本发明属于非线性光学领域，具体涉及一种基于铁电畴调控技术的铌酸锂薄膜波导倍频器件制备方法。
背景技术：
1、铌酸锂材料在光学领域具有折射率高、宽透明窗口、电光效应强、非线性系数大、压电性能良好等诸多优点，被广泛应用于光学器件，尤其是集成光子学器件当中。使用铌酸锂薄膜材料刻蚀制作的波导对于光的限制强，可以制造兼具高性能和高集成度的器件。随着微纳加工技术水平的提高，目前常见的铌酸锂薄膜厚度可达几百纳米，并能够保证一定的完整性和均匀性。因此，基于铌酸锂薄膜的集成光子学器件的研究得到了迅猛发展。
2、光学二阶非线性效应在频率转换、光子对产生、超连续谱产生等诸多应用中具有重要的价值。光在材料中产生非线性效应的强度取决于光场强度以及材料的非线性系数。铌酸锂本身具有高二阶非线性系数的特性，同时铌酸锂薄膜材料能够提供强光场限制，提高局域光场强度，因此铌酸锂薄膜平台成为了人们实现二阶非线性效应的理想平台。为实现高效的非线性效应，需要达成泵浦频率光与目标频率光之间的相位匹配。准相位匹配是一种常见的相位匹配技术，目前通常通过对铌酸锂材料施加高压脉冲进行周期性极化，产生周期性反转的非线性系数来实现。但这种相位匹配技术加工鲁棒性低，工艺较为复杂，尺寸稍微偏差就可能导致匹配波长漂移、转换效率降低。模间相位匹配通过调整波导色散，让泵浦频率光和目标频率光的不同阶模式之间达成相位匹配。该相位匹配技术相对简便，工艺鲁棒性高，但存在高阶模式传输损耗高、模式重叠低等问题。有相关文献提出半非线性波导方案，制作无二阶非线性系数的二氧化钛材料与铌酸锂薄膜异质集成的波导，引入了非线性系数分布的不对称性，避免了高阶模电场反对称分布带来的模式重叠积分降低。但该情况下，波导内零非线性部分的光场不参与非线性作用，导致整体转换效率较低。也有相关文献提出了连续域束缚态的半非线性波导，避免了制备异质集成波导的刻蚀和沉积等繁琐步骤，但由于光场限制问题，非线性转换效率并没有提升。另外有文献提出，可以在半非线性波导的基础上更进一步，将两层铌酸锂薄膜键合并刻蚀波导，这样反向非线性系数将代替半非线性波导的零非线性部分，有效提高了转换效率。但其代价是制作工艺繁琐，需要将铌酸锂薄膜晶圆反向对齐、热键合、湿法刻蚀去除衬底层和缓冲层，最后干法刻蚀形成双层薄膜铌酸锂波导。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本发明提出一种基于铁电畴调控的铌酸锂薄膜波导倍频器件制备方法，能够利用铁电畴调控技术控制铌酸锂薄膜内部铁电畴反转深度，进而实现高转换效率、低损耗、易制备的波导倍频器件。
2、在本发明中，通过波导尺寸设计，能够达成基频光信号横电基模的与倍频光横电高阶模之间的模间相位匹配，在此基础上，通过铁电畴调控技术，在制作极化电极时引入绝缘层，并在极化步骤不断优化极化电压来控制铌酸锂薄膜内部极化电场大小及反转畴生长过程，使得一定深度上铌酸锂铁电畴方向反转，从而引入非对称的二阶非线性系数，消除倍频光高阶模电场反对称分布对模式重叠积分的影响，最终获得高效率、低损耗的铌酸锂薄膜波导倍频器件。
3、本发明提出的一种基于铁电畴调控的铌酸锂薄膜波导倍频器件的制备方法，包括以下步骤：
4、步骤（1）、首先利用有机溶剂清洗铌酸锂薄膜表面，旋涂紫外光刻胶，通过紫外光刻方法得到镀膜所需掩膜，通过电子束蒸发方法，依次生长绝缘层、连接层、金属层薄膜，通过剥离方法，在铌酸锂薄膜表面形成电极。
5、步骤（2）、对于铌酸锂薄膜表面电极，使用铁电畴调控技术，应用高压电脉冲极化，根据需求通过电极绝缘层材料和厚度控制铌酸锂薄膜内部电场大小及反转畴生长过程，将接近薄膜表面相应深度的铌酸锂的铁电畴方向反转，形成双层铁电畴方向相反的薄膜铌酸锂结构。
6、步骤（3）、利用有机溶剂清洗步骤（2）处理后的铌酸锂薄膜表面，旋涂电子束光刻胶，通过电子束或紫外曝光方法，得到波导图案掩膜，并通过干法刻蚀转移到铌酸锂薄膜形成脊型波导结构。
7、步骤（4）、利用无机溶剂清洗脊型波导，去除残胶及表面污染物，对脊型波导端面进行研磨抛光，即可得到基于铁电畴调控技术的铌酸锂薄膜波导倍频器件。
8、在一实施例中，所述步骤（1）清洗铌酸锂薄膜表面的过程为：使用丙酮、异丙醇超声清洗，去除有机物及无机物微粒，最后使用去离子水清洗并使用氮气吹干。
9、在一实施例中，电子束蒸发所使用的掩膜层为负性光刻胶。
10、在一实施例中，所述绝缘层材料为氧化铝al2o3或二氧化硅sio2，厚度为50~150纳米；所述连接层材料为钛ti或铬cr，厚度为10~20纳米；所述金属层材料为金au，厚度为50~500纳米。
11、在一实施例中，所述极化使用的电压范围为300伏~800伏，薄膜表面铁电畴方向反转铌酸锂的厚度为100纳米~600纳米。
12、在一实施例中，所述步骤（3）清洗铌酸锂薄膜表面的过程为：使用丙酮、异丙醇浸泡并清洗，去除有机物及无机物微粒，最后使用去离子水清洗并使用氮气吹干。
13、在一实施例中，所述干法刻蚀所使用的掩膜层为负性光刻胶。
14、在一实施例中，所述干法刻蚀方法为感应耦合等离子体刻蚀，使用氩气作为刻蚀气体。
15、在一实施例中，所述去除残胶及表面污染物的过程为：使用浓硫酸、过氧化氢水溶液配制溶液，随后将芯片浸泡其中，浸泡时间为3~12小时，最后使用去离子水冲洗并使用氮气吹干。
16、本发明有益效果如下：
17、(1)利用铁电畴调控技术，可以在铌酸锂薄膜波导中引入非对称的非线性系数，消除目标频率光高阶模式下电场反对称分布对模式重叠积分的影响，大大提升了非线性转换效率。
18、(2)利用铁电畴调控技术制备基于模间相位匹配的铌酸锂薄膜波导倍频器件，首先可以避免应用准相位匹配技术时制备精准周期性极化铁电畴结构所需要的复杂工艺步骤和较高的微纳加工水平，从而拥有较大的工艺容差；其次可以避免双层铌酸锂薄膜波导所需的晶圆对齐、热键合、湿法刻蚀等复杂步骤，降低器件的加工复杂度。
19、(3)采用干法刻蚀铌酸锂薄膜脊型波导器件，相比铌酸锂体材料光波导或连续域束缚态波导，能够有效增强对光场的限制，从而提升器件非线性转换效率和集成度。
1.一种基于铁电畴调控的铌酸锂薄膜波导倍频器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于铁电畴调控的铌酸锂薄膜波导倍频器件的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）清洗铌酸锂薄膜表面的过程为：使用丙酮、异丙醇超声清洗，去除有机物及无机物微粒，最后使用去离子水清洗并使用氮气吹干。
3.根据权利要求1所述的一种基于铁电畴调控的铌酸锂薄膜波导倍频器件的制备方法，其特征在于，电子束蒸发所使用的掩膜层为负性光刻胶。
4.根据权利要求1所述的一种基于铁电畴调控的铌酸锂薄膜波导倍频器件的制备方法，其特征在于，所述绝缘层材料为氧化铝al2o3或二氧化硅sio2，厚度为50~150纳米；所述连接层材料为钛ti或铬cr，厚度为10~20纳米；所述金属层材料为金au，厚度为50~500纳米。
5.根据权利要求1所述的一种基于铁电畴调控的铌酸锂薄膜波导倍频器件的制备方法，其特征在于，所述极化使用的电压范围为300伏~800伏，薄膜表面铁电畴方向反转铌酸锂的厚度为100纳米~600纳米。
6.根据权利要求1所述的一种基于铁电畴调控的铌酸锂薄膜波导倍频器件的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）清洗铌酸锂薄膜表面的过程为：使用丙酮、异丙醇浸泡并清洗，去除有机物及无机物微粒，最后使用去离子水清洗并使用氮气吹干。
7.根据权利要求1所述的一种基于铁电畴调控的铌酸锂薄膜波导倍频器件的制备方法，其特征在于，所述干法刻蚀所使用的掩膜层为负性光刻胶。
8.根据权利要求1或7所述的一种基于铁电畴调控的铌酸锂薄膜波导倍频器件的制备方法，其特征在于，所述干法刻蚀方法为感应耦合等离子体刻蚀，使用氩气作为刻蚀气体。
9.根据权利要求1所述的一种基于铁电畴调控的铌酸锂薄膜波导倍频器件的制备方法，其特征在于，所述去除残胶及表面污染物的过程为：使用浓硫酸、过氧化氢水溶液配制溶液，随后将芯片浸泡其中，浸泡时间为3~12小时，最后使用去离子水冲洗并使用氮气吹干。
