CN1469179A - 一种光连续可变衰减片的制备方法和实现装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在玻璃基片上实现光连续可变的方法及实现装置。根据溅射靶材的膜厚分布曲线，设计出用来补偿靶分布的具有特定图形的溅射沉积挡板，从而在玻璃基片上沉积一层厚度变化的衰减金属膜。当入射光沿着膜厚度渐变的方向移动时，其透射光强也是连续变化的，即实现了光的连续衰减。采用该方法制备的衰减片具有衰减线性度良好的优点，可用于不同衰减斜率，不同衰减范围衰减片的制备。而且简单易操作，成本低。

Description

一种光连续可变衰减片的制备方法和实现装置

                       技术领域

本发明涉及一种在玻璃基片上实现光连续可变的方法以及相关的实现装置。

                       背景技术

目前应用在光通讯系统中的光衰减器主要基于以下几种技术：1)电磁或热光晶体，控制电或热信号从而改变光的传输特性，2)将透镜放置在光纤之间，改变透镜和光纤的间距或轴向的偏移，3)在光纤之间插入由金属材料形成的衰减片。对于第三种技术而言，其核心部件——衰减片一般是采用在玻璃基底上通过溅射或热蒸发一层或多层金属膜而制备的，如《Light attenuation element》EP0165015，MATSUMARA FUMIO中介绍的在玻璃基底上分别热蒸发一层铬Cr膜和镍Ni膜，实现了光衰减的目的。采用这种方法只能获得衰减值固定的衰减片，并且衰减量是由金属膜的厚度所决定的，为了得到不同的衰减量，必须沉积不同厚度的金属膜，制备工艺较繁复，工艺的重复性也必然导致衰减量总会有一个δ的变化。这些缺点给此种类型的固定衰减器在实际应用中带来了诸多不便。随着光通讯技术的发展，这种衰减值恒定的衰减器已逐渐被淘汰，但是可以通过改进技术在一块衰减片上沉积厚度均匀变化的金属膜，从而实现光强的连续可调，解决了衰减量不准确的问题，故其在实际应用中变得更容易，更方便。

                       发明内容

当入射光通过一定厚度的金属膜时，其透射光强I＝I₀e^-αH，其中I₀为入射光光强，I为透射光光强，α为金属的吸收系数，H为金属膜厚度，两边取对数， $\lg \frac{I}{I_0}=-\mathrm{\αHlge},$ 即衰减量与膜厚成正比。本发明利用这一原理，主要解决了如何在玻璃基底上获得厚度均匀变化的金属膜，即如何保证衰减线性度的问题，从而完成衰减片的制备。

本发明的目的为了解决现有技术存在的上述问题，提供一种利用沉积档板来补偿沉积设备靶分布的方法及其装置，从而在沉积衬底上实现厚度均匀变化的金属膜，当入射光沿着膜厚度渐变的方向移动时，其透射光强也是连续变化的，即实现了光的连续衰减。采用该方法制备的衰减片具有衰减线性度良好的优点，可用于不同衰减斜率，不同衰减范围衰减片的制备。而且简单易操作，成本低。

本发明结合溅射设备真空室的结构设计出圆形的沉积挡板3，在其上挖出一个一定图形的沉积孔，位置有1和2两种情况，沉积孔1是顶角背向底板5旋转轴心O，沉积孔2是顶角指向旋转轴心O，如图1所示。溅射设备真空室内溅射沉积档板3，玻璃基片4和底板5的相对位置如图2所示，沉积档板3和底板5同轴，玻璃基片4放置在底板5上，沉积孔1或2位于玻璃基片4正上方，玻璃基片4绕轴心做圆周运动。沉积过程中，被溅射的金属原子只有在沉积孔正上方的部分才可以通过档板，其余部分则被阻挡而不能沉积在基片上，随着底板旋转时间长短的不同，在基片上将形成x方向均匀y方向变化的金属膜，而y方向膜厚的变化规律是由溅射沉积档板的形状决定的。具体实现方法包括以下步骤：

(a)测量溅射靶材的分布，即将玻璃衬底放置在靶的正下方，溅射一段时间，然后测量相对于靶径向方向上玻璃衬底的衰减量，一般其衰减量成一曲线变化，即表明溅射过程中靶分布是不均匀的；

(b)根据所要制备的衰减片的尺寸大小，在步骤a所测量的曲线上选取一段，用函数拟合该段曲线；

(c)比较步骤b获得的函数曲线和所希望在衬底上获得的衰减曲线，设计描述沉积孔边缘形状的曲线，从而补偿溅射过程中被溅射材料的分布；

(d)沿靶的径向方向固定补偿档板、玻璃基片和靶的相对位置后，溅射制备衰减片。

衰减片的主要指标包括偏振相关损耗PDL、波长相关损耗WDL以及衰减线性度。PDL与制备工艺有关，而WDL由材料本身决定，所以应选取WDL相对比较小的单质金属或合金。采用溅射的方法沉积金属膜时均匀性较难保证，并且在使用过程中随着靶材的消耗，其分布也会发生改变。

采用该方法制备的衰减片具有衰减线性度良好的优点，可用于不同衰减斜率，不同衰减范围衰减片的制备。而且简单易操作，成本低。并且这种方法具有很大的通用性，可以通过沉积孔的形状补偿任意连续变化的靶分布，能够用于不同衰减斜率，不同衰减范围衰减片的制备。

                       附图说明

图1沉积挡板上沉积孔的位置示意图。

图2玻璃基片和底板相对位置示意图。

图3制备的衰减片用步进电机测试的曲线图。

                       具体实例

结合溅射设备真空室的结构设计出圆形的沉积挡板3，在其上挖出一个一定图形的沉积孔，沉积孔1是顶角背向底板5旋转轴心O，如图1所示。溅射设备真空室内溅射沉积档板3，玻璃基片4和底板5的相对位置如图2所示，沉积档板3和底板5同轴，玻璃基片4放置在底板5上，沉积孔1位于玻璃基片4正上方，玻璃基片4绕轴心做圆周运动。采用直流溅射的方法沉积衰减片，要求其衰减线性度为L＝ky，L为衰减损耗，y为衰减片长度。首先测量靶的分布，根据衰减片的有效长度选择一段分布较均匀的区域。为了论证的方便，假设沉积孔1的图形为三角形。假定ΔABC之顶角∠BAC＝α，三角形的高Ab为h，Ob为r，a1a2为2x，角∠a1Oa2＝θ，ba定义为y。基片4A1A2弧上的每一点在旋转一周后曝露于沉积孔的时间为t，由于线速度V＝R×ω，通过沉积孔的线长为R×θ，则 $t=\frac{R\×\mathrm{\θ}}{V}=\frac{\mathrm{\θ}}{\mathrm{\ω}},$ 在经过总的沉积时间T后，基片A1A2弧上的每一点曝露于沉积孔的总时间(有效沉积时间)为： $T_e=\frac{T}{2\mathrm{\π}/\mathrm{\ω}}t=\frac{T}{2\mathrm{\π}}\mathrm{\θ}.$ 如果在径向R上的溅射沉积速率VR均匀，则基片上的沉积厚度为 $H=T_e\×V_R=\frac{T}{2\mathrm{\π}}\mathrm{\θ}\×V_R\×\mathrm{\θ},$ 因而，三角孔沉积时基片上的沉积厚度与θ成正比。显然，对于沉积孔y＝k₁x+c的三角尺边，θ与y不是线性关系，因而在y方向的膜层厚度也非线性变化。由于 $\mathrm{tg}\frac{\mathrm{\θ}}{2}=\frac{x}{r+y},$ 当θ很小时， $\frac{\mathrm{\θ}}{2}\≈\mathrm{tg}\frac{\mathrm{\θ}}{2},$ 如果选用关系式x＝k₂(r+y)y，这时沉积孔的边缘形状将变为二次曲线，那么 $\frac{\mathrm{\θ}}{2}\≈k_{2}y,$ H∝θ∝ y，在y方向可以得到膜层厚度线性变化的结果，从而保证了衰减线性度L＝ky，k由沉积时间决定。同样，对于顶角指向旋转轴心O的情况可以得到类似的结果。

图3为本实施例的采用上述方法，在一定的溅射条件下，所制备的衰减片用步进电机测试的结果。最小插损小于0.05dB，8mm有效行程内衰减范围大于30dB。衰减曲线除了在从0dB～2dB过渡时衰减分辨率较小外，基本上呈一直线，并且在30dB的衰减范围内PDL＜0.1dB，WDL＜0.3dB。

本发明的这种方法具有很大的通用性，可以通过沉积孔的形状补偿任意连续变化的靶分布，能够用于不同衰减斜率，不同衰减范围衰减片的制备。

Claims (3)

1、一种用来补偿溅射设备靶分布的装置，其特征在于该装置是在被溅射的衬底和溅射靶之间放置具有一定开口图形的溅射沉积档板(3)，并且其开口图形的形状是由溅射设备的分布曲线和希望在衬底上得到的曲线二者共同决定的。

2、利用权利要求1所述的装置来实现光连续可变衰减片的制备方法，包括如下步骤：

(a)测量玻璃衬底上溅射靶材的分布曲线；

(b)根据所要制备的衰减片的尺寸大小，在步骤a所测量的曲线上选取一段，用函数拟合该段曲线；

(c)比较步骤b获得的函数曲线和所希望在衬底上获得的衰减曲线，设计描述沉积孔边缘形状的曲线，从而补偿溅射过程中被溅射材料在玻璃基片上的分布；

(d)沿靶的径向方向固定补偿档板、玻璃基片和靶的相对位置后，溅射制备衰减片。

3、根据权利要求1所述的装置，其特征在于沉积档板(3)和底板(5)同轴，玻璃基片(4)放置在底板(5)上，沉积孔(1或2)位于玻璃基片(4)正上方，玻璃基片(4)可绕轴心做圆周运动。