CN107643560A - 一种磁光玻璃基离子交换制备磁光平面波导的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种磁光玻璃基离子交换制备有磁光功能平面条形波导的方法。该方法利用Ag/Na离子交换原理，在逆磁玻璃表面对波导图案进行掩膜处理，与混合盐KNO3/AgNO3/NaNO3同时分别加热至260‑290度后，投入熔融的混合盐进行离子交换若干时间，取出清洗表面沉积并去掉掩膜，在特定温度下退火，实现逆磁玻璃基磁光平面波导。本发明在磁光玻璃上实现磁光波导的制作，避免在光波导上集成磁光功能的复杂结构和高昂成本，不但使光学波导和磁光功能在单片磁光玻璃上一次实现，而且Ag/Na离子交换还增强了波导区域的磁光效应，制作工艺简单，耗时短，成本低，为玻璃基集成光学芯片磁光功能的集成提供创新灵活的单片结构。

Description

一种磁光玻璃基离子交换制备磁光平面波导的方法
技术领域
本发明涉及集成光学器件，具体涉及一种集成磁光功能的磁光玻璃基离子交换光波导芯片技术领域。
背景技术
受到来自磁光隔离器、以及基于磁场传感原理的多种传感器应用的需求牵引，在集成光学芯片上磁光功能的集成变成一个新兴的研宄热点，玻璃基片上的集成型磁光器件也因此受到了极大关注。磁光光波导制作是构建磁光功能集成的基础，也是实现磁光功能集成必须解决的核心问题。
目前玻璃基磁光波导的制作主要是在先玻璃基片上通过离子交换或者激光刻写技术形成波导区域，然后在该区域 一侧或者上下面沉积磁光材料层 (譬如YIG晶体等) ，通过制作复合光波导实现磁光功能。该途径制作的磁光波导面临两个难题: 其一，为了实现波导中较大的非互易相移，要求磁光材料层的光学参数与玻璃基片光学参数之间的匹配。其二，需要解决磁光材料层与玻璃基片之间结合的技术问题。这两个难题的解决需要更为复杂的步骤和更高的成本。
而磁光玻璃中的逆磁玻璃，是一种优质光学材料，其磁光性能不受温度的影响，在紫外和红外区域有很好的透光性能，是一种重要的集成磁光功能的光学基片材料。磁光玻璃基光波导器件具有磁光性能好，成本低、工艺简单、传输损耗低、偏振相关性小、制作容差性大、可批量生产等显著特点。传统硅酸盐玻璃基光波导器件一般采用离子交换法制作。离子交换过程中，玻璃基片中的一价阳离子(通常是钠离子)与来自熔盐或者金属膜的掺杂离子(譬如银离子)进行交换，掺杂离子从熔盐进入玻璃，并在玻璃基片上形成离子扩散区，该离子扩散区具有较高的折射率，形成波导的芯部，与玻璃基片共同构成光波导。
然而传统硅酸盐玻璃的离子交换技术和参数不适合于逆磁玻璃，因为两种玻璃的热学和光学性质有很大不同。逆磁玻璃是低熔点玻璃，常规熔盐进行Ag/Na离子交换的温度390°C会使逆磁玻璃结晶，而逆磁玻璃的转化温度太低不能充分溶解离子交换的盐溶液，因此需要研究合适的盐配比以及合适的工艺及参数，才能对逆磁玻璃进行离子交换。
目前，对基于磁光效应的各类传感器件和光学器件研究正在向广泛应用领域及深度产业化转型。磁光波导是实现磁光器件的基本元素，开发磁光玻璃基磁光波导为开发磁光器件提供简捷的结构设计和崭新的思路。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单片磁光玻璃基离子交换磁光波导结构。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
本发明的磁光玻璃基片表面上需要波导功能的区域由于离子交换，对磁光性能不利的Na离子交换而引入具有较大极性和较大半径的Ag离子，不但使该区域折射率增大，实现了光的波导，而且也使该波导区域的磁光菲尔德常数随之增大，从而在波导区域实现了磁光功能的增强作用，也因此简化并增强了磁光波导芯片设计的灵活性。
本发明中磁光波导的制备思路: 在磁光玻璃基片表面光波导功能区域之外的部分进行掩膜保护; 通过熔融混合盐离子交换方法在磁光玻璃基片中形成离子扩散区，离子扩散区的折射率和磁光效应均高于玻璃基片的折射率和磁光效应，条形离子扩散区和具有磁光功能的玻璃分别构成条形磁光波导的芯部和外包层。本发明通过如下步骤实施：1）在800-1000°C温度下熔融淬火制备磁光玻璃基片，并双面抛光磁光玻璃基片; 2）制作掩膜，对磁光玻璃表面光波导区域之外的部分采用热蒸发方法制作Cr-Au掩膜; 3）按比例称量配置混合盐溶液，并在同一温度下分别加热磁光玻璃和混合盐至离子交换温度260-290°C，然后把同样温度的磁光玻璃投入混合盐溶液中保持5-20分钟后取出，用60°C左右的去离子水清洗干净; 4）用化学腐蚀方法去除Cr-Au掩膜; 5）对磁光玻璃进行220-270°C退火处理1-2小时，降至室温后完成磁光玻璃的磁光波导制备。
根据权利要求1所述磁光玻璃基片为逆磁PbO-Bi2O3-B2O3-Na2O玻璃，或者TeO2-PbO-B2O3-Na2O玻璃。
根据权利要求1所述的混合盐溶液为AgNO3/NaNO3/KNO3 ，其摩尔比为1：47：52。
本发明具有的有益效果是:
本发明首例在单片磁光玻璃上实现光学波导和磁光功能的增强和集成，为磁光波导器件的制作提供了成功的技术参数，具有制作工艺简单，成本低，磁光性能好，耦合效率高等显著特点，为实现玻璃基集成光学芯片的磁光功能的集成提供了创新的简化结构，使玻璃基集成光学芯片的设计更加灵活简单而高效。
附图说明
图1是本发明磁光玻璃基磁光平面条形波导的离子交换示意图。
图2是本发明中磁光玻璃基磁光波导的制作过程示意图。
图3是本发明实施例1 磁光玻璃离子交换前后XRD图谱对比。
图4是本发明实施例2 磁光玻璃离子交换前后XRD图谱对比。
图5是本发明实施例1磁光玻璃波导区域离子交换前后折射率和磁光菲尔德常数。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1：
本发明所涉及的磁光玻璃基离子交换磁光波导芯片，通过如下步骤实施：1）在 1000°C温度下熔融淬火制备逆磁玻璃，并对所制备玻璃在250°C进行退火后，对玻璃进行切割和双面抛光; 2）制作掩膜，对磁光玻璃表面光波导区域之外的部分采用热蒸发方法制作Cr-Au掩膜; 3）按摩尔比例称量配置混合盐溶液，并在同一温度下分别加热磁光玻璃和混合盐至离子交换温度260 °C，然后把同样温度的磁光玻璃投入混合盐溶液中保持15分钟后取出，用60°C左右的去离子水清洗干净; 4）用1%HF酸蚀法去除Cr-Au掩膜; 5）对磁光玻璃进行230 °C退火处理 2小时，降至室温后完成磁光玻璃的磁光波导制备。离子交换和磁光波导的实现流程示意图在图1和图2中表示。
根据权利要求所述磁光玻璃基片为逆磁PbO-Bi2O3-B2O3-Na2O玻璃。
根据权利要求所述的混合盐溶液为AgNO3/NaNO3/KNO3 ，其尔摩比为1：47：52。
这种磁光玻璃基离子交换磁光波导芯片中，由于逆磁玻璃中离子交换区域中的Pb, Bi,Ag离子都具备很好的磁光功能同时也作为磁光波导的芯部，而非波导区域因为存在Pb, Bi离子而具有磁光功能的部分作为磁光波导的包层部分。从图4 XRD图谱分析可以看到，离子交换后在磁光玻璃的波导区域有银离子出现，证明离子交换成功实现。
从图5可以看到，本发明实施例1中离子交换前后磁光玻璃波导区域的折射率和磁光菲尔德常数增加，Ag/Na证明离子交换使局域密度增大，极性增强，从而增大了折射率和菲尔德常数。
实施例2：
本发明所涉及的磁光玻璃基离子交换磁光波导芯片，通过如下步骤实施：1）在 900°C温度下熔融淬火制备逆磁玻璃，并对所制备玻璃在260°C进行退火后，对玻璃进行切割和双面抛光; 2）制作掩膜，对磁光玻璃表面光波导区域之外的部分采用热蒸发方法制作Cr-Au掩膜; 3）按摩尔比例称量配置混合盐溶液，并在同一温度下分别加热磁光玻璃和混合盐至离子交换温度270 °C，然后把同样温度的磁光玻璃投入混合盐溶液中保持20分钟后取出，用60°C左右的去离子水清洗干净; 4）用1%HF酸蚀法去除Cr-Au掩膜; 5）对磁光玻璃进行260 °C退火处理 2小时，降至室温后完成磁光玻璃的磁光波导制备。
根据权利要求所述磁光玻璃基片为逆磁 TeO2-PbO-B2O3-Na2O玻璃。
根据权利要求所述的混合盐溶液为AgNO3/NaNO3/KNO3，其摩尔比为1：47：52。
这种磁光玻璃基离子交换磁光波导芯片中，由于逆磁玻璃中离子交换区域中的Pb, Ag，Te离子都具备很好的磁光功能同时也作为磁光波导的芯部，而非波导区域因为存在Pb, Te 离子而具有磁光功能的部分作为磁光波导的包层部分。
从图4 XRD图谱分析可以看到，离子交换后在磁光玻璃的波导区域有银离子出现，证明离子交换成功实现。
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 (3)

1.一种磁光玻璃基离子交换磁光平面条形波导芯片，其特征在于: 磁光玻璃基片表面光波导功能区域之外的部分进行掩膜保护; 通过熔融混合盐离子交换方法在磁光玻璃基片中形成离子扩散区，离子扩散区的折射率和磁光效应均高于玻璃基片的折射率和磁光效应，条形离子扩散区和具有磁光功能的玻璃分别构成条形磁光波导的芯部和外包层；本发明通过如下步骤实施：1）在800-1000°C温度下熔融淬火制备磁光玻璃基片，并双面抛光磁光玻璃基片; 2）制作掩膜，对磁光玻璃表面光波导区域之外的部分采用热蒸发方法制作Cr-Au掩膜; 3）按比例称量配置混合盐溶液，并在同一温度下分别加热磁光玻璃和混合盐至离子交换温度260-290°C，然后把同样温度的磁光玻璃投入混合盐溶液中保持5-20分钟后取出，用60°C左右的去离子水清洗干净; 4）用化学腐蚀方法去除Cr-Au掩膜; 5）对磁光玻璃进行220-270°C退火处理1-2小时，降至室温后完成磁光玻璃的磁光波导制备。
2.根据权利要求1所述磁光玻璃基片为逆磁PbO-Bi2O3-B2O3-Na2O玻璃，或者TeO2-PbO-B2O3-Na2O玻璃。
3.根据权利要求1所述的混合盐溶液为AgNO3/NaNO3/KNO3 ，其摩尔比为1：47：52。
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