CN111208607A - 一种有槽热板温度梯度离子扩散制作玻璃基模斑转换器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有槽热板温度梯度离子扩散制作玻璃基模斑转换器的方法，这种方法包括两个环节：第一个环节用离子交换法在玻璃基片的表面制作条形离子掺杂区；第二个环节是将玻璃基片竖直放置在水平有槽热板上的凹槽内进行梯度温度离子扩散。这种方法的特征在于：增大玻璃基片表面的条形离子掺杂区在贴近有槽热板一端的横截面尺寸，将条形离子掺杂区变成锥形离子掺杂区。这种锥形离子掺杂区的横截面的尺寸在两个轴向上的一致性得到改善，因而模斑转换器与光纤芯部横截面的形状与尺寸的匹配程度改善，器件插入损耗降低。而且，可以通过对有槽热板上凹槽形状和尺寸的调节优化模斑转换器的结构和性能。
Description
技术领域
本发明涉及光器件、集成光学领域，具体涉及一种有槽热板温度梯度离子扩散制作玻璃基模斑转换器的方法。
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。
采用离子交换技术在玻璃基片(1)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(1)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。
模斑转换器在集成光路中用于实现光波导模斑尺寸的变化，常用于芯径不同的光波导之间的模斑尺寸的匹配，减小因芯径失配产生的插入损耗，在集成光路中具有重要的应用价值。
现有的基于离子交换技术在玻璃基片(1)上制作模斑转换器结构如图1所示，在玻璃基片(1)的表面具有楔形离子掺杂区(3)，利用楔形离子掺杂区(3)的横截面尺寸变化实现模斑转换。这种模斑转换器的制作过程如图2所示，主要包括三个步骤：第一步是光刻，在玻璃基片(1)的表面淀积光波导所用的掩膜(2)，并通过光刻和腐蚀去除玻璃基片(1)上的部分掩膜(2)，形成楔形镂空结构，作为楔形的离子交换窗口；第二步是离子交换，将带有掩膜(2)的玻璃基片(1)置于高温下的含掺杂离子的熔盐中进行离子交换，含掺杂离子的熔盐中的掺杂离子通过掩膜(2)形成的离子交换窗口与玻璃基片(1)中的Na+进行交换，掺杂离子进入玻璃基片(1)表面并扩散形成楔形离子掺杂区(3)。由于掩膜(2)在玻璃基片(1)的表面形成的离子交换窗口呈现楔形，所以玻璃基片(1)表面的楔形离子掺杂区(3)的宽度也呈现与离子交换窗口一致的形状，在玻璃基片(1)的平面内呈现楔形分布特征：在离子交换窗口宽度小的部位楔形离子掺杂区(3)宽度小，而在离子交换窗口宽度大的部位楔形离子掺杂区(3)宽度大。第三步是去除掩膜(2)，采用化学腐蚀的方法去除玻璃基片(1)表面的掩膜(2)，获得模斑转换器芯片。
然而，目前这种模斑转换器的性能不能满足许多重要的应用场合。根据如前所述，现有方法制作的模斑转换器可以实现模斑尺寸在玻璃基片(1)平面方向的模斑尺寸的变换。但是，玻璃基片(1)表面具有不同宽度的离子交换窗口的情况下，楔形离子掺杂区(3)的厚度变化不大，也就是说在垂直于玻璃基片(1)平面的方向，光波导的模斑尺寸几乎没有变化。因此，由于这种模斑转换器的波导横截面的形状在两个轴向上存在较大差异，这种模斑转换器在集成光器件中的应用受到限制，譬如，用于实现单模光纤和多模光纤之间耦合时，这种器件的插入损耗在7.0dB以上。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种有槽热板温度梯度离子扩散制作玻璃基模斑转换器的方法，这种方法通过将玻璃基离子交换条形光波导竖直放置在水平有槽热板(5)上的凹槽内进行梯度温度离子扩散的方法实现模斑转换器的制作。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括两个环节：第一个环节用离子交换法在玻璃基片(1)的表面制作条形离子掺杂区(4)；第二个环节是将玻璃基片(1)竖直放置在水平有槽热板(5)上的凹槽内进行梯度温度离子扩散。这种方法的特征在于：将表面制作有条形离子掺杂区(4)的玻璃基片(1)竖直放置在水平有槽热板(5)上的凹槽内进行梯度温度离子扩散，利用玻璃基片(1)内沿条形离子掺杂区(4)长度方向的温度梯度，使玻璃基片(1)中沿条形离子掺杂区(4)长度方向产生掺杂离子扩散速率的梯度，增大玻璃基片(1)表面的条形离子掺杂区(4)在贴近有槽热板(5)一端的横截面尺寸，将条形离子掺杂区(4)变成锥形离子掺杂区(6)。
第一个环节是离子交换法制作条形离子掺杂区(4)，过程如图3所示。在玻璃基片(1)的表面制作条形离子掺杂区(4)分三步进行：第一步光刻，首先在玻璃基片(1)的表面淀积掩膜(2)，并通过光刻和腐蚀工艺去除玻璃基片(1)表面的部分掩膜(2)，形成条形镂空结构，作为条形的离子交换窗口；第二步是离子交换在玻璃基片(1)的表面形成条形离子掺杂区(4)，将带有离子交换窗口的玻璃基片(1)置于高温下的含掺杂离子的熔盐中进行离子交换，含掺杂离子的熔盐中的掺杂离子通过玻璃基片(1)表面的掩膜(2)形成的离子交换窗口与玻璃基片(1)中的Na+进行交换，掺杂离子进入玻璃基片(1)表面并在玻璃基片(1)表面层扩散形成条形离子掺杂区(4)。第三步是去除掩膜(2)，采用化学腐蚀的方法去除玻璃基片(1)表面的掩膜(2)。
第二个环节是对玻璃基片(1)进行梯度温度离子扩散，过程如图4所示。图中表示了用梯度温度离子扩散方法将离子交换后玻璃基片(1)表面形成的条形离子掺杂区(4)制成锥形离子掺杂区(6)。有槽热板(5)水平放置，将有槽热板(5)加热至扩散温度并保持温度恒定，玻璃基片(1)竖直放置在有槽热板(5)上的凹槽内，玻璃基片(1)中的条形离子掺杂区(4)垂直于有槽热板(5)平面方向。由于玻璃基片(1)的下端与有槽热板(5)相接触，温度较高，而玻璃基片(1)的上端位于空气中，温度较低，沿条形离子掺杂区(4)的长度方向形成温度梯度。由于玻璃中掺杂离子的扩散速度随温度升高而增大，因此沿条形离子掺杂区(4)的长度方向会产生掺杂离子扩散系数的梯度：玻璃基片(1)的下端的离子掺杂区的深度和宽度增大的幅度大，而玻璃基片(1)的上端的离子掺杂区的深度和宽度增大的幅度小，在玻璃基片(1)的上端和下端之间形成离子掺杂区横截面尺寸的梯度。梯度温度离子扩散完成后，玻璃基片(1)表面的条形离子掺杂区(4)变成锥形离子掺杂区(6)，其结构如图5所示。实际器件制过程中，需要对多片玻璃基片(1)进行梯度温度离子扩散，可以用图6所示的有槽热板(5)实现同时对多片玻璃基片(1)的处理。
在梯度温度离子扩散过程中采用有槽热板(5)使用金属材料制成，由于金属具有很好的传热性，有槽热板(5)上的凹槽可以增加玻璃基片(1)在竖直方向上温度梯度调整的灵活性，通过优化有槽热板(5)上凹槽的形状和尺寸，可以实现对模斑转换器结构和性能的优化。凹槽截面尺寸相同的情况下，凹槽深度大的有槽热板(5)可以在玻璃基片(1)竖直方向上实现较小的温度梯度，从而实现横截面尺寸变化缓慢的模斑转换器制作，减小器件损耗；而凹槽深度小的有槽热板(5)可以在玻璃基片(1)竖直方向上实现较大的温度梯度，从而实现横截面尺寸变化较快的模斑转换器制作，减小模斑转换器的长度，使器件结构更紧凑。
所述的玻璃基片(1)所用材料是硅酸盐玻璃，磷酸盐玻璃或硼酸盐玻璃。
所述的掺杂离子为K+，Ag+，Cu+，Cs+，Tl+，Li+。
所述的有槽热板(5)由金属材料制作而成。
与现有离子交换玻璃基表面波导模斑转换器制作技术相比，本发明具有的有益效果是：所制作的模斑转换器中形成锥形离子掺杂区(6)，这种离子掺杂区的横截面尺寸在两个轴向上的一致性得到明显改善，因而模斑转换器与光纤芯部横截面的形状与尺寸的匹配程度改善，器件插入损耗降低。而且，可以通过对有槽热板(5)上凹槽形状和尺寸的调节优化模斑转换器的结构和性能。
附图说明
图1现有技术制作的玻璃基模斑转换器示意图。
图2现有技术制作玻璃基模斑转换器过程的示意图。
图3制作的玻璃基表面条形光波导过程的示意图。
图4本发明所述方法制作玻璃基模斑转换器过程的示意图。
图5是本发明所述方法所制作的玻璃基模斑转换器示意图。
图6是本发明所述方法中使用的用于同时处理多个器件的有槽热板结构。
图中：1.玻璃基片；2.掩膜；3.楔形离子掺杂区；4.条形离子掺杂区；5.有槽热板；6.锥形离子掺杂区。
具体实施方式
发明所涉及的有槽热板温度梯度离子扩散制作玻璃基模斑转换器的方法，分别以缓变型Ag+/Na+离子交换玻璃基模斑转换器、紧凑型Ag+/Na+离子交换玻璃基模斑转换器、缓变型Tl+/Na+离子交换玻璃基表面波导模斑转换器、紧凑型K+/Na+离子交换玻璃基表面波导模斑转换器为例，介绍离子交换玻璃基表面波导模斑转换器的具体实施。
实施例1：缓变型Ag+/Na+离子交换玻璃基模斑转换器
所需设备与材料：双面抛光的厚度1mm的BK7玻璃基片(1)，清洗设备及洗液，溅射镀膜设备，条形波导掩模板(线宽3-5微米)，光刻设备，腐蚀设备，丙酮，烧杯，高温炉，芯片端面研磨抛光设备，石英坩埚，石英花篮，有槽热板(5)(槽长8.0mm，宽2.5mm，深5.0mm)，掺杂离子为Ag+，含掺杂离子的熔盐为Ca(NO3)2、NaNO3和AgNO3混合熔盐(三者的摩尔比为49:49:2)。
主要步骤如下：
(A)玻璃基片(1)表面条形离子掺杂区(4)的制作
主要步骤：将玻璃基片(1)清洗干净；在玻璃基片(1)表面溅射厚度100～300nm的铝膜，作为掩膜(2)；通过涂胶、固化、光刻、腐蚀、去胶操作将条形波导掩模板上的条形波导图形转移到玻璃基片(1)表面的铝膜上，在铝膜上形成宽度3-5微米的条形离子交换的窗口。
将Ca(NO3)2、NaNO3和AgNO3混合熔盐放入石英坩埚，石英坩埚放入温度为300℃的高温炉内保温2小时，至熔盐完全熔化；将光刻后表面有离子交换窗口的玻璃基片(1)放入石英花篮，石英花篮浸入石英坩埚内的熔盐中，保温10-30分钟后取出玻璃基片(1)，冷却后用酸腐蚀的方法去除掩膜(2)，清洗。
在此过程中，混合熔盐中的Ag+与通过掩膜(2)在玻璃基片(1)表面形成的离子交换窗口与玻璃基片(1)中的Na+进行离子交换，混合熔盐中的Ag+进入玻璃基片(1)，并在玻璃基片(1)中形成条形离子掺杂区(4)，同时，玻璃基片(1)中的Na+进入熔盐。
(B)玻璃基片(1)在有槽热板(5)上梯度温度离子扩散
将玻璃基片(1)加工成宽度5.0mm的长条形，有槽热板(5)置于空气中并水平放置，将有槽热板(5)加热至300℃，保持温度恒定，将玻璃基片(1)放置在有槽热板(5)上的凹槽内进行梯度温度离子扩散。玻璃基片(1)竖直放置在有槽热板(5)上的凹槽内，玻璃基片(1)中的条形离子掺杂区(4)垂直于有槽热板(5)平面方向。梯度温度离子扩散时间2-5小时。
在此过程中，玻璃基片(1)的下端温度高，条形离子掺杂区(4)中的Ag+扩散快，Ag+掺杂区截面尺寸大；玻璃基片(1)的上端温度低，条形离子掺杂区(4)中的Ag+扩散慢，Ag+掺杂区截面尺寸小；条形离子掺杂区(4)变成锥形离子掺杂区(6)。
最后对玻璃基片(1)的两端面进行研磨抛光加工。
经过优化制作工艺参数，这种器件用于实现单模光纤和多模光纤之间耦合时，插入损耗小于3.0dB。
实施例2：紧凑型Ag+/Na+离子交换玻璃基模斑转换器
所需设备与材料：双面抛光的厚度1mm的BK7玻璃基片(1)，清洗设备及洗液，溅射镀膜设备，条形波导掩模板(线宽3-5微米)，光刻设备，腐蚀设备，丙酮，烧杯，高温炉，芯片端面研磨抛光设备，石英坩埚，石英花篮，有槽热板(5)(槽长8.0mm，宽2.5mm，深1.5mm)，掺杂离子为Ag+，含掺杂离子的熔盐为Ca(NO3)2、NaNO3和AgNO3混合熔盐(三者的摩尔比为49:49:2)。
主要步骤如下：
(A)玻璃基片(1)表面条形离子掺杂区(4)的制作
主要步骤：将玻璃基片(1)清洗干净；在玻璃基片(1)表面溅射厚度100～300nm的铝膜，作为掩膜(2)；通过涂胶、固化、光刻、腐蚀、去胶操作将条形波导掩模板上的条形波导图形转移到玻璃基片(1)表面的铝膜上，在铝膜上形成宽度3-5微米的条形离子交换的窗口。
将Ca(NO3)2、NaNO3和AgNO3混合熔盐放入石英坩埚，石英坩埚放入温度为300℃的高温炉内保温2小时，至熔盐完全熔化；将光刻后表面有离子交换窗口的玻璃基片(1)放入石英花篮，石英花篮浸入石英坩埚内的熔盐中，保温10-30分钟后取出玻璃基片(1)，冷却后用酸腐蚀的方法去除掩膜(2)，清洗。
在此过程中，混合熔盐中的Ag+与通过掩膜(2)在玻璃基片(1)表面形成的离子交换窗口与玻璃基片(1)中的Na+进行离子交换，混合熔盐中的Ag+进入玻璃基片(1)，并在玻璃基片(1)中形成条形离子掺杂区(4)，同时，玻璃基片(1)中的Na+进入熔盐。
(B)玻璃基片(1)在有槽热板(5)上梯度温度离子扩散
将玻璃基片(1)加工成宽度5mm的长条形，有槽热板(5)置于空气中并水平放置，将有槽热板(5)加热至300℃，保持温度恒定，将玻璃基片(1)放置在有槽热板(5)上的凹槽内进行梯度温度离子扩散。玻璃基片(1)竖直放置在有槽热板(5)上的凹槽内，玻璃基片(1)中的条形离子掺杂区(4)垂直于有槽热板(5)平面方向。梯度温度离子扩散时间2-5小时。
在此过程中，玻璃基片(1)的下端温度高，条形离子掺杂区(4)中的Ag+扩散快，Ag+掺杂区截面尺寸大；玻璃基片(1)的上端温度低，条形离子掺杂区(4)中的Ag+扩散慢，Ag+掺杂区截面尺寸小；条形离子掺杂区(4)变成锥形离子掺杂区(6)。
最后对玻璃基片(1)的两端面进行研磨抛光加工。
经过优化制作工艺参数，这种器件用于实现单模光纤和多模光纤之间耦合时，插入损耗小于3.0dB。
实施例3：缓变型Tl+/Na+离子交换玻璃基模斑转换器
所需设备与材料：双面抛光的厚度1mm的BK7玻璃基片(1)，清洗设备及洗液，溅射镀膜设备，条形波导掩模板(线宽3-5微米)，光刻设备，腐蚀设备，丙酮，烧杯，高温炉，芯片端面研磨抛光设备，石英坩埚，石英花篮，有槽热板(5)(槽长8mm，宽2.5mm，深5mm)，掺杂离子为Tl+，含掺杂离子的熔盐为为KNO3、NaNO3和TlNO3混合熔盐(三者的摩尔比为40:40:20)。
主要步骤如下：
(A)玻璃基片(1)表面条形离子掺杂区(4)的制作
主要步骤：将玻璃基片(1)清洗干净；在玻璃基片(1)表面溅射厚度100～300nm的铝膜，作为掩膜(2)；通过涂胶、固化、光刻、腐蚀、去胶操作将条形波导掩模板上的条形波导图形转移到玻璃基片(1)表面的铝膜上，在铝膜上形成宽度3-5微米的条形离子交换的窗口。
将KNO3、NaNO3和TlNO3混合熔盐放入石英坩埚，石英坩埚放入温度为530℃的高温炉内保温2小时，至熔盐完全熔化；将光刻后表面有离子交换窗口的玻璃基片(1)放入石英花篮，石英花篮浸入石英坩埚内的熔盐中，保温100-180分钟后取出玻璃基片(1)，冷却后用酸腐蚀的方法去除掩膜(2)，清洗。
在此过程中，混合熔盐中的Tl+与通过掩膜(2)在玻璃基片(1)表面形成的离子交换窗口与玻璃基片(1)中的Na+进行离子交换，混合熔盐中的Tl+进入玻璃基片(1)，并在玻璃基片(1)中形成条形离子掺杂区(4)，同时，玻璃基片(1)中的Na+进入熔盐。
(B)玻璃基片(1)在有槽热板(5)上梯度温度离子扩散
将玻璃基片(1)加工成宽度5mm的长条形，有槽热板(5)置于空气中并水平放置，将有槽热板(5)加热至520-530℃，保持温度恒定，将玻璃基片(1)放置在有槽热板(5)上的凹槽内进行梯度温度离子扩散。玻璃基片(1)竖直放置在有槽热板(5)上的凹槽内，玻璃基片(1)中的条形离子掺杂区(4)垂直于有槽热板(5)平面方向。梯度温度离子扩散时间5-8小时。
在此过程中，玻璃基片(1)的下端温度高，条形离子掺杂区(4)中的Tl+扩散快，Tl+掺杂区截面尺寸大；玻璃基片(1)的上端温度低，条形离子掺杂区(4)中的Tl+扩散慢，Tl+掺杂区截面尺寸小；条形离子掺杂区(4)变成锥形离子掺杂区(6)。
最后对玻璃基片(1)的两端面进行研磨抛光加工。
经过优化制作工艺参数，这种器件用于实现单模光纤和多模光纤之间耦合时，插入损耗小于3.0dB。
实施例4：紧凑型K+/Na+离子交换玻璃基模斑转换器
所需设备与材料：双面抛光的厚度1mm的BK7玻璃基片(1)，清洗设备及洗液，溅射镀膜设备，条形波导掩模板(线宽3-5微米)，光刻设备，腐蚀设备，丙酮，烧杯，高温炉，芯片端面研磨抛光设备，石英坩埚，石英花篮，有槽热板(5)(槽长8mm，宽2.5mm，深1.5mm)，掺杂离子为K+，含掺杂离子的熔盐为纯KNO3熔盐。
主要步骤如下：
(A)玻璃基片(1)表面条形离子掺杂区(4)的制作
主要步骤：将玻璃基片(1)清洗干净；在玻璃基片(1)表面溅射厚度100～300nm的铝膜，作为掩膜(2)；通过涂胶、固化、光刻、腐蚀、去胶操作将条形波导掩模板上的条形波导图形转移到玻璃基片(1)表面的铝膜上，在铝膜上形成宽度3-5微米的条形离子交换的窗口。
将纯KNO3熔盐放入石英坩埚，石英坩埚放入温度为370℃的高温炉内保温2小时，至熔盐完全熔化；将光刻后表面有离子交换窗口的玻璃基片(1)放入石英花篮，石英花篮浸入石英坩埚内的熔盐中，保温200-400分钟后取出玻璃基片(1)，冷却后用酸腐蚀的方法去除掩膜(2)，清洗。
在此过程中，混合熔盐中的K+与通过掩膜(2)在玻璃基片(1)表面形成的离子交换窗口与玻璃基片(1)中的Na+进行离子交换，混合熔盐中的K+进入玻璃基片(1)，并在玻璃基片(1)中形成条形离子掺杂区(4)，同时，玻璃基片(1)中的Na+进入熔盐。
(B)玻璃基片(1)在有槽热板(5)上梯度温度离子扩散
将玻璃基片(1)加工成宽度5mm的长条形，有槽热板(5)置于空气中并水平放置，将有槽热板(5)加热至370-400℃，保持温度恒定，将玻璃基片(1)放置在有槽热板(5)上的凹槽内进行梯度温度离子扩散。玻璃基片(1)竖直放置在有槽热板(5)上的凹槽内，玻璃基片(1)中的条形离子掺杂区(4)垂直于有槽热板(5)平面方向。梯度温度离子扩散时间5-10小时。
在此过程中，玻璃基片(1)的下端温度高，条形离子掺杂区(4)中的K+扩散快，K+掺杂区截面尺寸大；玻璃基片(1)的上端温度低，条形离子掺杂区(4)中的K+扩散慢，K+掺杂区截面尺寸小；条形离子掺杂区(4)变成锥形离子掺杂区(6)。
最后对玻璃基片(1)的两端面进行研磨抛光加工。
经过优化制作工艺参数，这种器件用于实现单模光纤和多模光纤之间耦合时，插入损耗小于3.0dB。
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 (4)
1.一种有槽热板温度梯度离子扩散制作玻璃基模斑转换器的方法，这种方法包括两个环节：第一个环节用离子交换法在玻璃基片(1)的表面制作条形离子掺杂区(4)；第二个环节是将玻璃基片(1)竖直放置在水平有槽热板(5)上的凹槽内进行梯度温度离子扩散。这种方法的特征在于：将表面制作有条形离子掺杂区(4)的玻璃基片(1)竖直放置在水平有槽热板(5)上的凹槽内进行梯度温度离子扩散，利用玻璃基片(1)内沿条形离子掺杂区(4)长度方向的温度梯度，使玻璃基片(1)中沿条形离子掺杂区(4)长度方向产生掺杂离子扩散速率的梯度，增大玻璃基片(1)表面的条形离子掺杂区(4)在贴近有槽热板(5)一端的横截面尺寸，将条形离子掺杂区(4)变成锥形离子掺杂区(6)。
2.根据权利要求1所述的一种有槽热板温度梯度离子扩散制作玻璃基模斑转换器的方法，其特征在于：所述的玻璃基片(1)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。
3.根据权利要求1所述的一种有槽热板温度梯度离子扩散制作玻璃基模斑转换器的方法，其特征在于：所述的条形离子掺杂区(4)中的掺杂离子为K+，Ag+，Cu+，Cs+，Tl+，Li+。
4.根据权利要求1所述的一种有槽热板温度梯度离子扩散制作玻璃基模斑转换器的方法，其特征在于：通过对有槽热板(5)上凹槽形状和尺寸的调节优化模斑转换器的结构和性能。
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2020
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