CN101021594A - 一种玻璃－玻璃复合光波导 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种玻璃－玻璃复合光波导。包括具有导光区的玻璃基片和功能性玻璃基片键合而成。所述的功能性玻璃基片上具有光限制区，玻璃基片上的导光区和功能性玻璃基片上的光限制区共同构成复合光波导的芯部。即使在功能性玻璃基片的折射率高于导光区的情况下，由于光限制区的作用，光波导中传输的光也不会以辐射模的形式传输。这种情况下，既保证了传输光与功能性玻璃基片的相互作用，还具有制作工艺简单。功能性玻璃基片具有光放大、非线性、磁光或者电光特性，这种光波导结构使功能性玻璃基片功能得到充分利用。这种复合光波导可以将不同功能集成到同一个光波导器件上，实现光集成器件的小型化和多功能化。
Description
技术领域
本发明涉及光波导，尤其是涉及一种玻璃-玻璃复合光波导。
背景技术
集成光路是指在同一块衬底的表面上，用折射率略高的材料制作光波导，并以此为基础再制作光源、光栅等各种光学器件。通过这种集成化，可以实现光学系统的小型化、轻量化、稳定化和高性能化的目的。
通常使用的集成光学器件制备工艺可以分为两类：一类是沉积法，包括等离子增强化学气相沉积法(PECVD)、火焰水解法(FHD)、溶胶-凝胶法(sol-gel)等，其中以PECVD法最为常用；另一类是扩散法，包括铌酸锂基片上的金属扩散、质子交换，以及玻璃基片上的离子交换法。
采用离子交换技术在玻璃基片上制备的集成光学器件具有一些优异的性质，包括：传输损耗低，易于掺杂高浓度的稀土离子，与光纤的光学特性匹配，耦合损耗小，环境稳定性好，易于集成，成本低廉等等。自从1972年，T.Izawa和H.Nakagome发表了第一篇关于采用离子交换工艺在玻璃基片上制作光波导的研究论文以来，采用这种工艺在玻璃基片上制作光波导器件的研究引起了许多研究机构和企业界的持续关注。经过三十余年的研究与开发，一些采用这种技术制备的集成光学器件，如光功分器和光放大器，已经从纯粹的实验室研究走向产业化阶段，并成功地应用于光通信网络，有力地推进了光信息产业的快速发展。
伴随着集成光学技术的进步，玻璃基集成光学器件也向高集成度和多功能化的方向发展。通过适当的工艺，将玻璃与功能性材料结合起来，制作复合光波导结构，是实现玻璃基集成光学器件多功能化的一条重要途径。目前国际上已经有许多关于玻璃与功能性光学材料的复合光波导器件的报道，譬如稀土掺杂与无稀土掺杂玻璃、聚合物(非线性聚合物、双折射聚合物等)与玻璃、III-V族半导体材料与玻璃、TiO2和SiO2等氧化物与玻璃、ZnS与玻璃等等。其中玻璃作为一种传统的光学材料，而且随着材料科学与技术的发展，许多具有特殊性质的功能性玻璃材料不断出现，并获得应用，使玻璃-玻璃复合光波导日益受到人们的重视。图1给出了一种玻璃基复合光波导结构(类型A)，由玻璃基片1与功能性玻璃基片2键合而成，玻璃基片1中高折射率的导光区3为复合光波导的芯部，功能性玻璃基片2为具有某种功能(譬如激光玻璃)的玻璃材料。一般情况下，为了保证光波导的形成，这种结构中功能性玻璃基片2的折射率必须低于玻璃基片1中导光区3的折射率，这使光波导中传输的光能量大部分分布在玻璃基片1中的导光区3附近，而功能性玻璃基片2中分布的能量很少，如图1中光波导模场分布等强度线4所示，这种分布特征使功能性玻璃基片2的功能(譬如光放大作用)不能充分发挥。为了改善上述波导结构的不足，人们提出了另一种复合波导结构B，如图2所示。这种复合光波导结构中功能性玻璃基片2的折射率高于玻璃基片1中导光区3的折射率，其光场分布特征有很大改变，如图1中光波导模场分布等强度线4所示。为保证光波导对光的限制作用，功能性玻璃基片2的厚度通常控制在数微米，通常需要通过湿法腐蚀工艺得到所需的厚度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种玻璃-玻璃复合光波导，这种光波导既保证了传输光与功能性玻璃基片的相互作用，同时还具有制作工艺简单
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括具有导光区的玻璃基片和功能性玻璃基片键合而成。所述的具有导光区的玻璃基片和具有光限制区的功能性玻璃基片键合而成，玻璃基片上的导光区和功能性玻璃基片上的光限制区共同构成复合光波导的芯部。
所述的具有导光区的玻璃基片为硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃或者硼酸盐玻璃。
所述的具有光限制区的功能性玻璃基片为具有光放大、非线性、磁光或者电光特性材料的功能性玻璃基片。
所述的具有光限制区的功能性玻璃基片中，光限制区的横向尺寸小于、大于或等于玻璃基片中导光区的尺寸。
本发明具有的有益效果是：即使在功能性玻璃基片的折射率高于导光区的情况下，由于光限制区的作用，光波导中传输的光也不会以辐射模的形式传输，光场分布具有图3、图4、图5、图6中的光波导模场分布等强度线4所示的特征。这种情况下，既保证了传输光与功能性玻璃基片的相互作用，同时还具有制作工艺简单的特点。功能性玻璃基片具有光放大、非线性、磁光或者电光特性，这种光波导结构使功能性玻璃基片功能得到充分利用。这种结构的设计与制作具有很大的灵活性。这种复合光波导可以将不同功能集成到同一个光波导器件上，实现光集成器件的小型化和多功能化。
附图说明
图1是玻璃基复合光波导结构(类型A)示意图。
图2是玻璃基复合光波导结构(类型B)示意图。
图3是本发明的第一种结构示意图。
图4是本发明的第二种结构示意图。
图5是本发明的第三种结构示意图。
图6是本发明的第四种结构示意图。
其中：1、玻璃基片，2、功能性玻璃基片；3、导光区；4、光波导模场分布等强度线；5、光限制区。
具体实施方式
如图3、图4、图5、图6所示，本发明包括具有导光区3的玻璃基片1和功能性玻璃基片2键合而成。所述的具有导光区3的玻璃基片1和具有光限制区5的功能性玻璃基片2键合而成，玻璃基片1上的导光区3和功能性玻璃基片2上的光限制区5共同构成复合光波导的芯部。
所述的具有导光区3的玻璃基片1为硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃或者硼酸盐玻璃。
所述的具有光限制区5的功能性玻璃基片2为具有光放大、非线性、磁光或者电光特性材料的功能性玻璃基片2。
所述的具有光限制区5的功能性玻璃基片2中，光限制区5的横向尺寸小于、大于或等于玻璃基片1中导光区3的尺寸。
本发明所述的玻璃光波导制作方法可以通过多种方式实施，下面以用于光放大的玻璃-玻璃复合光波导结构为例说明。
实施例1：复合光波导结构参见图3，主要工艺步骤
玻璃基片1选用硅酸盐光学玻璃材料，功能性玻璃基片2选用掺杂稀土的磷酸盐玻璃。玻璃-玻璃复合光波导结构的主要制作步骤：
(A)玻璃基片1上导光区3的制备
·采用微细加工工艺在玻璃基片上制作条形光波导的掩膜，得到离子交换窗口，窗口宽度为微米数量级；
·采用熔盐离子交换工艺制作条形光波导，离子交换温度300～400℃；
·对光波导的退火处理。
(B)功能性玻璃基片2上光限制区3的制备
·采用熔盐离子交换工艺在功能性玻璃基片2上制作光限制区5。
(C)复合光波导的制备
采用电场辅助键合工艺将玻璃基片1与功能性玻璃基片2键合。
实施例2：复合光波导结构参见图4，主要工艺步骤
玻璃基片1选用硅酸盐光学玻璃材料，功能性玻璃基片2选用掺杂稀土的磷酸盐玻璃。玻璃-玻璃复合光波导结构的主要制作步骤：
(A)玻璃基片1上导光区3的制备
·采用微细加工工艺在玻璃基片上制作条形光波导的掩膜，得到离子交换窗口，窗口宽度为微米数量级；
·采用熔盐离子交换工艺制作条形光波导，离子交换温度300～400℃；
·对光波导的退火处理。
(B)功能性玻璃基片2上光限制区3的制备
·采用微细加工工艺在玻璃基片上制作条形光波导的掩膜，得到离子交换窗口，窗口宽度为数十微米数量级；
·采用熔盐离子交换工艺在功能性玻璃基片2上制作光限制区5。
(C)复合光波导的制备
采用电场辅助键合工艺将玻璃基片1与功能性玻璃基片2键合。
实施例3：复合光波导结构参见图5和图6，主要工艺步骤
玻璃基片1选用硅酸盐光学玻璃材料，功能性玻璃基片2选用掺杂稀土的磷酸盐玻璃。玻璃-玻璃复合光波导结构的主要制作步骤：
(A)玻璃基片1上导光区3的制备
·采用微细加工工艺在玻璃基片上制作条形光波导的掩膜，得到离子交换窗口，窗口宽度为微米数量级；
·采用熔盐离子交换工艺制作条形光波导，离子交换温度300～400℃；
·对光波导的退火处理。
(B)功能性玻璃基片2上光限制区3的制备
·采用微细加工工艺在玻璃基片上制作条形光波导的掩膜，得到离子交换窗口，窗口宽度为微米数量级；
·采用熔盐离子交换工艺在功能性玻璃基片2上制作光限制区5。
(C)复合光波导的制备
采用电场辅助键合工艺将玻璃基片1与功能性玻璃基片2键合。
Claims (4)
1.一种玻璃-玻璃复合光波导，包括具有导光区(3)的玻璃基片(1)和功能性玻璃基片(2)键合而成；其特征在于：所述的具有导光区(3)的玻璃基片(1)和具有光限制区(5)的功能性玻璃基片(2)键合而成，玻璃基片(1)上的导光区(3)和功能性玻璃基片(2)上的光限制区(5)共同构成复合光波导的芯部。
2.根据权利要求1所述的一种玻璃-玻璃复合光波导，其特征在于：所述的具有导光区(3)的玻璃基片(1)为硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃或者硼酸盐玻璃。
3.根据权利要求1所述的一种玻璃-玻璃复合光波导，其特征在于：所述的具有光限制区(5)的功能性玻璃基片(2)为具有光放大、非线性、磁光或者电光特性材料的功能性玻璃基片(2)。
4.根据权利要求1所述的一种玻璃-玻璃复合光波导，其特征在于：所述的具有光限制区(5)的功能性玻璃基片(2)中，光限制区(5)的横向尺寸小于、大于或等于玻璃基片(1)中导光区(3)的尺寸。
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2007
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