一种具有横向磁光效应的二氧化硅基磁光条形光波导

技术领域

本发明涉及集成光波导器件，具体涉及一种具有横向磁光效应的二氧化硅基磁光条形光波导。

背景技术

随着微纳电子和光电子技术的发展，光通信网络和光传感系统对磁光功能器件的应用日益迫切。磁光隔离器和磁光电流传感器(MOCT)是最为典型的器件。磁光隔离器又被称为“光学二极管”，其非互易性质打破了光传播的时间反演对称性，可保证该器件所在光路中光波的单向传输，避免激光光源受反射光的影响而产生的不稳定性，是光通信网络中和光信息处理芯片上不可或缺的器件。MOCT通过测试电流所产生的磁场强度实现对电流强度的测量，在线性度和安全性等方面比传统的电流互感器有显著优势，因而在电力测量，尤其是高压输电线的电流测量中扮演着越来越重要的角色。

面向光信息处理和光传感的应用需求，在光波导芯片上实现磁光器件的集成制作受到前所未有的关注。截至目前，由微小光学元件和光纤元件构建的磁光器件(譬如磁光隔离器和MOCT等)制作技术已经基本发展成熟，并在光传感和光通信网络中成功获得应用。但这些基于分立元件的磁光器件一方面具有体积大和制作成本高的不足，另一方面，分立器件不能应用于集成光学信息处理芯片。受到器件功能集成需求的驱动，集成型磁光器件制作成为研究者们的一个主攻方向。磁光器件集成化的优势不仅体现在器件尺寸的大幅缩减，以及批量化生产带来的器件成本的大幅降低，更体现在功能集成给光信息处理芯片带来的便利。

磁光波导是构建集成磁光器件的基本结构单元，高性能磁光波导的研制对磁光器件的实现具有基础性的意义。

二氧化硅基波导由于具有优异的性能且能与光纤匹配而受到广泛重视，被认为是光电子产业发展的重要方向。受到来自磁光隔离器、以及基于磁场传感原理的多种传感器应用的需求牵引，在二氧化硅基集成光学芯片实现磁光功能的集成变成一个新兴的研究热点。磁光波导制作是构建磁光功能集成的基础，也是实现磁光功能集成必须解决的核心问题。

现有的二氧化硅基磁光波导的制作都是基于纵向磁光效应(TE-TM模转换的原理)，这种光波导用磁光材料作为条形光波导的芯部，但这种光波导很难实现集成光器件所需的磁光功能，由于在光波导中这种TE-TM模的有效转换要求光波导TE模和TM模之间传输常数很高程度的匹配，而这种匹配往往得不到保证。因此，这种二氧化硅基磁光波导器件的制作条件要求极为苛刻，制约了这类波导的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有横向磁光效应(非互易相移效应)的二氧化硅基条形光波导。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在光学晶片采用微细加工工艺形成条形光波导的芯部。这种光波导在光学晶片1上制作，包括波导下包层2、条形光波导芯部，以及波导上包层7。这种光波导的特征在于：条形光波导芯部包括两部分，一部分是位于波导芯部最上层的铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部4，另一部分是位于铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部4与波导下包层2之间的条形掺锗二氧化硅芯部3。其中铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部4中的铁磁金属纳米颗粒在掺锗二氧化硅层中用掺杂技术原位形成。

所述铁磁金属材料为Fe、Co或Ni。

所述的条形掺锗二氧化硅芯部3的折射率高于波导下包层2的折射率，也高于波导上包层7的折射率。

所述铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部4的折射率高于波导下包层2的折射率，也高于波导上包层7的折射率。

本发明具有的有益效果是：铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部4作为磁光功能层，具有高磁光活性的特点，因此器件的尺寸可以大幅度减小，可以实现二氧化硅基磁光非互易条形光波导的制作。不仅如此，这种含有铁磁金属纳米颗粒的光波导中铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部4中的铁磁金属纳米颗粒在二氧化硅层中用掺杂技术原位形成，容易实现铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部4与条形掺锗二氧化硅芯部3之间的折射率匹配。

这种含有铁磁金属纳米颗粒的二氧化硅基光波导的制备可以通过常规的微细加工工艺即可实现，具有现有的二氧化硅基光波导工艺过程简单的显著优点。

附图说明

图1是本发明的二氧化硅基磁光非互易条形光波导横截面结构示意图(横截面图)。

图2是本发明的二氧化硅基磁光非互易条形光波导的主要制作步骤示意图(横截面图)。

图中：1、光学晶片；2、波导下包层；3、条形掺锗二氧化硅芯部；4、铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部；5、平板状掺锗二氧化硅芯部；6、平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂含锗二氧化硅层；7、波导上包层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图2所示，本发明所述的二氧化硅基磁光非互易光波导在光学晶片1上制作。在光学晶片1上方设有波导下包层2；波导下包层2上方设有条形掺锗二氧化硅芯部3；条形掺锗二氧化硅芯部3上方设有铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部4；铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部4中的铁磁金属纳米颗粒在二氧化硅层中用掺杂技术原位形成；条形掺锗二氧化硅芯部3和铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部4共同构成二氧化硅基条形光波导芯部。这种二氧化硅基条形光波导具有磁光非互易光波导的特性。

所述铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部4中的铁磁金属为Fe，Co或Ni。

实施例1

下面以Fe金属纳米颗粒掺杂的二氧化硅基磁光非互易条形光波导为例，介绍这种光波导制作方式，如图2所示：

光波导以光学晶片1为衬底制作，准备4英寸厚度1.0～1.2mm的高纯二氧化硅基片。

(A)制作波导下包层2(如图2步骤A)

采用PECVD技术在高纯二氧化硅基片上沉积10～15μm的SiO

(B)制作平板状掺锗二氧化硅芯部5(如图2步骤B)

沉积光波导芯层。采用PECVD技术在SiO2薄膜材料上沉积6.5μm的SiO

(C)制作平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂含锗二氧化硅层6(如图2步骤C)

采用离子注入设备，离子注入在室温下进行，将Fe离子加速至100keV，注入剂量(1～10)×10

(D)制作条形光波导芯部(如图2步骤D)

这一环节主要步骤：首先，用溅射法制备厚度为300nm的Al掩膜；然后，采用标准的光刻技术，经涂胶、前烘、曝光、坚膜、显影、后烘工序，实现图形转移；最后，用反应离子刻蚀法刻蚀Al掩膜和光波导芯层，残留光刻胶、掩膜采用湿法化学腐蚀除去。

采用常规的二氧化硅基条形光波导制作技术将基片波导下包层2上方的平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂含锗二氧化硅层4和平板状掺锗二氧化硅芯部5的基础上制作成条形光波导，制作完成后平板状铁金属纳米颗粒掺杂含锗二氧化硅层4形成铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部4；平板状掺锗二氧化硅芯部5形成条形掺锗二氧化硅芯部3。铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部4和条形掺锗二氧化硅芯部3共同构成条形光波导的芯部。波导的宽度6-7μm。

(F)制作波导上包层7(如图2步骤E)

沉积上包层。刻蚀完成后，经过清洗，然后采用PECVD法进行上包层沉积。PECVD法典型工艺气体为SiH

实施例2

下面以Co金属纳米颗粒掺杂的二氧化硅基磁光非互易条形光波导为例，介绍这种光波导制作方式，如图2所示：

光波导以光学晶片1为衬底制作，准备4英寸厚度1.0～1.2mm的高纯二氧化硅基片。

(A)制作波导下包层2(如图2步骤A)

采用PECVD技术在高纯二氧化硅基片上沉积10～15μm的SiO

(B)制作平板状掺锗二氧化硅芯部5(如图2步骤B)

沉积光波导芯层。采用PECVD技术在SiO2薄膜材料上沉积6.5μm的SiO

(C)制作平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂含锗二氧化硅层6(如图2步骤C)

采用离子注入设备，离子注入在200-500℃下进行，将Co离子加速至40-80keV，注入剂量(2～10)×10

(D)制作条形光波导芯部(如图2步骤D)

这一环节主要步骤：首先，用溅射法制备厚度为300nm的Al掩膜；然后，采用标准的光刻技术，经涂胶、前烘、曝光、坚膜、显影、后烘工序，实现图形转移；最后，用反应离子刻蚀法刻蚀Al掩膜和光波导芯层，残留光刻胶、掩膜采用湿法化学腐蚀除去。

采用常规的二氧化硅基条形光波导制作技术将基片波导下包层2上方的平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂含锗二氧化硅层4和平板状掺锗二氧化硅芯部5的基础上制作成条形光波导，制作完成后平板状铁金属纳米颗粒掺杂含锗二氧化硅层4形成铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部4；平板状掺锗二氧化硅芯部5形成条形掺锗二氧化硅芯部3。铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部4和条形掺锗二氧化硅芯部3共同构成条形光波导的芯部。波导的宽度6-7μm。

(F)制作波导上包层7(如图2步骤E)

沉积上包层。刻蚀完成后，经过清洗，然后采用PECVD法进行上包层沉积。PECVD法典型工艺气体为SiH

实施例3

下面以Ni金属纳米颗粒掺杂的二氧化硅基磁光非互易条形光波导为例，介绍这种光波导制作方式，如图2所示：

光波导以光学晶片1为衬底制作，准备4英寸厚度1.0～1.2mm的高纯二氧化硅基片。

(A)制作波导下包层2(如图2步骤A)

采用PECVD技术在高纯二氧化硅基片上沉积10～15μm的SiO

(B)制作平板状掺锗二氧化硅芯部5(如图2步骤B)

沉积光波导芯层。采用PECVD技术在SiO2薄膜材料上沉积6.5μm的SiO

(C)制作平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂含锗二氧化硅层6(如图2步骤C)

采用离子注入设备，离子注入在250-500℃下进行，将Ni离子加速至40-60keV，注入剂量(1～4)×10

(D)制作条形光波导芯部(如图2步骤D)

这一环节主要步骤：首先，用溅射法制备厚度为300nm的Al掩膜；然后，采用标准的光刻技术，经涂胶、前烘、曝光、坚膜、显影、后烘工序，实现图形转移；最后，用反应离子刻蚀法刻蚀Al掩膜和光波导芯层，残留光刻胶、掩膜采用湿法化学腐蚀除去。

采用常规的二氧化硅基条形光波导制作技术将基片波导下包层2上方的平板状铁磁金属纳米颗粒掺杂含锗二氧化硅层4和平板状掺锗二氧化硅芯部5的基础上制作成条形光波导，制作完成后平板状铁金属纳米颗粒掺杂含锗二氧化硅层4形成铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部4；平板状掺锗二氧化硅芯部5形成条形掺锗二氧化硅芯部3。铁磁金属纳米颗粒掺杂条形二氧化硅芯部4和条形掺锗二氧化硅芯部3共同构成条形光波导的芯部。波导的宽度6-7μm。

(F)制作波导上包层7(如图2步骤E)

沉积上包层。刻蚀完成后，经过清洗，然后采用PECVD法进行上包层沉积。PECVD法典型工艺气体为SiH

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。