采用质子交换方法在渐变周期极化钽酸锂上形成光波导量子芯片的方法

摘要

本发明涉及一种采用质子交换方法在渐变周期极化钽酸锂上形成光波导量子芯片的方法，属于光电子器件制备方法领域，包括以下步骤：将渐变周期极化钽酸锂衬底进行清洗；在衬底表面依次镀制钛膜和铬膜；在铬膜表面进行紫外光刻，形成质子交换用掩膜样品；将得到的样品进行200～300摄氏度质子交换，形成条形光波导；对垂直于光波导的两个端面进行光学研磨、抛光；对波导进行通光实验以测试光波导性能；将抛光后的两个端面进行光纤端面耦合和紫外胶固化，光纤跳线两端分别作为输入和输出端，制备出光量子芯片。本发明能够制备出高性能、低传输损耗、微米量级且较好保持晶体非线性的光波导芯片，晶体非线性调谐范围宽。

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用质子交换方法在渐变周期极化钽酸锂上形成光波导量子芯片的方法，属于光电子器件制备方法技术领域。

背景技术

硅基晶体管的尺寸和运算速度已经接近理论极限，为了解决这一问题，科学家寻求使用光子代替电子来更快的执行复杂的计算，光子计算机的概念应运而生。但是现有的大多数量子计算技术需要将材料冷却到绝对零度(-273.15℃)左右，这阻碍了量子计算机从理论到实用的进程。利用铁电晶体材料钽酸锂、铌酸锂中的光学参量下转换过程可以制作高效的集成量子光学芯片。将量子纠缠光源、光子干涉仪及电光调制器等功能化单元集成于一个光子芯片上，可以实现纠缠光量子产生、调控和探测的一体化设计，大大提高功能器件的稳定性。

掺镁钽酸锂晶体具有比较大的二阶非线性系数，容易生长出体积大、光学均匀性好的单晶体，能够对光信号进行二阶甚至更高阶的处理；同时掺镁钽酸锂晶体的矫顽场较低(2000V/mm)，可以制备出比较复杂的畴翻转结构。周期极化钽酸锂晶体可以实现准相位匹配，非线性作用长度长，转换效率高。利用周期极化钽酸锂晶体可以有效实现光学参量下转换过程，但是周期极化钽酸锂晶体中存在光衍射现象，对后端器件的对准有严苛的要求。

光波导可以消除信号在材料传播过程中的光衍射现象，增强信号光功率密度，加大非线性相互作用的长度，它是集成光学的最基本元件。目前钽酸锂波导制备方法主要有质子交换、离子注入和激光直写等。

中国专利申请CN 104678494 A公开了一种“光波导器件”，包含：由选自铌酸锂、钽酸锂、铌酸锂-钽酸锂、钇铝石榴石、钒酸钇、钒酸钆、钨酸钾钆以及钨酸钾钇构成的群的光学材料所构成的介电体层；以及加载在该介电体层上的脊部，该脊部由五氧化二钽构成，沿垂直于光的传播方向的横截面切开时呈梯形，所述脊部在基于JIS H8504试验的胶带剥离试验中不会从所述介电体层剥离。但该专利申请中加载方法必须先形成铌酸锂、钽酸锂等材料的平面薄膜结构，而后在此基础上再形成加载型波导，加工步骤复杂。再就是加载脊部材料是非晶体，工艺控制不当容易造成较大的波导散射损耗。

中国专利申请CN 104330938 A公开了一种“基于光学超晶格和波导光路的量子光源芯片”，采用波导光路和光学超晶格、电光调制器的集成，波导光路通过波导分束器将进入的经典抽运激光分束，分束后的激光进入光学超晶格区域进行频率下转到得到纠缠光子对，纠缠光子对随后继续进入干涉仪进行量子干涉；干涉仪的相位由芯片上内置的电光调制器来控制，通过电压调节得到几种不同的量子态。该专利申请中明确提出可以使用质子交换、钛扩散手段在周期极化铌酸锂中制备出量子光源芯片，铌酸锂比钽酸锂的矫顽场大，难以形成渐变周期的光学超晶格结构，热质子在钽酸锂中的热迁移率比铌酸锂小，因而需要更长时间、更高温度的交换过程。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种采用质子交换方法在渐变周期极化钽酸锂上形成光波导量子芯片的方法，能够制备出高性能、低传输损耗、微米量级且较好保持晶体非线性的光波导芯片，晶体非线性调谐范围宽。

本发明采用以下技术方案：

一种采用质子交换方法在渐变周期极化钽酸锂上形成光波导量子芯片的方法，包括以下步骤：

(1)将渐变周期极化钽酸锂衬底进行清洗，去除表面的无机物大微粒和有机沾污；本发明采用渐变周期钽酸锂，大大提高了量子芯片的集成密度；

(2)在衬底表面镀制钛膜，钛膜作为中间层，可以增强铬膜和钽酸锂衬底之间的粘附力，提高工艺稳定度；

(3)在衬底表面镀制铬膜，铬膜作为主要掩膜层，铬膜的抗腐蚀能力比较强，可以降低质子交换过程中掩膜脱落的几率；

(4)在铬膜表面进行紫外光刻，形成质子交换用掩膜样品；

(5)将步骤(4)得到的样品进行200～300摄氏度质子交换，形成条形光波导；

(6)对垂直于光波导的两个端面进行光学研磨、抛光；

(7)对波导进行通光实验以测试光波导性能；

(8)性能测试合格后(可根据实际需要设置测试项目及合格标准)，将抛光后的两个端面进行光纤端面耦合和紫外胶固化，光纤跳线两端分别作为输入和输出端，制备出光量子芯片。

优选的，步骤(1)中，渐变周期极化钽酸锂的极化周期为6～22微米。

优选的，步骤(1)中，渐变周期极化钽酸锂衬底的表面进行光学抛光。

优选的，步骤(1)中清洗的过程为：

(a)使用去离子水对衬底进行冲洗，去除无机物大颗粒；

(b)使用肥皂水进行超声清洗，去除有机沾污及无机物微粒，用去离子水冲洗并使用氮气吹干。

优选的，步骤(2)中，镀制钛膜采用电子束蒸发镀膜方法，所采用的电子束蒸发镀膜设备可以为市售的商用通用设备；

优选的，步骤(2)中，镀制钛膜的厚度为8～20nm。

优选的，步骤(2)中，钛膜的纯度为99.99％。

优选的，步骤(3)中，镀制铬膜采用电子束蒸发镀膜方法，所采用的电子束蒸发镀膜设备可以为市售的商用通用设备；

优选的，步骤(3)中，镀制铬膜的厚度为60～150nm。

优选的，步骤(4)中，紫外光刻采用紫外光刻机，紫外光刻机可采用市售的商用紫外曝光机，所使用的光刻胶为正性光刻胶。

优选的，步骤(5)中，质子交换过程中采用是质子源为热熔融态的苯甲酸，质子交换过程的温度为200摄氏度，时间为60～600分钟，优选的，质子交换时间为60～100分钟。

优选的，条形光波导的宽度为5～12微米。

优选的，质子交换过程所使用的苯甲酸为分析纯(AR)。

优选的，步骤(6)中的光学研磨抛光过程为：

先使用W14的棕刚玉研磨粉、W7的棕刚玉研磨粉分别进行粗磨和精磨，然后使用金刚石研磨液进行粗抛，最后使用粒度在100±10nm左右的二氧化硅悬浮液进行精抛光，得到光滑平整的端面。

本发明未详尽之处，均可采用现有技术。

本发明的有益效果为：

1)传统的利用激光直写方法在钽酸锂中形成二维波导结构的方法，则需要昂贵的机械运动控制系统，造价高，结构复杂，产能低。离子注入法需要使用昂贵稀少的离子注入机；激光直写方法需要使用昂贵的激光器和机械运动控制系统，都不适合规模化制备生产，利用激光直接写入方法容易对波导区域的非线性性能造成衰减，降低波导量子芯片的性能；

本发明采用质子交换法与紫外光刻法结合可以形成复杂的二维图形结构，且造价低、质量稳定，本发明所使用质子交换炉是通用设备，造价低，质量稳定，质子交换法所用的质子源为苯甲酸，是可以大规模不限制使用的化学品，价格低廉，易于大规模生产。

2)周期极化钽酸锂具有比较大的非线性系数和较低的矫顽场。与铌酸锂相比，钽酸锂的非线性系数略逊一筹，另外，钽酸锂的矫顽场比铌酸锂低一个数量级，可以形成更加精细、复杂的畴翻转结构。本发明的渐变周期极化钽酸锂是在钽酸锂衬底上下两侧施加电场导致电畴翻转实现的。与传统的固定周期极化铌酸锂相比，渐变周期极化钽酸锂的特点是下转换波长可以连续变化，大大提高了器件的兼容性和灵活性。

3)质子交换法可以在周期极化钽酸锂中形成折射率增加的波导结构，折射率增加型波导可以减小波导的传输损耗，波导截面积能够达到20平方微米，因此利用质子交换可以形成更加紧凑、高效的集成光学器件。

本发明能够制备出高性能、低传输损耗、微米量级且较好保持晶体非线性的光波导芯片，晶体非线性调谐范围宽。

附图说明

图1为本发明的采用质子交换方法在渐变周期极化钽酸锂上形成光波导量子芯片的方法工艺流程示意图图；

图2(a)为渐变周期极化钽酸锂衬底的俯视图；

图2(b)为渐变周期极化钽酸锂衬底的侧视图；

图3为质子交换方法制备钽酸锂条形光波导的结构示意图；

图4为本发明的渐变周期极化钽酸锂光波导量子芯片结构示意图；

其中，1-渐变周期极化钽酸锂衬底，2-畴翻转区域，3-条形光波导。

具体实施方式：

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。

实施例1：

一种采用质子交换方法在渐变周期极化钽酸锂上形成光波导量子芯片的方法，如图1所示，包括以下步骤：

(1)将长度2厘米、宽度0.7厘米的掺镁渐变周期极化钽酸锂(极化周期18～22微米)衬底1进行清洗，并用氮气将样品吹干，衬底结构如图2(a)、2(b)所示，其中2(a)为俯视图，图2(b)为侧视图；

(2)利用电子束蒸发镀膜机在衬底表面镀制15nm厚的钛膜；

(3)利用电子束蒸发镀膜机在衬底表面镀制100nm厚的铬膜；

(4)使用商用紫外曝光机在钽酸锂表面光刻形成9微米宽的条形光波导图形，如图3所示，包括多个条形光波导3，腐蚀形成质子交换用掩膜样品；

(5)在200摄氏度条件下将掩膜样品在苯甲酸中交换120分钟；

(6)对垂直于光波导的两个端面进行光学研磨、抛光；

(7)采用现有技术对波导进行通光实验以测试光波导性能；

(8)将抛光后的两个端面进行光纤端面耦合和紫外胶固化，光纤跳线两端分别作为输入和输出端，制备出光量子芯片，如图4所示。

本实施例1，钽酸锂的矫顽场比铌酸锂低一个数量级，可以形成更加精细、复杂的畴翻转结构2，与传统的固定周期极化铌酸锂相比，渐变周期极化钽酸锂的特点是下转换波长可以连续变化，大大提高了器件的兼容性和灵活性。

实施例2：

一种采用质子交换方法在渐变周期极化钽酸锂上形成光波导量子芯片的方法，包括以下步骤：

(1)将长度1.2厘米、宽度0.7厘米的掺镁渐变周期极化钽酸锂(极化周期7.5～8.2微米)衬底进行清洗，并用氮气将样品吹干；

(2)利用电子束蒸发镀膜机在衬底表面镀制10nm厚的钛膜；

(3)利用电子束蒸发镀膜机在衬底表面镀制80nm厚的铬膜；

(4)使用商用紫外曝光机在钽酸锂表面光刻形成6.6微米宽的条形光波导图形，腐蚀形成质子交换用掩膜样品；

(5)在200摄氏度条件下将掩膜样品在苯甲酸中交换60分钟；

(6)对垂直于光波导的两个端面进行光学研磨、抛光；

(7)采用现有技术对波导进行通光实验以测试光波导性能；

(8)将抛光后的两个端面进行光纤端面耦合和紫外胶固化，光纤跳线两端分别作为输入和输出端，制备出光量子芯片。

实施例3：

一种采用质子交换方法在渐变周期极化钽酸锂上形成光波导量子芯片的方法，包括以下步骤：

(1)将长度1.2厘米、宽度0.7厘米的掺镁渐变周期极化钽酸锂(极化周期8.8～9.7微米)衬底进行清洗，并用氮气将样品吹干；

(2)利用电子束蒸发镀膜机在衬底表面镀制10nm厚的钛膜；

(3)利用电子束蒸发镀膜机在衬底表面镀制70nm厚的铬膜；

(4)使用商用紫外曝光机在钽酸锂表面光刻形成5微米宽的条形光波导图形，腐蚀形成质子交换用掩膜样品；

(5)在200摄氏度条件下将掩膜样品在苯甲酸中交换50分钟；

(6)对垂直于光波导的两个端面进行光学研磨、抛光；

(7)采用现有技术对波导进行通光实验以测试光波导性能；

(8)将抛光后的两个端面进行光纤端面耦合和紫外胶固化，光纤跳线两端分别作为输入和输出端，制备出光量子芯片。

实施例4：

方法如实施例1所述，不同的是：步骤(5)中，在200摄氏度条件下将掩膜样品在苯甲酸中交换100分钟，其他均与实施例1相同。

对比例1：

中国发明专利CN 104678494 A公开了一种“光波导器件”。

对比例2：

中国发明专利CN 104330938 A公开了一种“基于光学超晶格和波导光路的量子光源芯片”。

对比例3：

方法如实施例2所述，不同的是：步骤(4)中，使用商用紫外曝光机在钽酸锂表面光刻形成15微米宽的条形光波导图形，腐蚀形成质子交换用掩膜样品，其他均与实施例2相同。

实验例：

实施例1～4以及对比例1～3得到的波导器件，在同一条件下测试相关性能，得到如下性能数据，如表1所示：

表1：性能数据表

对比例1中，使用加载脊部与底层介电体层形成光波导的方法可以在铌酸锂、钽酸锂、铌酸锂-钽酸锂、钇铝石榴石、钒酸钇及钒酸钆、钨酸钾钆及钨酸钾钇等材料表面形成沟道波导。但是对比例1中加载方法必须先形成铌酸锂、钽酸锂等材料的平面薄膜结构，而后在此基础上再形成加载型波导，加工步骤复杂，再就是加载脊部材料是非晶体，工艺控制不当容易造成较大的波导散射损耗。

对比例2文件中指出，使用质子交换、钛扩散手段在周期极化铌酸锂中制备出量子光源芯片，铌酸锂比钽酸锂的矫顽场大，难以形成渐变周期的光学超晶格结构。热质子在钽酸锂中的热迁移率比铌酸锂小，因而需要更长时间、更高温度的交换过程。

与对比例1相比，实施例1～4使用质子交换作为形成沟道波导的手段，只用一步热质子交换就可以形成二维光波导结构，简化了波导制备步骤，提高工艺的适用性。

与对比例2相比，实施例1～4在渐变周期极化钽酸锂中制备光量子芯片，由于极化周期在钽酸锂晶片中是渐变的，因而光量子芯片的操控波长可以灵活改变，避免改变波长所需的机械移动或者温度调谐，因此本发明的结构更加灵活。

从表1可知，本发明的实施例1～4与对比例1～3相比，具有更宽的非线性调谐范围，和更大的光损伤阈值；

在传输损耗方面，实施例1～3也可与对比例相比拟。

本发明在保证工艺适用性、造价低、兼容性和灵活性的前提下，光量子操控波长与对比例1～2相当，但本发明的具有更宽的非线性调谐范围和更大的光损伤阈值。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。