CN102633434B - 一种集成光学用玻璃基片材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种集成光学用玻璃基片材料及其制备方法，包括B2O3(0-5)wt％，Al2O3(0.4-3)wt％，ZnO(0-5)wt％，MgO(2-5)wt％，CaO(4-8)wt％，Na2O(5-20)wt％，K2O(0-10)wt％，余量为SiO2和不可避免的杂质。采用现有的光学玻璃工艺制作，通过合理设计熔制、澄清、退火工艺，玻璃的气泡可以达到光学A级，条纹完全消除。本发明玻璃材料具有比通常的光学玻璃基片更高的化学稳定性，可以作为基片材料，用于玻璃基离子交换光波导的制备。

Description

一种集成光学用玻璃基片材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及光器件、集成光学领域，尤其涉及集成光学用玻璃材料。
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作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，采用这种技术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和光传感网络，有力地推进了光信息产业的快速发展。
离子交换技术在玻璃基片上制作光波导的基本原理是：以外界(熔融的金属盐)的阳离子A+(常见的有Ag+，Tl+)与玻璃中的阳离子B+(通常是K+和Na+)进行离子交换，外界的阳离子A+进入玻璃并形成扩散层，扩散层具有比玻璃基体更高的折射率，作为光波导的芯部，玻璃基体作为光波导的包层，形成光波导的结构。
用于离子交换的盐通常为阳离子A+(Ag+，Tl+)的硝酸盐。离子交换通常在300～600℃下持续0.1～24小时。一般的光学玻璃材料的成分设计的都是针对玻璃的光学性质，而没有考虑到玻璃材料长时间在熔融金属盐中的化学稳定性。因此现有的玻璃材料在离子交换过程中会受到熔盐的腐蚀，使玻璃基片表面变得粗糙，进而致使玻璃基光波导的损耗增加。更重要的，由于通常的掩埋光波导的制备需要很长的时间，而且要在直流电场辅助下进行，通常的光学玻璃材料的化学稳定性不能满足玻璃基光波导制备的需要。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种化学稳定性高的集成光学用玻璃基片材料及其制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种集成光学用玻璃基片材料，其特征在于，包括SiO2(65-76)wt％，B2O3(0-5)wt％，Al2O3(0.4-3)wt％，ZnO(0-5)wt％，MgO(2-5)wt％，CaO(4-8)wt％，Na2O(5-20)wt％，K2O(0-10)wt％，其他(0-1.5)wt％。
所述的集成光学用玻璃基片材料包括：SiO2(68-72)wt％，B2O3(1-2)wt％，Al2O3(1-2)wt％，ZnO(1-3)wt％，MgO(3-4)wt％，CaO(4-6)wt％，Na2O(10-15)wt％，K2O(4-5)wt％，其他(0.5-1)wt％。
所述的其他包括As2O3、Sb2O3、CeO2。
所述的集成光学用玻璃基片材料包括：SiO270wt％，B2O32wt％，Al2O32wt％，ZnO2wt％，MgO4wt％，CaO4.5wt％，Na2O11wt％，K2O4wt％，As2O30.5wt％。
一种集成光学用玻璃基片材料的制备方法，其特征在于，按配方称取原料，置于铂坩锅熔融混合，并经1200℃-1800℃高温澄清、成型、退火后，切割呈3-6英寸、厚1-1.5mm的玻璃基片。
本发明玻璃基片可以采用现有的光学玻璃工艺制作，通过合理设计熔制、澄清、退火工艺，玻璃的气泡可以达到光学A级，条纹完全消除。
与现有技术相比，使用本发明玻璃材料作为基片材料制作集成光学芯片的有益效果是：玻璃材料在熔融的硝酸盐中化学稳定性显著提高，保证了离子交换工艺的顺利进行。
这种玻璃材料可以用作Ag+，K+，Tl+，Li+，Cu+，Cs+，Rb+，等离子与玻璃中的Na+离子交换制作光波导。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1：
根据需要设计如下表所示成分的玻璃：SiO270wt％，B2O32wt％，Al2O32wt％，ZnO2wt％，MgO4wt％，CaO4.5wt％，Na2O11wt％，K2O4wt％，As2O30.5wt％。
为保证玻璃的光透过率，并完全消除气泡、条纹等缺陷，玻璃原料采用分析纯，并且采用铂坩埚熔制，经高温(1500℃)澄清，成型、精密退火后可以获得均质高稳定的集成光学专用玻璃材料。
根据实际需要，将玻璃加工成直径3～6英寸，厚度1～1.5mm的基片，经表面研磨抛光处理后用于离子交换光波导器件的制备。
实施例2：
一种集成光学用玻璃基片材料，包括SiO265wt％，B2O35wt％，Al2O30.4wt％，ZnO3.1wt％，MgO2wt％，CaO8wt％，Na2O5wt％，K2O10wt％，As2O31.5wt％。
按配方称取原料，采用现有的光学玻璃工艺制作，即置于铂坩锅熔融混合，并经1500℃高温澄清、成型、退火后，切割呈3-6英寸、厚1-1.5mm的玻璃基片。所得玻璃的气泡可以达到光学A级，条纹完全消除。
实施例3：
一种集成光学用玻璃基片材料，包括SiO276wt％，Al2O33wt％，MgO5wt％，CaO4wt％，Na2O12wt％。
按配方称取原料，置于铂坩锅熔融混合，并经1800℃高温澄清、成型、退火后，切割呈3-6英寸、厚1-1.5mm的玻璃基片。
实施例4：
一种集成光学用玻璃基片材料，包括SiO265wt％，B2O31wt％，Al2O31wt％，ZnO5wt％，MgO3wt％，CaO4wt％，Na2O20wt％，Sb2O31wt％。
按配方称取原料，置于铂坩锅熔融混合，并经1200℃高温澄清、成型、退火后，切割呈3-6英寸、厚1-1.5mm的玻璃基片。
实施例5：
一种集成光学用玻璃基片材料，包括SiO272wt％，B2O32wt％，Al2O32wt％，ZnO 1wt％，MgO2wt％，CaO6wt％，Na2O 10wt％，K2O5wt％。
按配方称取原料，采用现有的光学玻璃工艺制作，即置于铂坩锅熔融混合，并经1500℃高温澄清、成型、退火后，切割呈3-6英寸、厚1-1.5mm的玻璃基片。所得玻璃的气泡可以达到光学A级，条纹完全消除。
实施例6：
一种集成光学用玻璃基片材料，包括SiO268wt％，B2O31wt％，Al2O31wt％，ZnO3wt％，MgO2wt％，CaO5wt％，Na2O 15wt％，K2O4wt％，CeO21wt％。
按配方称取原料，采用现有的光学玻璃工艺制作，即置于铂坩锅熔融混合，并经1500℃高温澄清、成型、退火后，切割呈3-6英寸、厚1-1.5mm的玻璃基片。所得玻璃的气泡可以达到光学A级，条纹完全消除。

Claims (2)

1.一种集成光学用玻璃基片材料，其特征在于，所述的集成光学用玻璃基片材料包括：SiO270wt%，B2O32wt%，Al2O32wt%，ZnO2wt%，MgO4wt%，CaO4.5wt%，Na2O11wt%，K2O4wt%，As2O30.5wt%。
2.一种如权利要求1所述的集成光学用玻璃基片材料的制备方法，其特征在于，按配方称取原料，置于铂坩锅熔融混合，并经1200℃-1800℃高温澄清、成型、退火后，切割成直径为3-6英寸、厚1-1.5mm的玻璃基片。
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