PLZT电光开关设计及其薄膜制备工艺研究

摘要

锆钛酸铅镧(PLZT)作为一种新型的电光波导材料，通过在锆钛酸铅(PZT)中掺杂镧获得良好的透明性，具有电光系数大、折射率高等优点，用其制备的集成波导电光开关具有驱动电压小、功耗低、损耗小、尺寸小、开关速度快、易于集成等优点，符合光开关向低功耗、小型化发展的趋势，成为近几年国内外研究热点。
　　本文首先采用有效折射率法结合光束传播法(BPM)对基于PLZT材料的开关进行了设计和优化。优化得到的光开关驱动电压为5V，串扰为-57.13 dB。
　　本文接着对PLZT电光开关缓冲层、芯层以及上包层的制备工艺进行了详细研究，采用射频磁控溅射法研究了基底温度、退火等工艺条件对PLZT薄膜成膜质量的影响，分别制备出了缓冲层PLZT(11/65/35)薄膜和芯层PLZT(8/65/35)薄膜，确定出最佳溅射及退火条件。通过优化工艺成功制备出厚度为3.4μm、表面平整度小于30nm的双组份PLZT钙钛矿结构薄膜，并测得PLZT(11/65/35)和PLZT(8/65/35)薄膜在1550nm波长处的折射率分别为2.3810和2.4029。我们还利用射频磁控溅射法制备出了SiO2上包层，500nm厚度的SiO2薄膜在1550nm波长处折射率为1.4642，透过率为99.288％。
　　本文最后展开了PLZT光开关电极的制备研究。采用直流磁控溅射法制备了光电性能良好的ITO透明导电薄膜，研究了氧气含量、基底温度、溅射压强等工艺参数对1550nm处薄膜透过率和电阻率的影响。研究结果表明，优化工艺下制备的薄膜的电阻率为3.202×10-4Ω·cm，1550nm处薄膜的透过率为79.00％，薄膜表面粗糙度小于30 nm。之后，通过湿法腐蚀和lift-off剥离两种方法制备出了PLZT电光开关的电极，并对两种工艺进行了对比，确定出了最佳的PLZT电光开关的电极制备工艺参数。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 光开关概述

1．2．1 光开关的主要分类

1．2．2 光开关的主要性能参数

1．3 国内外光开关的研究进展

1．4 PLZT材料特性

1．5 本论文研究内容

第二章 数字型PLZT电光开关的结构设计

2．1 平板波导的电磁理论

2．2 数字电光开关的工作原理

2．3 PLZT电光开关的结构设计

2．3．1 PLZT波导截面设计

2．3．2 端面耦合损耗

2．3．3 S弯曲波导的设计

2．3．4 PLZT光开关结构设计优化

2．4 本章总结

第三章 磁控溅射法制备PLZT缓冲层、芯层、上包层研究

3．1 引言

3．2 衬底的选择

3．3 PLZT缓冲层及芯层薄膜的磁控溅射法研究

3．3．1 磁控溅射法制备PLZT薄膜

3．3．2 基底温度对薄膜的影响

3．3．3 退火方式的选择

3．3．4 退火厚度

3．4 PLZT薄膜的性能表征

3．4．1 PLZT薄膜的晶向

3．4．2 PLZT薄膜的SEM表征

3．4．3 PLZT薄膜表面平整度

3．4．4 PLZT薄膜折射率

3．5 PLZT薄膜制备目前存在的问题

3．6 PLZT电光开关上包层(SiO2)的制备

3．6．1 SiO2薄膜的磁控溅射

3．6．2 氧气含量对SiO2率的影响

3．6．3 SiO2薄膜的性能表征

3．7 本章小结

第四章 PLZT光开关电极层及电极图形化研究

4．1 引言

4．2 ITO薄膜的磁控溅射与表征

4．2．1 ITO薄膜的磁控溅射

4．2．2 氧气流量对薄膜电阻率和透过率的影响

4．2．3 溅射压强对薄膜电阻率和透过率的影响

4．2．4 衬底温度对薄膜电阻率和透过率的影响

4．2．5 ITO薄膜的性能表征实验

4．3 ITO电极图形制备

4．3．1 湿法腐蚀法制备电极图形

4．3．2 Lift-off法制备电极图形

4．3．3 两种电极图形制备方法对比

4．4 电极图形化制备工艺流程

第五章 结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文