一种制备KTP非线性跑道型微环谐振器的方法与流程

一种制备ktp非线性跑道型微环谐振器的方法
技术领域
1.本发明涉及离子束材料改性、维纳加工和集成光学领域，尤其涉及一种制备ktp非线性跑道型微环谐振器的方法。


背景技术：

2.微环谐振器是集成光学的一种元件，包含至少一个封闭的环状光通路，可使光在其中循环往复，特定波长的光，因在微环谐振器中发生谐振，即干涉相长，而不断增强；
3.目前，微环谐振器多用于硅基集成光学，主要以硅、二氧化硅、碳化硅等材料为基底，这是由于硅基材料的加工技术已经相对完善和成熟，广泛应用于硅基集成电路半导体芯片加工的光刻以及后续的反应离子刻蚀技术，可以部分或全部迁移到硅基集成光学器件的加工过程中；
4.尽管现存的硅基微环谐振器已经非常精密，但是硅基材料本身不具备二阶非线性频率响应特性，所以硅基微环谐振器目前仅有频域滤波(频率选择)、传感等有限的几种用途；
5.如果将微环谐振器的结构优势和非线性光学材料的功能优势相组合，就能在所制备的微环结构中实现非线性光频率转换，即通过倍频、和频、差频、参量震荡等一种或多种非线性过程将一种频率的光(基频光)转换为另一种频率的光(变频光)，无疑这将大大拓展微环谐振器的应用范围，同时，光在微环谐振器中的多次循环往复，也能充分利用材料的非线性，大大提高变频光的转换效率；
6.一个成功的案例，是在片上铌酸锂薄膜中制备的非线性波导微环谐振器，然而，作为一种性能优异的非线性材料，铌酸锂晶体也存在着不容忽视的缺陷，如光损伤阈值(单位面积所能承受的最大光功率)低，抗光折变(光照射引起的折射率变化)能力弱，这也决定了以铌酸锂为基底材料的微环谐振器，不适用于较大功率的应用场景；
7.ktp(ktiopo4、磷酸钛氧钾)作为性能同样优异的非线性光学晶体，其光损伤阈值(大于450mw/cm2)远大于铌酸锂晶体(约100mw/cm2)，因而不仅能够替代铌酸锂的非线性频率转换功能，还可适用于更大功率和脉冲激光的场景，因此本发明提出一种制备ktp非线性跑道型微环谐振器的方法以解决现有技术中存在的问题。


技术实现要素：

8.针对上述问题，本发明的目的在于提出一种制备ktp非线性跑道型微环谐振器的方法，为了打破现有铌酸锂非线性微环谐振器的变频光输出功率限制，将非线性微环谐振器的应用范围拓展到更大功率和脉冲激光领域，同时，为了简化非线性微环谐振器的加工流程，缩短制造时间，降低制造成本。
9.为实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种制备ktp非线性跑道型微环谐振器的方法，包括以下步骤：
10.步骤一、ktp晶片处理
11.首先对切割成形的ktp晶片进行表面抛光作业，抛光作业结束后对其进行清洁作业，清洁完毕后，放入储存设备中储存，备用；
12.步骤二、离子注入
13.取出步骤一中备用的ktp晶片，然后使用离子注入设备将经过离子加速器加速的离子注入ktp晶片，在ktp晶片表面以下数微米深处形成折射率下降的隔离层，隔离层之上的部分为波导层；
14.步骤三、电子束曝光
15.在步骤二中的ktp晶片表面上旋涂一层光刻胶，然后利用电子束曝光设备，将微环谐振器的二维图案转移到光刻胶上，得到待加工样品；
16.步骤四、后续处理
17.利用金属蒸发沉积镀膜系统，在步骤三中的样品上沉积一层金属，然后用纯丙酮浸泡并清洗样品，去除多余的光刻胶，让微环谐振器的二维图案转移至金属上，并形成一层金属掩膜，得到镀有金属掩膜的样品；
18.步骤五、离子刻蚀处理
19.利用反应离子刻蚀设备，自顶向下，对步骤四中镀有金属掩膜的样品自顶向下，进行刻蚀作业，由于微环部分有金属掩膜遮挡，且反应离子对金属掩膜的刻蚀速率小于对ktp晶体的刻蚀速率，因此，反应离子刻蚀只去除微环谐振器以外的部分和金属掩膜的一部分；
20.步骤六、最后处理
21.用化学腐蚀溶液溶解残留的金属掩膜，即得到剩余的部分，为微环谐振器结构。
22.进一步改进在于：所述步骤二中，离子的种类为碳离子或氧离子中的一种。
23.进一步改进在于：所述步骤二中，数微米的范围为5-10微米。
24.进一步改进在于：所述步骤三中，光刻胶的厚度为300-600纳米。
25.进一步改进在于：所述步骤四中，金属为铝金属或铬金属中的一种。
26.进一步改进在于：所述步骤五中，反应离子为氩气与六氟化硫的混合气体。
27.进一步改进在于：所述步骤六中，化学腐蚀溶液为双氧水或200克硝酸铈铵、35毫升醋酸与1升水的混合溶液中的一种。
28.本发明的有益效果为：该种制备ktp非线性跑道型微环谐振器的方法通过离子注入一道工序，就实现了与片上铌酸锂薄膜材料类似的薄膜状波导结构的制备，生产流程大大简化，时间缩短，成本显著降低，同时，本发明最终制备的ktp非线性微环谐振器，与现存的铌酸锂非线性微环谐振器相比，具有更高的光损伤阈值，可将非线性变频光的输出功率，由微瓦提升至毫瓦量级，并且适用于输入和输出的光信号均为脉冲激光的情形，而离子注入、电子束曝光、金属蒸发沉积镀膜、反应离子刻蚀，均为相对成熟的微纳加工技术，使得本发明具有良好的可操作性性和可重复性。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1是本发明实施例一的步骤示意图。
31.图2是本发明实施例一的微环谐振器二维俯视示意图。
32.图3是本发明实施例一的离子注入ktp晶片示意图。
33.图4是本发明实施例一的旋涂光刻胶后晶片侧视示意图。
34.图5是本发明实施例一的电子束曝光后晶片侧视示意图。
35.图6是本发明实施例一的金属蒸发沉积镀膜后晶片侧视示意图。
36.图7是本发明实施例一的形成金属掩膜后晶片侧视示意图。
37.图8是本发明实施例一的反应离子刻蚀后晶片侧视示意图。
38.图9是本发明实施例一的溶解金属掩膜后晶片侧视示意图。
39.图10是本发明实施例二的微环谐振器1064纳米激光倍频示意图。
具体实施方式
40.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
42.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
43.实施例一
44.根据图1-9所示，本实施例提出了一种制备ktp非线性跑道型微环谐振器的方法，包括以下步骤：
45.步骤一、ktp晶片处理
46.首先对切割成形的ktp晶片进行表面抛光作业，抛光作业结束后对其进行清洁作业，清洁完毕后，放入储存设备中储存，备用；
47.步骤二、离子注入
48.取出步骤一中备用的ktp晶片，然后使用离子注入设备将经过离子加速器加速的离子注入ktp晶片，如图2所示，在ktp晶片表面以下数微米深处形成折射率下降的隔离层，隔离层之上的部分为波导层，所述步骤二中，离子的种类为碳离子或氧离子中的一种，所述步骤二中，数微米的范围为5-10微米，仅通过离子注入一道工序，就实现了与片上铌酸锂薄膜材料类似的薄膜状波导结构的制备，生产流程大大简化，时间缩短，成本显著降低；
49.步骤三、电子束曝光
50.在步骤二中的ktp晶片表面上旋涂一层光刻胶(950pmma a4)，如图3所示，然后利用电子束曝光设备，将微环谐振器的二维图案(如图3所示)转移到光刻胶上，得到待加工样品，所述步骤三中，光刻胶的厚度为300-600纳米，所述步骤三中，电子束曝光后，微环谐振器二维图案所在区域的光刻胶被去除，并留下与二维图案相同尺寸的空隙，如图5所示；
51.步骤四、后续处理
52.利用金属蒸发沉积镀膜系统，在步骤三中的样品上沉积一层金属，金属的厚度略小于光刻胶的厚度，如图6所示，然后用纯丙酮浸泡并清洗样品，去除多余的光刻胶，让微环谐振器的二维图案转移至金属上，并形成一层金属掩膜，得到镀有金属掩膜的样品，如图7所示，所述步骤四中，金属为铝金属或铬金属中的一种；
53.步骤五、离子刻蚀处理
54.利用反应离子刻蚀设备，自顶向下，对步骤四中镀有金属掩膜的样品进行刻蚀作业，由于微环部分有金属掩膜遮挡，且反应离子对金属掩膜的刻蚀速率小于对ktp晶体的刻蚀速率，因此，反应离子刻蚀只去除微环谐振器以外的部分和金属掩膜的一部分，如图8所示，所述步骤五中，反应离子为氩气与六氟化硫的混合气体；
55.步骤六、最后处理
56.用特定的化学腐蚀溶液溶解残留的金属掩膜，即得到剩余的部分，为微环谐振器结构，高度约为3-6微米，如图8所示，所述步骤六中，化学腐蚀溶液为双氧水或200克硝酸铈铵、35毫升醋酸与1升水的混合溶液中的一种，其中，以铬金属为例，可用200克硝酸铈铵、35毫升醋酸与1升水的混合溶液将其溶解。
57.实施例二
58.根据图10所示，本实施例以1064纳米左右波段的倍频(二次谐波)产生为例，其中，附图10中的上部分图为微环谐振器1064nm倍频示意图，箭头表示光的传播方向，当ktp晶体经过适当的相位匹配处理后(沿特定角度切割，例如θ＝90
°
，φ＝23.5
°
时，可实现ii类相位匹配)，将满足非线性倍频的相位匹配条件。
59.此时当1064纳米激光通过直波导时，将以消逝波(evanescent wave)的形式，耦合到微环谐振器中，在谐振器中循环往复，发生震荡；并在传播路径中不断转换成532纳米左右的倍频光，所产生的倍频光同样会以消逝波的形式耦合到直波导中，最终输出532纳米光信号。
60.1064纳米激光在ktp微环谐振器中的传输模拟结果如附图10中的下部分图所示，由于ktp具有较高的光损伤阈值，输出的倍频光信号功率能够拓展至毫瓦量级，同时，光在微环中多次循环往复，充分利用了材料的非线性响应特性，与直波导的倍频光转换效率相比，微环的倍频光转换效率能够提升数10倍以上。
61.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。