引言

多年來(lái)，有源光學(xué)器件，包括調(diào)制和放大功能，是這一概念中最重要的元素之一，仍然需要研究和開(kāi)發(fā)的努力。鐵電材料的使用可能有助于這一發(fā)展的材料方面，因?yàn)樗鼈兊膹?qiáng)折射率，可見(jiàn)光和近紅外范圍的透明度，以及某些材料的高電光響應(yīng)，使它們可能適用于有源電光器件。在目前的工作中，我們研究了利用經(jīng)典光刻和濕化學(xué)蝕刻Pb（ZrTi）O3鐵電薄膜的可能性，以開(kāi)發(fā)集成的平面光學(xué)器件，如光調(diào)制器結(jié)構(gòu)。（江蘇英思特半導(dǎo)體科技有限公司）

實(shí)驗(yàn)

Pb（Zr0.36Ti0.64）O3（PZT）鐵電薄膜的細(xì)化是基于改進(jìn)的溶膠-凝膠工藝，使用醇前體組分和乙酸作為溶劑。雖然溶液在金屬基底上的旋轉(zhuǎn)涂層導(dǎo)致均勻和無(wú)裂紋的薄膜，但在玻璃上的沉積似乎更加困難。在目前的實(shí)驗(yàn)中，我們使用了康寧1737 F玻璃，并采用了快速熱退火過(guò)程，但將樣品冷卻到室溫速度相當(dāng)慢。這使得我們能夠在基底的25×25 mm2的總面積上獲得具有相對(duì)少量裂紋的薄膜。（江蘇英思特半導(dǎo)體科技有限公司）

為了獲得厚度達(dá)到2m的薄膜，進(jìn)行了多次旋轉(zhuǎn)涂層，特別用于濕式化學(xué)蝕刻過(guò)程的研究。掩模圖案轉(zhuǎn)移到PZT薄膜是通過(guò)經(jīng)典的光刻工藝使用S正s光刻膠（Shipley S1818）。使用了兩種不同的掩模模式，一種用于研究蝕刻過(guò)程本身，另一種用于實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。用透射光譜對(duì)鐵電薄膜的平面進(jìn)行光學(xué)表征，用m線光譜對(duì)波導(dǎo)的平面進(jìn)行光學(xué)表征。后者允許確定PZT薄膜[6,7,8]的折射率和厚度。m線技術(shù)是基于使用一個(gè)折射率高于該折射率的棱鏡的PZT（在我們的例子中是硒化鋅），它被壓在薄膜上（見(jiàn)圖1）。

為了實(shí)現(xiàn)m線耦合實(shí)驗(yàn)中所使用的導(dǎo)光結(jié)構(gòu)，研究了PZT薄膜的濕式化學(xué)蝕刻工藝。蝕刻結(jié)果如圖2所示，其中可以看到不同分辨率的掃描電鏡顯微圖。（江蘇英思特半導(dǎo)體科技有限公司）

圖1.馬赫-森德?tīng)柛缮鎯x波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的棱鏡-薄膜耦合器設(shè)置方案和典型尺寸圖

圖2.鹽酸（37%）PZT薄膜的濕式化學(xué)蝕刻。

結(jié)果和討論

在康寧1737 F玻璃基板上沉積了450 nm厚的PZT（36/64）單層的透射光譜，測(cè)定了從可見(jiàn)到近紅外（300~2500nm）的波長(zhǎng)范圍。在圖3中，我們比較了PZT薄膜在其焦氯石相（在560?C熱處理，略低于結(jié)晶溫度）和鈣鈦礦相（在620?C退火）的傳輸。

在這兩種情況下，在350 nm處都可以看到一個(gè)尖銳的吸收邊緣，并且由于PZT薄膜內(nèi)的多次反射而產(chǎn)生干涉振蕩。吸收邊緣的位置與鈣鈦礦相中透明PLZT陶瓷塊材料的位置接近，并與薄膜的黃色一致。（江蘇英思特半導(dǎo)體科技有限公司）

在近紅外環(huán)境中，特別是在“遠(yuǎn)程辦公波長(zhǎng)”（1.3米和1.55米）中，PZT的透明度都高于85%。用m線技術(shù)獲得的TE偏振hene激光束的典型暗線譜如圖4所示，在第一步中，模態(tài)色散方程的分辨率，使用一個(gè)薄膜厚度和折射率，一個(gè)近似的折射率，允許識(shí)別測(cè)量的吸收峰的模式順序。

雖然峰m = 0到m = 3可以很好地識(shí)別出來(lái)，但現(xiàn)有的高階模態(tài)不能明確地歸因，因此沒(méi)有在圖中進(jìn)行索引。第二步，通過(guò)對(duì)兩種模式的平面介質(zhì)波導(dǎo)的色散方程進(jìn)行數(shù)值解析，計(jì)算了PZT薄膜的折射率和厚度。結(jié)合暗線譜的四種te模，可以形成六種模偶；不同模偶的折射率和薄膜厚度的數(shù)值計(jì)算結(jié)果分別如表I所示。（江蘇英思特半導(dǎo)體科技有限公司）

圖3.PZT薄膜波長(zhǎng)的函數(shù)

圖4.PZT薄膜的TE暗線光譜

表1根據(jù)TE暗線譜計(jì)算不同模對(duì)的PZT薄膜折射率和厚度

結(jié)論

為了研究光在濕式化學(xué)蝕刻制備的波導(dǎo)中的傳播，采用棱鏡-膜耦合器器件作為光耦合器。研究了線性和馬赫-曾德?tīng)柖嗄２▽?dǎo)結(jié)構(gòu)。在圖8中，我們展示了一張來(lái)自一個(gè)集成干涉儀結(jié)構(gòu)的右側(cè)部分的散射光的照片（比較圖1）。

由于耦合棱鏡必須放置在襯底的左側(cè)，因此只能看到一半的馬赫-曾德?tīng)柦Y(jié)構(gòu)。兩個(gè)平行干涉儀臂和右側(cè)輸出臂的可見(jiàn)部分對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度為55 mm，每個(gè)導(dǎo)光結(jié)構(gòu)的寬度為40 m。在兩個(gè)干涉儀臂中，從左側(cè)到右側(cè)的散射光強(qiáng)度都在降低。在它們的交叉點(diǎn)，光強(qiáng)度由于兩臂的統(tǒng)一而增加，但很可能這也是由于幾何形狀的變化所導(dǎo)致的多次反射。在干涉儀的輸出臂上，散射光強(qiáng)度再次從左側(cè)到右側(cè)減小。（江蘇英思特半導(dǎo)體科技有限公司）

圖8來(lái)自馬赫-曾德干涉儀結(jié)構(gòu)的散射光。

審核編輯 黃宇