激光直寫(xiě)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(lái)，隨著集成光學(xué)的飛速發(fā)展，迫切需要發(fā)展工藝簡(jiǎn)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(xiě)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(diǎn)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(zhǎng)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(duì)薄膜進(jìn)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(diǎn)，去除薄膜的未致密化區(qū)域，形成SiO2/TiO2條形光波導(dǎo)，對(duì)所制備的條形光波導(dǎo)的模場(chǎng)分布和光傳輸損耗進(jìn)行了分析測(cè)試。主要研究?jī)?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(jì)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(xiě)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(guò)調(diào)節(jié)溶膠體系內(nèi)

4、的鈦含量精確控制，在波長(zhǎng)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(dá)到平板光波導(dǎo)的設(shè)計(jì)要求時(shí)，對(duì)于波長(zhǎng)為1550 nm的光波存在導(dǎo)模。棱鏡耦合法測(cè)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(xiě)工藝對(duì)薄膜致密化線條的影響因素以及作用機(jī)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(xiě)薄膜的激光功率密度范圍（ΔF）在Fc和Fd之間時(shí)，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(jìn)而減小致密化線條的寬度。但是同時(shí)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(xiě)機(jī)理是利用單晶硅襯底對(duì)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(guò)對(duì)薄膜致密化線條在氫氟酸溶液中腐蝕不同時(shí)間的截面輪廓的表征，計(jì)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(duì)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(duì)腐蝕速率差減小，當(dāng)熱處理溫度由200℃提高到500℃時(shí)，相對(duì)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(guò)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(guò)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(jìn)而增加了SiO2/TiO2條形光波導(dǎo)在光傳輸時(shí)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(guó)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(chǎng)功能模塊進(jìn)行的光場(chǎng)模擬和實(shí)際通光測(cè)試的近場(chǎng)光斑均顯示制備的條形光波導(dǎo)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)波長(zhǎng)為1550 nm光波的單模傳輸。 采用截?cái)喾▽?duì)SiO2/TiO2條形光波導(dǎo)的光傳輸損耗進(jìn)行的測(cè)試結(jié)果顯示，相對(duì)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(xiě)技術(shù)制備的條形光波導(dǎo)在傳輸1550 nm波長(zhǎng)