一種在鐵電晶體材料中制作疇反轉(zhuǎn)光柵的極化電極結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種在鐵電晶體材料中制作疇反轉(zhuǎn)光柵的極化電極結(jié)構(gòu)，用于制備鐵電晶體材料的周期性疇反轉(zhuǎn)光柵。該電極結(jié)構(gòu)包括帶正面的梳狀光柵電極、背面的金屬電極、正面減薄部分區(qū)域的鐵電晶體材料以及覆蓋在梳狀光柵電極之間的SiO2介質(zhì)層，主電極部分為馬蹄形，本發(fā)明可以壓制極化過程中反轉(zhuǎn)疇垂直分量的增長，并有效壓制了其側(cè)向的生長，解決了利用外加脈沖電壓來制作大厚度長周期和短周期的周期性反轉(zhuǎn)晶體材料（PPXX）的問題，實現(xiàn)了對大厚度和短周期的鐵電晶體材料周期性極化，且最終的極化垂直性優(yōu)越。
【專利說明】一種在鐵電晶體材料中制作疇反轉(zhuǎn)光柵的極化電極結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及到在鐵電晶體材料的進行疇反轉(zhuǎn)光柵的制作【技術(shù)領(lǐng)域】，提出了一種可以對鐵電晶體材料進行周期性極化反轉(zhuǎn)的極化電極結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]準相位匹配(QPM)技術(shù)是非線性光學中的一種重要的相位匹配技術(shù)，它是通過線性光學常數(shù)(模式指數(shù))或非線性光學常數(shù)的周期性調(diào)制來實現(xiàn)非線性光學效應的增強。周期性反轉(zhuǎn)鐵電晶體材料是光頻率轉(zhuǎn)換、光參量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的重要材料，廣泛地應用于激光制作、航天、大氣探測、軍工等領(lǐng)域。
[0003]制作周期性反轉(zhuǎn)鐵電晶體中的極化結(jié)構(gòu)的方法有高溫加熱法、質(zhì)子離子交換法以及在室溫下進行的電子束直接寫入法和外加電場控制法。用這些方法制作出大厚度長周期和短周期的周期性反轉(zhuǎn)鐵電晶體是目前國內(nèi)外在此領(lǐng)域的研究熱點。
[0004]在鐵電非線性光學晶體中通過脈沖電壓應用方法進行準相位匹配的疇反轉(zhuǎn)光柵的制作是目前常用的一種制作方法。在目前的這些準相位匹配周期性疇反轉(zhuǎn)鐵電晶體中，PPLN是一種常用的高品質(zhì)材料，其非線性系數(shù)大，可在較短的光程下得到較大的非線性頻率轉(zhuǎn)換。利用外加脈沖電壓制作PPLN等光學超晶格介質(zhì)，常常受到制作晶體材料本身的均勻性、極化電極結(jié)構(gòu)以及電壓施加裝置的限制。目前在市場上的PPLN厚度大部分仍為
0.5mm,大于Imm的長周期和短周期PPLN仍然較少，因此我們通過提出正面主電極部分為馬蹄形的梳狀光柵電極、背面的金屬電極、正面減薄部分區(qū)域的鐵電晶體材料以及覆蓋在梳狀光柵電極之間的SiO2介質(zhì)層，來解決此類大厚度長周期或短周期周期性反轉(zhuǎn)晶體材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了完成反轉(zhuǎn)疇在垂直分量(正向)的生長以及壓制反轉(zhuǎn)疇在水平分量(側(cè)邊)的增長，以實現(xiàn)在鐵電晶體材料中制作疇反轉(zhuǎn)光柵的目的，本專利提供一種極化電極結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以有效地使電場更集中在垂直分量上，實現(xiàn)在大厚度鐵電晶體材料上完成周期性極化反轉(zhuǎn)。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本專利提供了一種在鐵電晶體材料中制作疇反轉(zhuǎn)光柵的極化電極結(jié)構(gòu)，包括帶正面的梳狀光柵電極、背面的金屬電極、正面減薄部分區(qū)域的鐵電晶體材料以及覆蓋在梳狀光柵電極之間的SiO2介質(zhì)層，主電極部分為馬蹄形。
[0007]進一步地，本技術(shù)方案所述大厚度鐵電晶體材料，采用的鐵電晶體材料為純鈮酸鋰LiNbO3、摻MgO鈮酸鋰MgO-LiNbO3、鉭酸鋰LiTaO3、磷酸氧鈦鉀KTiOPO4 (KTP)、Nd3+擴散鈮酸鋰Nd3+= LiNbO3、Er3+擴散鈮酸鋰Er3+:LiNbO3、砷酸鈦氧銣RbTiOAsO4 (RTA)、鈮酸鍶鋇Sra6Baa4Nb2O6 S (SBN)、氟化鋇鎂 BaMgF4 或硝酸鉀 ΚΝ03。
[0008]進一步地，本技術(shù)方案所述的大厚度晶體周期極化晶體材料，其厚度為毫米量級，大于Imm的晶體材料，長周期指的是周期大于10 μ m的，短周期指的是周期小于7 μ m。[0009]進一步地，本技術(shù)方案所述的極化電極結(jié)構(gòu)在鐵電疇方向呈周期性變化或準周期性變化。
[0010]進一步地，本技術(shù)方案所述的極化電極結(jié)構(gòu)所采用的電極材料包括Al電極、Cr電極或Au電極。
[0011]進一步地，本技術(shù)方案所述的極化電極結(jié)構(gòu)間的掩膜層的特征是:在光刻制作出電極結(jié)構(gòu)后，用HF略微減薄除電極結(jié)構(gòu)外的鐵電晶體材料，所減薄的位置為空穴處，空穴的深度為微米級，為5-20 μ m,此空穴處用SiO2覆蓋。
[0012]進一步地，本技術(shù)方案所使用的SiO2掩膜層的折射率為1.45?1.50，厚度約為20 μ m0
[0013]進一步地，本技術(shù)方案中覆蓋在金屬主電極上的SiO2，通過套刻、顯影、腐蝕等步驟去除，露出所需極化電極結(jié)構(gòu)的金屬部分。
[0014]本專利解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是用帶有背面(-Z面)的電極的梳狀電極結(jié)構(gòu)，且在正面(+z面)對電極結(jié)構(gòu)外的鐵電晶體材料進行HF腐蝕減薄，并對在正面(+z面)除電極結(jié)構(gòu)外的鐵電晶體材料空穴處覆蓋上SiO2掩膜層。因為金屬電極結(jié)構(gòu)下的晶體材料在其側(cè)邊的材料為SiO2，為絕緣體，這樣使得鐵電晶體材料在施加電壓時，電場更集中在其垂直分量上，而且有效地壓制了電場的水平分量，從而可以獲得大厚度長周期或短周期的鐵電晶體材料周期性極化反轉(zhuǎn)。
[0015]本專利的有益結(jié)果是，采用該電極結(jié)構(gòu)，用于鐵電晶體材料的疇反轉(zhuǎn)光柵制作，更能使得其獲得更加優(yōu)良的周期性極化晶體。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明；
圖1是本發(fā)明所提出的電極結(jié)構(gòu)平視圖；
圖2是本發(fā)明所提出的馬蹄形梳狀電極結(jié)構(gòu)俯視圖；
圖3是本發(fā)明所提出的電極結(jié)構(gòu)制作方法流程圖。
【具體實施方式】
[0017]本實例中，一種在鐵電晶體材料中制作疇反轉(zhuǎn)光柵的極化電極結(jié)構(gòu)，電極結(jié)構(gòu)包括帶正面的梳狀光柵電極4、背面的金屬電極5、正面減薄部分區(qū)域的鐵電晶體材料I以及覆蓋在梳狀光柵電極之間的SiO2介質(zhì)層6，主電極部分為馬蹄形。
[0018]本發(fā)明采用的鐵電晶體材料I為純鈮酸鋰LiNbO3、摻MgO鈮酸鋰MgO-LiNbO3、鉭酸鋰LiTaO3、磷酸氧鈦鉀KTiOPO4 (KTP)、Nd3+擴散鈮酸鋰Nd3+:LiNb03、Er3+擴散鈮酸鋰Er3+: LiNbO3、砷酸鈦氧銣 RbTiOAsO4(RTA)、鈮酸鍶鋇 Sr0.6Ba0.4Nb206 SC SBN)、氟化鋇鎂 BaMgF4或硝酸鉀KNO3。
[0019]晶體材料I為大厚度晶體周期極化晶體材料，其厚度為暈米量級，大于Imm的晶體材料，長周期指的是周期大于IOym的，短周期指的是周期小于7 μ m。
[0020]極化電極結(jié)構(gòu)在鐵電疇方向呈周期性變化或準周期性變化。
[0021]極化電極結(jié)構(gòu)所采用的電極材料I為Al電極、Cr電極或Au電極。
[0022]在光刻制作出電極結(jié)構(gòu)后，用HF略微減薄除電極結(jié)構(gòu)外的鐵電晶體材料，所減薄的位置為空穴處，空穴的深度為微米級，為5-20 μ m,此空穴處用SiO2覆蓋。
[0023]SiO2介質(zhì)層6的折射率為1.45~1.50，厚度為200_1000nm。
[0024]通過此種極化獲得周期為28 μ m,厚度為2mm的周期性極化鈮酸鋰晶體，應用于光參量振蕩0P0。
[0025]電極結(jié)構(gòu)的制作步驟如下:
首先對鐵電晶體材料I的+Z面2進行鍍膜，用于電極的鍍膜金屬為包括Al電極、Cr電極、Au電極以及其他合金材料的電極，鍍膜厚度為納米級，為6(T100nm ;然后通過對晶體正面進行光刻、腐蝕等步驟制作出周期為28 μ m,主干電極為馬蹄形,次電極的寬度為Ιμπι的梳狀光柵極化電極4，使得所需極化電極圖形留在鐵電晶體材料上，其中電極4-1是電極正極，電極4-2接地；第三步，用濃度為40%的HF對+ζ面腐蝕f 2分鐘，除電極部分被腐蝕，腐蝕的深度約為5~20μπι，得到鈮酸鋰空穴處；第四步，在+ζ面上覆蓋上一層SiO2介質(zhì)層6，其折射率為1.45^1.50，厚度約為20 μ m。第五步，經(jīng)過套刻、顯影、腐蝕等步驟的處理，露出主干馬蹄形電極部分，以便用于外加脈沖電壓的施加；第六步，在鐵電晶體材料的-ζ面3上鍍上與+ζ面一致的金屬電極材料，所鍍金屬厚度與+ζ面一致，將其作為負電極5。本實例中的電極是根據(jù)在鐵電晶體中的疇生長規(guī)律以及實驗所需而定。
[0026]以上以長周期大厚度OPO晶體的電極制作步驟為例說明了本發(fā)明的基本思想，顯然本發(fā)明還可以用于更大厚度的各類長周期和各種短周期的周期性極化晶體的制作。所以本實例并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種在鐵電晶體材料中制作疇反轉(zhuǎn)光柵的極化電極結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述電極結(jié)構(gòu)包括帶正面的梳狀光柵電極、背面的金屬電極、正面減薄部分區(qū)域的鐵電晶體材料以及覆蓋在梳狀光柵電極之間的SiO2介質(zhì)層，主電極部分為馬蹄形。
2.根據(jù)權(quán)利I所述的在鐵電晶體材料制作疇反轉(zhuǎn)光柵的極化電極結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述鐵電晶體材料為純鈮酸鋰LiNbO3、摻MgO鈮酸鋰MgO-LiNbO3、鉭酸鋰LiTaO3、磷酸氧鈦鉀KTiOPO4 (KTP)、Nd3+擴散鈮酸鋰Nd3+= LiNbO3、Er3+擴散鈮酸鋰Er3+:LiNbO3、砷酸鈦氧銣RbTiOAsO4 (RTA)、鈮酸鍶鋇 Sra6Baa4Nb2O6 S (SBN)、氟化鋇鎂 BaMgF4 或硝酸鉀 KNO3。
3.根據(jù)權(quán)利I或2所述的在鐵電晶體材料制作疇反轉(zhuǎn)光柵的極化電極結(jié)構(gòu)，其特征在于:所描述的鐵電晶體材料為大厚度短周期周期極化晶體材料，其厚度為毫米量級，大于Imm的晶體材料，長周期指的是周期大于10 μ m的，短周期指的是周期小于7 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利I所述的在鐵電晶體材料制作疇反轉(zhuǎn)光柵的極化電極結(jié)構(gòu)，其特征在于:所描述的極化電極結(jié)構(gòu)在鐵電疇方向呈周期性變化或準周期性變化。
5.根據(jù)權(quán)利I所述的在鐵電晶體材料制作疇反轉(zhuǎn)光柵的極化電極結(jié)構(gòu)，其特征在于:所描述的極化電極結(jié)構(gòu)所采用的電極材料為Al電極、Cr電極或Au電極。
6.根據(jù)權(quán)利I所述的在鐵電晶體材料制作疇反轉(zhuǎn)光柵的極化電極結(jié)構(gòu)，其特征在于:在光刻制作出電極結(jié)構(gòu)后，用HF略微減薄除電極結(jié)構(gòu)外的鐵電晶體材料，所減薄的位置為空穴處，空穴的深度為微米級，為5-20 μ m，此空穴處用SiO2覆蓋。
7.根據(jù)權(quán)利I和權(quán)利7所述的在鐵電晶體材料制作疇反轉(zhuǎn)光柵的極化電極結(jié)構(gòu)，其特征在于:所使用的SiO2掩膜層的折射率為1.45~1.50，厚度為200-1000nm。
8.根據(jù)權(quán)利1、權(quán)利6和權(quán)利7所述的在鐵電晶體材料中制作疇反轉(zhuǎn)光柵的電極結(jié)構(gòu)，其特征在于:覆蓋在金屬主電極上的SiO2，通過套刻、顯影、腐蝕等步驟去除，露出所需極化電極結(jié)構(gòu)的金屬部分。
【文檔編號】G02F1/355GK103901697SQ201410068516
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年2月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月27日
【發(fā)明者】梁萬國, 陳懷熹, 宋國才, 鄒小林, 周煌, 繆龍, 馮新凱 申請人:中國科學院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所