锆钛酸铅铁电膜非对称平板光波导 【技术领域】
本发明涉及一种平板光波导，具体是指一种由锆钛酸铅铁电膜组成的非对称平板光波导。
背景技术
随着激光和光通讯技术的发展，对无源波导元器件及单片集成光路的需求与日剧增，这就迫切需要大量廉价、制备工艺相对简单、光学性能优异、传输损耗低的导光媒质，即光波导元件。由于锆钛酸铅铁电膜在多数光子器件所工作的可见光和红外光谱区是透明的，其折射率可随工艺条件、掺杂情况和组分的变化而变化，以及锆钛酸铅铁电膜的制备成本低，加工技术同现有的半导体工艺相兼容等优点，因此，锆钛酸铅铁电膜有可能成为制作光电子器件最有前途的材料之一。目前，世界上有越来越多的研究小组致力于该领域的研究开发工作。
为实现锆钛酸铅材料在光子器件中的运用，首先需要将它制成光波导元件。考虑到晶格匹配问题，目前基于锆钛酸铅的光波导元件的衬底材料主要有Pt/Ti/SiO2/Si、SrTiO3、SrRuO3、导电玻璃等。然而，由于这些衬底材料的折射率与锆钛酸铅铁电膜的折射率相差较大，通常Δn＞0.4。因此光在厚度为微米量级的导光层中传输时，往往出现多个光导模，从而引起模式色散损耗，使光波导器件性能恶化，不能满足器件制作的要求。
【发明内容】
基于上述已有光波导元件存在地问题，本发明的目的是提出一种利用锆钛酸铅铁电膜的折射率随锆含量减少而增加的线性缓变特性，设计一个导光层和衬底材料的折射率相差较小的非对称平板光波导结构，从而实现光波在导光层中的单模传输。
本发明的锆钛酸铅铁电膜非对称平板光波导，包括硅(Si)基片，在Si基片上依次有相互牢固结合的导电金属氧化物镍酸镧(LaNiO3)缓冲层，二个锆(Zr)含量不同，折射率有差异的锆钛酸铅膜层，它们分别是锆钛酸铅(PbZrxTi1-xO3)衬底层，锆钛酸铅(PbZryTi1-yO3)导光层，其中的x和y为摩尔数，应满足0＜y＜x＜1，0.005≤x-y≤0.8条件，所说的导光层厚度为0.5-3微米量级。
采用缓冲层的目的是由于PbZrxTi1-xO3同Si的晶格常数不相匹配，很难直接在Si基片上生长出高度择优取向无裂纹的优质膜层，同时LaNiO3膜层还可作为光波导器件的一个底电极。
本发明的光波导实际是由组分不同的PbZrxTi1-xO3衬底层、PbZryTi1-yO3导光层和空气组成。它是根据锆钛酸铅铁电膜在可见光和红外光谱区的透明特性，在同一波长下，其折射率随锆含量减少而增加的线性缓变特性，采用组分不同的锆钛酸铅铁电膜来作为衬底和导光层，即波导的导光层和衬底层分别由不同组分、折射率相差较小的锆钛酸铅铁电膜构成。这样，可使光波导器件的工作性能得到改善，避免了因导光层与衬底层折射率差过大而导致波导性能变差的问题。
本发明的最大优点是：当光波在厚度为微米量级的导光层中传输时，是单模传输，不会产生模式色散损耗，从而使光波导器件性能优化，满足了用于制作集成光路的要求。
【附图说明】
图1为本发明的结构示意图；
图2为本实施例高度(100)择优取向的锆钛酸铅铁电膜的X射线衍射图。
图3为棱镜-锆钛酸铅铁电膜非对称平板光波导耦合测量结果。
【具体实施方式】
下面以摩尔数x＝0.5和y＝0.4为实施例，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：
1.镍酸镧溶液的配制：
将1.8克四水合醋酸镍和2.69克四水合硝酸镧溶于30毫升醋酸中，得到浓度为0.4M/L的镍酸镧前驱体溶液。
2.锆钛比为50∶50(x＝0.5)溶液的配制：
将3.6433g硝酸铅溶于30ml己二醇甲醚中，再加入1.5ml正丁醇钛、2.22ml异丙醇锆混合。随后再依次加入0.52ml己酰丙酮，0.73ml正丙醇，1.11g聚乙烯吡咯烷酮，最后加入0.36ml去离子水。通过蒸馏去除一部分反应副产物及溶剂，得到清澈透明，锆钛比为50∶50，摩尔浓度为0.4M/L的锆钛酸铅前驱体溶液。
3.锆钛比为40∶60(x＝0.4)溶液的配制：
将3.6433g硝酸铅溶于30ml己二醇甲醚中，再加入1.8ml正丁醇钛、1.78ml异丙醇锆混合。随后再依次加入0.52ml己酰丙酮，0.73ml正丙醇，1.11g聚乙烯吡咯烷酮，最后加入0.36ml去离子水。通过蒸馏去除一部分反应副产物及溶剂，得到清澈透明，锆钛比为40∶60，摩尔浓度为0.4M/L的锆钛酸铅前驱体溶液。
4.锆钛酸铅铁电膜非对称平板光波导的制备：
A.以硅(Si)为基片，将镍酸镧前驱体溶液滴在基片上，用匀胶机将溶液均匀甩开，甩胶速度约为3500转/分，时间约为20秒。然后将胶膜与基片一起置于快速退火炉中分段升温热处理，分别在180℃、380℃和700℃下各热处理约4分钟，重复上述过程3次，就可得到厚度约为120nm的镍酸镧缓冲层。
B.将锆钛比为50∶50(x＝0.5)的锆钛酸铅前驱体溶液滴在镍酸镧缓冲层上，用匀胶机将溶液均匀甩开，甩胶速度约为3000转/分，时间约为30秒。每镀好一层，将片子放入快速退火炉中，分别在180℃下热处理5分钟，380℃下热处理6分钟，700℃下热处理8分钟，重复上述过程6次，得到厚度约0.67μm的PbZr0.5Ti0.5O3衬底层。
C.重复上述B的过程，将锆钛比为40∶60(y＝0.4)的锆钛酸铅前驱体溶涂布在PbZr0.5Ti0.5O3衬底层上，得到厚度约0.67μm的PbZr0.4Ti0.6O3导光层。一个锆钛酸铅铁电膜组成的非对称平板光波导制备完毕。经棱镜-非对称平板光波导耦合测量结果表明本发明的光波导能有效地传输零阶横电模，是一种单模光波导，见图3。