低损耗铌酸锂波导制造技术

逍遥设计自动化

铌酸锂薄膜技术概述
铌酸锂薄膜(LNOI)已成为现代光电子集成线路的核心材料。由于具有优异的非线性光学特性和强电光效应，使其在量子计算和高速光通信等领域具有广泛应用价值。材料的高折射率对比度使得开发紧凑和高效的光电器件成为现实。相比传统体材料，铌酸锂薄膜具有更强的光场限制能力和更高的光电转换效率[1]。

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先进制造工艺
制造低损耗铌酸锂薄膜波导涉及多个精密步骤。工艺始于基底制备，采用X切型铌酸锂薄膜，该基底由600纳米厚的铌酸锂层、2微米二氧化硅层和525微米硅衬底层构成。这种多层结构设计确保了良好的光学限制效果和机械稳定性。

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图1：完整制造工艺展示：(a)初始铬层和光刻胶沉积 (b)光刻胶图形化 (c)铬层反应离子刻蚀 (d)铌酸锂感应耦合等离子体反应离子刻蚀 (e)退火和二氧化硅包覆 (f)光刻胶显影后的扫描电镜图像 (g)铬刻蚀后的聚焦离子束横截面 (h)最终清洗后的扫描电镜图像。
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首先，通过离子束沉积技术在基底表面沉积120纳米的铬层。这一工艺在Oxford Ionfab 300+ LC设备上进行，确保沉积层的均匀性和附着力。随后涂覆300纳米厚的FEP 171光刻胶层，该厚度经过优化，足以用于转移120纳米铬层的图形。

图形定义阶段使用Vistec SB350 OS可变形束电子束刻写机，采用多遍写入模式。这种方式不仅提高了剂量均匀性，还有效降低了拼接误差、充电效应和热负荷的影响。曝光后进行显影，形成所需的结构图形。

接下来使用Sentech SI-591反应离子刻蚀设备将图形转移到铬硬掩模上。通过精确控制刻蚀参数，实现了约100纳米的侧向刻蚀，这一特征在样品设计时需要考虑。最后使用CHF3气体通过感应耦合等离子体反应离子刻蚀技术刻蚀铌酸锂层。

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波导设计与结构
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图2：(a)跑道型谐振器和波导设计的示意图，显示关键尺寸和组件 (b)制造的直波导和谐振器结构的扫描电镜图像。

波导结构设计充分考虑了光学模式限制和传播损耗的平衡。波导和跑道型谐振器的顶部宽度均为1微米，这一尺寸经过优化，可以实现单模传输。铌酸锂层的刻蚀深度为500纳米，确保了良好的模式限制。跑道型谐振器的直波导段长度在100微米到500微米之间可调，弯曲半径设定为100微米以降低弯曲损耗，波导与谐振器之间的耦合间隙精确控制在300纳米，实现最佳的光学耦合效率。
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性能分析与结果
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$ ]3 ^1 y1 b4 d1 y8 n图3：(a)1547-1553纳米范围内谐振器响应的传输谱测量 (b)1548.818纳米处单个谐振的洛伦兹拟合详细视图。

性能表征采用边缘耦合方式将光注入波导，通过波导与谐振器之间的耦合区域实现光的相干传输。测量结果显示，品质因数最高达到1.34×106，直波导传播损耗低至2分贝/米，耦合损耗约27分贝/米。在TE和TM模式下均表现出优异的传输特性。

$ \- r3 _5 [2 |通过详细的传输谱测量和洛伦兹拟合分析，研究了不同结构参数对器件性能的影响。结果表明，在1447至1553纳米的波长范围内，TE模式的传播损耗约为5分贝/米，TM模式约为8分贝/米。这种低损耗特性归功于优化的制造工艺和精确的结构控制。
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' h1 J8 r% ]% M5 K. D" f' Y( ?$ _优化技术与挑战
在制造过程中，侧壁粗糙度控制是实现低损耗的关键。通过优化刻蚀工艺参数，特别是腔室压力和直流偏压，有效控制了再沉积层的形成。在感应耦合等离子体反应离子刻蚀过程中，降低基底电极温度改变了反应动力学，防止残留物吸附在铌酸锂表面。
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0 k9 c" V. [) c; a' k为去除残留物，采用了由硝酸铈铵和高氯酸组成的商用刻蚀混合物清洗样品。随后在50°C下使用由磷酸、硝酸和乙酸组成的刻蚀混合物在超声波浴中处理一小时，有效去除了结构表面的钝化层，获得了光滑的侧壁。
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* a3 @. b- X9 p& w最后在氧气氛围中520°C退火两小时，通过提高铌酸锂的结晶度降低波导损耗。采用等离子体增强化学气相沉积技术沉积二氧化硅包覆层，改善模场分布并提供保护。

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0 M; G* g9 l6 M" a: K5 M结论
本文展示的制造技术通过精密光刻、优化刻蚀工艺和细致的后处理，实现了传播损耗与文献报道最佳结果相当的铌酸锂薄膜波导。该方法在量子通信、高速光通信等领域具有实际应用价值。

参考文献
[1] M. Younesi, T. K?sebier, I. Elmanov, Y.-T. Li, P. Kumar, R. Geiss, T. Siefke, F. Eilenberger, F. Setzpfandt, U. Zeitner, and T. Pertsch, "Fabrication of low-loss lithium niobate on insulator waveguides on the wafer scale [Invited]," Opt. Mater. Express, vol. 15, no. 2, pp. 299-306, Feb. 2025.
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