一种离子掩膜制作玻璃光波导的方法技术

本发明专利技术公开了一种离子掩膜制作玻璃光波导的方法。首先通过Ｋ↑［＋］离子交换工艺在玻璃基片上制作Ｋ↑［＋］扩散区，作为后续离子交换的掩膜；而后采用掩膜反型技术制作一层Ｋ↑［＋］离子扩散区上的薄膜，用于阻止在后续离子交换过程中高折射率离子透过Ｋ↑［＋］扩散区的扩散；最后采用含有高极化率离子的熔盐进行离子交换，在玻璃基片上获得形状改善的高折射率离子扩散区。这种方法中Ｋ↑［＋］离子扩散区上的薄膜的制备只需要薄膜制作工艺和选择性腐蚀工艺，具有易于实施的特点，同时，由于薄膜完全阻止了高极化率离子通过离子掩膜的扩散，这种工艺比常用的离子掩膜离子交换工艺可以获得性能更优的条形光波导。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光器件、集成光学领域，尤其涉及。
技术介绍
集成光路是指在同一块衬底的表面上，用折射率略高的材料制作光波导，并以此为基础再制作光源、光栅等各种器件。通过这种集成化，可以实现光学系统的小型化、轻量化、稳定化和高性能化的目的。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。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。自从1972年，T.Izawa和H.Nakagome发表了第一篇关于采用离子交换工艺在玻璃基片上制作光波导的研究论文以来，采用这种工艺在玻璃基片上制作光波导器件的研究引起了许多研究机构和企业界的持续关注。经过三十余年的研究与开发，一些采用这种技术制备的集成光学器件，如光功分器和光放大器，已经从纯粹的实验室研究走向产业化阶段，并成功地应用于光通信和光传感网络，有力地推进了光信息产业的快速发展。通常使用的离子交换工艺(如图1所示)是在玻璃基片1表面制作阻止离子扩散的掩膜2(通常是厚度为微米或亚微米数量级的Al、Ag、Ti、Ni、Cr-Au等金属材料，或者SiO2等电介质材料)，而后将带有掩膜的放入含有高极化率离子(通常是K+、Ag+、Li+、Rb+、Cs+、Cu+、Tl+等)熔盐3中进行离子交换，熔盐中的高极化率离子通过掩膜2形成的扩散窗口与玻璃基片1中的低极化率离子(通常是Na+)进行离子交换，高极化率离子进入玻璃基片1并形成高折射率的离子扩散区4，作为光波导的芯层。一般来讲，由于在光波导制作过程中离子的侧向扩散，高折射率的离子扩散区4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。采用电场辅助二次离子交换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，并进而改善光波导模场分布的对称性，降低光波导器件和与光纤的耦合损耗。但二次离子交换的方法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，而且降低了器件的生产效率。另一种改善离子扩散区形状的方案是采用离子掩膜的方法，利用离子间的相互挤压作用限制高折射率离子的侧向扩散，改善光波导芯层的形状，如图2所示。这种方案的具体步骤首先在玻璃基片1上采用微细加工手段(包括蒸发或溅射等沉积工艺、光刻、以及腐蚀)制作掩膜2，并形成离子扩散窗口；而后将带有掩膜2的玻璃基片1放入含有K+的熔盐5中进行离子交换，熔盐中的K+经热扩散作用在玻璃基片1中形成K+离子扩散区6，作为下一步离子交换的离子掩膜；掩膜下方的K+离子未扩散到的区域形成下一步的离子交换窗口。而后将掩膜2去除，将玻璃片放入含有高极化率离子(通常是Ag+)的熔盐3中进行离子交换，含有高极化率离子的熔盐3中的高极化率离子通过离子掩膜形成的扩散窗口与玻璃基片1中的低极化率离子(通常是Na+)进行离子交换，高极化率离子进入玻璃基片1并形成形状改善的高折射率离子扩散区7，作为光波导的芯层。这种方法可以有效地抑制高极化率离子的横向扩散，但K+离子扩散区6在第二次离子交换过程中不能完全阻止高极化率离子进入玻璃基片，导致平板波导的形成，影响光波导器件的性能。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，不同于传统的离子掩膜制备玻璃基光波导的方法，这种方案实施过程中采用了掩膜反型技术，使离子交换制备条形光波导的过程中，高极化率的阳离子不会通过K+离子扩散区6(离子掩膜)进入玻璃基片，对光波导的性能造成影响。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是采用微细加工手段在玻璃基片的上表面制作掩膜，并在掩膜上形成离子交换窗口，而后将带有掩膜的玻璃基片放入含有K+的熔盐中进行离子交换，熔盐中的K+经热扩散作用在玻璃基片中形成K+离子扩散区，掩膜下方K+离子未扩散的区域形成下一步的离子交换窗口；其特征在于将玻璃基片连同上表面的掩膜清洗后，采用蒸发或溅射工艺在玻璃基片上表面制作与掩膜材料不同的薄膜，由于掩膜的存在，新制备的薄膜以两种形式存在K+离子扩散区上的薄膜，和掩膜上的薄膜；采用湿法腐蚀工艺，选用对掩膜有腐蚀作用而对K+离子扩散区上的薄膜和掩膜上的薄膜无腐蚀作用的腐蚀剂，经过腐蚀作用，掩膜连同掩膜上的薄膜被去除，而K+离子扩散区上的薄膜留在玻璃基片表面；将表面带有K+离子扩散区上的薄膜的玻璃基片放入含有高极化率离子熔盐中进行第二步离子交换，熔盐中的高极化率离子通过K+离子扩散区形成的扩散窗口与玻璃基片中的低极化率离子进行离子交换，高极化率离子进入玻璃基片并形成形状改善的高折射率离子扩散区，形成光波导的芯层。所述的玻璃基片是掺杂稀土离子或不掺杂稀土离子的硅酸盐玻璃，磷酸盐玻璃或硼酸盐玻璃。含有高极化率离子的熔盐所含的高极化率离子是Tl+、Ag+、Li+、Cs+、Rb+或Cu+。所述的掩膜材料是Al、Ag、Ti、Ni、Cr-Au或SiO2。K+离子扩散区上的薄膜和掩膜上的薄膜为Al、Ag、Ti、Ni、Cr-Au或SiO2。含有高极化率离子的熔盐所含的阴离子是NO3-、CO32-、SO42-或Cl-。与通常的离子掩膜制备光波导的方案相比，本专利技术所述的方案具有的有益效果是在K+离子交换制作离子掩膜之后采用掩膜反型技术制作了阻止高极化率离子进入K+离子扩散区的K+离子扩散区上的薄膜，提高了光波导器件的性能。同时K+离子扩散区上的薄膜的制备只需要薄膜制作工艺和选择性腐蚀工艺，而不需要套刻工艺，因此具有易于实施的特点。附图说明图1是离子交换法制备表面条形光波导的示意图。图2是通常的离子掩膜法制备条形光波导的示意图。图3是本专利技术所述离子掩膜法制备条形光波导的示意图。图中1.玻璃基片，2.掩膜；3.含有高极化率离子的熔盐，4.高极化率离子扩散区，5.含有K+的熔盐，6.K+离子扩散区，7.形状改善的高折射率离子扩散区，8.K+离子扩散区上的薄膜，9.掩膜上的薄膜。具体实施例方式参照图3所示，本专利技术所提出的离子掩膜制备玻璃基光波导的方法的实施步骤如下(1)采用微细加工手段(包括蒸发或溅射等沉积工艺、光刻、以及腐蚀)在玻璃基片1的表面制作掩膜2(通常是厚度为微米或亚微米数量级的Al、Ag、Ti、Ni、Cr-Au等金属材料，或者SiO2等电介质材料)；而后将带有掩膜1的玻璃基片1放入含有K+的熔盐5中进行离子交换，交换温度在320～450℃之间选择，交换时间的确定保证K+离子扩散区不形成平板波导，熔盐中的K+经热扩散作用在玻璃基片1中形成K+离子扩散区6，作为下一步的离子交换的离子掩膜，掩膜下方K+离子未扩散的区域形成下一步的离子交换窗口。(2)将玻璃基片1连同表面的掩膜2清洗后，采用蒸发或溅射等薄膜制作工艺在玻璃基片上制作与掩膜2材料不同的薄膜(厚度为微米或亚微米数量级的Al、Ag、Ti、Ni、Cr-Au等金属材料，或者SiO2等电介质材料)，由于玻璃基片1表面掩膜2，这层薄层材料以两种形式存在K+离子扩散区上的薄膜8，和掩膜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种离子掩膜制作玻璃光波导的方法，采用微细加工手段在玻璃基片（１）的上表面制作掩膜（２），并在掩膜上形成离子交换窗口，而后将带有掩膜（２）的玻璃基片（１）放入含有Ｋ↑［＋］的熔盐（５）中进行离子交换，熔盐中的Ｋ↑［＋］经热扩散作用在玻璃基片（１）中形成Ｋ↑［＋］离子扩散区（６），掩膜下方Ｋ↑［＋］离子未扩散的区域形成下一步的离子交换窗口；其特征在于：将玻璃基片（１）连同上表面的掩膜（２）清洗后，采用蒸发或溅射工艺在玻璃基片上表面制作与掩膜（２）材料不同的薄膜，由于掩膜 （２）的存在，新制备的薄膜以两种形式存在：Ｋ↑［＋］离子扩散区（６）上的薄膜（８），和掩膜（２）上的薄膜（９）；　采用湿法腐蚀工艺，选用对掩膜（２）有腐蚀作用而对Ｋ↑［＋］离子扩散区（６）上的薄膜（８）和掩膜（２）上的薄膜（９）无腐 蚀作用的腐蚀剂，经过腐蚀作用，掩膜（２）连同掩膜（２）上的薄膜（９）被去除，而Ｋ↑［＋］离子扩散区（６）上的薄膜（８）留在玻璃基片表面；将表面带有Ｋ↑［＋］离子扩散区（６）上的薄膜（８）的玻璃基片（１）放入含有高极化率离子熔盐（３） 中进行第二步离子交换，熔盐中的高极化率离子通过Ｋ↑［＋］离子扩散区（６）形成的扩散窗口与玻璃基片（１）中的低极化率离子进行离子交换，高极化率离子进入玻璃基片（１）并形成形状改善的高折射率离子扩散区（７），形成光波导的芯层。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郝寅雷，王明华，李锡华，吕金良，许坤良，周海权，
申请(专利权)人：浙江南方通信集团股份有限公司，浙江大学，
类型：发明
国别省市：33[中国|浙江]