CN102393549B - 三维集成玻璃基光波导器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了三维集成玻璃基光波导器件及其制造方法，其中三维集成玻璃基光波导器件包括玻璃基体和位于玻璃基体内部的至少两层光波导，所述两层光波导包括上层光波导和位于所述玻璃基体内部的下层光波导，所述上层光波导与所述下层光波导之间设置中间过渡光波导，所述中间过渡光波导由上层光波导逐渐延伸至所述下层光波导。本发明的三维集成玻璃基光波导器件在玻璃平台上制作的，可形成的三维波导具有比较高的可靠性，集成度高。

Description

三维集成玻璃基光波导器件及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种光波导器件，特别是涉及一种三维集成玻璃基光波导器件及其制造方法。本发明还涉及这种三维集成玻璃基光波导器件的制造方法。

背景技术

光器件与电子器件一样向着集成化、更高集成化发展。光器件更高度的集成意味着更小的器件体积、更高的生产效率、更低的成本。PLC(PlanarLightwave Circuit：平面光路)芯片的出现是光器件集成的一个重要里程碑。PLC利用半导体工艺将光波导制作在芯片表面，光沿着一个平面传输。提高光波导器件集成度的方法，目前主要还是基于平面波导的概念，例如增加波导的折射率差。增加集成度的另一个方向是制作三维立体传输的光波导(3D-LC：3 Dimension-Lightwave Circuit)取代二维平面光波导，增加维数(即波导层数)，实现更高集成度。三维光波导技术的一个主要难点在于工艺加工技术的缺乏和不稳定，目前仅在聚合物波导平台上有所实现，但依然存在可靠性不高等问题。该专利提出通过电场辅助离子交换技术，在玻璃平台上制作高可靠性的三维光波导器件。

发明内容

本发明是为了解决现有技术中的不足而完成的，本发明的目的是提供一种在玻璃平台上制作的，可形成的三维波导具有比较高的可靠性，集成度高的三维光波导器件的三维集成玻璃基光波导器件。

本发明的三维集成玻璃基光波导器件，包括玻璃基体和位于玻璃基体内部的上层光波导、位于所述玻璃基体内部的下层光波导和所述由所述上层光波导逐渐延伸至所述下层光波导的中间过渡光波导。

本发明的三维集成玻璃基光波导器件还可以是：

所述玻璃基体内设置两层光波导，所述两层光波导为所述上层光波导与所述下层光波导。

所述上层光波导与所述下层光波导平行。

所述上层光波导和所述下层光波导的光波导形状为水平倒置的Y形，所述光波导的两个顶端沿水平方向向外延伸。(这个仅仅只是一个从属权利要求，权利要求的保护范围是由权利要求1确定的)

本发明的三维集成玻璃基光波导器件，由于其包括玻璃基体和位于玻璃基体内部的至少两层光波导，所述两层光波导包括上层光波导和位于所述玻璃基体内部的下层光波导，所述上层光波导与所述下层光波导之间设置中间过渡光波导，所述中间过渡光波导由上层光波导逐渐延伸至所述下层光波导。这样其相对于现有技术而言具有的优点是：可以在玻璃基上实现了三维(两层或多层)光波导器件的集成，实现了三维光器件集成的新的平台，玻璃基体作为平台制成的三维集成玻璃基光波导器件相比聚合物基体作为平台的光波导而言，具有更高的稳定性，而且成本更低。另外，三维集成玻璃基光波导器件与PLC相比具有更高的集成度。

本发明还提供了制造上述稳定性好、成本低、集成度高的三维集成玻璃基光波导器件的制造方法。

本发明上述的三维集成玻璃基光波导器件的制造方法，包括以下步骤：包括以下步骤：

A.在玻璃基体的表面制作套刻对准标记；

B.在玻璃基体表面镀离子交换阻挡层，在所述离子交换阻挡层上开设贯穿所述离子交换阻挡层的开口，所述开口形状与光波导图形一致；

C.在熔盐中对上述B步骤之后的玻璃基体进行第一次离子交换，在所述玻璃基体表面上形成第一表面光波导；

D.将C步骤之后的玻璃基体取出并将离子交换阻挡层除去；

E.在进行D步骤之后的玻璃基体的一部分位置设置波导掩埋屏蔽层，所述波导掩埋屏蔽层遮盖在第一表面光波导层的一部分上；

F.在电场的辅助作用下对E步骤之后的玻璃基体进行第一次掩埋，形成深入所述玻璃基体内部的下层光波导、位于玻璃基体表面的被掩埋屏蔽层遮盖的第一表面光波导和从所述下层光波导逐步延伸至所述第一表面光波导的中间过渡光波导；

G.将F步骤之后的玻璃基体上的波导屏蔽层去掉，然后在玻璃基体的表面再次镀离子交换阻挡层，在所述离子交换阻挡层上开设所述离子交换阻挡层的开口，所述开口形状与光波导图形一致；

H.G步骤之后的玻璃基体在熔盐内进行第二次离子交换，在所述玻璃基体表面形成第二表面光波导；

I.将H步骤之后的玻璃基体上的离子交换阻挡层和套刻对准标记去掉；

J.将I步骤之后的玻璃基体整体在电场的辅助作用下进行第二次掩埋，所述第二表面光波导深入所述玻璃基体内形成上层光波导，所述下层光波导和所述中间过渡光波导下沉深度与所述第二表面光波导下沉深度一致，形成三维集成玻璃基光波导器件。

本发明的三维集成玻璃基光波导器件的制造方法还可以是：

所述A步骤在玻璃基体表面通过镀膜、光刻和腐蚀方式制作套刻对准标记。

所述B步骤中的离子交换阻挡层为离子交换阻挡膜。

所述B步骤中的离子交换阻挡膜为金属膜或介质膜。

所述B步骤和G步骤中的离子交换阻挡层上通过光刻和腐蚀制作出形状与光波导图形一致的开口。

所述离子交换阻挡层、波导掩埋屏蔽层和套刻对准标记通过腐蚀方式去掉或除去。

本发明的三维集成玻璃基光波导器件的制造方法，相对于现有技术而言由于其采用上述步骤，因此其制造的三维集成玻璃基光波导器件可以在玻璃基上实现了三维(两层或多层)光波导器件的集成，实现了三维光波导器件集成的新的平台，其以玻璃基体作为平台制成的三维集成玻璃基光波导器件相比聚合物基体作为平台的光波导而言，具有更高的稳定性，而且成本更低。另外，三维集成玻璃基光波导器件与PLC相比具有更高的集成度。

附图说明

图1是本发明的三维集成玻璃基光波导器件的剖面图。

图2是本发明的三维集成玻璃基光波导器件的截面图。

图3是本发明的三维集成玻璃基光波导器件制造方法的各步骤的示意图。

图4是本发明的本发明的三维集成玻璃基光波导器件制造方法中B步骤之后的玻璃基体的截面图。

图5是本发明的本发明的三维集成玻璃基光波导器件制造方法中F步骤之后的玻璃基体的剖视图。

图6是本发明的本发明的三维集成玻璃基光波导器件制造方法中G步骤之后的玻璃基体的截面图。

1…玻璃基体  2…上层光波导  3…下层光波导  4…中间过渡光波导

5…套刻对准标记    6…离子交换阻挡层    7…开口

8…掩埋屏蔽层    9…第一表面光波导    10…第二表面光波导

11…熔盐

具体实施方式

下面结合附图的图1至图6对本发明的三维集成玻璃基光波导器件及其制造方法作进一步详细说明。

具体实施例一

本发明的三维集成玻璃基光波导器件，请参考图1至图6，其包括玻璃基体1和位于玻璃基体1内部的至少两层光波导，所述两层光波导包括上层光波导2和位于所述玻璃基体1内部的下层光波导3，所述上层光波导2与所述下层光波导3之间设置中间过渡光波导4，所述中间过渡光波导4由上层光波导2逐渐延伸至所述下层光波导3。即在玻璃基体1内可以设置至少两层光波导，提高波导的集合度。这样其相对于现有技术而言具有的优点是：可以在玻璃基上实现了三维(两层或多层)光波导器件的集成，实现了三维光器件集成的新的平台，玻璃基体1作为平台制成的三维集成玻璃基光波导器件相比聚合物基体作为平台的光波导而言，具有更高的稳定性，而且成本更低。另外，三维集成玻璃基光波导器件与PLC相比具有更高的集成度。

具体实施例二

本发明的三维集成玻璃基光波导器件，请参考图1至图6，在具体实施例二的基础上，还可以是所述玻璃基体1内设置两层光波导，所述两层光波导为所述上层光波导2与所述下层光波导3。这样仅仅是设置两层光波导，成本低，制造工艺比较简单，稳定性比较高。另外，还可以是所述上层光波导2与所述下层光波导3平行。平行设置的优点是制造过程简单，而且光波导集成比较好控制。另外，还可以是所述上层光波导2和所述下层光波导3的光波导形状为水平倒置的Y形，所述光波导的两个顶端沿水平方向向外延伸。当然还可以选择其他光波导形状，在此例举水平倒置的Y形，说明本发明可以实施的实施例，其他形状的光波导形状也完全可以。

本发明的三维集成玻璃基光波导器件的制造方法，请参考图1至图6，包括以下步骤：

A.在玻璃基体1的表面制作套刻对准标记5；

B.在玻璃基体1表面镀离子交换阻挡层6，在所述离子交换阻挡层6上开设贯穿所述离子交换阻挡层6的开口7，所述开口7形状与光波导图形一致；

C.在熔盐1中对上述B步骤之后的玻璃基体1进行第一次离子交换，在所述玻璃基体1表面上形成第一表面光波导9；

D.将C步骤之后的玻璃基体1取出并将离子交换阻挡层6除去；

E.在进行D步骤之后的玻璃基体1的一部分位置设置波导掩埋屏蔽层8，所述波导掩埋屏蔽层8遮盖在第一表面光波导9层的一部分上；

F.在电场的辅助作用下对E步骤之后的玻璃基体1进行第一次掩埋，形成深入所述玻璃基体1内部的下层光波导3、位于玻璃基体1表面的被掩埋屏蔽层8遮盖的第一表面光波导9和从所述下层光波导3逐步延伸至所述第一表面光波导9的中间过渡光波导4；

G.将F步骤之后的玻璃基体1上的波导屏蔽层去掉，然后在玻璃基体1的表面再次镀离子交换阻挡层6，在所述离子交换阻挡层6上开设贯穿所述离子交换阻挡层6的开口7，所述开口7形状与光波导图形一致；

H.G步骤之后的玻璃基体1在熔盐1内进行第二次离子交换，在所述玻璃基体1表面形成第二表面光波导10；

工.将H步骤之后的玻璃基体1上的离子交换阻挡层6和套刻对准标记5去掉；

J.将I步骤之后的玻璃基体1整体在电场的辅助作用下进行第二次掩埋，所述第二表面光波导10深入所述玻璃基体1内形成上层光波导2，所述下层光波导3和所述中间过渡光波导4下沉深度与所述第二表面光波导10下沉深度一致，形成三维集成玻璃基光波导器件。

其中，请参考图1至图6，在A步骤中的套刻对准标记5与B步骤中的离子交换阻挡层6是不相同的，在离子交换阻挡层6被腐蚀的时候，套刻对准标记5是不被腐蚀的。B步骤中的离子交换阻挡层6的作用是保护不需要离子交换的区域，而需要离子交换的区域如开口7区域则可以进行离子交换，使得在离子交换过后在玻璃基体1的表面上与开口7位置对应处形成第一表面光波导9。在D步骤中仅仅将离子交换阻挡层6去掉，而套刻对准标记5则不被腐蚀去掉，由于该对准标记是在第二次离子交换阻挡层上制作开口的参考位置；因为对准标记与离子交换阻挡层是不同的材料，因此可以选择性的保留或除去。

另外，需要说明的是离子交换技术是一种在玻璃基体1上制作波导的技术。其原理描述为：玻璃基体1中的金属离子如Na，K具有扩散性。离子交换在高温熔盐1中进行，熔盐1中的阳离子置换玻璃基体1中的阳离子(通常是置换一价阳离子)，常见的离子交换如：K-Na交换、Ag-Na交换等。离子交换后，玻璃基体1的折射率发生变换。利用镀膜(镀离子交换阻挡层6)与光刻技术，可以选择离子交换的区域，进而制作光波导。

而在电场中进行第一次辅助掩埋，以Ag-Na离子交换为例，在电场辅助掩埋过程中，玻璃基体1中存在电场。Ag+离子在电场作用下由玻璃基体1表面向深处迁移，同时熔盐1中的Na+离子进入玻璃基体1内，形成电流回路。如果在玻璃基体1的表面存在掩埋屏蔽层8(例如：Al，Ni等)，由于掩埋屏蔽层8的原子半径远大于Ag+，Na+原子半径，即使有掩埋电场存在，这些原子也不会进入玻璃基体1内，从而阻止了电流回路的形成。起到电场掩埋阻挡的作用。经过第一次电场辅助掩埋，未镀掩埋屏蔽层8区域的表面波导迁移到了玻璃基体1深处，镀有掩埋屏蔽层8区域的表面波导依然处在玻璃基体1表面。中间有一段过渡区域。而在J步骤中因为没有设置掩埋屏蔽层8，因此，所有的第二表面光波导10整体向内部迁移。

本发明的三维集成玻璃基光波导器件的制造方法，请参考图1至图6，在前面说明技术方案的基础上还可以是所述A步骤在玻璃基体1表面通过镀膜、光刻和腐蚀方式制作套刻对准标记5。这样的优点是操作简单，成本低。当然也可以通过其他的方式制作套刻对准标记5。还可以是所述B步骤中的离子交换阻挡层6为离子交换阻挡膜。更进一步优选的技术方案为所述B步骤中的离子交换阻挡膜为金属膜或介质膜。金属膜可以是Al，Ni，Ti等；而介质膜可以是Al₂O₃，SiN，等。另外，还可以是所述B步骤和G步骤中的离子交换阻挡层6上通过光刻和腐蚀制作出形状与光波导图形一致的开口7。这样的优点是操作简单方便，成本低。另外，所述离子交换层、波导掩埋屏蔽层8和套刻对准标记5通过腐蚀方式去掉或除去。腐蚀方式不会有痕迹留下，使得玻璃基体1表面光滑，而且去掉的方式容易操作。

上述仅对本发明中的几种具体实施例加以说明，但并不能作为本发明的保护范围，凡是依据本发明中的设计精神所作出的等效变化或修饰，均应认为落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种三维集成玻璃基光波导器件的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

A.在玻璃基体的表面制作套刻对准标记；

B.在玻璃基体表面镀离子交换阻挡层，在所述离子交换阻挡层上开设贯穿所述离子交换阻挡层的开口，所述开口形状与光波导图形一致；

C.在熔盐中对上述B步骤之后的玻璃基体进行第一次离子交换，在所述玻璃基体表面上形成第一表面光波导；

D.将C步骤之后的玻璃基体取出并将离子交换阻挡层除去；

E.在进行D步骤之后的玻璃基体的一部分位置设置波导掩埋屏蔽层，所述波导掩埋屏蔽层遮盖在第一表面光波导的一部分上；

F.在电场的辅助作用下对E步骤之后的玻璃基体进行第一次掩埋，形成深入所述玻璃基体内部的下层光波导、位于玻璃基体表面的被掩埋屏蔽层遮盖的第一表面光波导和从所述下层光波导逐步延伸至所述第一表面光波导的中间过渡光波导；

G.将F步骤之后的玻璃基体上的波导屏蔽层去掉，然后在玻璃基体的表面再次镀离子交换阻挡层，在所述离子交换阻挡层上开设所述离子交换阻挡层的开口，所述开口形状与光波导图形一致；

H.G步骤之后的玻璃基体在熔盐内进行第二次离子交换，在所述玻璃基体表面形成第二表面光波导；

I.将H步骤之后的玻璃基体上的离子交换阻挡层和套刻对准标记去掉；

J.将I步骤之后的玻璃基体整体在电场的辅助作用下进行第二次掩埋，所述第二表面光波导深入所述玻璃基体内形成上层光波导，所述下层光波导和所述中间过渡光波导下沉深度与所述第二表面光波导下沉深度一致，形成三维集成玻璃基光波导器件。

2.根据权利要求1所述的三维集成玻璃基光波导器件的制造方法，其特征在于：所述A步骤在玻璃基体表面通过镀膜、光刻和腐蚀方式制作套刻对准标记。

3.根据权利要求1所述的三维集成玻璃基光波导器件的制造方法，其特征在于：所述B步骤中的离子交换阻挡层为离子交换阻挡膜。

4.根据权利要求3所述的三维集成玻璃基光波导器件的制造方法，其特征在于：所述B步骤中的离子交换阻挡膜为金属膜或介质膜。

5.根据权利要求3所述的三维集成玻璃基光波导器件的制造方法，其特征在于：所述B步骤和G步骤中的离子交换阻挡层上通过光刻和腐蚀制作出形状与光波导图形一致的开口。

6.根据权利要求2所述的三维集成玻璃基光波导器件的制造方法，其特征在于：所述离子交换阻挡层、波导掩埋屏蔽层和套刻对准标记通过腐蚀方式去掉或除去。