[0001] 本发明属于光学电场测量技术领域，具体涉及到一种用于光学电场传感器的铌酸锂薄膜脊形波导及其制备方法。

[0002] 电场测量是电力系统不可或缺的测量指标，随着能源互联网向数字化的方向演进，对电场传感器的需求正向高灵敏度、宽频带发展。

[0003] 相比于传统电场传感器，集成光学电场传感器有着空间分辨率高、测量范围广、对原场干扰小等优势。但其目前使用的扩散型波导对光的约束能力较弱，导致其灵敏度和带宽有待提高。

[0004] 铌酸锂(LiNbO3,LN)是一种电光性质优越的光学材料。几十年来，铌酸锂以其优异的线性电光效应、大的线性电光系数及稳定的化学性质，被公认为集成光学电场传感器的理想材料。

[0005] 然而，由于铌酸锂波导难以刻蚀，现有的集成光学电场传感器基本都是采用退火质子交换或钛扩散工艺制备得到的扩散型波导，这种波导从纤芯到包层的折射率分布基本是渐变的，折射率差较小，对光的约束能力较弱；为了减小金属对光的吸收损耗，电极必须尽可能地放在光场之外，由于波导对光的约束能力较弱，将会导致光场分布的区域较大，电极之间的距离较远，从而导致传感器的半波电压较大，灵敏度较差。

[0031] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

[0032] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

[0033] 其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

[0034] 本发明所用原料无特殊说明均为本领域普通市售可得。

[0035] 实施例1

[0036] 本发明提供了一种光学电场传感器的铌酸锂薄膜脊形波导：

[0037] 复合层，包括有衬底、设置于衬底上的缓冲层和设置在缓冲层上的薄膜层；其中，薄膜层上设置有脊形凸起。

[0038] 优选的，衬底的材料为单晶硅，且衬底的厚度为500μm。

[0039] 优选的，缓冲层的材质为厚度为2μm的二氧化硅。

[0040] 优选的，薄膜层为厚度为600nm的铌酸锂。

[0041] 实施例2

[0042] 本发明提供了一种光学电场传感器的铌酸锂薄膜脊形波导的制备方法：

[0043] 在铌酸锂薄膜上涂覆光刻胶，并进行软烘处理以形成光刻胶层；

[0044] 对光刻胶层进行电子束曝光，随后进行显影；

[0045] 利用离子体刻蚀技术对显影后的铌酸锂薄膜进行部分刻蚀，其中刻蚀过程不完全穿透铌酸锂薄膜，以保留部分未刻蚀区域；

[0046] 去除光刻胶层，并进行清洗，得到铌酸锂薄膜脊形波导。

[0047] 优选的，铌酸锂薄膜分为三层，最上层为厚度为600nm的x切铌酸锂薄膜层，中间层为厚度为2μm的二氧化硅缓冲层，最下层为厚度为500μm的硅基底。

[0048] 优选的，涂覆光刻胶并进行软烘处理包括，对铌酸锂薄膜进行热清洁，将样品放置在130℃的热板上1分钟；旋涂光刻胶于铌酸锂薄膜表面；将旋涂光刻胶的铌酸锂薄膜放入匀胶机进行匀胶，并将匀胶后的铌酸锂薄膜放置在热板上进行前烘，使光刻胶固化。

[0049] 优选的，离子体刻蚀步骤包括，使用氩气作为刻蚀气体，刻蚀机的上电极产生等离子体，下电极形成垂直于样品表面的电场，以使等离子体与铌酸锂薄膜表面发生作用。

[0050] 优选的，清洗步骤包括使用硫酸与双氧水的混合溶液去除铌酸锂薄膜波导图案上残留的光刻胶；使用双氧水、氨水、水的混合溶液去除样品表面的重沉积，对铌酸锂薄膜进行进一步烘干。

[0051] 相比于铌酸锂薄膜钛扩散波导，铌酸锂薄膜脊波导由于大幅提升了折射率差，从而大幅减小了模场直径，光模场大小减小了三倍以上，相比于体铌酸锂钛扩散波导，铌酸锂薄膜脊波导的光模场大小减小了两个数量级；铌酸锂薄膜脊波导具有最小的光模场，采用铌酸锂薄膜脊波导可以让传感器拥有最大的灵敏度。

[0052] 灵敏度方面，膜场直径定义为场强降低到最大值的1/e处。因为光膜场越小，单位面积上的电场差越大，同样外加电场下，输出的信号越大，即灵敏度越高。

[0053] 相比于体铌酸锂钛扩散波导，铌酸锂薄膜上的波导光模场大小减小了一个数量级以上。原因一方面在于铌酸锂薄膜本身尺寸小，光模场自然也小，另一方面在于铌酸锂薄膜可以与周围介质自然形成较大的折射率差，对光的束缚能力较强，而体铌酸锂钛扩散波导的钛扩散区域折射率变化较缓慢，对光的束缚能力差。铌酸锂薄膜脊波导光模场大小又相比铌酸锂薄膜钛扩散波导减小了三倍以上，原因在于脊波导在x轴方向上也能与周围介质形成较大的折射率差，大幅减小了x轴方向上的模场直径，自然也减小了模场面积。

[0054] 实施例3

[0055] 利用仿真计算，将模场直径定义为场强降低到最大值的1/e处，为了简要计算模场大小，分别找出电场最大值点沿两个坐标轴方向衰减到1/e的点。

[0056] 表1

[0057]

[0058] 参阅图9‑图11，可以看出，相比于体铌酸锂钛扩散波导，铌酸锂薄膜上的波导光模场大小减小了一个数量级以上。原因一方面在于铌酸锂薄膜本身尺寸小，光模场自然也小，另一方面在于铌酸锂薄膜可以与周围介质自然形成较大的折射率差，对光的束缚能力较强，而体铌酸锂钛扩散波导的钛扩散区域折射率变化较缓慢，对光的束缚能力差。

[0059] 铌酸锂薄膜脊波导光模场大小又相比铌酸锂薄膜钛扩散波导减小了三倍以上，原因在于脊波导在x轴方向上也能与周围介质形成较大的折射率差，大幅减小了x轴方向上的模场直径，自然也减小了模场面积。

[0060] 实施例4

[0061] 将制得的铌酸锂薄膜脊形波导用于典型的马赫‑曾德尔强度调制器结构中。

[0062] 主要包括电极，调制电压和光波导三部分。光波导即为铌酸锂薄膜脊形波导的应用位置。

[0063] 实施例5

[0064] 将制得的铌酸锂薄膜脊形波导用于制作传统光栅结构。

[0065] 实施例6

[0066] 在不同光学电场传感器中，可能需要倒T型，正T型及其他结构的脊形波导。

[0067] 参阅图7，刻蚀过程中，在氩等离子体的轰击下，铌酸锂基底表面的分子会被击飞，这些被击飞的分子大部分会被氩气气流带走，但是靠近掩模处的铌酸锂分子容易被轰击到掩模上，在掩模根部堆积，形成铌酸锂重沉积。在刻蚀初期，刻蚀速率相对较慢，重沉积会起到掩模的作用，保护波导不被刻蚀，从刻蚀3min的两张图中可以看到由于重沉积的保护，刻蚀初期的波导侧壁倾斜角只有二三十度。

[0068] 随着刻蚀的进行，刻蚀速率加快，重沉积形成的速度小于消耗的速度，重沉积不够作为波导两侧的掩模而使最外侧的一部分波导暴露出来，这部分波导被更快地刻蚀掉，波导侧壁陡直度增加，波导侧壁倾斜角增加到了45°左右。

[0069] 随着刻蚀速率达到最大值并保持稳定，重沉积的形成与消耗也保持稳定，侧壁陡直度也不再增加。最终的侧壁陡直度由重沉积堆积形成的角度和氩等离子体轰击到波导侧壁的角度共同决定，侧壁粗糙度由掩模侧壁粗糙度与从重沉积上继承而来的粗糙度共同决定。

[0070] 因此，通过不同刻蚀时间组合可以得到不同侧壁倾斜度的波导用于不同性能的光学电场传感器。

[0071] 重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。

[0072] 此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。

[0073] 应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。

[0074] 应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。