激光直寫SiO-,2--TiO-,2-溶膠-凝膠薄膜制備條形光波導(dǎo)技術(shù)基礎(chǔ)研究.pdf

1、條形光波導(dǎo)是光電子器件的基本元器件。近年來，隨著集成光學(xué)的飛速發(fā)展，迫切需要發(fā)展工藝簡單、成本低、柔性化程度高的條形光波導(dǎo)制備技術(shù)。激光直寫技術(shù)克服了傳統(tǒng)的以光刻技術(shù)為核心的光波導(dǎo)制作技術(shù)的種種弊端，成為光電子器件制造領(lǐng)域的熱點研究課題。 本文采用浸漬提拉法在SiO2/Si表面制備了疏松多孔的SiO2/TiO2溶膠-凝膠薄膜。利用波長為1070 nm連續(xù)摻鐿光纖激光器直接處理SiO2/TiO2薄膜，使得薄膜的致密度發(fā)生改變，然后

2、采用化學(xué)腐蝕溶液對薄膜進行濕法腐蝕，利用薄膜致密化區(qū)域與未致密化區(qū)域具有腐蝕速率差的特點，去除薄膜的未致密化區(qū)域，形成SiO2/TiO2條形光波導(dǎo)，對所制備的條形光波導(dǎo)的模場分布和光傳輸損耗進行了分析測試。主要研究內(nèi)容和結(jié)果總結(jié)如下： 系統(tǒng)研究了SiO2/TiO2二元溶膠-凝膠體系的合成工藝以及相應(yīng)的材料性能。結(jié)果表明，合成工藝路線的設(shè)計是影響制備優(yōu)良性能的溶膠-凝膠材料的重要因素。采用兩步水解法制備的SiO2/TiO2二元溶膠

3、-凝膠體系性能穩(wěn)定，可用于激光直寫光波導(dǎo)薄膜的制備。 在SiO2/TiO2溶膠-凝膠薄膜的提拉制備工藝中，提拉速度、溶膠濃度、溶膠粘度以及干燥熱處理溫度是影響薄膜厚度的主要因素。采用濃度為40％（V％），粘度為3.0 mPa?s的溶膠，以10 cm/min的提拉速度提拉制膜，在200℃下保溫30分鐘的干燥熱處理，制備的薄膜表面平整，在15 μm × 15 μm范圍內(nèi)的粗糙度數(shù)值為0.31 nm。薄膜折射率大小可通過調(diào)節(jié)溶膠體系內(nèi)

4、的鈦含量精確控制，在波長為600 nm - 2500 nm的窗口內(nèi)有較高的透光率。當(dāng)SiO2/TiO2溶膠-凝膠薄膜的折射率和厚度達到平板光波導(dǎo)的設(shè)計要求時，對于波長為1550 nm的光波存在導(dǎo)模。棱鏡耦合法測試結(jié)果顯示平板光波導(dǎo)的光傳輸損耗隨著波導(dǎo)芯層薄膜的厚度增加而降低，所制備的SiO2/TiO2平板光波導(dǎo)的光傳輸損耗最小值為0.34 dB/cm。 系統(tǒng)研究了激光直寫工藝對薄膜致密化線條的影響因素以及作用機理。提出了激光起始

5、收縮閾值（Fc）、燒蝕損傷閾值（Fd）、臨界離焦量和臨界光斑直徑的概念。當(dāng)用于直寫薄膜的激光功率密度范圍（ΔF）在Fc和Fd之間時，隨著激光功率密度的增大，得到的薄膜致密化線條寬度增加，收縮率增大。提高溶膠-凝膠薄膜的熱處理溫度，可以增大ΔF，減小臨界光斑直徑，進而減小致密化線條的寬度。但是同時降低了薄膜致密化區(qū)域與未致密化區(qū)域的腐蝕速率差，不利于條形光波導(dǎo)的腐蝕成型。薄膜的激光直寫機理是利用單晶硅襯底對激光能量的吸收，然后以熱傳導(dǎo)形式

6、將能量從襯底傳導(dǎo)至表面的SiO2/TiO2多孔薄膜，使溶膠-凝膠薄膜內(nèi)納米孔隙受熱收縮致密化。 通過對薄膜致密化線條在氫氟酸溶液中腐蝕不同時間的截面輪廓的表征，計算了不同溫度熱處理的薄膜經(jīng)激光處理后的致密化區(qū)域與未致密化區(qū)域的相對腐蝕速率差。結(jié)果表明，隨著溶膠-凝膠薄膜熱處理溫度的提高，薄膜致密化區(qū)域與未致密化區(qū)域的相對腐蝕速率差減小，當(dāng)熱處理溫度由200℃提高到500℃時，相對腐蝕速率差由19.5 nm/s減少到了4 nm/s

7、。由于SiO2/TiO2薄膜內(nèi)存在不與氫氟酸反應(yīng)的其它組分，因此在條形光波導(dǎo)腐蝕成型過程中除了薄膜的腐蝕溶解之外，還有未反應(yīng)組分的物理脫附過程，由此造成條形光波導(dǎo)芯層薄膜的表面粗糙度的增加，進而增加了SiO2/TiO2條形光波導(dǎo)在光傳輸時的表面散射損耗。在氫氟酸溶液中腐蝕28 s成型的條形光波導(dǎo)，表面散射損耗的理論值為1.43 dB/cm。 在國內(nèi)外首次利用光纖激光器在硅基襯底表面制備了最小寬度為15 μm的條形光波導(dǎo)。采用 F

8、EMLAB（Finite Element Modeling Laboratory）中電磁場功能模塊進行的光場模擬和實際通光測試的近場光斑均顯示制備的條形光波導(dǎo)可以實現(xiàn)對波長為1550 nm光波的單模傳輸。 采用截斷法對SiO2/TiO2條形光波導(dǎo)的光傳輸損耗進行的測試結(jié)果顯示，相對于平板光波導(dǎo)，條形光波導(dǎo)的光傳輸損耗大幅度增加，而且光波導(dǎo)芯層薄膜厚度越小，增加幅度越大。文中利用激光直寫技術(shù)制備的條形光波導(dǎo)在傳輸1550 nm波長