CN100343709C - 离子掩模法制作玻璃掩埋光波导器件的方法 - Google Patents
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Abstract
一种离子掩模法制作玻璃掩埋光波导器件的方法。包括用真空蒸发或者射频溅射技术在玻璃表面淀积一层金属铝薄膜；用常规光刻工艺刻出光功分器图形，这里，将要形成波导的区域表面有金属薄膜覆盖，而非波导区的金属薄膜在光刻时被除去；接着用离子交换技术进行钾-钠离子交换制作离子掩膜；去掉金属掩膜后，进行银-钠离子交换；然后是钠离子交换使表面的钾、银离子浓度降低，形成掩埋的光波导；最后进行退火处理。本发明用交换离子层作掩膜，掩膜本身深入玻璃表层内部，具有数微米的深度，这样它不仅在深度方向上限制了离子的交换，而且在玻璃表层的横向也限制了离子的横向扩散，使波导的深宽比得到提高，有利于制作深掩埋的圆形波导。
Description
技术领域
本发明涉及基于平面光波导回路的一种离子掩模法制作玻璃掩埋光波导器件的方法。
背景技术
目前光波导器件如：调制/解调器、波分复用/解复用器、光开关、光功分器、光放大器等在光网络中都占有重要地位。所使用的材料有很多，它们以不同结构和原理实现一种或多种上述器件。这些材料主要包括III-V族化合物半导体材料、LiNbO3材料、SOI(silicon on isolator)、Si、SiO2、玻璃、有机聚合物等。
在上述的这些材料中，化合物半导体材料、LiNbO3材料是晶体材料，制成的光器件与偏振有关，而且材料本身的折射率高，与光纤耦合复杂；SOI等材料制备工艺复杂、技术难度大、成本较高。就制作工艺来说，SOI、SiO2等材料需要用到低压化学气相淀积或火焰水解技术，以及干法刻蚀技术，其设备复杂、价格昂贵；化合物半导体材料则需要多层外延和刻蚀工艺，不仅技术复杂、难度大，而且价格昂贵。
用玻璃作为衬底材料利用离子交换技术制作光波导器件具有工艺简单成熟、损耗低、各向同性、容易集成，并且由于玻璃的折射率与光纤折射率相近，易于与光纤耦合等优点。而玻璃衬底光波导器件有多种制作方法和不同的结构，为使器件的传输损耗尽量小、并与光偏振方向无关，必须使光波导隐埋在玻璃的内部，同时使波导截面尽量呈圆形。
在一般的用金属作掩膜的离子交换技术中，由于金属掩膜覆盖在玻璃的表面，在玻璃内部无法限制离子的横向扩散，因此交换得到的波导宽，很难获得所需的深宽比的波导。
发明内容
为了克服玻璃离子交换波导截面模场不对称及分布于玻璃表面，从而带来与光纤耦合效率低和玻璃表面对光信号传输损耗影响大的问题，本发明的目的在于提供一种离子掩模法制作玻璃掩埋光波导器件的方法，它使波导截面更接近于圆形、能够克服玻璃表面状态对波导内传输的光信号的影响，大大改善传输损耗，同时波导截面结构的改善有利于实现与光纤的耦合，降低耦合损耗。
为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：包括用真空蒸发或者射频溅射技术在玻璃表面淀积一层金属铝薄膜；用常规光刻工艺刻出光功分器图形，这里，将要形成波导的区域表面有金属薄膜覆盖，而非波导区的金属薄膜在光刻时被除去；本发明还包括以下步骤：
1)接着用离子交换技术进行钾-钠离子交换制作离子掩膜，首先将硝酸钠与硝酸钾按摩尔比0～1∶1的比例混合后，配好离子交换源，把配好的离子交换源放入高温炉中烘烤不少于4小时，温度为240～280℃；然后升高炉温到360～400℃，待离子交换源完全熔融后把刻好波导图形的玻璃片放入交换源中，进行离子交换，形成离子掩膜，时间为4～10小时，最后取出玻璃片冷却至常温；
2)去掉金属掩膜后，进行银-钠离子交换，首先将硝酸钠与硝酸银按摩尔比100∶0.2～2的比例混合配好离子交换源，把配好的离子交换源放入高温炉中烘烤不少于4小时，温度为200～240℃；然后升高炉温到300～360℃，待离子交换源完全熔融后把经过第1)步交换过的玻璃片放入交换源中，进行银-钠离子交换，形成波导，时间为2～8小时，最后取出玻璃片冷却至常温；
3)然后是钠离子交换使表面的钾、银离子浓度降低，形成掩埋的光波导，交换条件是纯硝酸钠融盐，温度为350～370℃，时间为2～4小时；
4)最后进行退火处理，温度为350℃，时间为2～8小时。
在第1)步钾-钠离子交换形成的离子掩膜在随后的银-钠离子交换过程起掩膜作用，使银-钠离子交换仅发生在波导的区域。
本发明具有的有益效果是：由于离子掩膜本身深入玻璃表层内部，具有数微米的深度，这样它不仅在深度方向上限制了离子的交换，而且在玻璃表层的横向也限制了离子的横向扩散，对离子交换起掩蔽作用，所以限制了银离子的横向扩散，使银-钠离子交换时银离子主要向深度方向扩散，可以使波导埋得更深，同时第三次的钠-银离子交换把表面的银离子交换掉一部分，使波导结构在深度方向上也呈对称。这些特点对光波导器件是非常重要的，可以有效地降低光波导器件的传输损耗和耦合损耗，有利于制作深掩埋的圆形波导。
附图说明
附图是本本发明的制作工艺流程示意图。
具体实施方式
实施例1：如附图所示，按如下步骤制作一个玻璃掩埋光波导器件：
1、准备一片清洁的玻璃；
2、用真空蒸发或者射频溅射技术在玻璃表面淀积一层300nm左右金属薄膜，本实例中用金属铝；
3、用常规光刻工艺刻出光功分器图形；
4、用离子交换技术进行钾-钠离子交换制作离子掩膜。首先将硝酸钾放入高温炉中烘烤不少于4小时，温度为280℃；然后升高炉温到360℃，待离子交换源完全熔融后把第3)步刻好波导图形的玻璃片放入交换源中，进行离子交换，形成离子掩膜，时间为4小时，最后取出玻璃片冷却至常温；
5、去掉金属掩膜后，进行银-钠离子交换，首先将硝酸钠与硝酸银按摩尔比100∶0.2的比例混合配好离子交换源，把配好的离子交换源放入高温炉中烘烤不少于4小时，温度为240℃；然后升高炉温到360℃，待离子交换源完全熔融后把经过第4)步交换过的玻璃片放入交换源中，进行银-钠离子交换，形成波导，时间为8小时，最后取出玻璃片冷却至常温；
6、然后是钠离子交换使波导表面的银离子浓度降低，形成掩埋的光波导，交换条件是纯硝酸钠融盐，温度为370℃2小时。最后进行退火处理，温度为350℃8小时。
实施例2：如附图所示，按如下步骤制作一个玻璃掩埋光波导器件：
1、准备一片清洁的玻璃；
2、用真空蒸发或者射频溅射技术在玻璃表面淀积一层300nm左右金属薄膜，本实例中用金属铝；
3、用常规光刻工艺刻出光功分器图形；
4、用离子交换技术进行钾-钠离子交换制作离子掩膜。首先将硝酸钠与硝酸钾按摩尔比1∶1的比例混合后，配好离子交换源，把配好的离子交换源放入高温炉中烘烤不少于4小时，温度为240℃；然后升高炉温到400℃，待离子交换源完全熔融后把第3)步刻好波导图形的玻璃片放入交换源中，进行离子交换，形成离子掩膜，时间为8小时，最后取出玻璃片冷却至常温；
5、去掉金属掩膜后，进行银-钠离子交换，首先将硝酸钠与硝酸银按摩尔比100∶2的比例混合配好离子交换源，把配好的离子交换源放入高温炉中烘烤不少于4小时，温度为200℃；然后升高炉温到300℃，待离子交换源完全熔融后把经过第4)步交换过的玻璃片放入交换源中，进行银-钠离子交换，形成波导，时间为2小时，最后取出玻璃片冷却至常温；
6、然后是钠离子交换使波导表面的银离子浓度降低，形成掩埋的光波导，交换条件是纯硝酸钠融盐，温度为350℃4小时。最后进行退火处理，温度为350℃2小时。
Claims (2)
1、一种离子掩模法制作玻璃掩埋光波导器件的方法，包括用真空蒸发或者射频溅射技术在玻璃表面淀积一层金属铝薄膜；用常规光刻工艺刻出光功分器图形，这里，将要形成波导的区域表面有金属薄膜覆盖，而非波导区的金属薄膜在光刻时被除去；其特征在于：
1)接着用离子交换技术进行钾-钠离子交换制作离子掩膜，首先将硝酸钠与硝酸钾按摩尔比0～1∶1的比例混合后，配好离子交换源，把配好的离子交换源放入高温炉中烘烤不少于4小时，温度为240～280℃；然后升高炉温到360～400℃，待离子交换源完全熔融后把刻好波导图形的玻璃片放入交换源中，进行离子交换，形成离子掩膜，时间为4～10小时，最后取出玻璃片冷却至常温；
2)去掉金属掩膜后，进行银-钠离子交换，首先将硝酸钠与硝酸银按摩尔比100∶0.2～2的比例混合配好离子交换源，把配好的离子交换源放入高温炉中烘烤不少于4小时，温度为200～240℃；然后升高炉温到300～360℃，待离子交换源完全熔融后把经过第1)步交换过的玻璃片放入交换源中，进行银-钠离子交换，形成波导，时间为2～8小时，最后取出玻璃片冷却至常温；
3)然后是钠离子交换使表面的钾、银离子浓度降低，形成掩埋的光波导，交换条件是纯硝酸钠融盐，温度为350～370℃，时间为2～4小时；
4)最后进行退火处理，温度为350℃，时间为2～8小时。
2、根据权利要求1所述的一种离子掩模法制作玻璃掩埋光波导器件的方法，其特征在于：第1)步钾-钠离子交换形成的离子掩膜在随后的银-钠离子交换过程起掩膜作用，使银-钠离子交换仅发生在波导的区域。
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