CN106772802B - 具有降低模式耦合效应的玻璃基弯曲多模光波导制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有降低模式耦合效应的玻璃基弯曲多模光波导制作方法。该方法的步骤如下：在玻璃基片上制作弯曲条形波导的掩膜，靠近曲率中心一侧的掩膜部分宽度大于远离曲率中心一侧的掩膜部分宽度；将有掩膜玻璃基片放入融熔的硝酸钾中保温，最终在玻璃基片表面形成钾离子扩散区；去除靠近曲率中心一侧的掩膜部分和远离曲率中心一侧的掩膜部分；将玻璃基片放入熔融的硝酸钠和硝酸银混合盐中进行Ag+‑Na+离子交换。本发明只需通过一次光刻的离子掩膜玻璃基光波导制作技术，实现不对称光波导的制作，对设备的要求大幅度降低，有效降低了工艺难度。
Description
技术领域
本发明涉及在玻璃基片上制作弯曲多模光波导的方法，尤其是涉及一种具有降低模式耦合效应的玻璃基弯曲多模光波导制作方法。
背景技术
随着移动互联网的快速发展，传统的基于铜连线的电互连传输逐渐不能满足日益增长的带宽需求，光互连的发展成为技术进步的必然趋势。与电互连相比，光互连技术具有抗电磁干扰、低损耗、大带宽、低成本等优势，为解决电互连的带宽瓶颈提供了新方案。目前，光互连已经成为研究者们关注的一个新兴的研究热点。
弯曲波导在设计光互连通路中必不可少，但常用的光波导制作技术所制作的波导具有对称分布的特点，这种光波导在弯曲时会具有明显的模式耦合效应，这种效应使输入光脉冲展宽，影响了波导的带宽。虽然可以通过增大曲率半径来减小这种模式耦合效应，但会导致器件的尺寸增大，不利于器件的小型化。
近年来，研究者们针对弯曲波导的带宽问题进行了一些研究。2012年, Lucas H.Gabrielli等（Nat. Commun. 3, 1217, (2012)）报道了如图1所示的波导结构。这种波导采用非对称的硅质芯部1，其顶部倾斜，在靠近弯曲波导曲率中心的一侧厚度大，在远离弯曲波导曲率中心的一侧厚度小。非对称硅质芯部1位于氧化硅层2之上，氧化硅层2下面是硅衬底3。这种结构带来的模场（向曲率中心方向）偏移效应和弯曲带来的模场（远离曲率中心方向）偏移效应相互抵消，有效解决了弯曲波导中的模式耦合效应。但是这种结构需要采用灰度光刻技术才能实现，因此需要特殊的设备，成本较高。同时，这种方法仅限于刻蚀法制备的波导，对于扩散型光波导则不能使用。
基于离子交换技术的玻璃基光波导是典型的扩散型波导，在板级光互连中有重要的应用价值。采用传统离子交换技术制作的玻璃基弯曲多模光波导的带宽也受模式耦合效应的影响。如图2所示，给出了采用传统离子交换技术在玻璃基片4上形成的对称光波导芯部5，这种横截面对称的弯曲多模光波导会使模场向远离曲率中心的方向偏移，使不同模式之间发生耦合，因此降低了光波导的带宽。
为了改善弯曲多模光波导的带宽性能，郝寅雷等提出了一种申请号为201410528654.1，申请日为2014-10-08，名称为《一种弯曲多模光波导及其制作方法》的发明专利申请，如图3所示。该方法采用两次离子交换，在玻璃基片4上形成非对称光波导芯部6，从而改善了弯曲波导的耦合效应。但此方案需要借助套刻技术，增加了工艺难度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有降低模式耦合效应的玻璃基弯曲多模光波导制作方法，该方法可以降低玻璃基弯曲多模光波导中的模式耦合效应，同时降低波导制作的技术难度。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
本发明通过一次光刻的离子掩膜玻璃基光波导制作技术实现不对称光波导的制作，该方法的步骤如下：
步骤1) 掩膜制作
在玻璃基片上制作弯曲条形波导的掩膜，掩膜分为两部分，其中靠近曲率中心一侧的掩膜部分宽度大于远离曲率中心一侧的掩膜部分宽度；两部分掩膜的间距设定与Ag+-Na+离子交换的温度和时间有关；
步骤2) 钾离子扩散区制作
将玻璃基片连同掩膜，放入融熔的硝酸钾中，在玻璃基片表面形成钾离子扩散区(9)；
步骤3) 去除掩膜
采用湿法腐蚀技术，去除靠近曲率中心一侧的掩膜部分和远离曲率中心一侧的掩膜部分；
步骤4) 波导制作
将玻璃基片放入熔融的硝酸钠和硝酸银混合盐中进行Ag+-Na+离子交换，形成非对称光波导芯部。
所述玻璃基片为光学玻璃。
本发明具有的有益效果是：
本发明只需通过一次光刻的离子掩膜玻璃基光波导制作技术，实现不对称光波导的制作，对设备的要求大幅度降低，有效降低了工艺难度。
附图说明
图1是SOI基片上制作的低模间耦合的光波导图。
图2是离子交换技术在玻璃基片上制作的弯曲光波导图。
图3是具有降低的模式耦合效应的玻璃基弯曲光波导图。
图4是本发明的玻璃基弯曲光波导的制作流程图。
图中：1、硅质芯部，2、氧化硅层，3、硅衬底，4、玻璃基片，5、对称光波导芯部，6、非对称光波导芯部，7、靠近波导曲率中心一侧的掩膜部分，8、远离波导曲率中心一侧的掩膜部分，9、钾离子扩散层，10、非对称光波导芯部。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图4所示，本发明通过一次光刻的离子掩膜玻璃基光波导制作技术实现不对称光波导的制作，该方法的步骤如下：
步骤1) 掩膜制作
在玻璃基片4上制作弯曲条形波导的掩膜，掩膜分为两部分，其中靠近曲率中心一侧的掩膜部分7宽度大于远离曲率中心一侧的掩膜部分8宽度；两部分掩膜的间距设定与Ag+-Na+离子交换的温度和时间有关；
步骤2) 钾离子扩散区制作
将玻璃基片4连同掩膜，放入融熔的硝酸钾中，在玻璃基片4表面形成钾离子扩散区9；
步骤3) 去除掩膜
采用湿法腐蚀技术，去除靠近曲率中心一侧的掩膜部分7和远离曲率中心一侧的掩膜部分8；
步骤4) 波导制作
将玻璃基片4放入熔融的硝酸钠和硝酸银混合盐中进行Ag+-Na+离子交换，形成非对称光波导芯部10。
所述玻璃基片4为光学玻璃。
实施例：钠钙硅玻璃基弯曲多模光波导制作方法：
以制作半径为5cm（50000μm），宽度为50μm的弯曲多模光波导（即弯曲波导的内侧边界和外侧边界的半径分别为49975μm和50025μm）为例，给出制作光波导的流程。
这种光波导的制作流程分如下4步骤（如图4所示，分A-B，B-C，C-D，D-E）进行。
第1步骤（A-B），掩膜制作。准备并清洗玻璃基片4，烘干后采用热蒸发工艺均匀蒸镀上一层厚度约为200nm-300nm的铝薄膜，并采用标准的微细加工技术（光刻、腐蚀和去胶等）在玻璃基片4上制作掩膜。掩膜包括两部分：靠近曲率中心一侧的掩膜部分7和远离曲率中心一侧的掩膜部分8。靠近波导曲率中心一侧的掩膜部分7的内半径、外半径分别为49975μm、50010μm。远离波导曲率中心一侧的掩膜部分8的内半径、外半径分别为50015μm、50025μm。
第2步骤（B-C），钾离子扩散区制作。将玻璃基片4放入400℃的融熔硝酸钾中，保温0.5小时。在此过程中熔盐中的钾离子通过靠近曲率中心一侧的掩膜部分7和远离曲率中心一侧的掩膜部分8外的区域扩散进入玻璃基片4，形成钾离子扩散区9，即钾离子扩散区9作为后续Ag+-Na+离子交换的掩膜。取出玻璃基片4，冷却至常温，清洗。
第3步骤（C-D），去除掩膜。采用湿法腐蚀技术去除玻璃基片4上靠近曲率中心一侧的掩膜部分7和远离曲率中心一侧的掩膜部分8。
第4步骤（D-E），波导制作。将去除掩膜的玻璃基片4放入330℃的熔融硝酸银和硝酸钠混合盐（硝酸钠和硝酸银按照摩尔比为10:1）中，保温2小时。在此过程中，熔盐中的银离子通过钾离子扩散区9以外的区域扩散进入玻璃基片4形成非对称光波导芯部10。离子交换完毕后，取出玻璃基片4，冷却至室温，清洗。
因为靠近曲率中心一侧的掩膜部分7宽度大于远离曲率中心一侧的掩膜部分8宽度，所以靠近曲率中心一侧的银离子扩散深度大于远离曲率中心一侧的银离子扩散深度。因为Ag+-Na+离子交换过程中银离子会进行横向扩散，所以，在合适的交换温度下经过交换，两部分的银离子会产生交叠，最终形成非对称光波导芯部10。由于银离子扩散深度受到扩散窗口大小的影响，光波导芯部靠近弯曲波导曲率中心的一侧银离子扩散较深，而远离弯曲波导曲率中心的一侧银离子扩散较浅。相应地，光波导的截面的折射率分布具有不对称的特点：靠近弯曲波导曲率中心一侧的折射率高于远离曲率中心一侧的折射率，使波导结构不对称性带来的模场（向曲率中心方向）偏移效应和弯曲带来的模场（远离曲率中心方向）偏移效应相互抵消，有效降低了弯曲波导中的模式耦合效应。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种具有降低模式耦合效应的玻璃基弯曲多模光波导制作方法，通过一次光刻的离子掩膜玻璃基光波导制作技术实现不对称光波导的制作，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1) 掩膜制作
在玻璃基片(4)上制作弯曲条形波导的掩膜，掩膜分为两部分，其中靠近曲率中心一侧的掩膜部分(7)宽度大于远离曲率中心一侧的掩膜部分(8)宽度；两部分掩膜的间距设定与Ag+-Na+离子交换的温度和时间有关；
步骤2) 钾离子扩散区制作
将玻璃基片(4)连同掩膜，放入融熔的硝酸钾中，在玻璃基片(4)表面形成钾离子扩散区(9)；
步骤3) 去除掩膜
采用湿法腐蚀技术，去除靠近曲率中心一侧的掩膜部分(7)和远离曲率中心一侧的掩膜部分(8)；
步骤4) 波导制作
将玻璃基片(4)放入熔融的硝酸钠和硝酸银混合盐中进行Ag+-Na+离子交换，形成非对称光波导芯部(10)。
2.根据权利要求1所述的一种具有降低模式耦合效应的玻璃基弯曲多模光波导制作方法，其特征在于：所述玻璃基片(4)为光学玻璃。
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