CN114815442A - 沟道型平面波导放大器制备方法及沟道型平面波导放大器 - Google Patents

沟道型平面波导放大器制备方法及沟道型平面波导放大器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种沟道型平面波导放大器制备方法及沟道型平面波导放大器，该沟道型平面波导制备方法通过利用预设好沟道结构的光刻掩膜版对光学基片上旋涂的光刻胶进行曝光和显影，得到显影有沟道结构的光学基片，再利用刻蚀气体产生的等离子体在光学基片上按照显影后的沟道结构刻蚀多个沟道，最终，将选用的掺杂稀土的硫系材料利用熔融‑淬火法凝聚在刻蚀有沟道的光学基片上，形成位于光学基片表面上的硫系薄膜；并且，将选用的所述掺杂稀土的硫系材料利用熔融‑淬火法凝聚在光学基片的沟道内，避免了对掺杂的稀土材料的刻蚀，而且确保了掺杂的稀土材料在凝聚过程中不会丧失活性，从而得到所要制备的高质量的平面波导放大器。

Description

沟道型平面波导放大器制备方法及沟道型平面波导放大器
技术领域
本发明涉及光学放大器领域，尤其涉及一种沟道型平面波导放大器制备方法及沟道型平面波导放大器。
背景技术
光纤放大器是光纤通讯网络中不可缺少的核心器件之一，其能够对在光纤中传输的光学信号起到放大作用。现在被广泛使用的铒掺杂的石英光纤放大器(Erbium DopedFiber Amplifier，简称EDFA)，通常在1.5μm的波长处，其对光学信号的放大效果可以达到30dB以上，通过一次放大处理，光学信号可以传输达到100公里以上。但是，这种光纤放大器一般体积庞大且花费昂贵，不利于小型网络或其他特殊场合的应用需求。
随着波导技术的发展，平面波导(或称光学平面波导、平面光波导)逐渐成为光学信号传输的一个新的趋势，基于平面波导制成的平面波导放大器方案也被提出。所谓平面光波导，就是说光波导位于一个平面内。平面波导具有多方面的优点，比如整个波导的加工工艺可以与标准的半导体处理工艺兼容，而且基于芯片上的平面波导通常也只有厘米级这样的小型面积，功耗较小，便于实现规模化生产以及在大规模光学器件的芯片上集成。
中国发明专利申请CN104345385A公开了一种掺杂稀土钕配合物的硅基聚合物平面光波导放大器以及硅基聚合物平面光波导放大器的制备方法。该硅基聚合物平面光波导放大器包括硅衬底、下包层和波导芯层，下包层设于硅衬底的上表面，波导芯层设于下包层的上表面，波导芯层采用掺杂稀土钕配合物的聚合物材料。该硅基聚合物平面光波导放大器的制备方法包括：步骤S1，制备掺杂稀土钕配合物的聚合物溶液；步骤S2，采用热氧化法在硅衬底上生长一层SiO2，形成下包层；步骤S3，采用旋涂法将掺杂稀土钕配合物的聚合物溶液涂覆在下包层上，固化形成芯层；步骤S4，采用磁控溅射法在所述芯层上淀积一层铝膜；步骤S5，在铝膜上旋涂一层紫外负型光刻胶，然后进行前烘、紫外曝光、后烘、显影，将光刻板上的图案转移到紫外负型光刻胶和铝膜上，形成与波导芯层的图案相对应的铝掩膜；步骤S6，采用氧反应离子刻蚀法，图案化所述芯层，形成波导芯层，同时去除曝光部分的紫外负型光刻胶；步骤S7，采用显影液去除铝掩膜。
但是，上述发明专利申请CN104345385A所公开的平面光波导放大器制备方法也存在一些问题：由于固化后的芯层是由掺杂稀土钕配合物的聚合物材料所形成，在采用氧反应离子刻蚀法对芯层刻蚀时，氧反应离子会直接与的稀土材料(即钕)相互作用，但是，由于稀土材料难以被氧反应离子刻蚀，这将造成刻蚀后所得到的平面波导的结构表面以及边墙粗糙度较大，会给平面波导带来较大的光学传输损耗，进而给利用该平面波导所制成波导器件(如平面波导放大器)的放大增益带来严重的不利影响。
另外，美国发明专利US8144392B2公开了一种掺铒镓镧硫化物玻璃溅射膜的波导放大器，通过首先在熔融石英玻璃衬底上涂一层6纳米厚的Cr用作助粘剂，然后旋涂3.7微米厚的聚酰亚胺剥离层，紧接着再旋涂一层1.1微米厚的正光刻胶；然后，透过光学掩膜版对上述结构进行曝光和显影。经显影后，剥离层会出现底切沟道结构；最后，再用磁控溅射的方法镀一层铒离子掺杂的GLS薄膜，从而在上一步所形成的沟道结构中形成脊型波导结构，最终实现内增益(即放大效果)，增益效果可以达到6.7dB。不过，上述美国发明专利US8144392B2所公开制备的波导放大器也存在一些问题：
首先，稀土掺杂的硫系玻璃材料虽然呈现出较好的可重复性的稀土荧光性能。但是，由于该发明专利US8144392B2采用热蒸发和磁控溅射方式在沟道结构上镀一层铒离子掺杂的GLS薄膜，使得掺杂的稀土材料经历一个分解成原子或者离子状态，然后再重新在石英玻璃衬底上沉淀的过程，这会导致掺杂在GLS薄膜中的稀土离子活性的降低乃至完全丧失，无法继续呈现良好的荧光性能，严重影响波导放大器最终的放大性能；
其次，硫系材料，尤其是三元以上化合物在薄膜沉积过程中经常会出现多相分离，致使薄膜的组分与相应的块体材料有所不同，造成性能表现出不确定性；同时，薄膜材料呈现更强的结构弛豫，会造成基于薄膜制备的光学器件性能随着时间变化出现较大的改变。
因此，如何避免等离子体刻蚀后所得平面波导放大器的结构表面以及边墙出现较大的粗糙度，保持所制备薄膜中稀土离子的活性及荧光性能，成为制备高质量平面波导放大器的关键。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术提供一种沟道型平面波导放大器制备方法。
本发明所要解决的第二个技术问题是针对上述现有技术提供一种沟道型平面波导放大器。
本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：沟道型平面波导放大器制备方法，其特征在于，包括如下步骤S1～步骤S3：
步骤S1，利用刻蚀气体产生的等离子体按照光学基片上已显影的沟道结构刻蚀多个沟道；
步骤S2，将选用的掺杂稀土的硫系材料利用熔融-淬火法凝聚在刻蚀有沟道的所述光学基片上，形成位于光学基片表面上的硫系薄膜；
步骤S3，将选用的所述掺杂稀土的硫系材料利用熔融-淬火法凝聚在所述光学基片的沟道内，得到所要制备的平面波导放大器。
改进地，在所述沟道型平面波导放大器制备方法中，在步骤S1之前还包括：
步骤a1，在光学基片上旋涂光刻胶；
步骤a2，利用预设沟道结构的光刻掩膜版对所述光刻胶进行曝光和显影，得到显影有沟道结构的光学基片；其中，该预设沟道结构含有多个沟道。
进一步地，在所述沟道型平面波导放大器制备方法中，在步骤S3之后还包括：将位于沟道外侧且突出于光学基片表面的凝聚后的硫系薄膜做抛膜处理。
再进一步地，在所述沟道型平面波导放大器制备方法中，根据位于沟道外侧的所述硫系薄膜突出于光学基片表面的厚度做出抛膜处理：
当所述硫系薄膜突出于光学基片表面的厚度大于预设厚度阈值时，抛去该硫系薄膜；否则，不予抛去该硫系薄膜。
再改进地，在所述沟道型平面波导放大器制备方法中，在步骤a1与步骤a2之间还包括：洗去残留在所述光学基片上的光刻胶。
再改进地，在所述沟道型平面波导放大器制备方法中，按照如下步骤b1～步骤b3的方式在所述光刻掩膜版上设计所述沟道结构：
步骤b1，确定待制备平面波导放大器所需要的稀土掺杂材料的折射率以及所需要光学基片的折射率；
步骤b2，根据确定的所述稀土掺杂材料的折射率和所述光学基片的折射率，模拟预设波长数值处的光场分布；
步骤b3，根据模拟的光场分布，在光刻掩膜版上制作与该光场分布相匹配的沟道结构。
改进地，在所述沟道型平面波导放大器制备方法中，在步骤S3中还包括：在所述掺杂稀土的硫系材料的凝聚过程中执行降低晶化速度措施的步骤。
可选择地，在所述沟道型平面波导放大器制备方法中，所述稀土为Er或Pr或Ho或Dy或Tm。
可选择地，在所述沟道型平面波导放大器制备方法中，所述硫系材料为Ge-Ga-S或者Ge-Ga-Se。
本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：沟道型平面波导放大器，包括光学基片，其特征在于，所述光学基片上刻蚀有若干沟道，所述光学基片的表面具有利用熔融-淬火法凝聚的掺杂稀土的硫系材料所形成的硫系薄膜，各沟道内完全填充有利用熔融-淬火法凝聚的掺杂稀土的硫系材料。
优选地，在所述沟道型平面波导放大器中，填充在沟道内的所述掺杂稀土的硫系材料的厚度小于该沟道的深度。
可选择地，在所述沟道型平面波导放大器中，所述光学基片为石英基片。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
首先，在该发明的沟道型平面波导放大器制备方法中，刻蚀气体产生的等离子体直接提前对光学基片做刻蚀处理以得到沟道，再在光学基片的表面以及沟道内凝聚掺杂稀土的硫系材料，形成掺杂稀土的硫系薄膜，避免等离子体直接对稀土离子做刻蚀，从而避免了因掺杂的稀土离子无法被等离子刻蚀而造成所制备的沟道型平面波导放大器结构表面及边墙出现较大的粗糙度，这样可以确保沟道型平面波导放大器结构表面和边墙的平整性，降低了光学传输损耗，进而提高了沟道型平面波导放大器的放大增益性能。
其次，考虑到稀土离子的活性及荧光性能，该发明利用熔融-淬火法将选用的掺杂稀土的硫系材料凝聚在刻蚀有沟道的光学基片上以及光学基片的沟道内，避免掺杂的稀土材料因经历分解成原子或者离子状态的过程而丧失活性和稀土荧光性能，从而提高了掺杂在硫系材料中的稀土离子的光学稳定性，使得所形成的掺杂稀土的硫系薄膜也表现出较好的光学稳定性，进一步提高了沟道型平面波导放大器的放大性能。
附图说明
图1为直接在掺杂稀土Er的硫系薄膜上做等离子体刻蚀处理的传统制备方法得到的脊型平面波导实物的扫描电镜图；
图2为本发明中沟道型平面波导放大器制备方法的流程示意图；
图3为本发明实施例一中模拟出的光场分布情况示意图；
图4为本发明中光学基片的原始结构示意图；
图5为图4所示光学基片上刻蚀有沟道时的示意图；
图6为图5所示光学基片的沟道内完全凝聚填充有稀土掺杂的硫系材料时的示意图；
图7为图6所示位于沟道外侧的多余的掺杂稀土的硫系材料被抛去后的示意图；
图8为光学基片的沟道内未填充稀土掺杂的硫系材料时的产品实物的扫描电镜SEM图；
图9为图8所示光学基片的沟道内填充稀土掺杂的硫系材料时的产品实物的扫描电镜SEM图；
图10为本发明中沟道型平面波导放大器的放大增益性能测试系统的示意图；
图11为针对掺杂稀土Er的Ge-Ga-S沟道型平面波导放大器的放大性能测量结果示意图；
图12为针对掺杂稀土Er的Ge-Ga-Se沟道型平面波导放大器的放大性能测量结果示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例一
本实施例提供一种掺杂稀土Er的硫系玻璃沟道型平面波导放大器制备方法，硫系玻璃所对应使用的硫系材料为Ge-Ga-S。参见图2所示，该掺杂稀土Er的硫系玻璃沟道型平面波导放大器制备方法，包括如下步骤1～步骤4：
步骤1，预先在选择的光学基片11上设计好沟道结构；其中，选择的光学基片为石英基片，光学基片11上的沟道结构预先按照如下步骤a1～步骤a2方式处理得到：
步骤a1，在光学基片11上旋涂光刻胶；
步骤a2，利用预设沟道结构的光刻掩膜版对上述的光刻胶进行曝光和显影，得到显影有沟道结构的光学基片；其中，该预设沟道结构含有多个沟道，该实施例按照如下步骤a21～步骤a23的方式在光刻掩膜版上设计沟道结构：
步骤a21，确定待制备平面波导放大器所需的稀土Er掺杂材料的折射率以及所需要光学基片11的折射率；此处的稀土Er掺杂材料的折射率为n1，石英基片的折射率为n2；
步骤a22，根据确定的稀土Er掺杂材料的折射率n1和光学基片11的折射率n2，模拟1.5μm波长处的光场分布；
步骤a23，根据模拟的光场分布，在光刻掩膜版上制作与该光场分布相匹配的沟道结构。其中，利用稀土Er掺杂材料的折射率n1和石英基片的折射率n2来模拟1.5μm波长处的光场分布，属于本领域技术人员容易知道的常规技术手段，此处针对光场分布的具体模拟过程不再赘述；此处模拟出来的光场分布情况参见图3所示；
步骤2，利用刻蚀气体产生的等离子体按照光学基片上已显影的沟道结构刻蚀多个沟道；其中，此处采用的刻蚀气体为CHF3气体和Ar气的混合气体，CHF3气体和Ar气的混合气体所对应刻蚀腔的压强值范围为1～10Pa，刻蚀靶的射频功率为50～200W；石英基片11在刻蚀沟道前以及刻蚀沟道后的结构情况分别参见图4和图5所示；此时残留在光学基片11上的光刻胶也可以根据需要做洗去处理；
步骤3，将选用的掺杂稀土Er的硫系材料Ge-Ga-S利用熔融-淬火法(meltquenching method)凝聚在刻蚀有沟道110的光学基片11上，形成位于光学基片11表面上的硫系Ge-Ga-S薄膜；
步骤4，将选用的上述掺杂稀土Er的硫系材料Ge-Ga-S利用熔融-淬火法凝聚在光学基片11的沟道110内，得到所要制备的平面波导放大器。
为了提高制备得到的平面波导放大器的表面的平滑程度，该实施例的沟道型平面波导放大器制备方法在执行完毕步骤4之后，还会将位于沟道110外侧且突出于光学基片11表面的凝聚后的硫系薄膜做抛光处理，从而确保平面波导放大器的表面平滑。具体地，此处可以根据位于沟道110外侧的硫系Ge-Ga-S薄膜突出于光学基片11表面的厚度做出处理：当硫系Ge-Ga-S薄膜突出于光学基片11表面的厚度大于预设厚度阈值时，抛去该硫系Ge-Ga-S薄膜；否则，不予抛去该硫系Ge-Ga-S薄膜。
为了降低掺杂稀土Er的硫系材料Ge-Ga-S在凝聚过程中的晶化速度，该实施例的硫系玻璃沟道型平面波导放大器制备方法还会在该掺杂稀土Er的硫系材料Ge-Ga-S凝聚过程中采用冰水、液氮或者加入诸如镍这样的微量过渡金属元素，来降低晶化速度。
该实施例还提供一种利用上述掺杂稀土Er的硫系玻璃沟道型平面波导放大器制备方法制备得到的沟道型平面波导放大器。参见图6所示，也即光学基片的沟道内完全凝聚填充有稀土掺杂的硫系材料时的示意图，此时对应的产品是沟道型平面波导放大器。该沟道型平面波导放大器1包括光学基片11，光学基片11上利用刻蚀气体产生的等离子体刻蚀有若干沟道110，光学基片11的表面具有利用熔融-淬火法凝聚的掺杂稀土Er的硫系材料Ge-Ga-S所形成的Ge-Ga-S硫系薄膜，各沟道110内完全填充有利用熔融-淬火法凝聚的掺杂稀土Er的硫系材料Ge-Ga-S。
为了使得该掺杂稀土Er的硫系玻璃沟道型平面波导放大器的结构表面以及边墙没有明显的粗糙，整体上非常平整，在该实施例的硫系玻璃沟道型平面波导放大器中，参见图7所示，填充在沟道110内的该掺杂稀土Er的硫系材料Ge-Ga-S的厚度小于该沟道110的深度。如此，可以确保位于沟道110的外侧没有多余的掺杂稀土Er的硫系材料Ge-Ga-S。这样，在各沟道110的外侧也就不会形成突出于光学基片11的掺杂稀土Er的Ge-Ga-S硫系薄膜，所得硫系玻璃沟道型平面波导放大器的表面更为平整。其中，图1给出了直接在掺杂稀土Er的硫系薄膜上做等离子体刻蚀处理的传统制备方法得到的脊型平面波导实物的扫描电镜图，可以看到，该平面波导放大器的结构表面以及边墙存在明显的粗糙。图9给出了光学基片的沟道内填充稀土掺杂的硫系材料时的产品实物的扫描电镜SEM图，可以看出，该掺杂稀土Er的沟道型平面波导放大器产品的结构表面以及边墙没有明显的粗糙，整体上非常平整。
该实施例对制备得到的掺杂稀土Er的硫系玻璃沟道型平面波导放大器(参见图7所示状态的平面波导放大器产品)的光学放大性能(或称为增益性能)做出了测量。参见图10所示，在硫系玻璃沟道型平面波导放大器的放大增益性能测试系统中，泵浦光光源31发出的泵浦光以及信号光光源32发出的信号光通过耦合器件33经一根透镜纤维34耦合进入到制备的沟道型平面波导放大器1中，信号光经过沟道型平面波导放大器1的放大后，在该沟道型平面波导放大器1的另一侧通过另外一根透镜纤维35耦合进入到光谱仪36，从而实现对放大后的信号光进行测量。其中，信号光光源32与耦合器件33之间设置有一个衰减器37。上述的透镜纤维34和透镜纤维35固定在三维微位移平台30上，用来调整各透镜纤维和该沟道型平面波导放大器1的相对位置，以提高耦合效率。当然，如果使用空间光光路，可以用合适的透镜来取代透镜纤维将光耦合进/出沟道型平面波导。图11给出了针对该实施例中针对掺杂稀土Er的Ge-Ga-S沟道型平面波导放大器的放大性能测量结果。从图11中可以看出，该掺杂稀土Er的硫系玻璃沟道型平面波导放大器的放大增益在250mW的输入功率下可以达到19.5dB。
在该实施例中，通过利用预设好沟道结构的光刻掩膜版对光学基片上旋涂的光刻胶进行曝光和显影，得到显影有沟道结构的光学基片，再利用刻蚀气体产生的等离子体在光学基片上按照显影后的沟道结构刻蚀多个沟道，最终，将选用的掺杂稀土的硫系材料利用熔融-淬火法凝聚在刻蚀有沟道的光学基片上，形成位于光学基片表面上的硫系薄膜；并且，将选用的所述掺杂稀土的硫系材料利用熔融-淬火法凝聚在光学基片的沟道内，从而得到所要制备的平面波导放大器。
相较于传统平面波导放大器制备方法需要对光学基片上的掺杂稀土的薄膜做刻蚀处理以得到沟道，在该实施例中，刻蚀气体产生的等离子体直接提前对光学基片做刻蚀处理以得到沟道，然后再在光学基片的表面以及沟道内凝聚掺杂稀土的硫系材料，形成掺杂稀土的硫系薄膜，避免等离子体直接对稀土离子做刻蚀，从而避免了因掺杂的稀土离子无法被等离子刻蚀而造成所制备的沟道型平面波导放大器结构表面及边墙出现较大的粗糙度，这样可以确保沟道型平面波导放大器结构表面和边墙的平整性，降低了光学传输损耗，进而提高了沟道型平面波导放大器的放大增益性能。
另外，在该实施例中，利用熔融-淬火法将选用的掺杂稀土的硫系材料凝聚在刻蚀有沟道的光学基片上以及光学基片的沟道内，避免了稀土掺杂材料在薄膜制作过程中因经历分解成原子或者离子状态的过程而丧失活性和稀土荧光性能退化的情况发生，从而提高了掺杂在硫系材料中的稀土离子的光学稳定性，使得所形成的掺杂稀土的硫系薄膜也表现出较好的光学稳定性，进而进一步提高了沟道型平面波导放大器的放大性能。
该实施例提供一种光学器件，该光学器件应用有上述的掺杂稀土Er的硫系玻璃沟道型平面波导放大器。当然，也可以根据实际需要，在诸如分路器(Splitter)、星形耦合器(Star coupler)、可调光衰减器(Variable Optical Attenuator,VOA)、光开关(Opticalswitch)、光梳(Interleaver)和阵列波导光栅(Array Waveguide Grating,AWG)等光学器件上应用上述的掺杂稀土Er的硫系玻璃沟道型平面波导放大器。
该实施例提供一种设备。具体地，该设备应用有上述的任一种光学器件。
实施例二
本实施例提供一种掺杂稀土Er的硫系玻璃沟道型平面波导放大器制备方法，硫系玻璃所对应使用的硫系材料为Ge-Ga-Se。参见图2所示，该掺杂稀土Er的硫系玻璃沟道型平面波导放大器制备方法，包括如下步骤1～步骤4：
步骤1，预先在选择的光学基片11上设计好沟道结构；其中，选择的光学基片为石英基片，光学基片11上的沟道结构预先按照如下步骤a1～步骤a2方式处理得到：
步骤a1，在光学基片11上旋涂光刻胶；
步骤a2，利用预设沟道结构的光刻掩膜版对上述的光刻胶进行曝光和显影，得到显影有沟道结构的光学基片；其中，该预设沟道结构含有多个沟道，该实施例按照如下步骤a21～步骤a23的方式在光刻掩膜版上设计沟道结构：
步骤a21，确定待制备平面波导放大器所需要的稀土Er掺杂材料的折射率以及所需要光学基片11的折射率；此处的稀土Er掺杂材料的折射率为n1，石英基片的折射率为n2，
步骤a22，根据确定的稀土Er掺杂材料的折射率n1和光学基片11的折射率n2，模拟1.5μm波长处的光场分布；
步骤a23，根据模拟的光场分布，在光刻掩膜版上制作与该光场分布相匹配的沟道结构。其中，利用稀土Er掺杂材料的折射率n1和石英基片的折射率n2来模拟1.5μm波长处的光场分布，属于本领域技术人员容易知道的常规技术手段，此处针对光场分布的具体模拟过程不再赘述；
步骤2，利用刻蚀气体产生的等离子体按照光学基片上已显影的沟道结构刻蚀多个沟道；其中，此处采用的刻蚀气体为CHF3气体和Ar气的混合气体，CHF3气体和Ar气的混合气体所对应刻蚀腔的压强值范围为1～10Pa，刻蚀靶的射频功率为50～200W；石英基片11在刻蚀沟道前以及刻蚀沟道后的结构情况分别参见图4和图5所示；此时残留在光学基片11上的光刻胶也可以根据需要做洗去处理；
步骤3，将选用的掺杂稀土Er的硫系材料Ge-Ga-Se利用熔融-淬火法凝聚在刻蚀有沟道110的光学基片11上，形成位于光学基片11表面上的硫系Ge-Ga-Se薄膜；
步骤4，将选用的上述掺杂稀土Er的硫系材料Ge-Ga-Se利用熔融-淬火法凝聚在光学基片11的沟道110内，得到所要制备的平面波导放大器。
为了提高制备到的平面波导放大器的表面的平滑，该实施例的沟道型平面波导放大器制备方法在执行完毕步骤4之后，还会将位于沟道110外侧且突出于光学基片11表面的凝聚后的硫系薄膜做抛光处理，从而确保平面波导放大器的表面的平滑。具体地，此处可以根据位于沟道110外侧的硫系Ge-Ga-Se薄膜突出于光学基片11表面的厚度做出处理：当硫系Ge-Ga-Se薄膜突出于光学基片11表面的厚度大于预设厚度阈值时，抛去该硫系Ge-Ga-Se薄膜；否则，不予抛去该硫系Ge-Ga-Se薄膜。
为了降低掺杂稀土Er的硫系材料Ge-Ga-Se在凝聚过程中的晶化速度，该实施例的硫系玻璃沟道型平面波导放大器制备方法还会在该掺杂稀土Er的硫系材料Ge-Ga-Se凝聚过程中采用冰水、液氮或者加入诸如镍这样的微量过渡金属元素，来降低晶化速度。
该实施例还提供一种利用上述掺杂稀土Er的硫系玻璃沟道型平面波导放大器制备方法制备得到的沟道型平面波导放大器。参见图6所示，也即光学基片的沟道内完全凝聚填充有稀土掺杂的硫系材料时的示意图，此时对应的产品是沟道型平面波导放大器。该沟道型平面波导放大器1包括光学基片11，光学基片11上利用刻蚀气体产生的等离子体刻蚀有若干沟道110，光学基片11的表面具有利用熔融-淬火法凝聚的掺杂稀土Er的硫系材料Ge-Ga-Se所形成的Ge-Ga-Se硫系薄膜，各沟道110内完全填充有利用熔融-淬火法凝聚的掺杂稀土Er的硫系材料Ge-Ga-Se。
为了使得该掺杂稀土Er的硫系玻璃沟道型平面波导放大器的结构表面以及边墙没有明显的粗糙，整体上非常平整，在该实施例的硫系玻璃沟道型平面波导放大器中，参见图7所示，填充在沟道110内的该掺杂稀土Er的硫系材料Ge-Ga-Se的厚度小于该沟道110的深度。如此，可以确保位于沟道110的外侧没有多余的掺杂稀土Er的硫系材料Ge-Ga-Se。这样，在各沟道110的外侧也就不会形成突出于光学基片11的掺杂稀土Er的Ge-Ga-Se硫系薄膜，所得硫系玻璃沟道型平面波导放大器的表面更为平整。
该实施例对制备得到的掺杂稀土Er的硫系玻璃沟道型平面波导放大器(参见图7所示状态的平面波导放大器产品)的光学放大性能(或称为增益性能)做出了测量。参见图10所示，在硫系玻璃沟道型平面波导放大器的放大增益性能测试系统中，泵浦光光源31发出的泵浦光以及信号光光源32发出的信号光通过耦合器件33经一根透镜纤维34耦合进入到制备的沟道型平面波导放大器1中，信号光经过沟道型平面波导放大器1的放大后，在该沟道型平面波导放大器1的另一侧通过另外一根透镜纤维35耦合进入到光谱仪36，从而实现对放大后的信号光进行测量。其中，信号光光源32与耦合器件33之间设置有一个衰减器37。上述的透镜纤维34和透镜纤维35固定在三维微位移平台30上，用来调整各透镜纤维和该沟道型平面波导放大器1的相对位置，以提高耦合效率。当然，如果使用空间光光路，可以用合适的透镜来取代透镜纤维将光耦合进/出沟道型平面波导。图12给出了针对掺杂稀土Er的Ge-Ga-Se沟道型平面波导放大器的放大性能测量结果。从图12中可以看出，该掺杂稀土Er的硫系玻璃沟道型平面波导放大器的放大增益在250mW的输入功率下可以达到25dB。
在该实施例中，通过利用预设好沟道结构的光刻掩膜版对光学基片上旋涂的光刻胶进行曝光和显影，得到显影有沟道结构的光学基片，再利用刻蚀气体产生的等离子体在光学基片上按照显影后的沟道结构刻蚀多个沟道，最终，将选用的掺杂稀土的硫系材料利用熔融-淬火法凝聚在刻蚀有沟道的光学基片上，形成位于光学基片表面上的硫系薄膜；并且，将选用的所述掺杂稀土的硫系材料利用熔融-淬火法凝聚在光学基片的沟道内，从而得到所要制备的平面波导放大器。
相较于传统平面波导放大器制备方法需要对光学基片上的掺杂稀土的薄膜做刻蚀处理以得到沟道，在该实施例中，刻蚀气体产生的等离子体直接提前对光学基片做刻蚀处理以得到沟道，然后再在光学基片的表面以及沟道内凝聚掺杂稀土的硫系材料，形成掺杂稀土的硫系薄膜，避免等离子体直接对稀土离子做刻蚀，从而避免了因掺杂的稀土离子无法被等离子刻蚀而造成所制备的沟道型平面波导放大器结构表面及边墙出现较大的粗糙度，这样可以确保沟道型平面波导放大器结构表面和边墙的平整性，降低了光学传输损耗，进而提高了沟道型平面波导放大器的放大增益性能。
另外，在该实施例中，利用熔融-淬火法将选用的掺杂稀土的硫系材料凝聚在刻蚀有沟道的光学基片上以及光学基片的沟道内，避免了掺杂的稀土材料在薄膜制备过程中因经历分解成原子或者离子状态的过程而丧失活性和稀土荧光性能的情况发生，从而提高了掺杂在硫系材料中的稀土离子的光学稳定性，使得所形成的掺杂稀土的硫系薄膜也表现出较好的光学稳定性，进而进一步提高了沟道型平面波导放大器的放大性能。
该实施例提供一种光学器件，该光学器件应用有上述的掺杂稀土Er的硫系玻璃沟道型平面波导放大器。当然，也可以根据实际需要，在诸如分路器(Splitter)、星形耦合器(Star coupler)、可调光衰减器(Variable Optical Attenuator,VOA)、光开关(Opticalswitch)、光梳(Interleaver)和阵列波导光栅(Array Waveguide Grating,AWG)等光学器件上应用上述的掺杂稀土Er的硫系玻璃沟道型平面波导放大器。
该实施例提供一种设备。具体地，该设备应用有上述的任一种光学器件。
需要说明的是，在实际的平面波导放大器的制备过程中，可以根据实际需要，选择诸如Er或Pr或Ho或Dy或Tm等稀土材料以及其他硫系材料，以制备不同的平面波导放大器。
尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.沟道型平面波导放大器制备方法，其特征在于，包括如下步骤S1～步骤S3：
步骤S1，利用刻蚀气体产生的等离子体按照光学基片上已显影的沟道结构刻蚀多个沟道；
步骤S2，将选用的掺杂稀土的硫系材料利用熔融-淬火法凝聚在刻蚀有沟道的所述光学基片上，形成位于光学基片表面上的硫系薄膜；
步骤S3，将选用的所述掺杂稀土的硫系材料利用熔融-淬火法凝聚在所述光学基片的沟道内，得到所要制备的平面波导放大器。
2.根据权利要求1所述的沟道型平面波导放大器制备方法，其特征在于，在步骤S1之前还包括：
步骤a1，在光学基片上旋涂光刻胶；
步骤a2，利用预设沟道结构的光刻掩膜版对所述光刻胶进行曝光和显影，得到显影有沟道结构的光学基片；其中，该预设沟道结构含有多个沟道。
3.根据权利要求1所述的沟道型平面波导放大器制备方法，其特征在于，在步骤S3之后还包括：将位于沟道外侧且突出于光学基片表面的凝聚后的硫系薄膜做抛膜处理。
4.根据权利要求3所述的沟道型平面波导放大器制备方法，其特征在于，根据位于沟道外侧的所述硫系薄膜突出于光学基片表面的厚度做出抛膜处理：
当所述硫系薄膜突出于光学基片表面的厚度大于预设厚度阈值时，抛去该硫系薄膜；否则，不予抛去该硫系薄膜。
5.根据权利要求2所述的沟道型平面波导放大器制备方法，其特征在于，在步骤a1与步骤a2之间还包括：洗去残留在所述光学基片上的光刻胶。
6.根据权利要求2所述的沟道型平面波导放大器制备方法，其特征在于，按照如下步骤b1～步骤b3的方式在所述光刻掩膜版上设计所述沟道结构：
步骤b1，确定待制备平面波导放大器所需要的稀土掺杂材料的折射率以及所需要光学基片的折射率；
步骤b2，根据确定的所述稀土掺杂材料的折射率和所述光学基片的折射率，模拟预设波长数值处的光场分布；
步骤b3，根据模拟的光场分布，在光刻掩膜版上制作与该光场分布相匹配的沟道结构。
7.根据权利要求1～6任一项所述的沟道型平面波导放大器制备方法，其特征在于，在步骤S3中还包括：在所述掺杂稀土的硫系材料的凝聚过程中执行降低晶化速度措施的步骤。
8.根据权利要求1～6任一项所述的沟道型平面波导放大器制备方法，其特征在于，所述稀土为Er或Pr或Ho或Dy或Tm，所述硫系材料为Ge-Ga-S或者Ge-Ga-Se。
9.沟道型平面波导放大器，包括光学基片(11)，其特征在于，所述光学基片(11)上刻蚀有若干沟道(110)，所述光学基片(11)的表面具有利用熔融-淬火法凝聚的掺杂稀土的硫系材料所形成的硫系薄膜，各沟道(110)内完全填充有利用熔融-淬火法凝聚的掺杂稀土的硫系材料。
10.根据权利要求9所述的沟道型平面波导放大器，其特征在于，填充在沟道(110)内的所述掺杂稀土的硫系材料的厚度小于该沟道(110)的深度。
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