CN111175891B - 一种连续式电场辅助离子迁移制作光波导的方法 - Google Patents

一种连续式电场辅助离子迁移制作光波导的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种连续式电场辅助离子迁移制作光波导的方法。放置隧道式高温炉，隧道式高温炉内有传送带和坩埚，坩埚放置在传送带上运输，隧道式高温炉设置有正电极滑轨和负电极滑轨，正电极滑轨和负电极滑轨的其中一端经各自的导线分别连接到外部直流电源的正负极两端，坩埚内设置电极并和正电极滑轨和负电极滑轨连接；传送带的驱动结构作用下，传送带将坩埚从隧道式高温炉的进口端输送入隧道式高温炉经高温离子迁移反应后输送至隧道式高温炉的出口端。本发明提高了光波导芯片的一致性，使芯片合格率控制更方便，减少了固定资产投资，提高了光波导芯片的生产效率，降低了单位芯片的能耗。

Description

一种连续式电场辅助离子迁移制作光波导的方法
技术领域
本发明涉及光器件、集成光学领域，具体涉及一种连续制作玻璃基离子交换掩埋光波导的方法。
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，提高器件性能。
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。1972年，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生产与系列化，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。
离子交换形成的离子掺杂区位于玻璃基片表面，如图2所示；在玻璃基集成光波导器件制作过程中，将玻璃表面的离子掺杂区制成埋入玻璃表面的离子掺杂区(如图3所示)是关键步骤。现有方法所制作的离子交换光波导的光学特性取决于电场辅助离子迁移时间和箱式高温炉的温度。采用现有的电场辅助离子迁移方式，用于光波导芯片的批量化生产存在多方面的问题。
首先，一般的箱式高温炉的容量有限，考虑到箱式高温炉炉腔内部的温度的不均匀性，高温炉所能容纳的玻璃基片的数目受到影响，限制了生产效率，也提高了芯片的平均能耗。
第二，规模化生产，需要很多台箱式高温炉同时工作，高温炉之间的温度差异，以及操作人员操作速度，操作习惯之间的差异增大了玻璃基光波导光学参数的分布范围，使光波导芯片的性能优化更难。
因此，现有的基于箱式高温炉的电场辅助离子迁移技术不能适合大规模、批量化的玻璃基光波导芯片的生产。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种通过连续式的电场辅助离子迁移方式将玻璃基表面光波导制成玻璃基掩埋式光波导的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
放置隧道式高温炉，隧道式高温炉两端开设炉口分别作为进口端和出口端，且在隧道式高温炉的进口端和出口端之间布置水平的传送带；坩埚放置在传送带上并沿传送带运输，传送带的传送轮连接驱动结构，隧道式高温炉设置有正电极滑轨和负电极滑轨，正电极滑轨和负电极滑轨平行布置，正电极滑轨和负电极滑轨的其中一端经各自的导线连接到外部直流电源的正负极两端，坩埚内设置电极并和正电极滑轨和负电极滑轨连接；传送带的驱动结构作用下，传送带将坩埚从隧道式高温炉的进口端输送入隧道式高温炉，经高温离子迁移反应后输送至隧道式高温炉的出口端。
所述的坩埚底部通过支架支撑放置有玻璃基片，玻璃基片上表面中间具有离子掺杂区，玻璃基片上通过高温粘结剂固定有石英管，围成底部密闭腔，底部密闭腔内注有不含掺杂离子的熔盐并插入正电极；在石英管外的坩埚内注有不含掺杂离子的熔盐并插入负电极；正电极通过电极引线悬挂于正电极滑轨上，负电极通过电极引线悬挂于负电极滑轨上；方法是通过传送带移动运输坩埚将表面带有离子掺杂区的玻璃基片置于在不含掺杂离子的熔盐内进行离子迁移制成掩埋式光波导芯片的芯层。
所述的石英管的直径和玻璃基片的直径相一致。
所述的玻璃基片材料为硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃或硼酸盐玻璃。
所述的正电极和负电极为金电极、铂电极或石墨电极。
所述的正电极滑轨和负电极滑轨由导电材料制成。
与通常的玻璃基光波导芯片制作技术相比，本发明具有的有益效果是：
本发明提高了光波导芯片的一致性，使芯片合格率控制更方便，提高了光波导芯片的生产效率，降低了单位芯片的能耗。
附图说明
图1是采用本发明所述方法将玻璃基片表面的表面光波导制成掩埋式光波导的装置示意图；
图2是玻璃基片表面光波导的截面结构示意图。
图3是掩埋式光波导的截面结构示意图。
图中：3.坩埚；4.玻璃基片；6.支架；7.离子掺杂区；8.不含掺杂离子的熔盐；9.正电极；10.负电极；11.电极引线；12.直流电源；13.石英管；14.高温粘结剂；15.隧道式高温炉；16.传送带；17.驱动机构；18.正电极滑轨；19.负电极滑轨；20.埋入玻璃表面的离子掺杂区；21.导线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，具体实施放置隧道式高温炉15，隧道式高温炉15内具有高温加热设备对炉内进行加热达到离子迁移温度，隧道式高温炉15的两端开设炉口分别作为进口端和出口端，且在隧道式高温炉15的进口端和出口端之间布置水平的传送带16，具体实施中，传送带16的上带位于隧道式高温炉15内，传送带16的下带位于隧道式高温炉15外，传送带16绕经隧道式高温炉15进口端和出口端的底部；坩埚3放置在传送带16上并沿传送带16运输，传送带16的传送轮连接驱动结构17，驱动结构17具体可为电机，传送带16上方的隧道式高温炉15设置有正电极滑轨18和负电极滑轨19，正电极滑轨18和负电极滑轨19平行布置，正电极滑轨18和负电极滑轨19的其中一端经各自的导线21连接到外部直流电源12的正负极两端，石英管13和坩埚3内分别设置正电极9和负电极10，这两个电极分别和正电极滑轨18和负电极滑轨19连接；传送带16的驱动结构17作用下，传送带16将坩埚3从隧道式高温炉15的进口端输送入隧道式高温炉15经高温离子迁移反应后输送至隧道式高温炉15的出口端。
在运输过程中，两个电极引线11分别在正电极滑轨18和负电极滑轨19上滑动，并保持良好接触。正电极9与通过专用夹具固定在石英管13上，负电极10通过专用夹具固定在坩埚3上，以实现正电极9和负电极10随坩埚3的平稳移动。
如图1所示，坩埚3底部通过支架6支撑放置有玻璃基片4，玻璃基片4上表面中间具有离子掺杂区7，玻璃基片4上通过高温粘结剂14固定有石英管13，围成底部密闭腔，底部密闭腔内注有不含掺杂离子的熔盐8并插入正电极9；在石英管13外的坩埚3内注有不含掺杂离子的熔盐8并插入负电极10；正电极9通过电极引线11悬挂于正电极滑轨18上，负电极10通过电极引线11悬挂于负电极滑轨19上；方法是通过传送带16移动运输坩埚3将表面带有离子掺杂区7的玻璃基片4置于在不含掺杂离子的熔盐8内进行离子迁移制成掩埋式光波导芯片的芯层。在隧道式高温炉15中采用连续式制作的方式对离子交换后的玻璃基片4进行电场辅助离子迁移。
石英管13的直径和玻璃基片4的直径相一致。
离子交换具体实施中，对离子交换后形成的表面有玻璃表面的离子掺杂区7的玻璃基片4进行电场辅助离子迁移。在炉温为离子迁移温度下，保持炉温不变，进行电场辅助离子迁移。电场辅助离子迁移过程是在直流电压的作用下，离子交换在玻璃表面形成的离子掺杂区7进入玻璃基片4表面以下，形成埋入玻璃表面的离子掺杂区20，玻璃基表面光波导变成掩埋式光波导，如图3所示，其传输损耗和耦合损耗得到有效降低。
本发明所涉及的连续式电场辅助离子迁移交换制作玻璃基掩埋式光波导的方法，分别以Ag+掺杂玻璃基掩埋式单模光波导和掩埋式多模光波导为例，介绍玻璃基掩埋式光波导芯片连续生产的具体实施。
实施例1：制作Ag+掺杂玻璃基掩埋式单模光波导
所需设备：长度为6米的隧道式高温炉(15)，传送带(16)，以及驱动机构(17)，正电极滑轨(18)和负电极滑轨(19)。其中驱动机构(17)可以进行无级变速。
不含掺杂离子的熔盐(8)，这里是Ca(NO3)2与NaNO3的混合熔盐，两者的mol比为20:80。
通过Ag+/Na+离子交换技术制作成的表面波导硅酸盐玻璃基片(4)，其玻璃表面的Ag+离子掺杂区(7)横向尺寸在2～10微米之间；玻璃基片(4)厚度0.5～2.5毫米。
准备坩埚(3)50个，正电极(9)50个，负电极(10)50个，电极引线(11)100个，直流电源(12)1个，石英管(13)50个，高温粘结剂(14)，支架(6)50个，导线(21)2条。
主要步骤如下：
(A)隧道式高温炉(15)升温至300℃，并保温。调整驱动机构(17)转速，使传送带(16)的传动速度为0.8mm/s。用导线(21)连接直流电源(12)的正极与正电极滑轨(18)，并连接直流电源(12)的负极与负电极滑轨(19)；直流电源(12)的电压调节至200～300伏特；
(B)用高温粘结剂(14)将玻璃基片(4)粘结在和石英管(13)的一端，保证接缝的严密，200℃下保温1小时，使高温粘结剂(14)固化；
(C)将支架(6)放入坩埚(3)内，并将玻璃基片(4)和石英管(13)的底部密闭腔放入坩埚(3)内的支架(6)上；
(D)在坩埚(3)内注入不含掺杂离子的熔盐(8)，至淹没玻璃基片(4)，将坩埚(3)置于隧道式高温炉(15进口端(左端)的传送带(16)；在玻璃基片(4)和石英管(13)的底部密闭腔内注入不含掺杂离子的熔盐(8)；
(E)在玻璃基片(4)和石英管(13)的底部密闭腔内插入正电极(9)，并通过电极引线(11)将正电极(9)连接至正电极滑轨(18)；在坩埚(3)内插入负电极(10)，并通过电极引线(11)将负电极(10)连接至和负电极滑轨(19)；
(F)在隧道式高温炉(15)进口端(左端)的传送带(16)上，每隔5min，按照上述(B)-(C)-(D)-(E)的顺序，对一个新的玻璃基片(4)进行相同操作；
(G)在第一次放置的内有玻璃基片(4)的坩埚(3)输送至隧道式高温炉(15)出口端(右端)之后，每间隔5min，将玻璃基片(4)取出清洗。
实施例2：制作Ag+掺杂玻璃基掩埋式多模光波导
所需设备：长度为6米的隧道式高温炉(15)，传送带(16)，以及驱动机构(17)，正电极滑轨(18)和负电极滑轨(19)。其中驱动机构(17)可以进行无级变速。
不含掺杂离子的熔盐(8)，这里是Ca(NO3)2与NaNO3的混合熔盐，两者的mol比为20:80。
通过Ag+/Na+离子交换技术制作成的表面波导硅酸盐玻璃基片(4)，其玻璃表面的Ag+离子掺杂区(7)横向尺寸在5～30微米之间；玻璃基片(4)厚度0.5～2.5毫米。
准备坩埚(3)50个，正电极(9)50个，负电极(10)50个，电极引线(11)100个，直流电源(12)1个，石英管(13)50个，高温粘结剂(14)，支架(6)50个，导线(21)2条。
主要步骤如下：
(A)隧道式高温炉(15)升温至300℃，并保温。调整驱动机构(17)转速，使传送带(16)的传动速度为0.2mm/s。用导线(21)连接直流电源(12)的正极与正电极滑轨(18)，并连接直流电源(12)的负极与负电极滑轨(19)；直流电源(12)的电压调节至200～300伏特；
(B)用高温粘结剂(14)将玻璃基片(4)粘结在和石英管(13)的一端，保证接缝的严密，200℃下保温1小时，使高温粘结剂(14)固化；
(C)将支架(6)放入坩埚(3)内，并将玻璃基片(4)和石英管(13)的底部密闭腔放入坩埚(3)内的支架(6)上；
(D)在坩埚(3)内注入不含掺杂离子的熔盐(8)，至淹没玻璃基片(4)，将坩埚(3)置于隧道式高温炉(15)进口端(左端)的传送带(16)；在玻璃基片(4)和石英管(13)的底部密闭腔内注入不含掺杂离子的熔盐(8)；
(E)在玻璃基片(4)和石英管(13)的底部密闭腔内插入正电极(9)，并通过电极引线(11)将正电极(9)连接至正电极滑轨(18)；在坩埚(3)内插入负电极(10)，并通过电极引线(11)将负电极(10)连接至和负电极滑轨(19)；
(F)在隧道式高温炉(15)进口端(左端)的传送带(16)上，每隔20min，按照上述(B)-(C)-(D)-(E)的顺序，对一个新的玻璃基片(4)进行相同操作；
(G)在第一次放置的内有玻璃基片(4)的坩埚(3)输送至隧道式高温炉(15)出口端(右端)之后，每间隔20min，将玻璃基片(4)取出清洗。
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 (5)

1.一种连续式电场辅助离子迁移制作光波导的方法，其特征在于：放置隧道式高温炉(15)，隧道式高温炉(15)两端开设炉口分别作为进口端和出口端，且在隧道式高温炉(15)的进口端和出口端之间布置水平的传送带(16)；坩埚(3)放置在传送带(16)上并沿传送带(16)运输，传送带(16)的传送轮连接驱动结构(17)，隧道式高温炉(15)设置有正电极滑轨(18)和负电极滑轨(19)，正电极滑轨(18)和负电极滑轨(19)平行布置，正电极滑轨(18)和负电极滑轨(19)的其中一端经各自的导线(21)连接到外部直流电源(12)的正负极两端，坩埚(3)内设置两个电极并分别和正电极滑轨(18)和负电极滑轨(19)连接；传送带(16)在驱动结构(17)作用下，传送带(16)将坩埚(3)从隧道式高温炉(15)的进口端输送入隧道式高温炉(15)，经高温离子迁移反应后输送至隧道式高温炉(15)的出口端；
所述的坩埚(3)底部通过支架(6)支撑放置有玻璃基片(4)，玻璃基片(4)上表面中间具有离子掺杂区(7)，玻璃基片(4)上通过高温粘结剂(14)固定有石英管(13)，围成底部密闭腔，底部密闭腔内注有不含掺杂离子的熔盐(8)并插入正电极(9)；在石英管(13)外的坩埚(3)内注有不含掺杂离子的熔盐(8)并插入负电极(10)；正电极(9)通过电极引线(11)悬挂于正电极滑轨(18)上，负电极(10)通过电极引线(11)悬挂于负电极滑轨(19)上；方法是通过传送带(16)移动运输坩埚(3)将表面带有离子掺杂区(7)的玻璃基片(4)置于在不含掺杂离子的熔盐(8)内进行离子迁移制成掩埋式光波导芯片的芯层。
2.根据权利要求1所述的一种连续式电场辅助离子迁移制作光波导的方法，其特征在于：所述的石英管(13)的直径和玻璃基片(4)的直径相一致。
3.根据权利要求1所述的一种连续式电场辅助离子迁移制作光波导的方法，其特征在于：所述的玻璃基片(4)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。
4.根据权利要求1所述的一种连续式电场辅助离子迁移制作光波导的方法，其特征在于：所述的正电极(9)和负电极(10)为金电极、铂电极或石墨电极。
5.根据权利要求1所述的一种连续式电场辅助离子迁移制作光波导的方法，其特征在于：所述的正电极滑轨(18)和负电极滑轨(19)由导电材料制成。
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