CN102736178A - 一种制备掩埋式光波导的方法 - Google Patents

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杨建义
郑伟伟
郝寅雷
王明华
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Abstract

本发明公开一种制备掩埋式光波导的方法，包括：在玻璃基片(1)的表面上制作掩膜(2)，在掩膜上形成离子交换窗口；利用离子交换处理该带有掩膜(2)的玻璃基片(1)；清洗并去掉表面的掩膜(2)；在玻璃基片(1)的表面淀积一层低折射率材料(5)，形成掩埋式光波导。本发明的方法只进行一次离子交换，降低了工艺流程的复杂度，相对缩短了器件生产时间。减少了复杂的工艺步骤，有利于提高成品率和降低器件的生产成本。

Description

一种制备掩埋式光波导的方法
技术领域
本发明涉及光器件、集成光学领域，尤其涉及一种电场辅助离子交换工艺制备掩埋式光波导的方法。
背景技术
将波导掩埋到器件的表面之下可以有效的改善波导芯层折射率分布的对称性，改善光波导模场分布的对称性，降低器件与光纤在耦合时产生的损耗。为了达到将波导掩埋的目的，通常采用的方法是电场辅助的二次离子交换。同时由于波导被埋入器件的表面之下，可以降低传输时受表面不光滑等原因引起的损耗，降低器件的传输损耗。但是多次离子交换要求的实验设备相对更加复杂，对实验条件的控制也更加的苛刻，更重要的是多次交换导致工艺流程十分的复杂，生产的难度加大。其结果就是器件的生产成本增大，生产效率降低。
发明内容
为了改进上述离子交换工艺，本发明提出了一种制备掩埋式光波导的方法，将电场辅助过程与离子交换工艺结合的一次离子交换过程，直接改善离子在玻璃中的分布，形成光场分布良好的波导，之后采用简单的工艺过程，在玻璃基片的表面覆盖一层低折射率的材料，如二氧化硅或聚合物等，得到掩埋式的光波导。
一种电场辅助一次离子交换工艺制备掩埋式光波导的方法，包括如下步骤：
在玻璃基片的表面上制作掩膜，在掩膜上形成离子交换窗口；
利用离子交换处理该带有掩膜的玻璃基片；
清洗并去掉表面的掩膜；
在玻璃基片的表面淀积一层低折射率材料，形成掩埋式光波导。
其中所述离子交换是将带有掩膜的玻璃基片放入含有高极化率离子的熔盐中进行离子交换。玻璃基片上掩膜所在的一侧接触的熔盐和相对一侧接触的熔盐之间电绝缘。
该离子交换过程中，以掩膜所在的一侧接触的熔盐为正极，以相对一侧接触的熔盐为负极施加电场。其中，熔盐含有高极化率离子，其可选自包括Tl+、Ag+、Li+、Cs+、Rb+或Cu+的组。并且，熔盐含有选自包括NO3 -、CO3 2-、SO4 2-或Cl-的组的阴离子。
玻璃基片是掺杂稀土离子或不掺杂稀土离子的硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃或硼酸盐玻璃之一。
掩膜的材料选自Al、Ti、Ni或SiO2。
该低折射率材料是二氧化硅或聚合物材料。
不同于传统的多次交换获得掩埋式光波导的方法，本发明采用电场辅助下的一次离子交换工艺和表面覆盖一层低折射率的材料的方法制备掩埋式的光波导，大大简化了工艺流程。并且只进行一次离子交换，降低了工艺流程的复杂度，相对缩短了器件生产时间。减少了复杂的工艺步骤，有利于提高成品率和降低器件的生产成本。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例，该方法的高层流程图。
图2-4是按照本发明的方法处理基片的示意图。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例对本发明作详细说明。
如图1-4所示，玻璃基片的离子交换利用电场的辅助在熔盐中完成，随后在玻璃基片表面覆盖一层低折射率材料来形成掩埋式波导。
具体的工艺100过程如下：
步骤110，在玻璃基片1的表面上制作掩膜2，在掩膜2上形成离子交换窗口。
步骤120，将带有掩膜2的玻璃基片1放入含有高极化率离子的熔盐中进行离子交换。交换过程中，玻璃基片上侧(掩膜2所在的一侧)接触的熔盐3和下侧接触的熔盐4要求电绝缘。以熔盐3为正极，熔盐4为负极对玻璃基片1施加直流电场。高极化率离子会从玻璃基片1表面的离子交换窗口上扩散进入，并在电场的作用下进一步向玻璃基片1的内侧扩散，形成表面光波导的芯部。
步骤130，清洗并去掉表面的掩膜2。
步骤140，在玻璃基片1的表面淀积一层低折射率材料5，形成掩埋式光波导6。
玻璃基片1是掺杂稀土离子或不掺杂稀土离子的硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃或硼酸盐玻璃。
掩膜2的材料是Al、Ti、Ni或SiO2。
含有高极化率离子的熔盐3和4所含的高极化率离子是Tl+、Ag+、Li+、Cs+、Rb+或Cu+。
含有高极化率离子的熔盐3和4所含的阴离子是NO3 -、CO3 2-、SO4 2-或Cl-。
为了掩埋波导淀积到玻璃基片1表面的低折射率材料5是二氧化硅或聚合物材料。
下面给出针对几种不同材料的具体示例。
实施例1：
(1)采用蒸发或溅射工艺在硅酸盐玻璃基片的正面制作厚度为150～200nm的Al膜，而后通过光刻以及湿法刻蚀工艺在掩膜上获得离子交换窗口。
(2)将带有掩膜的玻璃基片放入AgNO3与NaNO3的混合熔盐中。玻璃基片有掩膜的一侧和相对的另一侧分别与相同的熔盐接触，而与这两侧相接触的熔盐之间是电绝缘的。采用金属电极，有掩膜的一侧熔盐为正极，无掩膜的一侧的熔盐为负极，加300V的直流电压。在电场辅助下进行离子交换，交换温度为380摄氏度，交换时间为20分钟。熔盐中的Ag离子在热扩散和直流电场的作用下形成光波导的芯部。
(3)连同掩膜一起将玻璃基片表面清洗干净，并在无尘环境下烘干。
(4)用射频溅射或等离子增强化学气相淀积技术在清洗烘干后的玻璃基片表面淀积一层厚度在8微米以上的二氧化硅层，形成掩埋式的光波导。
实施例2：
(1)采用蒸发或溅射工艺在硼酸盐玻璃基片的正面制作厚度为200～300nm的Ti膜，然后通过光刻以及湿法刻蚀工艺在掩膜上获得离子交换窗口。
(2)将带有掩膜的玻璃基片放入含有CuSO4和RbNO3的熔盐中。玻璃基片有掩膜的一侧和相对的另一侧分别与相同的熔盐接触，而与这两侧相接触的熔盐之间是电绝缘的。采用金属电极，有掩膜的一侧熔盐为正极，无掩膜的一侧的熔盐为负极，加400V的直流电压。在电场辅助下进行离子交换，交换温度为230摄氏度，交换时间为60分钟。熔盐中的Cu和Rb离子在热扩散和直流电场的作用下形成光波导的芯部。
(3)连同掩膜一起将玻璃基片表面清洗干净，并在无尘环境下烘干。
(4)用射频溅射或等离子增强化学气相淀积技术在清洗烘干后的玻璃基片表面淀积一层厚度在7微米以上的聚合物层，形成掩埋式的光波导。
实施例3：
(1)采用蒸发或溅射工艺在磷酸盐玻璃基片的正面制作厚度为150～200nm的Ni膜，而后通过光刻以及湿法刻蚀工艺在掩膜上获得离子交换窗口。
(2)将带有掩膜的玻璃基片放入含有TlNO3与LiCl的熔盐中。玻璃基片有掩膜的一侧和相对的另一侧分别与相同的熔盐接触，而与这两侧相接触的熔盐之间是电绝缘的。采用金属电极，有掩膜的一侧熔盐为正极，无掩膜的一侧的熔盐为负极，加200V的直流电压。在电场辅助下进行离子交换，交换温度为300摄氏度，交换时间为30分钟。熔盐中的Tl和Li离子在热扩散和直流电场的作用下形成光波导的芯部。
(3)连同掩膜一起将玻璃基片表面清洗干净，并在无尘环境下烘干。
(4)用射频溅射或等离子增强化学气相淀积技术在清洗烘干后的玻璃基片表面淀积一层厚度在12微米以上的二氧化硅层，形成掩埋式的光波导。
实施例4：
(1)采用蒸发或溅射工艺在掺杂了稀土离子的硅酸盐玻璃基片的正面制作厚度为200～300nm的SiO2膜，而后通过光刻以及湿法刻蚀工艺在掩膜上获得离子交换窗口。
(2)将带有掩膜的玻璃基片放入含有Cs2CO3的熔盐中。玻璃基片有掩膜的一侧和相对的另一侧分别与相同的熔盐接触，而与这两侧相接触的熔盐之间是电绝缘的。采用金属电极，有掩膜的一侧熔盐为正极，无掩膜的一侧的熔盐为负极，加400V的直流电压。在电场辅助下进行离子交换，交换温度为280摄氏度，交换时间为10分钟。熔盐中的Cs离子在热扩散和直流电场的作用下形成光波导的芯部。
(3)连同掩膜一起将玻璃基片表面清洗干净，并在无尘环境下烘干。
(4)用射频溅射或等离子增强化学气相淀积技术在清洗烘干后的玻璃基片表面淀积一层厚度在5微米以上的聚合物层，形成掩埋式的光波导。
尽管本发明依照其优选实施方式描述，但是存在落入本发明范围内的改变、置换和各种替代等同物。这里提供的示例仅是说明性的，而不是对本发明的限制。
为了简明，本说明书省略了对公知技术的描述。

Claims (9)

1.一种制备掩埋式光波导的方法，其特征在于，该方法包括：
在玻璃基片(1)的表面上制作掩膜(2)，在掩膜(2)上形成离子交换窗口；
利用离子交换处理该带有掩膜(2)的玻璃基片(1)；
清洗并去掉表面的掩膜(2)；
在玻璃基片(1)的表面淀积一层低折射率材料(5)，形成掩埋式光波导。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该离子交换是将带有掩膜(2)的玻璃基片(1)放入含有高极化率离子的熔盐中进行离子交换。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，玻璃基片上掩膜(2)所在的一侧接触的熔盐(3)和相对一侧接触的熔盐(4)之间电绝缘。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，该离子交换过程中，以掩膜(2)所在的一侧接触的熔盐(3)为正极，以相对一侧接触的熔盐(4)为负极施加电场。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，该熔盐(3、4)含有高极化率离子，其选自包括Tl+、Ag+、Li+、Cs+、Rb+或Cu+的组。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，该熔盐(3、4)含有选自包括NO3 -、CO3 2-、SO4 2-或Cl-的组的阴离子。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，玻璃基片(1)是掺杂稀土离子或不掺杂稀土离子的硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃或硼酸盐玻璃之一。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，掩膜(2)的材料选自Al、Ti、Ni或SiO2。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该低折射率材料(5)是二氧化硅或聚合物材料。
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