專利名稱：鋯鈦酸鉛鐵電膜非對稱平板光波導的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種平板光波導，具體是指一種由鋯鈦酸鉛鐵電膜組成的非對稱平板光波導。
背景技術：
隨著激光和光通訊技術的發(fā)展，對無源波導元器件及單片集成光路的需求與日劇增，這就迫切需要大量廉價、制備工藝相對簡單、光學性能優(yōu)異、傳輸損耗低的導光媒質，即光波導元件。由于鋯鈦酸鉛鐵電膜在多數(shù)光子器件所工作的可見光和紅外光譜區(qū)是透明的，其折射率可隨工藝條件、摻雜情況和組分的變化而變化，以及鋯鈦酸鉛鐵電膜的制備成本低，加工技術同現(xiàn)有的半導體工藝相兼容等優(yōu)點，因此，鋯鈦酸鉛鐵電膜有可能成為制作光電子器件最有前途的材料之一。目前，世界上有越來越多的研究小組致力于該領域的研究開發(fā)工作。
為實現(xiàn)鋯鈦酸鉛材料在光子器件中的運用，首先需要將它制成光波導元件?？紤]到晶格匹配問題，目前基于鋯鈦酸鉛的光波導元件的襯底材料主要有Pt/Ti/SiO2/Si、SrTiO3、SrRuO3、導電玻璃等。然而，由于這些襯底材料的折射率與鋯鈦酸鉛鐵電膜的折射率相差較大，通常Δn＞0.4。因此光在厚度為微米量級的導光層中傳輸時，往往出現(xiàn)多個光導模，從而引起模式色散損耗，使光波導器件性能惡化，不能滿足器件制作的要求。

發(fā)明內容
基于上述已有光波導元件存在的問題，本發(fā)明的目的是提出一種利用鋯鈦酸鉛鐵電膜的折射率隨鋯含量減少而增加的線性緩變特性，設計一個導光層和襯底材料的折射率相差較小的非對稱平板光波導結構，從而實現(xiàn)光波在導光層中的單模傳輸。
本發(fā)明的鋯鈦酸鉛鐵電膜非對稱平板光波導，包括硅(Si)基片，在Si基片上依次有相互牢固結合的導電金屬氧化物鎳酸鑭(LaNiO3)緩沖層，二個鋯(Zr)含量不同，折射率有差異的鋯鈦酸鉛膜層，它們分別是鋯鈦酸鉛(PbZrxTi1-xO3)襯底層，鋯鈦酸鉛(PbZryTi1-yO3)導光層，其中的x和y為摩爾數(shù)，應滿足0＜y＜x＜1，0.005≤x-y≤0.8條件，所說的導光層厚度為0.5-3微米量級。
采用緩沖層的目的是由于PbZrxTi1-xO3同Si的晶格常數(shù)不相匹配，很難直接在Si基片上生長出高度擇優(yōu)取向無裂紋的優(yōu)質膜層，同時LaNiO3膜層還可作為光波導器件的一個底電極。
本發(fā)明的光波導實際是由組分不同的PbZrxTi1-xO3襯底層、PbZryTi1-yO3導光層和空氣組成。它是根據(jù)鋯鈦酸鉛鐵電膜在可見光和紅外光譜區(qū)的透明特性，在同一波長下，其折射率隨鋯含量減少而增加的線性緩變特性，采用組分不同的鋯鈦酸鉛鐵電膜來作為襯底和導光層，即波導的導光層和襯底層分別由不同組分、折射率相差較小的鋯鈦酸鉛鐵電膜構成。這樣，可使光波導器件的工作性能得到改善，避免了因導光層與襯底層折射率差過大而導致波導性能變差的問題。
本發(fā)明的最大優(yōu)點是當光波在厚度為微米量級的導光層中傳輸時，是單模傳輸，不會產(chǎn)生模式色散損耗，從而使光波導器件性能優(yōu)化，滿足了用于制作集成光路的要求。


圖1為本發(fā)明的結構示意圖；圖2為本實施例高度(100)擇優(yōu)取向的鋯鈦酸鉛鐵電膜的X射線衍射圖。
圖3為棱鏡-鋯鈦酸鉛鐵電膜非對稱平板光波導耦合測量結果。
具體實施例方式
下面以摩爾數(shù)x＝0.5和y＝0.4為實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步的詳細說明1.鎳酸鑭溶液的配制將1.8克四水合醋酸鎳和2.69克四水合硝酸鑭溶于30毫升醋酸中，得到濃度為0.4M/L的鎳酸鑭前驅體溶液。
2.鋯鈦比為50∶50(x＝0.5)溶液的配制將3.6433g硝酸鉛溶于30ml己二醇甲醚中，再加入1.5ml正丁醇鈦、2.22ml異丙醇鋯混合。隨后再依次加入0.52ml己酰丙酮，0.73ml正丙醇，1.11g聚乙烯吡咯烷酮，最后加入0.36ml去離子水。通過蒸餾去除一部分反應副產(chǎn)物及溶劑，得到清澈透明，鋯鈦比為50∶50，摩爾濃度為0.4M/L的鋯鈦酸鉛前驅體溶液。
3.鋯鈦比為40∶60(x＝0.4)溶液的配制將3.6433g硝酸鉛溶于30ml己二醇甲醚中，再加入1.8ml正丁醇鈦、1.78ml異丙醇鋯混合。隨后再依次加入0.52ml己酰丙酮，0.73ml正丙醇，1.11g聚乙烯吡咯烷酮，最后加入0.36ml去離子水。通過蒸餾去除一部分反應副產(chǎn)物及溶劑，得到清澈透明，鋯鈦比為40∶60，摩爾濃度為0.4M/L的鋯鈦酸鉛前驅體溶液。
4.鋯鈦酸鉛鐵電膜非對稱平板光波導的制備A.以硅(Si)為基片，將鎳酸鑭前驅體溶液滴在基片上，用勻膠機將溶液均勻甩開，甩膠速度約為3500轉/分，時間約為20秒。然后將膠膜與基片一起置于快速退火爐中分段升溫熱處理，分別在180℃、380℃和700℃下各熱處理約4分鐘，重復上述過程3次，就可得到厚度約為120nm的鎳酸鑭緩沖層。
B.將鋯鈦比為50∶50(x＝0.5)的鋯鈦酸鉛前驅體溶液滴在鎳酸鑭緩沖層上，用勻膠機將溶液均勻甩開，甩膠速度約為3000轉/分，時間約為30秒。每鍍好一層，將片子放入快速退火爐中，分別在180℃下熱處理5分鐘，380℃下熱處理6分鐘，700℃下熱處理8分鐘，重復上述過程6次，得到厚度約0.67μm的PbZr0.5Ti0.5O3襯底層。
C.重復上述B的過程，將鋯鈦比為40∶60(y＝0.4)的鋯鈦酸鉛前驅體溶涂布在PbZr0.5Ti0.5O3襯底層上，得到厚度約0.67μm的PbZr0.4Ti0.6O3導光層。一個鋯鈦酸鉛鐵電膜組成的非對稱平板光波導制備完畢。經(jīng)棱鏡-非對稱平板光波導耦合測量結果表明本發(fā)明的光波導能有效地傳輸零階橫電模，是一種單模光波導，見圖3。
權利要求
1.一種鋯鈦酸鉛鐵電膜非對稱平板光波導，包括Si基片(1)，其特征在于在Si基片(1)上依次有相互牢固結合的導電金屬氧化物LaNiO3緩沖層(2)，二層通過鋯組份的變化得到折射率差異的PbZrTiO3膜層，它們分別是PbZrxTi1-xO3襯底層(3)，PbZryTi1-yO3導光層(4)，其中的x和y為摩爾數(shù)。
2.根據(jù)權利要求1的一種鋯鈦酸鉛鐵電膜非對稱平板光波導，其特征在于所說的PbZrxTi1-xO3襯底層(3)、PbZryTi1-yO3導光層(4)中的x和y摩爾數(shù)應滿足0＜y＜x＜1，0.005≤x-y≤0.8的條件。
3.根據(jù)權利要求1的一種鋯鈦酸鉛鐵電膜非對稱平板光波導，其特征在于所說的導光層(4)厚度為0.5-3微米。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鋯鈦酸鉛鐵電膜非對稱平板光波導，該波導包括硅基片，在硅基片上依次有相互牢固結合的導電金屬氧化物鎳酸鑭緩沖層，通過鋯組份的變化得到折射率差異的鋯鈦酸鉛襯底層和鋯鈦酸鉛導光層。該波導是利用鋯鈦酸鉛鐵電膜的折射率隨鋯含量減少而增加的線性緩變特性，使得導光層和襯底的折射率有較小的差，從而實現(xiàn)光波在導光層中的單模傳輸。使光波導器件性能優(yōu)化，滿足了用于制作集成光路的要求。
文檔編號G02B6/12GK1544963SQ20031010872
公開日2004年11月10日 申請日期2003年11月20日 優(yōu)先權日2003年11月20日
發(fā)明者胡古今, 孫艷, 戴寧 申請人:中國科學院上海技術物理研究所