一种提高玻璃基光波导芯片均匀性的方法技术

本发明专利技术涉及一种提高玻璃基光波导芯片均匀性的方法，包括：S1、在准备好的玻璃基片上制作光波导形成所用掩膜；S2、将形成光波导掩膜的玻璃基片进行离子交换形成表面光波导；S3、利用腐蚀工艺去除光波导形成的所用掩膜；S4、通过微细加工技术在玻璃基片表面制作外阻挡层；S5、对制作有外阻挡层的玻璃基片利用电场辅助离子迁移技术形成掩埋式离子掺杂区；S6、利用微细加工技术去除外阻挡层形成光波导。在进行电场辅助离子迁移制作掩埋式光波导过程中，由于玻璃基片上“空白区域”的表面层上高电阻率外阻挡层的存在，增大了玻璃基片上“空白区域”的电阻，抑制了玻璃基片的温升幅度，提高了玻璃基片上光波导掩埋深度的均匀性。

【技术实现步骤摘要】
一种提高玻璃基光波导芯片均匀性的方法
本专利技术属于光器件、集成光学技术改进领域，尤其涉及一种采用通过在玻璃基片表面制作外阻挡层提高离子交换光波导芯片上光波导期间均匀性的方法。
技术介绍
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、调制器、开关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、稳定化和高性能化。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。上世纪70年代，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与系列化，并成功地用于光通信、光互连和光传感网络，并显示出巨大的竞争力。通常使用的离子交换技术，如图1所示，是在玻璃基片(1)表面制作薄膜（厚度为亚微米数量级的Al、Cr-Au等金属材料，或者SiO2等电介质材料），并在薄膜上形成离子交换窗口，形成光波导形成所用掩膜(2)。而后将带有光波导形成所用掩膜(2)的玻璃基片(1)放入含有掺杂离子的熔盐(3)（掺杂离子通常是Ag+、Tl+或者Cs+等）中进行离子交换，含有掺杂离子的熔盐(3)中的掺杂离子通过光波导形成所用掩膜(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)并形成玻璃表面的离子掺杂区(4)，作为表面光波导的芯层。在玻璃表面的离子掺杂区(4)形成过程中，由于掺杂离子的横向扩散，玻璃表面的离子掺杂区(4)呈扁平状，因此其光波导模场分布不对称，光波导与光纤的耦合损耗很大；另一方面，玻璃表面的离子掺杂区(4)位于玻璃基片(1)的表面，光导波在玻璃表面缺陷处的散射将引入很高的传输损耗。制作掩埋式的光波导可以改善光波导芯层折射率分布的对称性，因此可以使光波导模场分布的对称性得到改善，降低光波导器件与光纤的耦合损耗。同时，使光波导的芯部埋入玻璃表面以下，可消除玻璃表面缺陷引起的光导波的散射，降低器件的传输损耗。掩埋式光波导的制作通常采用电场辅助离子迁移的方式。如图2所示，对一次离子交换后的玻璃基片(1)进行电场辅助离子迁移。在此过程中，不含掺杂离子的熔盐(5)分别位于玻璃基片(1)两侧，作为电极。在两侧的不含掺杂离子的熔盐(5)中分别插入两根电极引线(6)，这两根电极引线(6)分别连接直流电源的正电极和负电极（玻璃表面的离子掺杂区(4)所在一侧的电极引线连接正电极），在玻璃基片(1)的两侧施加直流偏压。在此直流偏压的作用下，玻璃表面的离子掺杂区(4)被掩埋进入玻璃基片(1)，形成掩埋式离子掺杂区(7)。在电场辅助离子迁移过程中，玻璃基片(1)中的焦耳热效应会影响所制作光波导的均匀性，并影响到器件性能的均匀性。在直流电场作用下，玻璃基片(1)中会产生电流，相应地，该电流在玻璃基片(1)中产生焦耳热。研究表明，在通常的制作玻璃基光波导器件的技术条件下，焦耳热功率使玻璃基片(1)的温升幅度达到20~50℃。这种情况下，由于玻璃基片(1)中心与边缘散热条件的差异，玻璃基片(1)的中心温度会高于边缘温度。这种温度的差异产生玻璃基片(1)中离子迁移率的差异，因此，最终所获得的光波导掩埋深度在玻璃基片(1)的中心和边缘会产生不同：位于玻璃基片(1)中心位置的波导掩埋深度较深，而位于玻璃基片(1)边缘位置的波导掩埋深度较浅。而且，电场辅助离子迁移的时间越长，这种不均匀性越明显；器件尺寸越大，不同部位的光波导的不均匀性也会变得更加显著。譬如，在一些医用激光无创治疗设备中所用到的多模光波导耦合器中，其掩埋深度达到100微米的数量级。这种情况下，焦耳热效应变得不可忽略。这种掩埋深度的差异会影响所制作器件的性能和成品率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种提高玻璃基光波导芯片均匀性的方法，旨在解决减小掩埋式光波导制作过程中的焦耳热效应的问题。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案的特征是：将玻璃基片中玻璃表面的离子掺杂区所在一侧的“空白区域”（没有光波导的区域）的表面上附加制作成高电阻率的外阻挡层。外阻挡层与形成过程中，以及形成后的玻璃表面的离子掺杂区没有接触；与形成过程中，以及形成后的掩埋式离子掺杂区也没有接触。这种高电阻率的外阻挡层通过微细加工技术获得。由于外阻挡层在电场作用下不会电解产生一价阳离子，因此外阻挡层覆盖的玻璃材料部分在进行电场辅助离子迁移制作掩埋式光波导的过程中表现出巨大的电阻，有效抑制了玻璃基片上“空白区域”的焦耳热效应，同时，由于玻璃基片中“空白区域的”外阻挡层的与光波导芯部之间不接触，因此外阻挡层不影响光波导的形成过程。本专利技术是这样实现的，一种提高玻璃基光波导芯片均匀性的方法，所述方法包括以下步骤：S1、在准备好的玻璃基片上制作光波导形成所用掩膜；S2、将形成光波导掩膜的玻璃基片进行离子交换形成表面光波导；S3、利用腐蚀工艺去除光波导形成的所用掩膜；S4、通过微细加工技术在玻璃基片表面制作外阻挡层；S5、对制作有外阻挡层的玻璃基片利用电场辅助离子迁移技术形成掩埋式离子掺杂区；S6、利用微细加工技术去除外阻挡层形成光波导。本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤S1中还包括以下步骤：S11、采用蒸发或溅射沉积技术在玻璃基片表面制作薄膜；S12、利用光刻和腐蚀或刻蚀加工出离子交换窗口形成光波导形成所用掩膜。本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤S2中将带有光波导形成掩膜的玻璃基片在含有掺杂离子的熔盐中进行离子交换，离子交换温度230~400℃之间，离子交换时间5分钟到4小时之间。本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤S4中包括以下步骤：S41、采用蒸发或溅射沉积技术在玻璃基片(1)的表面制作薄膜；S42、通过光刻和腐蚀或刻蚀对薄膜进行加工形成外阻挡层。本专利技术的进一步技术方案是：所述光波导为条形时，外阻挡层位于玻璃基片表面的离子掺杂区两侧，在玻璃基片表面的离子掺杂区附近区域形成窗口。本专利技术的进一步技术方案是：所述步骤S5中采用不含掺杂离子的熔盐作为电极。本专利技术的进一步技术方案是：所述熔盐的熔化温度在280~400℃之间，在玻璃基片(1)的两侧施加直流偏压，进行电场辅助离子迁移。本专利技术的有益效果是：在进行电场辅助离子迁移制作掩埋式光波导过程中，由于玻璃基片上“空白区域”的表面层上高电阻率外阻挡层的存在，增大了玻璃基片上“空白区域”的电阻，抑制了玻璃基片的温升幅度，提高了玻璃基片上光波导掩埋深度的均匀性。附图说明图1是离子交换法制作表面条形光波导的示意图。图2是电场辅助离子迁移制作掩埋式光波导的示意图。图3是本专利技术实施例提供的制作玻璃基光波导的流程图。图4是本专利技术实施例提供的玻璃基片表面外阻挡层位置与波导关系示意图。图5是本专利技术实施例提供的场辅助离子迁移在具有外阻挡层的玻璃表面制作掩埋式条形光波导的示意图。图6是本专利技术实施例提供的制作完毕的玻璃基掩埋式条形光波导示本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高玻璃基光波导芯片均匀性的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1、在准备好的玻璃基片上制作光波导形成所用掩膜；S2、将形成光波导掩膜的玻璃基片进行离子交换形成表面光波导；S3、利用腐蚀工艺去除光波导形成的所用掩膜；S4、通过微细加工技术在玻璃基片表面制作外阻挡层；S5、对制作有外阻挡层的玻璃基片利用电场辅助离子迁移技术形成掩埋式离子掺杂区；S6、利用微细加工技术去除外阻挡层形成光波导。

【技术特征摘要】
1.一种提高玻璃基光波导芯片均匀性的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1、在准备好的玻璃基片上制作光波导形成所用掩膜；S2、将形成光波导掩膜的玻璃基片进行离子交换形成表面光波导；S3、利用腐蚀工艺去除光波导形成的所用掩膜；S4、通过微细加工技术在玻璃基片表面制作外阻挡层；S5、对制作有外阻挡层的玻璃基片利用电场辅助离子迁移技术形成掩埋式离子掺杂区；S6、利用微细加工技术去除外阻挡层形成光波导。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中还包括以下步骤：S11、采用蒸发或溅射沉积技术在玻璃基片表面制作薄膜；S12、利用光刻和腐蚀或刻蚀加工出离子交换窗口形成光波导形成所用掩膜。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中将带有光波导形成掩膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈钢，江湛成，郝寅雷，李焕，潘文胜，
申请(专利权)人：深圳市慧康精密仪器有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44