基于玻璃基离子交换掩埋光波导的集成光学芯片制造技术

本实用新型专利技术涉及一种基于玻璃基离子交换掩埋光波导的集成光学芯片，该集成光学芯片主要由玻璃衬底和离子交换掩埋光波导组成；所述的离子交换掩埋光波导位于玻璃衬底内部，与玻璃衬底上表面的距离为0～7500μm。制法包括以下步骤：镀膜、光刻、腐蚀、去胶、一次交换、二次交换、划片、研磨抛光。与现有技术相比，本实用新型专利技术可减小芯片的偏振依赖性以及消除芯片的内部应力，具有寿命长、稳定可靠等优点。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及光通信领域的集成光学芯片，尤其涉及基于玻璃基离子交换掩埋光波导的集成光学芯片及制作方法。
技术介绍
目前，市场上应用于光通信的集成光学芯片，主要基于PECVD技术制造而成。PECVD技术即等离子增强的化学气相沉积技术，其技术原理是利用低温等离子体作为能量源，将晶圆置于低气压下辉光放电的阴极上，采用辉光放电或额外发热体使样品升温到预定温度，然后通入适量的反应气体，气体在微波或射频的作用下发生电离，在局部形成等离子体，由于等离子体活性很强，气体经过一系列化学反应与等离子体反应，在晶圆表面形 成固态的薄膜，进而通过退火工艺形成可用于制备光波导的膜层。而PECVD的平面光波导制备技术还包含了多重膜生长、退火以及膜层刻蚀技术。其制备得到的光波导如图4所示，光波导呈四层结构，最下层为衬底层7，衬底层7上生长了一层下包层8，下包层8上为经过多重膜生长、刻蚀的波导芯层10，呈矩形结构，芯层10上再覆以上包层+作为保护。虽然基于PECVD技术的集成光学芯片具有良好的光学特性，但是由于其波导区的截面呈现矩形结构，使得其具有较大的偏振依赖性，同时基于PECVD技术的集成光学芯片的制作方法采用了多重膜生长、退火技术，工艺要求很高并且芯片内部残留的应力会影响芯片长期使用的稳定性和可靠性。
技术实现思路
本技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可减小芯片的偏振依赖性以及消除芯片的内部应力，寿命长、稳定可靠的基于玻璃基离子交换掩埋光波导的集成光学芯片及其制法。本技术的目的可以通过以下技术方案来实现一种基于玻璃基离子交换掩埋光波导的集成光学芯片，其特征在于，该集成光学芯片主要由玻璃衬底和离子交换掩埋光波导组成；所述的离子交换掩埋光波导位于玻璃衬底内部，与玻璃衬底上表面的距离为0 7500 u mD所述的离子交换掩埋光波导与玻璃衬底上表面的距离为离子交换掩埋光波导的波导边缘与玻璃衬底上表面的距离，当离子交换掩埋光波导的波导上侧未完全从玻璃衬底上表面分离时，所述的离子交换掩埋光波导与玻璃衬底上表面的距离为0 i! m。所述的离子交换掩埋光波导为折射率渐变型波导，在玻璃衬底内水平方向上分为三个区域输入波导区、功能结构区和输出波导区，所述的功能结构区连接输入波导区和输出波导区。所述的输入波导区由单直波导或2 256端口的直波导阵列构成；所述的功能结构区的结构为满足无源光器件的拓扑结构；所述的输出波导区为单直波导或2 256端口的直波导阵列。所述的功能结构区的结构为分路结构或耦合结构。—种基于玻璃基离子交换掩埋光波导的集成光学芯片的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤I)镀膜在玻璃晶圆上表面镀上一层厚度为50 IOOOnm的掩膜；2)光刻通过旋涂在掩膜上形成一层光刻胶膜，接着采用加热烘烤方式固化光刻胶膜，然后采用曝光和显影技术将光刻板上的图样转印至光刻胶膜上，最后再次加热烘烤完成光刻胶膜的再固化；3)腐蚀将带有光刻胶膜的玻璃晶圆放置于加热的腐蚀液中，通过腐蚀液对掩膜的选择性腐蚀将光刻胶膜的图样转印至掩膜上；4)去胶将光刻胶膜从玻璃晶圆上去除；5) 一次交换将带有图样的掩膜的玻璃晶圆放置于一次交换的熔盐中，通过源离子的自由热扩散或是电场辅助扩散在玻璃晶圆表面无掩膜区形成离子交换表面光波导；6) 二次交换去除玻璃晶圆表面的掩膜，将带有离子交换表面光波导的玻璃晶圆放置于二次交换的熔盐中，通过自由热扩散或是电场辅助扩散的方式将玻璃晶圆的表面光波导掩埋至玻璃晶圆上表面下方0 7500um处；7)划片将二次交换完成的玻璃晶圆按照离子交换掩埋光波导图样上的切割标记分割成尺寸一致的芯片单元；8)研磨抛光将芯片单元进行切割端面的研磨抛光形成基于玻璃基离子交换掩埋光波导的集成光学芯片。步骤(I)所述的掩膜的镀膜材料为金属镀膜材料或非金属镀膜材料，所述的金属镀膜材料为耐高温抗强氧化性的金属镀膜材料，所述的非金属镀膜材料为氧化物或氮化物镀膜材料。所述的金属镀膜材料为铝、金、钛或钼；所述的非金属镀膜材料为二氧化硅、氧化招、三氧化二铬、氧化铜或氮化娃。步骤(2)所述的光刻板上的图样以集成光学芯片的器件设计图为单元，通过周期型排列组合而成。所述的光刻板上的图样为1X8的光分路器设计单元周期型排列组合而成的光刻板图样。步骤(2)所述的加热烘烤方式为热板或烘箱加热烘烤方式，加热烘烤的温度为90-100°C，时间为 0. 5-lho步骤(3)所述的腐蚀液的腐蚀温度为30 300°C ;腐蚀液为掩膜材料对应的常规化学腐蚀剂。所述的腐蚀液的腐蚀温度为40 200°C ;所述的腐蚀液为磷酸腐蚀液、氢氟酸腐蚀液、稀硫酸腐蚀液、王水腐蚀液或双氧水加氟化铵混合液。步骤⑷所述的去胶通过选择性溶解、剥离或腐蚀方法。步骤(5)所述的一次交换的源离子为银离子、钾离子或铊离子中的一种或几种的组合；所述的一次交换的熔盐为硝酸银、硝酸钾、硝酸铊中的一种或几种的组合，或是硝酸银、硝酸钾、硝酸铊中的一种或几种的组合再与硝酸钠、硝酸镁、硝酸钙的一种及以上混合而成的熔盐。步骤(6)所述的二次交换的熔盐为硝酸纳、硝酸钙、硝酸镁中的一种或几种的组合，或是硝酸纳、硝酸钙、硝酸镁中的单组份熔盐或组合熔盐再与硝酸银、硝酸钾、硝酸铊中的一种或几种的组合混合而成的熔盐。所述的自由热扩散的温度范围为180 600°C，所述的电场辅助扩散的温度范围为180 800°C，电压范围为50 1000V。所述的自由热扩散的温度范围为200 400°C，所述的电场辅助扩散的温度范围为200 400°C，电压范围为100 600V。与现有技术相比，本技术具有以下优点一、工艺简单工艺步骤简短，控制相对容易。二、工艺容差大不具有如PECVD工艺的成膜、退火等严格工艺过程，且离子交换工艺还具有一定的瑕疵修正能力。 三、偏振不依赖性该专利技术具有很低的偏振相关损耗，不会因输入光的偏振态的变化引起芯片性能较大的变化。四、稳定性与可靠性该专利技术具有的应力很小，对芯片的长期使用和环境考验不会造成质的影响。五、成本低廉实现该专利技术所需的设备简单，成本低廉，具有与基于PECVD技术的同类产品的竞争优势。附图说明图I为本技术实施例I的基于玻璃基离子交换掩埋光波导的集成光学芯片的整体结构示意图；图2为图I的A-A垂直截面图，也是掩埋光波导的垂直截面示意图；图3为本技术的制作方法的工艺流程图；图4为现有光波导的结构示意图。图中1、玻璃衬底,2、离子交换掩埋光波导,3、输入波导区,4、功能结构区,5、输出波导区，6、距玻璃衬底上表面距尚，7、衬底层，8、下包层，9、上包层，10、心层。具体实施方式以下结合附图和具体实施例对本技术进行详细说明。实施例I如图1-4所示，以基于玻璃基离子交换掩埋光波导的1X4光分路器芯片进行说明。该芯片主要由玻璃衬底I、离子交换掩埋光波导2两部分组成；离子交换掩埋光波导2位于玻璃衬底I内部，距玻璃衬底上表面距离6为15 ii m。离子交换掩埋光波导在玻璃衬底内水平方向上分为三部分输入波导区3、功能结构区4和输出波导区5，所述的功能结构区4连接输入波导区3和输出波导区5，本实施例中，输入波导区3为输入单端口直波导区、功能结构区4为级联分支结构区，输出波导区5为输出四端口直波导阵本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于玻璃基离子交换掩埋光波导的集成光学芯片，其特征在于，该集成光学芯片主要由玻璃衬底和离子交换掩埋光波导组成；所述的离子交换掩埋光波导位于玻璃衬底内部，与玻璃衬底上表面的距离为0～7500μm。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郑伟伟，王毅强，王明华，杨建义，郝寅雷，商惠琴，
申请(专利权)人：上海光芯集成光学股份有限公司，
类型：实用新型
国别省市：