。
文档编号G02B1/10GK101403809SQ200810202529
公开日2009年4月8日 申请日期2008年11月11日 优先权日2008年11月11日
发明者蓓 孙, 浜中广见, 王关德, 陈抱雪, 隋国荣 申请人:上海理工大学