CN1719291A

CN1719291A - 一种玻璃光波导的制作方法

Info

Publication number: CN1719291A
Application number: CN 200510026155
Authority: CN
Inventors: 吴亚明; 郝寅雷
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2005-05-25
Filing date: 2005-05-25
Publication date: 2006-01-11

Abstract

本发明提供了一种玻璃光波导的制作方法，其主要特征是：首先通过离子交换工艺制备平板光波导，而后采用干法刻蚀或者湿法腐蚀工艺在平板光波导的基础上获得条形光波导或者脊形光波导。制作工艺是(1)用离子交换工艺在玻璃的表面获得扩散层；(2)通过光刻、掩膜、湿法腐蚀或干法刻蚀工艺，在步骤(1)形成的扩散层上制作条形光波导或脊形光波导的芯层；(3)制作上包层。在步骤(1)和(2)之间或步骤(2)和(3)之间进行第二次离子交换，每次离子交换工艺后选择性插入退火工艺。与常用的离子交换法相比，这种方法具有更大的灵活性，可以更方便地控制光波导芯部的几何形状和折射率分布，从而更方便地对光波导的模场分布进行优化。

Description

一种玻璃光波导的制作方法

技术领域

本发明涉及一种玻璃光波导的制作方法，更确切地说是通过离子交换工艺与干法刻蚀或湿法腐蚀工艺相结合的方法制作玻璃光波导。属于光器件、集成光学领域。

背景技术

通常使用的集成光学器件制备工艺可以分为两类：一类是沉积法，包括等离子增强化学气相沉积法(PECVD)、火焰水解法(FHD)、溶胶-凝胶法(sol-gel)等，其中以PECVD法最为常用；另一类是扩散法，包括铌酸锂基片上的金属扩散、质子交换，以及玻璃基片上的离子交换法。

通常的PECVD法制备硅基片二氧化硅光波导的过程(图1)为：首先在硅基片1上制作一层二氧化硅缓冲层2，作为光波导的下包层；而后在缓冲层上沉积光波导的芯层3，在光波导的芯层上面制作光波导的掩膜图形4，通过反应离子刻蚀工艺(RIE)得到条形的光波导芯层5，最后制作光波导的上包层6。采用这种工艺可以获得高性能的集成光波导器件，这种工艺的缺点在于所用的PECVD设备的成本和维护费用极其昂贵，不仅大大提高了集成光学器件的成本，也限制了这种方法的广泛使用。

采用离子交换技术在玻璃基片上制备的集成光学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，成本低廉等等。玻璃基片上的集成光学器件近年来受到了研究者们的关注。

通常使用的离子交换工艺(参阅图2)是将玻璃基片7放入含有高极化率离子熔融的熔盐8中进行离子交换，玻璃基片上有掩膜4形成的扩散窗口。在此过程中，融盐中的高极化率离子通过掩模形成的扩散窗口与玻璃中的低极化率离子进行离子交换，高极化率离子进入玻璃并向玻璃内部扩散，形成一个高极化率的区域9，作为波导的芯层，玻璃基片7作为波导的包层。一般来讲，由于在光波导制作过程中离子的侧向扩散，离子扩散形成的高折射率区呈扁平状，因而使其模场分布不对称，增大与单模光纤的耦合损耗，而且表面散射损耗也很大。

为了减小离子交换光波导器件的插入损耗，可以采用两次离子交换的方法制作掩埋式光波导的途径来改善光波导芯层折射率的对称性，并进而改善光波导模场分布的对称性，降低光波导的表面散射损耗和与光纤的耦合损耗。第二次离子交换在含有低极化率离子的熔盐10中进行，并通常在两个电极11产生电场的辅助下进行，第二次离子交换得到的波导芯层12位于玻璃基片的表面以下。但这种电场辅助离子交换比纯粹的热离子交换需要更复杂的实验设备，对离子交换的工艺条件的要求也更苛刻，不仅增大了器件制作成本，而且器件降低了器件的生产效率。(图3)

发明内容

本发明的目的在于提供一种玻璃光波导的制作方法，其主要特征是：通过离子交换工艺与干法刻蚀或者湿法腐蚀工艺相结合的途径，控制条形光波导的横截面的几何形状和折射率分布，达到改善条形光波导模场分布的目的。

本发明提供的改善离子交换光波导模场分布的方法首先通过离子交换制作平板光波导，而后通过干法刻蚀或者湿法腐蚀确定光波导横截面的横向尺寸，获得条形或者脊型光波导。

与通常的离子交换光波导制备工艺一样，本发明所述方法具有很大的灵活性：所用玻璃基片既可以是硅酸盐玻璃，磷酸盐玻璃，也可以是硼酸盐玻璃；可以采用未掺杂稀土离子的玻璃基片，也可以采用掺杂稀土离子的玻璃基片；离子交换所采用的熔盐所含的高极化率掺杂离子可以是：Tl⁺、Ag⁺、K⁺、Li⁺、Cs⁺、Rb⁺、Cu⁺，玻璃中所含的低极化率离子的极化率低于相应掺杂离子的极化率。

不同于通常的离子交换光波导制作工艺，本发明所述的光波导制作方法有如下重要特征：

(1)本发明提供的制作方法首先通过离子交换工艺制作平板光波导，而后在此基础之上采用干法刻蚀或者湿法腐蚀工艺确定光波导横截面的横向尺寸，获得条形或者脊型光波导。

(2)条形光波导或者脊型光波导的模场分布更方便地控制。第一步离子交换工艺确定了光波导在玻璃基片厚度方向上的折射率分布，第二步干法刻蚀或者湿法腐蚀工艺确定条形光波导或者脊型光波导横截面在平行于玻璃基片方向上的尺寸。

(3)光波导制备过程中所采用的干法刻蚀工艺可以是离子束刻蚀、反应离子刻蚀(RIE)、ICP刻蚀中的一种。

(4)刻蚀或腐蚀的深度可以大于或等于离子扩散深度，也可以小于离子扩散深度，就是说等于光波导横截面，或是条形光波导，或是脊形光波导。

(5)在光波导器件制备工艺中，每一步离子交换工艺后，可以选择性地插入退火工艺。

(6)刻蚀后可以制作上包层，也可以以空气作为上包层。

本发明所述的方法具有以下优点：

(1)与PECVD法相比，本发明所述方法不用昂贵的设备，制作成本大大降低。

(2)与通常的离子交换法相比，这种方法可以更方便地对光波导的模场进行控制。通常的一次离子交换工艺制备的光波导的芯层呈扁平状；掩埋式光波导的制作需要复杂的设备和苛刻的控制精度；本发明所述的方法在离子交换法制备的平板光波导的基础上通过干法刻蚀或者湿法腐蚀工艺确定光波导的尺寸，可以更方便地调整光波导芯部的几何形状和折射率分布，从而更方便地对光波导的模场分布进行优化。

附图说明

图1是PECVD法在硅基片上制作二氧化硅光波导的工艺流程图。

图2是离子交换工艺在玻璃基片上制作表面光波导的示意图。

图3是第二步离子交换工艺在玻璃基片上制作掩埋式光波导的示意图。

图4是采用本发明所述方法制作光波导的途径之一的示意图。

图5是采用本发明所述方法制作光波导的途径之二的示意图。

图6是采用本发明所述方法制作光波导的途径之三的示意图。

其中1是硅基片，2是沉积法制备的二氧化硅缓冲层，3是沉积法制备的光波导芯层，4是掩膜，5是干法刻蚀形成的条形光波导的芯层，6是沉积法制备的光波导的上包层，7是玻璃基片，8是含有高极化率离子的熔盐，9是玻璃基体内部形成的高极化率区域，10是含有低极化率离子的熔盐，儿是电极，12是二次离子交换得到的光波导的芯层，13是离子交换得到的扩散层，14是通过干法刻蚀工艺得到的条形光波导的芯层，15是经过第二次离子交换得到的扩散层，16是通过干法刻蚀工艺得到的条形光波导的芯层，17是第二次离子交换后得到的条形光波导的芯层。

具体实施方式

下面通过多种方式实施的玻璃光波导制作方法描述，以进一步阐述本发明实质性特点和显著的进步。

实施例1

参照图4，通过以下几个步骤制作玻璃光波导：

(1)离子交换(可以单进行离子交换，也可以在离子交换后进行退火)在玻璃的表面获得扩散层13；

(2)通过微细加工工艺(光刻、制作掩膜、湿法腐蚀或者干法刻蚀等)在离子交换形成的扩散层的基础上制作条形光波导或者脊型光波导的芯层14，腐蚀或者刻蚀的深度可以根据不同的设计要求确定，并可以进行退火处理；

(3)制作上包层6。

实施例2

参照图5，本实施例所述的玻璃光波导可以通过以下几个步骤实施：

(2)进行第二次离子交换，得到扩散层15，并可以进行退火处理；

(3)通过微细加工工艺(光刻、制作掩膜、湿法腐蚀或者干法刻蚀等)在离子交换形成的扩散层的基础上制作条形光波导或者脊型光波导的芯层16，腐蚀或者刻蚀的深度可以根据不同的设计要求确定，并可以进行退火处理；

(4)制作上包层6。

实施例3

参照图6，本实施例所述玻璃光波导是通过以下几个步骤实施的：

(3)进行第二次离子交换，获得光波导的芯层17，并可以进行退火处理；

(4)制作上包层6。

在上述实施例中，可以根据具体的需要，在工艺过程中添加退火过程，退火温度可以等于离子交换温度，也可以高于或低于离子交换温度。

Claims

1、一种玻璃光波导的制作方法，其特征在于通过离子交换工艺制备平板光波导，而后采用干法刻蚀或者湿法腐蚀工艺在平板光波导的基础上获得条形光波导或者脊型光波导。

2、按权利要求1所述的玻璃光波导的制作方法，其特征在于具体制作工艺是：

(1)用离子交换工艺在玻璃的表面获得扩散层；

(2)通过光刻、掩膜、湿法腐蚀或干法刻蚀工艺，在步骤(1)形成的扩散层上制作条形光波导或脊形光波导的芯层；

(3)制作上包层。

3、按权利要求2所述的玻璃光波导的制作方法，其特征在于步骤(1)和步骤(2)之间进行第二次离子交换；或在步骤(2)或步骤(3)之间进行第二次离子交换。

4、如权利要求1-3中任一项所述的玻璃光波导的制作方法，其特征在于在光波导器件制备工艺中，每一步离子交换工艺后，可选择性地插入退火工艺，退火温度等于离子交换温度，或高于或低于离子交换温度。

5、如权利要求1-3中任一项所述的玻璃光波导的制作方法，其特征在于制备光波导所使用的玻璃基片是硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃或硼酸盐玻璃中一种。

6、如权利要求1-3中任一项所述的玻璃光波导的制作方法，其特征在于制备光波导所使用的玻璃基片可以掺杂稀土离子，也可以不掺杂稀土离子。

7、如权利要求1-3中任一项所述的玻璃光波导的制作方法，其特征在于离子交换所采用的熔盐所含的高极化率掺杂离子可以是：Tl⁺、Ag⁺、K⁺、Li⁺、Cs⁺、Rb⁺、Cu⁺中的一种或数种，玻璃中所含的参与交换的离子的极化率低于相应掺杂离子的极化率。

8、如权利要求1-3中任一项所述的玻璃光波导的制作方法，其特征在于光波导制备过程中所采用的干法刻蚀工艺可以是离子束刻蚀、反应离子刻蚀或刻蚀。

9、如权利要求1-3中任一项所述的玻璃光波导的制作方法，其特征在于腐蚀的深度可以大于或等于离子扩散深度，也可以小于离子扩散深度，等于光波导的横截面或是条形光波导，或是脊型光波导。

10、如权利要求1-3中任一项所述的玻璃光波导的制作方法，其特征在于刻蚀后制作上包层，或以空气作为上包层。