一种基于碲酸盐玻璃的光学微腔及其制备方法.pdf

本发明公开了一种基于碲酸盐玻璃的光学微腔及其制备方法。以TeO2作为主要组分，并掺杂有Re2O3氧化物，Re为稀土元素，还可包含有ZnO、Na2O、BaO、TiO2和Al2O3中的一种或者几种的混合作为次要组分。光学微腔通过对硅片上的稀土掺杂碲酸盐玻璃薄膜进行分步刻蚀制成光学微腔，稀土掺杂碲酸盐玻璃薄膜通过溶胶凝胶法制备得到。本发明克服了传统基于硅酸盐玻璃材料的光学微腔非线性效应差，稀土掺杂发光效率低等缺点，易于实现高品质因子腔体和低阈值激光，该微腔尺寸可控，结构稳定，具有微型化，易集成和便于保存等特点，而且制备方法简单高效，容易操作，能够实现大面积制备。

权利要求书
1.  一种基于碲酸盐玻璃的光学微腔，其特征在于：以TeO2作为主要组分，并掺杂有Re2O3氧化物，Re为稀土元素，TeO2与Re2O3之间的摩尔比为40~95：1~10。

2.  根据权利要求1所述的一种基于碲酸盐玻璃的光学微腔，其特征在于：还包含有ZnO、Na2O、BaO、TiO2和Al2O3中的一种或者几种的混合作为次要组分，TeO2、ZnO、Na2O、BaO、TiO2和Al2O3的摩尔比为40~95：0~10：0~10：0~10：0~10：0~10。

3.  根据权利要求2所述的一种基于碲酸盐玻璃的光学微腔，其特征在于：所述的TeO2、ZnO、Na2O、BaO、TiO2和Al2O3的摩尔比为40~95：0.01~10：0.01~10：0.01~10：0.01~10：0.01~10。

4.  根据权利要求1～3任一所述的一种基于碲酸盐玻璃的光学微腔，其特征在于：所述的Re2O3氧化物中的稀土元素Re为Yb、Er、Tm、Eu、Tb、Ho、Nd、Sm、Dy或者Pr。

5.  根据权利要求1～3任一所述的一种基于碲酸盐玻璃的光学微腔，其特征在于：所述的Re2O3氧化物为Er、Tm、Eu、Tb、Ho、Nd、Sm、Dy和Pr的其中任意一种与Yb组成的两种稀土元素氧化物的混合。

6.  一种基于碲酸盐玻璃的光学微腔的制备方法，其特征在于：通过对硅片上的稀土掺杂碲酸盐玻璃薄膜进行分步刻蚀制成光学微腔。

7.  根据权利要求6所述的一种基于碲酸盐玻璃的光学微腔的制备方法，其特征在于：所述的稀土掺杂碲酸盐玻璃薄膜通过溶胶凝胶法制备得到。

8.  根据权利要求6所述的一种基于碲酸盐玻璃的光学微腔的制备方法，其特征在于：所述的分步刻蚀的具体制备步骤包括：
1）在稀土掺杂碲酸盐玻璃薄膜表面涂一层光刻胶，利用圆形掩膜版进行曝光和显影； 
2）再放入HF溶液中进行刻蚀处理，形成碲酸盐玻璃圆盘；
3）然后依次用丙酮和异丙醇去除覆盖在碲酸盐玻璃圆盘上的光刻胶，并用蒸馏水清洗，烘干；
4）在步骤3）中清洗烘干后用SF6气体刻蚀硅基，将支撑圆盘的柱子直径刻蚀到40~80μm形成得到微盘状的光学微腔。

9.  根据权利要求6～8任一所述的一种基于碲酸盐玻璃的光学微腔的制备方法，其特征在于：所述的稀土掺杂碲酸盐玻璃薄膜包含有TeO2和Re2O3氧化物，Re为稀土元素，TeO2与Re2O3之间的摩尔比为40~95：1~10。

10.  根据权利要求6～8任一所述的一种基于碲酸盐玻璃的光学微腔的制备方法，其特征在于：所述的稀土掺杂碲酸盐玻璃薄膜还包含有ZnO、Na2O、BaO、TiO2和Al2O3中的一种或者几种的混合，TeO2、ZnO、Na2O、BaO、TiO2和Al2O3的摩尔比为40~95：0~10：0~10：0~10：0~10：0~10。

说明书一种基于碲酸盐玻璃的光学微腔及其制备方法
技术领域
本发明属于微光学元件领域，具体地涉及了一种基于碲酸盐玻璃的光学微腔及其制备方法。
背景技术
微腔型光电子器件具有尺寸小、易集成、损耗低以及品质因子高等优点，在光学滤波器、低阈值激光器、光存储器、光开关以及生化传感器等多个方面都有广阔的应用前景。目前，大部分的光学微腔所用的腔体材料都为传统的硅酸盐玻璃，而这种硅酸盐玻璃微腔存在非线性效应差，稀土掺杂发光效率低等一系列的问题，因此，开发基于新型腔体材料的微腔迫在眉睫。
碲酸盐玻璃的声子能量较低(700～750cm-1)，这使得稀土辐射跃迁几率较高，发光效率较高。另外，它的折射率高达1.9至2.3，非线性效应极强。最重要的是，相比于硅酸盐只有一种SiO4的四面体结构，碲酸盐的内部结构有多种，包括三角双锥的TeO4，三角锥的TeO3和多边形的TeO3+δ，这些不同的结构可以提供更多分布的结构位点，有助于宽带发光，拓宽通讯波段的使用范围，制备更多波段的光通讯器件。
发明内容
克服传统硅酸盐玻璃微腔存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于碲酸盐玻璃的光学微腔及其制备方法，易于实现高品质因子腔体和低阈值激光。
本发明的技术方案是：
一、一种基于碲酸盐玻璃的光学微腔：
以TeO2作为主要组分，并掺杂有Re2O3氧化物，Re为稀土元素，TeO2与Re2O3之间的摩尔比为40～95：1～10。
其成分还包含有ZnO、Na2O、BaO、TiO2和Al2O3中的一种或者几种的混合作为次要组分，TeO2、ZnO、Na2O、BaO、TiO2和Al2O3的摩尔比为40～95：0～10：0～10：0～10：0～10：0～10。
所述的TeO2、ZnO、Na2O、BaO、TiO2和Al2O3的摩尔比为40～95：0.01～10：0.01～10：0.01～10：0.01～10：0.01～10。
所述的Re2O3氧化物中的稀土元素Re为Yb、Er、Tm、Eu、Tb、Ho、Nd、Sm、Dy或者Pr。
所述的Re2O3氧化物为Er、Tm、Eu、Tb、Ho、Nd、Sm、Dy和Pr的其中 任意一种与Yb组成的两种稀土元素氧化物的混合。
所述的光学微腔通过对硅片上的稀土掺杂碲酸盐玻璃薄膜进行分步刻蚀制成。
二、一种基于碲酸盐玻璃的光学微腔的制备方法：
通过对硅片上的稀土掺杂碲酸盐玻璃薄膜进行分步刻蚀制成光学微腔。
所述的稀土掺杂碲酸盐玻璃薄膜通过溶胶凝胶法制备得到，其厚度为0.5～2μm。
所述的分步刻蚀的具体制备步骤包括：
1)在稀土掺杂碲酸盐玻璃薄膜表面涂一层光刻胶，利用圆形掩膜版进行曝光和显影；
2)再放入HF溶液中进行刻蚀处理，形成碲酸盐玻璃圆盘；
3)然后依次用丙酮和异丙醇去除覆盖在碲酸盐玻璃圆盘上的光刻胶，并用蒸馏水清洗，烘干；
4)在步骤3)中清洗烘干后用SF6气体刻蚀硅基，将支撑圆盘的柱子直径刻蚀到40～80μm形成得到微盘状的光学微腔。
所述的稀土掺杂碲酸盐玻璃薄膜包含有TeO2和Re2O3氧化物，Re为稀土元素，TeO2与Re2O3之间的摩尔比为40～95：1～10。
所述的稀土掺杂碲酸盐玻璃薄膜还包含有ZnO、Na2O、BaO、TiO2和Al2O3中的一种或者几种的混合，TeO2、ZnO、Na2O、BaO、TiO2和Al2O3的摩尔比为40～95：0～10：0～10：0～10：0～10：0～10。
所述的Re2O3氧化物中的稀土元素Re为Yb、Er、Tm、Eu、Tb、Ho、Nd、Sm、Dy或者Pr。
所述的Re2O3氧化物为Er、Tm、Eu、Tb、Ho、Nd、Sm、Dy和Pr的其中任意一种与Yb组成的两种稀土元素氧化物的混合。
所述的微盘状的光学微腔直径为50～400μm。
所述的步骤1)中圆形掩膜版的直径为50～400μm。
所述的步骤2)中HF溶液的刻蚀处理时间为15～60min。
本发明的有益效果是：
本发明所制备得到的基于碲酸盐玻璃的光学微腔尺寸可控，结构稳定，具有微型化，易集成和便于保存等特点，而且制备方法简单高效，容易操作，能够实现大规模生产。
附图说明
图1为本发明的刻蚀工艺流程图。
图中：1为稀土掺杂碲酸盐玻璃薄膜，2为光刻胶。
图2为实施例1中HF溶液刻蚀后的碲酸盐玻璃圆盘的扫描电子显微镜正视照片。
图3为实施例1中碲酸盐玻璃微腔的扫描电子显微镜侧视照片。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明作示例性的说明及帮助进一步理解本发明，但实施案例具体细节仅是为了说明本发明，并不代表本发明构思下全部的技术方案，因此不应理解为对本发明总的技术方案的限定，一些在技术人员看来，不偏离本发明构思的非实质性增加和改动，例如以具有相同或相似技术效果的技术特征简单改换或替换，均属于本发明保护范围。
本发明的光学微腔，以TeO2作为主要组分，并掺杂有Re2O3氧化物，Re为稀土元素，TeO2与Re2O3之间的摩尔比为40～95：1～10。优选的成分还包含有ZnO、Na2O、BaO、TiO2和Al2O3中的一种或者几种的混合作为次要组分，TeO2、ZnO、Na2O、BaO、TiO2和Al2O3的摩尔比为40～95：0～10：0～10：0～10：0～10：0～10。
上述Re2O3氧化物中的稀土元素Re为Yb、Er、Tm、Eu、Tb、Ho、Nd、Sm、Dy或者Pr。
优选的上述Re2O3氧化物为Er、Tm、Eu、Tb、Ho、Nd、Sm、Dy和Pr的其中任意一种与Yb组成的两种稀土元素氧化物的混合。
上述光学微腔通过对硅片上的稀土掺杂碲酸盐玻璃薄膜进行分步刻蚀制成。
本发明的光学微腔通过对硅片上的稀土掺杂碲酸盐玻璃薄膜进行分步刻蚀制成，得到的微盘状的光学微腔直径为50～400μm。
稀土掺杂碲酸盐玻璃薄膜可通过溶胶凝胶法制备得到，其厚度为0.5～2μm。
如图1所示，本发明分步刻蚀的具体制备步骤包括：
1)在稀土掺杂碲酸盐玻璃薄膜1表面涂一层光刻胶2，利用圆形掩膜版进行曝光和显影，其圆形掩膜版的直径为50～400μm。
2)再放入HF溶液中进行刻蚀处理15～60min，形成碲酸盐玻璃圆盘；
3)然后依次用丙酮和异丙醇去除覆盖在碲酸盐玻璃圆盘上的光刻胶，并用蒸馏水清洗，烘干；
4)在步骤3)中清洗烘干后用SF6气体刻蚀硅基，将支撑圆盘的柱子直径刻蚀到40～80μm形成得到微盘状的光学微腔。
本发明的具体实施例如下：
实施例1：
组分为64TeO2-5ZnO-10Na2O-5BaO-10TiO2-5Yb2O3-1Er2O3
1)按照上述组分选定配比后，将丙二醇碲、醋酸锌、醋酸钠、氯化钡、钛酸四丁酯、醋酸镱和醋酸铒溶于丙二醇，得到澄清溶液，在60度下陈化2h后，得到透明溶胶。
2)将该溶胶旋涂在硅片上，旋涂速度为2000rpm，旋涂后将样品放置于加热炉中300度热处理2h，得到碲酸盐玻璃薄膜，重复上述过程2次，其厚度达到0.5μm；
3)在稀土掺杂碲酸盐玻璃薄膜表面涂一层光刻胶，利用80μm的圆形掩膜版进行曝光、显影；
4)将步骤3)得到的样品放入HF溶液中进行刻蚀处理15min，形成碲酸盐玻璃圆盘，如图2所示；
5)依次用丙酮和异丙醇去除覆盖在圆盘上的光刻胶，并用蒸馏水清洗，烘干；
6)将步骤5)中清洗后的样品用SF6气体刻蚀硅基，将支撑圆盘的柱子直径刻蚀到40μm以形成80μm的微盘状光学微腔，如图3所示。
实施例2：
组分为60TeO2-10ZnO-10BaO-5TiO2-5Al2O3-8Yb2O3-2Tm2O3
1)按照上述组分选定配比后，将丙二醇碲、醋酸锌、氯化钡、钛酸四丁酯、氯化铝、醋酸镱和醋酸铥溶于丙二醇，得到澄清溶液，在60度下陈化2h后，得到透明溶胶。
2)将该溶胶旋涂在硅片上，旋涂速度为2000rpm，旋涂后将样品放置于加热炉中300度热处理2h，得到碲酸盐玻璃薄膜，重复上述过程2次，其厚度达到0.5μm；
3)在稀土掺杂碲酸盐玻璃薄膜表面涂一层光刻胶，利用50μm的圆形掩膜版进行曝光、显影；
4)将步骤3)得到的样品放入HF溶液中进行刻蚀处理30min，形成碲酸盐玻璃圆盘；
5)依次用丙酮和异丙醇去除覆盖在圆盘上的光刻胶，并用蒸馏水清洗，烘干；
6)将步骤5)中清洗后的样品用SF6气体刻蚀硅基，将支撑圆盘的柱子直径刻蚀到40μm以形成50μm的微盘状光学微腔。
实施例3：
组分为40TeO2-10ZnO-10Na2O-10BaO-10TiO2-10Al2O3-8Yb2O3-2Eu2O3
1)按照上述组分选定配比后，将丙二醇碲、醋酸锌、醋酸钠、氯化钡、钛酸四丁酯、氯化铝、醋酸镱和醋酸铕溶于丙二醇，得到澄清溶液，在60度下陈化2h后，得到透明溶胶。
2)将该溶胶旋涂在硅片上，旋涂速度为2000rpm，旋涂后将样品放置于加热炉中300度热处理2h，得到碲酸盐玻璃薄膜，重复上述过程8次，其厚度达到2μm；
3)在稀土掺杂碲酸盐玻璃薄膜表面涂一层光刻胶，利用200μm的圆形掩膜版进行曝光、显影；
4)将步骤3)得到的样品放入HF溶液中进行刻蚀处理60min，形成碲酸盐玻璃圆盘；
5)依次用丙酮和异丙醇去除覆盖在圆盘上的光刻胶，并用蒸馏水清洗，烘干；
6)将步骤5)中清洗后的样品用SF6气体刻蚀硅基，将支撑圆盘的柱子直径刻蚀到80μm以形成200μm的微盘状光学微腔。
实施例4：
组分为95TeO2-4ZnO-1Ho2O3
1)按照上述组分选定配比后，将丙二醇碲、醋酸锌和醋酸钬溶于丙二醇，得到澄清溶液，在60度下陈化2h后，得到透明溶胶。
2)将该溶胶旋涂在硅片上，旋涂速度为2000rpm，旋涂后将样品放置于加热炉中300度热处理2h，得到碲酸盐玻璃薄膜，重复上述过程8次，其厚度达到2μm；
3)在稀土掺杂碲酸盐玻璃薄膜表面涂一层光刻胶，利用400μm的圆形掩膜版进行曝光、显影；
4)将步骤3)得到的样品放入HF溶液中进行刻蚀处理60min，形成碲酸盐玻璃圆盘；
5)依次用丙酮和异丙醇去除覆盖在圆盘上的光刻胶，并用蒸馏水清洗，烘干；
6)将步骤5)中清洗后的样品用SF6气体刻蚀硅基，将支撑圆盘的柱子直径刻蚀到80μm以形成400μm的微盘状光学微腔。
实施例5：
组分为79TeO2-5Na2O-5BaO-10Al2O3-1Dy2O3
1)按照上述组分选定配比后，将丙二醇碲、醋酸钠、氯化钡、氯化铝和醋 酸镝溶于丙二醇，得到澄清溶液，在60度下陈化2h后，得到透明溶胶。
2)将该溶胶旋涂在硅片上，旋涂速度为2000rpm，旋涂后将样品放置于加热炉中300度热处理2h，得到碲酸盐玻璃薄膜，重复上述过程4次，其厚度达到1μm；
3)在稀土掺杂碲酸盐玻璃薄膜表面涂一层光刻胶，利用100μm的圆形掩膜版进行曝光、显影；
4)将步骤3)得到的样品放入HF溶液中进行刻蚀处理60min，形成碲酸盐玻璃圆盘；
5)依次用丙酮和异丙醇去除覆盖在圆盘上的光刻胶，并用蒸馏水清洗，烘干；
6)将步骤5)中清洗后的样品用SF6气体刻蚀硅基，将支撑圆盘的柱子直径刻蚀到50μm以形成100μm的微盘状光学微腔。
实施例6：
组分为95TeO2-5Er2O3
1)按照上述组分选定配比后，将丙二醇碲溶于丙二醇，得到澄清溶液，在60度下陈化2h后，得到透明溶胶。
2)将该溶胶旋涂在硅片上，旋涂速度为2000rpm，旋涂后将样品放置于加热炉中300度热处理2h，得到碲酸盐玻璃薄膜，重复上述过程5次，其厚度达到1.25μm；
3)在稀土掺杂碲酸盐玻璃薄膜表面涂一层光刻胶，利用80μm的圆形掩膜版进行曝光、显影；
4)将步骤3)得到的样品放入HF溶液中进行刻蚀处理60min，形成碲酸盐玻璃圆盘；
5)依次用丙酮和异丙醇去除覆盖在圆盘上的光刻胶，并用蒸馏水清洗，烘干；
6)将步骤5)中清洗后的样品用SF6气体刻蚀硅基，将支撑圆盘的柱子直径刻蚀到50μm以形成80μm的微盘状光学微腔。
本发明中所掺杂的稀土种类不局限于实施例中所述的Er、Tm、Eu、Ho和Dy元素，其他稀土元素如Tb、Nd、Sm和Pr等同样适用。
本发明克服了传统基于硅酸盐玻璃材料的光学微腔非线性效应差，稀土掺杂发光效率低等缺点，易于实现高品质因子腔体和低阈值激光。并且制得的微腔尺寸可控，结构稳定，具有微型化，易集成和便于保存等特点，而且制备方法简单高效，容易操作，能够实现大面积制备。