CN106291816B - 一种提高玻璃基光波导芯片均匀性的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种提高玻璃基光波导芯片均匀性的方法，包括：将玻璃基片置于含K+熔盐中进行离子交换处理，在所述玻璃基片表面的非光波导区域形成高电阻率的内阻挡层；通过离子交换处理和电场辅助迁移处理，在带有内阻挡层的玻璃基片上形成与所述内阻挡层不接触的掩埋式离子掺杂区；其中，在进行所述电场辅助迁移处理过程中，通过用玻璃基片表面的高电阻率的内阻挡层，增大玻璃基片非光波导区域的电阻，来抑制玻璃基片的温升幅度，提高玻璃基片中作为光波导的掩埋式离子掺杂区的掩埋深度均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高玻璃基光波导芯片均匀性的方法，具体涉及一种通过在玻璃基片表面制作内阻挡层提高离子交换光波导芯片上光波导均匀性的方法，涉及光器件、集成光学领域。
背景技术
1969年，S.E.Miller提出了集成光学的概念，其基本思想是在同一块衬底(或基片)的表面制作光波导，并以此为基础实现光源、耦合器、滤波器等各种器件的集成化制作。通过这种集成化，实现光学系统的小型化、轻量化、稳定化和高性能化。
采用离子交换法在玻璃基片上制作的集成光器件一直受到企业界和研究者们的重视。基于离子交换技术的玻璃基集成光波导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。上世纪70年代，第一篇关于离子交换制作光波导的论文发表，标志着玻璃基集成光学器件研究的起步。自那时起，各国研究机构投入大量的人力和财力进行玻璃基集成光器件的开发。截至目前，一些玻璃基片上的集成光学器件已经实现规模化与系列化，并成功地用于光通信、光互连和光传感网络，并显示出巨大的竞争力。
通常使用的离子交换技术是在玻璃基片表面形成表面离子掺杂区，作为表面光波导的芯层。在玻璃表面的离子掺杂区形成过程中，由于掺杂离子的横向扩散，玻璃表面的离子掺杂区呈扁平状，因此其光波导模场分布不对称，光波导与光纤的耦合损耗很大；另一方面，玻璃表面的离子掺杂区位于玻璃基片的表面，光导波在玻璃表面缺陷处的散射将引入很高的传输损耗。
制作掩埋式的光波导可以改善光波导芯层折射率分布的对称性，因此可以使光波导模场分布的对称性得到改善，降低光波导器件与光纤的耦合损耗。同时，使光波导的芯部埋入玻璃表面以下，可消除玻璃表面缺陷引起的光导波的散射作用，降低器件的传输损耗。掩埋式光波导的制作通常采用电场辅助离子迁移的方式，对一次离子交换后的玻璃基片进行电场辅助离子迁移。
在电场辅助离子迁移过程中，玻璃基片中的焦耳热效应会影响所制作光波导的均匀性，并影响到器件性能的均匀性。在直流电场作用下，玻璃基片中会产生电流，相应地，该电流在玻璃基片中产生焦耳热。研究表明，在通常的制作玻璃基光波导器件的技术条件下，焦耳热功率使玻璃基片的温升幅度达到20～50℃。这种情况下，由于玻璃基片中心与边缘散热条件的差异，玻璃基片的中心温度会高于边缘温度。这种温度的差异产生玻璃基片中离子迁移率的差异，因此，最终所获得的光波导掩埋深度在玻璃基片的中心和边缘会产生不同：位于玻璃基片中心位置的波导掩埋深度较深，而位于玻璃基片边缘位置的波导掩埋深度较浅。而且，电场辅助离子迁移的时间越长，这种不均匀性越明显；器件尺寸越大，不同部位的光波导的不均匀性也会变得更加显著。譬如，光互连中广泛使用的多模波导器件，其掩埋深度达到100微米的数量级，其长度可以超过10cm的数量级。这种情况下，焦耳热效应变得不可忽略。这种掩埋深度的差异会影响所制作器件的性能和成品率。
发明内容
本发明为了解决现有制作玻璃基掩埋式光波导技术中存在的技术缺陷，提供一种提高玻璃基光波导芯片均匀性的方法，通过在玻璃基片表面形成高电阻率的内阻挡层，增大玻璃基片非光波导区域的电阻，来抑制玻璃基片的温升幅度，提高玻璃基片中作为光波导的掩埋式离子掺杂区的掩埋深度均匀性。
一种提高玻璃基光波导芯片均匀性的方法，包括：
将玻璃基片置于含K+熔盐中进行离子交换处理，在所述玻璃基片表面的非光波导区域形成高电阻率的内阻挡层；
通过离子交换处理和电场辅助迁移处理，在带有内阻挡层的玻璃基片上形成与所述内阻挡层不接触的掩埋式离子掺杂区；
其中，在进行所述电场辅助迁移处理过程中，通过用玻璃基片表面的高电阻率的内阻挡层，增大玻璃基片非光波导区域的电阻，来抑制玻璃基片的温升幅度，提高玻璃基片中作为光波导的掩埋式离子掺杂区的掩埋深度均匀性。
其中，所述的将玻璃基片置于含K+熔盐中进行离子交换处理，在所述玻璃基片表面的非光波导区域形成高电阻率的内阻挡层的步骤包括：
在玻璃基片表面制作内阻挡层掩膜；
将带有内阻挡层掩膜的玻璃基片置于含K+熔盐中进行离子交换处理，使K+通过离子交换进入所述玻璃基片，在所述玻璃基片表面的非光波导区域形成高电阻率的内阻挡层；
去除所述带有内阻挡层的玻璃基片表面的内阻挡层掩膜，得到带有内阻挡层的玻璃基片。
特别是，所述内阻挡层掩膜的中心轴线与所述玻璃基片表面计划制作光波导位置的中心线重合。
尤其是，所述掩膜的宽度大于所述玻璃基片表面计划制作光波导的宽度。
特别是，首先采用蒸发或溅射等沉积技术在玻璃基片的表面制作薄膜，并采用光刻和腐蚀(或者刻蚀)方法对薄膜进行加工，形成位置和宽度符合要求的内阻挡层掩膜。
尤其是，所述内阻挡层掩膜为厚度为亚微米数量级的Al、Cr-Au等金属材料，或者SiO2等电介质材料。
特别是，所述将具有内阻挡层掩膜的玻璃基片置于含K+熔盐中进行离子交换处理的温度为330-450℃。
尤其是，所述将具有内阻挡层掩膜的玻璃基片置于含K+熔盐中进行离子交换处理的时间为30min-24h。
其中，所述的通过离子交换处理和电场辅助迁移处理，在带有内阻挡层的玻璃基片上形成与所述内阻挡层不接触的掩埋式离子掺杂区的步骤包括：
在所述带有内阻挡层的玻璃基片表面制作含有离子交换窗口的光波导掩膜；
将所述带有内阻挡层和光波导掩膜的玻璃基片置于含有掺杂离子的熔盐中进行离子交换处理，使所述熔盐中的掺杂离子通过扩散在玻璃基片表面形成与所述内阻挡层不接触的表面离子掺杂区；
去除所述形成了表面离子掺杂区的玻璃基片表面的光波导掩膜；
对所述带有内阻挡层和表面离子掺杂区的玻璃基片进行电场辅助迁移处理，使所述玻璃基片表面的表面离子掺杂区在电流作用下向内部推进，形成与所述内阻挡层不接触的掩埋式离子掺杂区。
特别是，所述光波导掩膜的离子交换窗口的中心轴线与所述玻璃基片表面计划制作光波导位置的中心线重合。
尤其是，所述离子交换窗口的宽度小于所述内阻挡层掩膜的宽度。
特别是，首先采用蒸发或溅射等沉积技术在玻璃基片的表面制作薄膜，并采用光刻和腐蚀(或者刻蚀)方法对薄膜进行加工，形成含有离子交换窗口的光波导掩膜。
尤其是，所述光波导掩膜为厚度为亚微米数量级的Al、Cr-Au等金属材料，或者SiO2等电介质材料。
特别是，所述将所述具有内阻挡层的玻璃基片置于含有掺杂离子的熔盐中进行离子交换处理的温度为230-400℃。
尤其是，所述将所述具有内阻挡层的玻璃基片置于含有掺杂离子的熔盐中进行离子交换处理的时间为5-240min。
其中，所述的对所述带有内阻挡层和表面离子掺杂区的玻璃基片进行电场辅助迁移处理的步骤包括：
在所述带有内阻挡层和表面离子掺杂区的玻璃基片的两侧分别放置不含掺杂离子的熔盐，将熔盐加热熔化；
在所述不含掺杂离子的熔盐中分别插入电极引线，其中表面离子掺杂区所在一侧的电极引线连接电源正极，另一侧连接电源负极；
开启电源，对所述带有内阻挡层和表面离子掺杂区的玻璃基片进行电场辅助迁移处理，使所述玻璃基片表面的表面离子掺杂区在电流作用下向内部推进，形成与所述内阻挡层不接触的掩埋式离子掺杂区。
其中，所述掺杂离子为Ag+、Tl+或Cs+。
特别是，所述玻璃基片的材料为硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃或硼酸盐玻璃。
本发明的优点和有益技术效果如下：
本发明提高玻璃基光波导芯片均匀性的方法首先在玻璃基片表面形成高电阻率的内阻挡层，在进行电场辅助离子迁移处理过程中，通过用玻璃基片表面的高电阻率的内阻挡层，增大玻璃基片非光波导区域的电阻，来抑制玻璃基片的温升幅度，提高玻璃基片中作为光波导的掩埋式离子掺杂区的掩埋深度均匀性。
附图说明
图1是本发明制作玻璃基光波导的流程图；
图2是在玻璃基片表面制作内阻挡层过程示意图；
图3是在带有内阻挡层的玻璃基片表面制作表面光波导的示意图；
图4采用电场辅助离子迁移技术在带有内阻挡层的玻璃基片上制作掩埋式光波导的示意图。
附图标记说明：1、玻璃基片；2、光波导掩膜；3、含有掺杂离子的熔盐；4、表面离子掺杂区；5、不含掺杂离子的熔盐；6、电极引线；7、掩埋式离子掺杂区；8、内阻挡层掩膜；9、含K+熔盐；10、内阻挡层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步阐述本发明，但本发明不限于此，本技术领域的技术人员可以根据本发明的原理进行修改，因此，凡按照本发明的原理进行的各种修改和改变都应当理解为落入本发明的保护范围。
采用本发明的提高玻璃基光波导芯片均匀性的方法制作玻璃基光波导的流程如图1所示，主要步骤如下：
(A)制作内阻挡层掩膜(8)
采用蒸发或溅射等沉积技术在玻璃基片(1)的表面制作薄膜(厚度为亚微米数量级的Al、Cr-Au等金属材料，或者SiO2等电介质材料)，并采用光刻和腐蚀(或者刻蚀)方法对薄膜进行加工，形成内阻挡层掩膜(8)。对条形光波导的制作，内阻挡层掩膜(8)的中心轴线与玻璃基片(1)表面计划制作光波导位置的中心轴线重合，其宽度大于所述玻璃基片(1)表面计划制作光波导的宽度(参照图2所示)。
(B)采用离子交换技术在玻璃基片(1)表面制作内阻挡层(9)
将带有内阻挡层掩膜(8)的玻璃基片(1)放入含K+熔盐(9)中进行离子交换(参照图2所示)，离子交换温度在330～450℃之间，离子交换时间根据设计要求确定，在30分钟到24小时之间；熔盐中的K+与玻璃基片(1)中的Na+进行交换(K+从熔盐进入玻璃基片(1)，Na+从玻璃基片(1)进入熔盐)，进入玻璃基片(1)的K+经热扩散作用在玻璃基片(1)表面的非光波导区域层中形成K+扩散层，作为内阻挡层(10)。
(C)内阻挡层掩膜(8)去除
采用化学腐蚀工艺，去除内阻挡层掩膜(8)。
(D)制作光波导掩膜(2)
采用蒸发或溅射等沉积技术在玻璃基片(1)的表面制作薄膜(厚度为微米或亚微米数量级的Al、Cr-Au等金属材料，或者SiO2等电介质材料)，采用光刻和腐蚀(或者刻蚀)方法加工出离子交换窗口(参照图3所示)，形成光波导掩膜(2)。
(E)离子交换形成表面离子掺杂区
将带有光波导掩膜(2)的玻璃基片(1)放入含有掺杂离子的熔盐(3)中进行离子交换(参照图3所示)，离子交换温度230～400℃之间，离子交换时间根据设计要求确定，在5分钟到4小时之间；熔盐中的掺杂离子经热扩散作用在玻璃基片(1)中形成玻璃表面的离子掺杂区(4)，作为表面光波导的芯部。
(F)去除光波导掩膜(2)
采用化学腐蚀工艺，去除光波导掩膜(2)。
(G)采用电场辅助离子迁移技术形成掩埋式的离子掺杂区(7)
在带有内阻挡层(10)和表面离子掺杂区(4)的玻璃基片的两侧分别放置不含掺杂离子的熔盐(5)，采用不含掺杂离子的熔盐(5)作为电极，将熔盐加热熔化，在280～400℃之间，在玻璃基片(1)的两侧施加直流偏压(玻璃表面的离子掺杂区(4)所在一侧的电极引线连接正电极)，进行电场辅助离子迁移(参照图4所示)，在直流偏压的作用下，第一次离子交换形成的玻璃表面的离子掺杂区(4)被推进玻璃基片(1)，形成掩埋式的离子掺杂区(7)，扩散时间根据所需掩埋深度确定。
实施例1 制作掩埋式单模光波导(芯径8-10微米)
(A)在硅酸盐材料制作的玻璃基片(1)的上表面蒸发一层厚度为80～200nm的Al，通过光刻和湿法腐蚀工艺保留玻璃基片(1)上制作光波导的区域上宽度为15-18μm的薄膜，采用光刻和腐蚀(或者刻蚀)方法加工形成内阻挡层掩膜(8)。
(B)将玻璃基片(1)放入个KNO3熔盐中进行离子交换，离子交换温度330-400℃，离子交换时间为30-240分钟，熔盐中的K+经热扩散作用在玻璃基片(1)中形成K+扩散层，作为内阻挡层(10)。
(C)将玻璃基片(1)表面的内阻挡层制作所用掩膜(8)采用腐蚀方法去除。
(D)在玻璃基片(1)的表面蒸发一层厚度为80～200nm的Al，通过光刻和湿法腐蚀工艺在薄膜上制作出宽度为3-5μm的条形离子交换窗口，形成光波导掩膜(2)。
(E)将带有光波导制作所用掩膜(2)的玻璃基片(1)放入NaNO3、Ca(NO3)2和AgNO3的混合熔盐(NaNO3、Ca(NO3)2和AgNO3三种成分的摩尔比为50:50:1)中进行离子交换，离子交换温度230-350℃，离子交换时间为10-120分钟，熔盐中的Ag+经热扩散作用在玻璃基片(1)中形成玻璃表面的离子掺杂区(4)。
(F)将玻璃基片(1)表面的光波导掩膜(2)采用腐蚀方法去除。
(G)采用NaNO3和Ca(NO3)2的混合熔盐(NaNO3和Ca(NO3)2两种成分的摩尔比为50:50)作为电极，将熔盐加热熔化，在玻璃基片(1)的两侧施加直流偏压(在玻璃基片(1)有波导的一侧施加正电压)，进行电场辅助离子迁移。保持高温炉的温度280-350℃，迁移时间2-5小时。
掩埋式单模光波导制作完毕。
实施例2 制作掩埋式多模光波导(芯径45-50微米)。
(A)在硅酸盐材料制作的玻璃基片(1)的上表面蒸发一层厚度为80～200nm的Al，通过光刻和湿法腐蚀工艺保留玻璃基片(1)上制作光波导的区域上宽度为60μm的薄膜，采用光刻和腐蚀(或者刻蚀)方法加工形成内阻挡层掩膜(8)。
(B)将玻璃基片(1)放入个KNO3熔盐中进行离子交换，离子交换温度360-450℃，离子交换时间为60分钟-24小时，熔盐中的K+经热扩散作用在玻璃基片(1)中形成K+扩散层，作为内阻挡层(10)。
(C)将玻璃基片(1)表面的内阻挡层掩膜(8)采用腐蚀方法去除。
(D)在玻璃基片(1)的表面蒸发一层厚度为80～200nm的Al，通过光刻和湿法腐蚀工艺在薄膜上制作出宽度为3-5μm的条形离子交换窗口，形成光波导掩膜(2)
(E)将带有光波导制作所用掩膜(2)的玻璃基片(1)放入NaNO3、Ca(NO3)2和AgNO3的混合熔盐(NaNO3、Ca(NO3)2和AgNO3三种成分的摩尔比为50:50:1)中进行离子交换，离子交换温度260-400℃，离子交换时间为30-240分钟，熔盐中的Ag+经热扩散作用在玻璃基片(1)中形成玻璃表面的离子掺杂区(4)。
(F)将玻璃基片(1)表面的光波导掩膜(2)采用腐蚀方法去除。
(G)采用NaNO3和Ca(NO3)2的混合熔盐(NaNO3和Ca(NO3)2两种成分的摩尔比为50:50)作为电极，将熔盐加热熔化，在玻璃基片(1)的两侧施加直流偏压(在玻璃基片(1)有波导的一侧施加正电压)，进行电场辅助离子迁移。保持高温炉的温度320-400℃，迁移时间5-20小时。
掩埋式多模光波导制作完毕。
Claims (9)
1.一种提高玻璃基光波导芯片均匀性的方法，其特征在于，包括：
将玻璃基片置于含K+熔盐中进行离子交换处理，在所述玻璃基片表面的非光波导区域形成高电阻率的内阻挡层；
通过离子交换处理和电场辅助迁移处理，在带有内阻挡层的玻璃基片上形成与所述内阻挡层不接触的掩埋式离子掺杂区；
其中，在进行所述电场辅助迁移处理过程中，通过用玻璃基片表面的高电阻率的内阻挡层，增大玻璃基片非光波导区域的电阻，来抑制玻璃基片的温升幅度，提高玻璃基片中作为光波导的掩埋式离子掺杂区的掩埋深度均匀性。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的将玻璃基片置于含K+熔盐中进行离子交换处理，在所述玻璃基片表面的非光波导区域形成高电阻率的内阻挡层的步骤包括：
在玻璃基片表面制作内阻挡层掩膜；
将带有内阻挡层掩膜的玻璃基片置于含K+熔盐中进行离子交换处理，使K+通过离子交换进入所述玻璃基片，在所述玻璃基片表面的非光波导区域形成高电阻率的内阻挡层；
去除所述带有内阻挡层的玻璃基片表面的内阻挡层掩膜，得到带有内阻挡层的玻璃基片。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述内阻挡层掩膜的中心轴线与所述玻璃基片表面计划制作光波导位置的中心线重合，所述掩膜的宽度大于所述玻璃基片表面计划制作光波导的宽度。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将带有内阻挡层掩膜的玻璃基片置于含K+熔盐中进行离子交换处理的温度为330-450℃，所述离子交换处理的时间为30min-24h。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的通过离子交换处理和电场辅助迁移处理，在带有内阻挡层的玻璃基片上形成与所述内阻挡层不接触的掩埋式离子掺杂区的步骤包括：
在所述带有内阻挡层的玻璃基片表面制作含有离子交换窗口的光波导掩膜；
将带有所述内阻挡层和所述光波导掩膜的玻璃基片置于含有掺杂离子的熔盐中进行离子交换处理，使所述含有掺杂离子的熔盐中的掺杂离子通过扩散在玻璃基片表面形成与所述内阻挡层不接触的表面离子掺杂区；
去除形成了所述表面离子掺杂区的玻璃基片表面的光波导掩膜；
对带有所述内阻挡层和所述表面离子掺杂区的玻璃基片进行电场辅助迁移处理，使所述玻璃基片表面的表面离子掺杂区在电流作用下向内部推进，形成与所述内阻挡层不接触的掩埋式离子掺杂区。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述光波导掩膜的离子交换窗口的中心轴线与所述玻璃基片表面计划制作光波导位置的中心线重合，所述离子交换窗口的宽度小于所述内阻挡层掩膜的宽度。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述将带有所述内阻挡层和所述光波导掩膜的玻璃基片置于含有掺杂离子的熔盐中进行离子交换处理的温度为230-400℃，所述离子交换处理的时间为5-240min。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述掺杂离子为Ag+、Tl+或Cs+。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述玻璃基片的材料为硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃或硼酸盐玻璃。
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