CN106353854A - 带准直功能的离子交换光波导及制备方法 - Google Patents

带准直功能的离子交换光波导及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于光通讯技术领域，涉及一种带准直功能的离子交换光波导，包括光波导以及设置在该光波导的输入端和/或输出端的具有自聚焦功能的自聚焦透镜。所述自聚焦透镜设置在光波导的输入端，其焦点位于自聚焦透镜与光波导的交界，以实现光波导的准直输入。所述自聚焦透镜设置在光波导的输出端，其近平行光保持区长度大于其最大渐变区长度，以实现光波导的近准直输出。本发明还提供一种带准直功能的离子交换光波导的制备方法。与现有技术相比，本发明通过集成，容易实现多端口准直；降低集成光波导的耦合精度要求；体积小巧，利于系统集成；可以根据设计要求，集成在光波导的自聚焦透镜的长度和芯径可以调整。

Description

带准直功能的离子交换光波导及制备方法
技术领域
本发明属于光通讯技术领域，尤其是涉及一种带准直功能的离子交换光波导及制备方法。
背景技术
在光纤系统中，有些情况下无法实现光纤的直接对接，需要通过光纤准直器实现空间距离上的对接。传统的光纤准直器容易实现单对单的准直效果，但如果要实现多端口间准直，系统复杂度就会大大提高，且占用空间较大。
光纤准直器的一种典型结构为自聚焦透镜与光纤阵列对接，光纤阵列通过尾纤再接入光纤系统。如果能实现光纤准直器与光波导的直接对接，系统的集成度将进一步提高。
从集成光学光波导角度来看，现有的集成光学光波导虽然具有体积小巧，性能稳定等优点，但是它需要通过光纤阵列耦合接入光纤系统，对耦合对准要求较高，其集成度受限于光纤阵列的尺寸。
中国专利(申请号：201410842767.9)公开了一种端面透镜化的平面光波导，包括：一平面光波导阵列，包含有多个平行设置的平面光波导，且该多个平面光波导具有透镜化了的球状镜端面，该球状镜端面具有准直或聚焦功能；以及一耦合器，用于支撑和固定该平面光波导阵列。该发明实现了将透镜和平面光波导的一体化，，克服由于透镜分立造成的光路不稳定，光轴中心对准困难等问题，简化耦合结构。。然而该发明依旧存在以下缺陷：该发明的聚焦和准直效果不佳，不能达到准直输入和近准直输出的程度，再者在光波导结构一定的情况下，球状镜端面只有一种结构形式，应用范围过窄，最后由于球状镜端面的工艺精度要求较高，生产设备难以满足设计要求。
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带准直功能的离子交换光波导及制备方法，一方面多端口准直可以通过光波导的拓扑结构实现，提高系统的集成度；另一方面光波导的耦合可以通过准直器来增大容差，降低系统对准精度要求。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种带准直功能的离子交换光波导，包括光波导以及设置在该光波导的输入端和/或输出端的具有自聚焦功能的自聚焦透镜。
作为优选，所述自聚焦透镜设置在光波导的输入端，其焦点位于自聚焦透镜与光波导的交界，以实现光波导的准直输入。
作为优选，所述自聚焦透镜设置在光波导的输出端，其近平行光保持区长度大于其最大渐变区长度，以实现光波导的近准直输出；
近平行光保持区：光线的收束角≤0.2°的区域；
最大渐变区：从光波导与自聚焦透镜的交界到光线首次在自聚焦透镜内聚焦的区域。
作为优选，所述自聚焦透镜的长度为四分之一节距或整数倍节距；
自聚焦透镜的长度记为Z，自聚焦透镜的节距记为P，正整数记为N，则Z＝0.25P或Z＝N·(0.25P)。
作为优选，所述自聚焦透镜的芯径至少为光波导的芯径的2倍。
作为优选，所述自聚焦透镜的等效折射率差≤所述光波导的等效折射率差。
本发明还提供一种带准直功能的离子交换光波导的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)由一次镀膜、一次光刻、热离子交换在玻璃晶圆上形成光波导，然后通过电场辅助离子交换将光波导与光纤匹配；
(2)在玻璃晶圆表面二次镀膜，形成镜面反光膜层，即掩膜；
(3)通过二次光刻将玻璃晶圆的自聚焦透镜区上方的镜面反光膜层去除，；
(4)采用热辐射离子扩散工艺制成带准直功能的离子交换光波导。
作为优选，所述热辐射离子扩散工艺为：将二次光刻完成的镀有镜面反光膜层的玻璃晶圆放置于黑色衬底基台上，正上方采用红外辐射的方式加热玻璃晶圆，无掩膜区的光波导受红外热辐射快速扩散构成自聚焦透镜区，而掩膜区的光波导由于镜面反射受热较慢，构成光波导区。
作为优选，所述步骤(2)的镜面反光膜层的材料为铝、钛、铬、金中的一种。
作为优选，所述步骤(1)中的一次光刻具体为：通过旋涂在一次镀膜所镀膜层上形成一层光刻胶膜，再采用加热烘烤方式固化光刻胶膜，接着采用曝光和显影技术将光刻板上的光波导图形转印至光刻胶膜上，紧接着再次加热烘烤完成光刻胶膜的再固化，然后将带有光刻胶膜的玻璃晶圆放置于加热的腐蚀液中，通过腐蚀液对一次镀膜所镀膜层的选择性腐蚀将光刻胶膜的光波导图形转印至一次镀膜所镀膜层上，最后将光刻胶膜从玻璃晶圆上去除。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、通过集成，容易实现多端口准直。光线从自聚焦透镜输入时总是会准直进入光波导，然后通过光波导的分束或波分复用功能实现光线分束，在分束后再次通过自聚焦透镜准直输出，实现了一对多或多对多的光准直。
2、降低集成光波导的耦合精度要求。传统的集成光波导，与光纤耦合时需要光纤与光波导中心的完全对准贴合，以实现最大耦合效率；而采用本技术方案只需要满足耦合光纤与光波导的传输方向上的耦合距离不超过自聚焦透镜的二分之一节距就能实现自聚焦透镜对光纤出射光的完全接收，并准直进入光波导中，实现了高效耦合。
3、体积小巧，利于系统集成。采用本技术方案实现了集成的一对多或多对多的光准直功能，而通过空间准直的方案来实现相同功能则需要采用多个滤波片间相互准直对准，系统复杂度较高。相较而言，本技术方案有效地提高了系统的集成度。
4、可以根据设计要求，集成在光波导的自聚焦透镜的长度和芯径可以调整。对于不同的光纤系统而言，光纤的芯径有所差异。通过光刻掩膜板的线条宽度以及离子交换工艺参数的控制可以实现适应不同光纤系统的带有准直功能的光波导。
附图说明
图1为实施例的结构示意图；
图2为实施例输入端部分的局部放大示意图；
图3为实施例输出端部分的局部放大示意图；
附图中：1-输入端自聚焦透镜，2-光波导，3-光线，4-近平行光保持区，5-最大渐变区，6-输出端自聚焦透镜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
本实施例主要结构可以参照图1至3，该实施例提供了一种带准直功能的离子交换光波导，包括光波导2以及设置在该光波导2两端的具有自聚焦功能的输入端自聚焦透镜1和输出端自聚焦透镜6。
输入端自聚焦透镜1的焦点位于其与光波导2的交界，以实现光波导2的准直输入。
输出端自聚焦透镜6的近平行光保持区4长度大于其最大渐变区5长度，以实现光波导2的近准直输出；
近平行光保持区4：光线3的收束角≤0.2°的区域；
最大渐变区5：从光波导2与输出端自聚焦透镜6的交界到光线3首次在输出端自聚焦透镜6内聚焦的区域。
输入端自聚焦透镜1和输出端自聚焦透镜6的长度为四分之一节距。自聚焦透镜的长度记为Z，自聚焦透镜的节距记为P，则Z＝0.25P。
输入端自聚焦透镜1和输出端自聚焦透镜6的芯径为光波导2的芯径的6倍。
输入端自聚焦透镜1和输出端自聚焦透镜6的等效折射率差等于光波导2的等效折射率差。
本实施例还提供一种带准直功能的离子交换光波导的制备方法，主要包括一次镀膜、一次光刻、热离子交换、电场辅助离子交换、二次镀膜、二次光刻以及热辐射离子扩散等工艺，该方法的具体步骤如下：
(1)一次镀膜采用电子束热蒸发蒸镀一层铬膜，一次光刻在铬膜上形成具有1分4功能的光波导图形，热离子交换将光波导图形转印至玻璃晶圆上，电场辅助离子交换将光波导图形改良至与光纤匹配；
(2)二次镀膜工艺所镀膜层材料为铝，形成镜面反光膜层，即铝掩膜；
(3)二次光刻通过套刻对准的方式将玻璃晶圆的自聚焦透镜区上方的铝掩膜去除；
(4)热辐射离子扩散工艺将二次光刻后的镀有镜面反光膜层的玻璃晶圆放置于黑色衬底基台上，正上方采用红外辐射的方式照射加热玻璃晶圆，保持辐射区温度为240℃。无铝掩膜区的光波导受红外热辐射快速扩散，而铝掩膜区的玻璃晶圆由于镜面反射，受热较慢。照射时间2小时后，无铝掩膜区下方的光波导扩散构成自聚焦透镜区，铝掩膜区下方的光波导构成光波导区。
步骤(1)中的一次光刻具体为：通过旋涂在铬膜上形成一层光刻胶膜，再采用加热烘烤方式固化光刻胶膜，接着采用曝光和显影技术将光刻板上的光波导图形转印至光刻胶膜上，紧接着再次加热烘烤完成光刻胶膜的再固化，然后将带有光刻胶膜的玻璃晶圆放置于加热的腐蚀液中，通过腐蚀液对铬膜的选择性腐蚀将光刻胶膜的光波导图形转印至铬膜上，最后将光刻胶膜从玻璃晶圆上去除。
实施例2：
本实施例主要结构亦可以参照如图1至3，该实施例提供了一种带准直功能的离子交换光波导，包括光波导2以及设置在该光波导2两端的具有自聚焦功能的输入端自聚焦透镜1和输出端自聚焦透镜6。
近平行光保持区4为光线3的收束角小于0.05°的区域。
输入端自聚焦透镜1和输出端自聚焦透镜6的长度为2倍节距。
输入端自聚焦透镜1和输出端自聚焦透镜6的芯径为光波导2的芯径的2倍。
输入端自聚焦透镜1和输出端自聚焦透镜6的等效折射率差低于光波导2的等效折射率差。
该带准直功能的离子交换光波导的其他结构与实施例1基本相同。
本实施例还提供一种带准直功能的离子交换光波导的制备方法，主要包括一次镀膜、一次光刻、热离子交换、电场辅助离子交换、二次镀膜、二次光刻以及热辐射离子扩散等工艺，该方法的具体步骤如下：
(1)一次镀膜采用电子束热蒸发蒸镀一层钛膜，一次光刻在钛膜上形成具有2比98非均分功能的光波导图形，热离子交换将光波导图形转印至玻璃晶圆上，电场辅助离子交换将光波导图形改良至与光纤匹配。
(2)二次镀膜工艺所镀膜层材料为金，形成镜面反光膜层，即金掩膜；
(3)二次光刻通过套刻对准的方式将玻璃晶圆的自聚焦透镜区上方的金掩膜去除；
(4)热辐射离子扩散工艺将二次光刻后的镀有镜面反光膜层的玻璃晶圆放置于黑色衬底基台上，正上方采用红外辐射的方式照射加热玻璃晶圆，保持辐射区温度为280℃。无金掩膜区的光波导受红外热辐射快速扩散，而金掩膜区的玻璃晶圆由于镜面反射，受热较慢。照射时间1小时后，无金掩膜区的光波导扩散构成自聚焦透镜区，金掩膜区下方的光波导构成光波导区。
该带准直功能的离子交换光波导的制备方法的其他步骤过程与实施例1基本相同。
实施例3：
该实施例的结构和步骤过程与实施例1基本相同，其不同之处在于：二次镀膜工艺所镀膜层材料为钛，形成镜面反光膜层，即钛掩膜。
实施例4：
该实施例的结构和步骤过程与实施例1基本相同，其不同之处在于：二次镀膜工艺所镀膜层材料为铬，形成镜面反光膜层，即铬掩膜。

Claims (9)

1.一种带准直功能的离子交换光波导，其特征在于：包括光波导以及设置在该光波导的输入端和/或输出端的具有自聚焦功能的自聚焦透镜。
2.根据权利要求1所述的一种带准直功能的离子交换光波导，其特征在于：所述自聚焦透镜设置在光波导的输入端，其焦点位于自聚焦透镜与光波导的交界，以实现光波导的准直输入。
3.根据权利要求1所述的一种带准直功能的离子交换光波导，其特征在于：所述自聚焦透镜设置在光波导的输出端，其近平行光保持区长度大于其最大渐变区长度，以实现光波导的近准直输出；
近平行光保持区：光线的收束角≤0.2°的区域；
最大渐变区：从光波导与自聚焦透镜的交界到光线首次在自聚焦透镜内聚焦的区域。
4.根据权利要求1所述的一种带准直功能的离子交换光波导，其特征在于：所述自聚焦透镜的长度为四分之一节距或整数倍节距；
自聚焦透镜的长度记为Z，自聚焦透镜的节距记为P，正整数记为N，则Z＝0.25P或Z＝N·(0.25P)。
5.根据权利要求1所述的一种带准直功能的离子交换光波导，其特征在于：所述自聚焦透镜的芯径至少为光波导的芯径的2倍。
6.根据权利要求1所述的一种带准直功能的离子交换光波导，其特征在于：所述自聚焦透镜的等效折射率差≤所述光波导的等效折射率差。
7.根据权利要求1-6任意所述的一种带准直功能的离子交换光波导的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)由一次镀膜、一次光刻、热离子交换在玻璃晶圆上形成光波导，然后通过电场辅助离子交换将光波导与光纤匹配；
(2)在玻璃晶圆表面二次镀膜，形成镜面反光膜层，即掩膜；
(3)通过二次光刻将玻璃晶圆的自聚焦透镜区上方的镜面反光膜层去除，；
(4)采用热辐射离子扩散工艺制成带准直功能的离子交换光波导。
8.根据权利要求7所述的一种带准直功能的离子交换光波导的制备方法，其特征在于：所述热辐射离子扩散工艺为：将二次光刻完成的镀有镜面反光膜层的玻璃晶圆放置于黑色衬底基台上，正上方采用红外辐射的方式加热玻璃晶圆，无掩膜区的光波导受红外热辐射快速扩散构成自聚焦透镜区，而掩膜区的光波导由于镜面反射受热较慢，构成光波导区。
9.根据权利要求7所述的一种带准直功能的离子交换光波导的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)的镜面反光膜层的材料为铝、钛、铬、金中的一种。
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