一种提高玻璃基光波导芯片均匀性的方法技术

本发明专利技术提供了一种提高玻璃基光波导芯片均匀性的方法，包括：将玻璃基片置于含K+熔盐中进行离子交换处理，在所述玻璃基片表面的非光波导区域形成高电阻率的内阻挡层；通过离子交换处理和电场辅助迁移处理，在带有内阻挡层的玻璃基片上形成与所述内阻挡层不接触的掩埋式离子掺杂区；其中，在进行所述电场辅助迁移处理过程中，通过用玻璃基片表面的高电阻率的内阻挡层，增大玻璃基片非光波导区域的电阻，来抑制玻璃基片的温升幅度，提高玻璃基片中作为光波导的掩埋式离子掺杂区的掩埋深度均匀性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种提高玻璃基光波导芯片均匀性的方法，具体涉及一种通过在玻璃基片表面制作内阻挡层提高离子交换光波导芯片上光波导均匀性的方法，涉及光器件、集成光学领域。
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是在玻璃基片表面形成表面离子掺杂区，作为表面光波导的芯层。在玻璃表面的离子掺杂区形成过程中，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位于玻璃基片的表面，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作用，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，对一次离子交换后的玻璃基片进行电场辅助离子迁移。在电场辅助离子迁移过程中，玻璃基片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，玻璃基片中会产生电流，相应地，该电流在玻璃基片中产生焦耳热。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的温升幅度达到20～50℃。这种情况下，由于玻璃基片中心与边缘散热条件的差异，玻璃基片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的中心和边缘会产生不同：位于玻璃基片中心位置的波导掩埋深度较深，而位于玻璃基片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，光互连中广泛使用的多模波导器件，其掩埋深度达到100微米的数量级，其长度可以超过10cm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
本专利技术为了解决现有制作玻璃基掩埋式光波导技术中存在的技术缺陷，提供一种提高玻璃基光波导芯片均匀性的方法，通过在玻璃基片表面形成高电阻率的内阻挡层，增大玻璃基片非光波导区域的电阻，来抑制玻璃基片的温升幅度，提高玻璃基片中作为光波导的掩埋式离子掺杂区的掩埋深度均匀性。一种提高玻璃基光波导芯片均匀性的方法，包括：将玻璃基片置于含K+熔盐中进行离子交换处理，在所述玻璃基片表面的非光波导区域形成高电阻率的内阻挡层；通过离子交换处理和电场辅助迁移处理，在带有内阻挡层的玻璃基片上形成与所述内阻挡层不接触的掩埋式离子掺杂区；其中，在进行所述电场辅助迁移处理过程中，通过用玻璃基片表面的高电阻率的内阻挡层，增大玻璃基片非光波导区域的电阻，来抑制玻璃基片的温升幅度，提高玻璃基片中作为光波导的掩埋式离子掺杂区的掩埋深度均匀性。其中，所述的将玻璃基片置于含K+熔盐中进行离子交换处理，在所述玻璃基片表面的非光波导区域形成高电阻率的内阻挡层的步骤包括：在玻璃基片表面制作内阻挡层掩膜；将带有内阻挡层掩膜的玻璃基片置于含K+熔盐中进行离子交换处理，使K+通过离子交换进入所述玻璃基片，在所述玻璃基片表面的非光波导区域形成高电阻率的内阻挡层；去除所述带有内阻挡层的玻璃基片表面的内阻挡层掩膜，得到带有内阻挡层的玻璃基片。特别是，所述内阻挡层掩膜的中心轴线与所述玻璃基片表面计划制作光波导位置的中心线重合。尤其是，所述掩膜的宽度大于所述玻璃基片表面计划制作光波导的宽度。特别是，首先采用蒸发或溅射等沉积技术在玻璃基片的表面制作薄膜，并采用光刻和腐蚀(或者刻蚀)方法对薄膜进行加工，形成位置和宽度符合要求的内阻挡层掩膜。尤其是，所述内阻挡层掩膜为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。特别是，所述将具有内阻挡层掩膜的玻璃基片置于含K+熔盐中进行离子交换处理的温度为330-450℃。尤其是，所述将具有内阻挡层掩膜的玻璃基片置于含K+熔盐中进行离子交换处理的时间为30min-24h。其中，所述的通过离子交换处理和电场辅助迁移处理，在带有内阻挡层的玻璃基片上形成与所述内阻挡层不接触的掩埋式离子掺杂区的步骤包括：在所述带有内阻挡层的玻璃基片表面制作含有离子交换窗口的光波导掩膜；将所述带有内阻挡层和光波导掩膜的玻璃基片置于含有掺杂离子的熔盐中进行离子交换处理，使所述熔盐中的掺杂离子通过扩散在玻璃基片表面形成与所述内阻挡层不接触的表面离子掺杂区；去除所述形成了表面离子掺杂区的玻璃基片表面的光波导掩膜；对所述带有内阻挡层和表面离子掺杂区的玻璃基片进行电场辅助迁移处理，使所述玻璃基片表面的表面离子掺杂区在电流作用下向内部推进，形成与所述内阻挡层不接触的掩埋式离子掺杂区。特别是，所述光波导掩膜的离子交换窗口的中心轴线与所述玻璃基片表面计划制作光波导位置的中心线重合。尤其是，所述离子交换窗口的宽度小于所述内阻挡层掩膜的宽度。特别是，首先采用蒸发或溅射等沉积技术在玻璃基片的表面制作薄膜，并采用光刻和腐蚀(或者刻蚀)方法对薄膜进行加工，形成含有离子交换窗口的光波导掩膜。尤其是，所述光波导掩膜为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。特别是，所述将所述具有内阻挡层的玻璃基片置于含有掺杂离子的熔盐中进行离子交换处理的温度为230-400℃。尤其是，所述将所述具有内阻挡层的玻璃基片置于含有掺杂离子的熔盐中进行离子交换处理的时间为5-240min。其中，所述的对所述带有内阻挡层和表面离子掺杂区的玻璃基片进行电场辅助迁移处理的步骤包括：在所述带有内阻挡层和表面离子掺杂区的玻璃基片的两侧分别放置不含掺杂离子的熔盐，将熔盐加热熔化；在所述不含掺杂离子的熔盐中分别插入电极引线，其中表面离子掺杂区所在一侧的电极引线连接电源正极，另一侧连接电源负极；开启电源，对所述带有内阻挡层和表面离子掺杂区的玻璃基片进行电场辅助迁移处理，使所述玻璃基片表面的表面离子掺杂区在电流作用下向内部推进，形成与所述内阻挡层不接触的掩埋式离子掺杂区。其中，所述掺杂离子为Ag+、Tl+或Cs+。特别是，所述玻璃基片的材料为硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃或硼酸盐玻璃。本专利技术的优点和有益技术效果如下：本专利技术提高玻璃基光波导芯片本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高玻璃基光波导芯片均匀性的方法，其特征在于，包括：将玻璃基片置于含K+熔盐中进行离子交换处理，在所述玻璃基片表面的非光波导区域形成高电阻率的内阻挡层；通过离子交换处理和电场辅助迁移处理，在带有内阻挡层的玻璃基片上形成与所述内阻挡层不接触的掩埋式离子掺杂区；其中，在进行所述电场辅助迁移处理过程中，通过用玻璃基片表面的高电阻率的内阻挡层，增大玻璃基片非光波导区域的电阻，来抑制玻璃基片的温升幅度，提高玻璃基片中作为光波导的掩埋式离子掺杂区的掩埋深度均匀性。

【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，包括：将玻璃基片置于含K+熔盐中进行离子交换处理，在所述玻璃基片表面的非光波导区域形成高电阻率的内阻挡层；通过离子交换处理和电场辅助迁移处理，在带有内阻挡层的玻璃基片上形成与所述内阻挡层不接触的掩埋式离子掺杂区；其中，在进行所述电场辅助迁移处理过程中，通过用玻璃基片表面的高电阻率的内阻挡层，增大玻璃基片非光波导区域的电阻，来抑制玻璃基片的温升幅度，提高玻璃基片中作为光波导的掩埋式离子掺杂区的掩埋深度均匀性。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的将玻璃基片置于含K+熔盐中进行离子交换处理，在所述玻璃基片表面的非光波导区域形成高电阻率的内阻挡层的步骤包括：在玻璃基片表面制作内阻挡层掩膜；将带有内阻挡层掩膜的玻璃基片置于含K+熔盐中进行离子交换处理，使K+通过离子交换进入所述玻璃基片，在所述玻璃基片表面的非光波导区域形成高电阻率的内阻挡层；去除所述带有内阻挡层的玻璃基片表面的内阻挡层掩膜，得到带有内阻挡层的玻璃基片。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述内阻挡层掩膜的中心轴线与所述玻璃基片表面计划制作光波导位置的中心线重合，所述掩膜的宽度大于所述玻璃基片表面计划制作光波导的宽度。4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将具有内阻挡层掩膜的玻璃基片置于含K+熔盐中进行离子交换处理的温度为330-450℃，所述离子交换处理的...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝寅雷，曾福林，王志坚，安维，冯泽明，王根成，
申请(专利权)人：中兴通讯股份有限公司，浙江大学，
类型：发明
国别省市：广东;44