包含量子点引导层的光波导和制造方法技术

说明了一种具有量子点的平面型波导及该平面型波导的制造方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术通常涉及平面型波导，特别是涉及具有量子点的平面型波导。
技术介绍
量子点常常被定义成具有小于材料的电子或空穴的德布罗意波长的维度的小颗粒。作为量子限制效应的结果，量子点的电子特性可以不同于相应的体积值。这些量子限制效应源自电子和空穴沿三个维度上的限制。例如，随着量子点的尺寸减小，量子限制效应能导致能隙的增加。因而，随着量子点尺寸减小，由量子点发出的光移向更高的能量或更短的波长。通过控制量子点的尺寸以及形成量子点的材料，量子点的特性可以适合特定的应用。用掺杂了量子点的玻璃通过距离放大信号的潜力是有希望的。为此，象铒半导体光学放大器一样，量子点可以通过信号放大提供增益。另选地，可以实现发射激光。有利的是量子点波导放大器和激光器比源自砷化镓的半导体结构更为简单和便宜。已知包含量子点的玻璃材料。例如，授予Borrelli等人并转让给本受让人的美国专利5,449,645公开了包含硫化铅(PbS)量子点的玻璃材料。这种玻璃材料由包含铅和硫的初级粒子和形成氧化物的玻璃一起制成。然后对该玻璃进行二级热处理，以产生玻璃中的毫微结晶PbS相。在玻璃内产生的结晶PbS颗粒(常称为微晶)满足前述‘量子点’维度标准。从而实现量子限制效应。该参考文献公开了硒化铅(PbSe)量子点的形成。PbS和PbSe量子点的一个特别的优点是能隙的位置基本上可以控制在约1.0μm至约2.5μm的体材料间隙之间。因为典型的通信波长约为1.5μm，这些结构提出串联放大(例如，泵)或发射激光应用或两者的可行的另选方案。另外，假定它们较强的光学非线性，它们的取决于温度的吸收及它们较强的光致发光，PbS量子点具有用于各种光子学的各种应用和其它光学应用中的潜力。虽然量子点结构具有许多有用的应用，光的导向对许多这种应用非常重用。值得注意的是，由光波导结构提供的光模限制可用于实现量子点的基本均匀激活并按许多电信应用中所要求的那样在长距离上这样做。因而，所需要的是一种在引导或激活层具有量子点的波导及波导的制造方法。
技术实现思路
根据一个实施例，制造包含量子点的平面型波导的方法包括提供玻璃材料；和选择性地将第一类型的离子引入玻璃材料，其中第一类型的离子在玻璃中与第二类型的离子交换，以增加玻璃材料的所选择的区域中的折射率。根据另一实施例，平面型波导包括具有第一类型的成分和量子点的包层。该波导还包括具有量子点和第二类型的成分(至少部分代替第一成分)的激活层。附图说明通过结合附图阅读下列详细说明，本专利技术得以最好的理解。应强调不一定按比例绘制各种特征。实际上，为了清楚说明可能任意加大和缩小尺寸。图1为根据一个实施例的平面型波导的剖视图。图2为根据一个实施例制造光波导的方法的流程图。图3为根据一个实施例的波导中的折射率与距离的图。图4为根据一个实施例的波导中的折射率与距离的图。图5为根据一个实施例的波导中的折射率与距离的图。图6为根据一个实施例的横截波导的光模的轮廓。图7为根据一个实施例的波导的光强度与波长的图形表示。具体实施例方式在下列详细说明中，列出公开特定细节的实施例以便于理解本专利技术。列出实施例是为了解释而非限制。本领域的普通技术人员将理解可以对实施例的形式和细节进行各种改变而不偏离所附权利要求的范围。另外，将省略熟知材料和方法的说明，以不混淆实施例的说明。然而，可以根据实施例使用这些在本领域的普通技术人员的知识范围的材料和方法。图1为根据一个实施例的平面型波导100的部分剖视图。平面型波导100包括第一包层101和包括多个量子点103的引导或激活层102。设置在激活层102上的是第二包层104。第一和第二包层101和104分别具有小于激活层102的折射率的折射率。图1中所示的实施例的波导示例地包括下列范围(摩尔％)的成分的NaCa-硅酸铝硼(NaCa-boroaluminosilicate)玻璃约56％-约60％的SiO2；约4％-约6％的Al2O3；约16％-约18％的B2O3；约10％-约15％的Na2O；约9％-约10％的CaO；和0.5％的PbS。如将在这里更详细地说明的，在特定实施例中，激活层102经历钾离子(K+)或银离子(Ag+)对钠离子(Na+)的离子交换反应，以合适地提高折射率以确保激活或引导层102、202中的光限制。另选地，离子交换可以是以铷离子(Rb+)或铯(Cs+)交换玻璃的钠离子。虽然实施例的说明针对包括上述PbS量子点和离子交换反应物的玻璃成分，应强调这些材料是示例性的，并且可以将其它材料和量子点结构用于特定实施例中。例如，另选的量子点材料包括但不限于CuCl、CuBr2、Cu2O、AgCl、CdS、CdSe、CdTe、ZnO、ZnS、In2O3、PbSe或PbTe。如本领域的普通技术人员将理解的那样，所选择的量子点材料的能量带隙和玻尔半径是为它们的光学特性和限制所选择的。很清楚，不同的应用会允许选择不同的材料。在特定的实施例中，调整范围(波长)为约1000nm至约2500nm，并选择量子点材料以为这种波长范围提供合适的带隙。通过类似的分析，根据所希望的调整范围，选择量子点材料以具有与所希望的调整范围的波长范围相等的带隙能量。最后，这些另选量子材料的特定细节可以在KluwerAcademic Press/Plenum出版社的Alexander L.Efros等人的“SemiconductorNanocrystals”，(2004)18页，找到。特别将这一参考文献通过引用包括在此。PbS量子点103具有约2.0nm至约5.0nm数量级(小于18nm的体激发玻尔半径)的半径。因此，量子点在牢固的三维限制范围内。另外，量子点在300K具有约0.4电子伏特的带隙，允许跨近红外线光谱调整地面激活的状态变换。当然，这包括约1300nm至约1550nm的电信传输频带。除了这些所希望的属性外，量子点102还提供可用于某应用(例如激光器)中的模式锁定并提高增益的非线性光学特性。图2为根据一个实施例的由量子点玻璃材料制造波导的方法的流程图。该方法包括在步骤201提供玻璃材料。特定实施例中，玻璃材料是上述NaCa-硅酸铝硼(NaCa-boroaluminosilicate)玻璃材料。玻璃通过在石英坩埚中以1350℃熔化原料而成，接着碾磨，压碎并两次重新熔化玻璃以确保玻璃的均匀性。在步骤202中，实现量子点的成核和生长。在特定实施例中，示例性地通过将来自完成的步骤201的玻璃在约600℃下加热例如约6小时来实现成核。量子点的生长通过将成核后的玻璃在约675℃下加热约1.5小时来实现。这一生长顺序将具有1s-1s吸收的PbS量子点沉淀至约1550nm。在另一特定实施例中，可以在655℃下加热约1至2小时来沉淀PbS量子点的生长。这导致约1200nm的吸收边缘。应强调可以设计量子点的带隙，以用生长温度和时间的类似变化来提供不同的吸收边缘。另外，应强调可以使用其它热处理。在步骤S203中，执行掩模顺序，以形成实施例的量子点波导结构的激活层。示例掩模顺序用于平面型波导的形成。最初用合适的溶剂清洁玻璃表面，接着脱离子水(DI)漂洗；DI超声波清洁步骤；和氧等离子体清洁步骤，所有这些在玻璃制造都是熟知的。在特定实施例中，在150W和100mtorr进本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造包含量子点的波导的方法，所述方法包括：提供玻璃材料；选择性地将第一类型的离子引入玻璃材料，其中所述第一类型的离子与在玻璃中出现的第二类型的离子交换，以增加玻璃材料的选定区域中的折射率。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：NF博雷利，S森，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]