[发明专利]一种高折射率差YAG单晶异质结构薄膜波导及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高折射率差YAG单晶异质结构薄膜波导及其制备方法，包括有He离子注入的YAG晶体(1)和YAG晶体衬底(2)，其特征在于，在所述He离子注入的YAG晶体(1)的注入面之下依次具有SiO₂薄膜(3)、第一钛沉积层(41)、第一铜沉积层(51)；所述衬底YAG晶体表面之上依次具有第二钛沉积层(42)、第二铜沉积层(52)，所述第一铜沉积层(51)和所述第二铜沉积层(52)之间具有Cu‑Sn键合层(7)；采用He离子注入结合Cu‑Sn键合法即Smart‑cut法制备具有高折射率差的YAG单晶异质结构薄膜。与现有技术相比，本发明能够均匀地从衬底上“切”下单晶薄膜，并且键合到其他的低折射率材料上形成较为稳定的光波导结构。

技术领域

本发明涉及YAG单晶薄膜技术领域，特别涉及一种高折射率差单晶异质结构及制备方法。

背景技术

基于晶体单晶薄膜制备新型、高集成度、高效率、低功耗的集成光电子器件，是近年国际新兴的热点研究领域。钇铝石榴石(YAG)晶体属立方晶系的特性是各向同性、并且具有优良的光学、热力学性能，其机械性能和化学稳定性与蓝宝石晶体接近，却无蓝宝石晶体的双折射效应。纯YAG晶体在0.25～5μm区域具有较高透过率，在2-3μm区域无任何吸收。同时YAG晶体优良的物化性能和光学性使其成为高温和高能物理环境中具有重要应用的光学晶体材料。稀土掺杂YAG晶体是当前及近年内最重要、应用最广泛的固态激光器工作物质。

波导与周围环境之间的折射率差值越大，对光的限制作用就越强，所以具有高折射率差的薄膜材料是高密度集成光学器件的重要基础。光波导是集成光学最基本的组成结构，由一定厚度的高折射率介质及低折射率的包覆层构成。如果薄膜波导与周围环境之间的折射率差值越大，那么它对光的限制作用就越强，所以具有高折射率差的光学异质结构是高密度集成光学器件的重要基础。薄膜材料的界面越清晰、单晶程度越高，就越能避免在界面上的光散射，减少光的传输损耗，所以薄膜的界面清晰程度和单晶程度成为薄膜品质的重要指标。有关光学异质结构单晶薄膜的技术由于光子晶体和微机电系统(MEMS)等几项重要新技术的产生而引起人们的重视。由多层氧化物光学晶体形成的光学异质结构是光电集成和许多高性能光学器件的最佳选择。研究人员尝试了很多种技术例如化学气相沉积技术、分子束外延技术、脉冲激光沉积技术和溶胶凝胶技术等来制作平面光学异质结构。这些方法制作的薄膜在单晶程度上都有一定的局限性，而且分子束外延生长技术还由于晶格匹配的限制对衬底材料的特性有严格的要求，制作出的薄膜在单晶程度上不够理想。

Smart-cut技术为光学异质结构薄膜的制备提供了新的途径，这是一种用于从外延层/衬底或块状晶体上分离单晶薄膜的方法。迄今为止有两种方式可以实现单晶薄膜的剥离：湿法腐蚀的方法和热处理的方法。由于形成的单晶薄膜具有厚度精确可控、折射率差大、单晶度高的特点，因此可以在上面制备一系列的光子器件，从而实现光学器件的小型化和集成化，例如可以利用稀土掺杂YAG单晶薄膜实现光子晶体激光器等微腔激光器。迄今为止，还没有用Smart-cut法实现YAG单晶异质结构薄膜制备的相关记载。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术不足而提供一种高折射率差YAG单晶异质结构薄膜波导及其制备方法，采用He离子注入结合Cu-Sn键合法即Smart-cut法制备具有高折射率差的YAG单晶异质结构薄膜。

本发明的一种高折射率差YAG单晶异质结构薄膜波导，包括有He离子注入的YAG晶体1和YAG晶体衬底2，在所述He离子注入的YAG晶体1的注入面之下依次具有SiO₂薄膜3、第一钛沉积层41、第一铜沉积层51；所述衬底YAG晶体表面之上具有依次具有第二钛沉积层42、第二铜沉积层52，所述第一铜沉积层51和所述第二铜沉积层52之间具有Cu-Sn键合层7。

本发明的一种高折射率差YAG单晶异质结构薄膜波导及其制备方法，包括以下步骤：