专利名称：玻璃基掩埋光波导的制作方法
技术领域：
本发明涉及光器件、集成光学领域，尤其涉及一种采用离子交换技术在玻璃基片上制作掩埋光波导的方法。
背景技术：
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。
作为一类重要的集成光学器件，采用离子交换法在玻璃基片上制作的光器件一直受到企业界和研究者们的重视。自上世纪70年代始，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。原因在于这种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。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和光传感网络。离子交换技术在玻璃基片上形成的表面光波导结构如图I左图所示。由于玻璃基片I中表面掺杂区2呈扁平状，因而使其模场分布不对称，光波导与单模光纤的耦合损耗很大；另一方面，表面掺杂区2位于玻璃基片I的表面,光导波在玻璃基片I表面的散射将引入很高的传输损耗。通过电场辅助离子迁移技术可以将表面掺杂区2埋入玻璃基片I表面以下，变成内部掺杂区3，形成掩埋光波导。掩埋光波导的制作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稱合损耗。同时，掩埋光波导的芯部在玻璃表面以下，使光导波不在玻璃表面产生散射，降低了器件的传输损耗。然而，现有的电场辅助离子迁移过程由于有严重的不足其一，由于采用熔点相对较高的NaNO3(NaNO3熔点约 307°C )做电极，决定了离子迁移的温度必须高于在此温度；在此温度下的离子迁移过程中，玻璃基片I中的离子掺杂区会发生明显的热扩散，尺寸严重增大，无法实现与单模光纤的尺寸匹配，使光波导具有较大的耦合损耗。其二，硝酸盐对玻璃基片有一定腐蚀作用，高温下这种腐蚀作用尤其明显，特别是对于磷酸盐玻璃，熔盐的腐蚀作用会严重影响玻璃基集成光器件的性能。
发明内容
本发明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熔融温度底、对玻璃基片腐蚀作用小的玻璃基掩埋光波导的制作方法。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现一种玻璃基掩埋光波导的制作方法，该方法是以多组分熔盐为电极，将表面掺杂离子形成了表面掺杂区的玻璃基片置于多组分熔盐中，通过电场辅助使表面掺杂的离子进入玻璃基片内部并形成内部掺杂区，在玻璃基片上制作掩埋光波导，其特征在于，所述的多组分熔盐由KNO3(O 20wt% )、NaNO3 (20 95wt% )、Mg (NO3)2 (O 50wt% )、Ca (NO3)2 (5 50wt% )，以及对应于玻璃基片材料中玻璃形成体氧化物的粉末(O O. 5wt% )混合而成。所述的玻璃基片的材料是硅酸盐玻璃，磷酸盐玻璃或硼酸盐玻璃，对应于玻璃基片材料中玻璃形成体氧化物的粉末分别为SiO2粉末、P2O5粉末或B2O3粉末。所述的电场辅助使表面掺杂的离子进入玻璃基片内部的温度为180_380°C。所述的电场辅助使表面掺杂的离子进入玻璃基片内部的温度为180_300°C。所述的玻璃基片的表面掺杂区和内部掺杂区中掺杂离子为Ag+、Rb+、Cs+或Tl+。所述的电场辅助是在玻璃基两侧分别放置多组分熔盐，在多组分熔盐中分别插入电极引线，接入直流电源，施加50-1000V的电压5min-40h。所述的电极引线的材料为Au，Pt，Cu，Ag或Al。本发明采用多组分熔盐为电极，通过对制作有表面掺杂区的玻璃基片进行电场辅助离子迁移，在玻璃基片上制作掩埋光波导。在玻璃基片两侧分别放置多组分熔盐；在多组分熔盐中，分别插入电极引线，并分别将其连接直流电源的正、负极；正电极和负电极之间施加直流偏压，并保持一定时间。在此直流偏压的作用下，玻璃基片表面掺杂区埋入玻璃基片表面以下，变成内部掺杂区，形成掩埋光波导。与现有技术相比，本发明中采用了多组分熔盐作为电极，这种熔盐的熔化温度可以调节到100°C甚至更低，因此使电场辅助离子迁移的温度选择的灵活性大幅度提高，控制离子掺杂区更加简单，光波导器件的性能更加可靠。不仅如此，由于可以选择较低的温度进行离子交换，熔盐对玻璃的腐蚀作用大幅度降低。
图I玻璃基片上表面光波导与掩埋光波导的示意图；图2是电场辅助离子迁移过程的示意图。图中1.玻璃基片；2.表面掺杂区；3.内部掺杂区；4.多组分熔盐；5.电极引线。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。在玻璃基片表面掺杂离子形成表面掺杂区得到表面光波导，由玻璃(可以是娃酸盐玻璃、磷酸盐玻璃或硼酸盐玻璃)基片上的表面光波导(图I中左图所示)通过电场辅助离子迁移的方法制作掩埋光波导(图I中右图所示)的过程如下(如图1-2所示)。(A)将表面制作有光波导的玻璃基片I装入特制的电场辅助离子迁移器具，放入高温炉中升至离子迁移温度(离子迁移温度根据所多组分熔盐4的成分和玻璃基片I而定，一般在180 380C之间)。(B)将熔融的多组分熔盐 4 (由 KNO3 (O 20wt % )、NaNO3 (20 95wt % )、Mg (NO3)2 (O 5Owt % ), Ca (NO3)2 (5 5Owt % )，以及对应于玻璃基片材料中玻璃形成体氧化物的粉末(O O. 5wt% )混合而成)分别倒入玻璃基片(I)的两侧；在玻璃基片I两侧的多组分熔盐4中分别插入连接在直流电源正、负极的电极引线5 (参见图2)，开启直流电源。离子迁移时间根据设计要求确定，在5分钟到40小时之间。(C)基片清洗。将玻璃基片I表面残余的盐用去离子水冲洗干净。、
(D)退火。将玻璃基片I在一定温度下保温进行退火处理。实施例I :在硅酸盐玻璃基片上制作浅掩埋光波导。(A)将表面制作有光波导的硅酸盐玻璃基片I装入特制的电场辅助离子迁移器具,放入高温炉中升至180°C。(B)将熔融的多组分熔盐4(由 KN03(10wt% ) ,NaNO3(50wt% ) ,Mg(NO3)2 (15wt% )、Ca(NO3)2 (24. 5wt%),以及SiO2粉末(O. 5wt % )混合而成)分别倒入玻璃基片I的两侧。在玻璃基片I两侧的多组分熔盐4中分别插入连接在50V直流电源正、负极的电极引线5 (Au材料制作)(参见图2)，开启直流电源。离子迁移时间5分钟。(C)基片清洗。将玻璃基片I表面残余的盐用去离子水冲洗干净。 (D)退火。将玻璃基片I在一定温度下保温进行退火处理。实施例2:在硅酸盐玻璃基片上制作深掩埋光波导。(A)将表面制作有光波导的硅酸盐玻璃基片I装入特制的电场辅助离子迁移器具,放入高温炉中升至380°C。(B)将熔融的多组分熔盐4(由 KN03(10wt% ) ,NaNO3(50wt% ) ,Mg(NO3)2 (15wt% )、Ca(NO3)2 (24. 5wt% ),以及SiO2粉末(O. 5wt% )混合而成)分别倒入玻璃基片I的两侧。在玻璃基片I两侧的多组分熔盐4中分别插入连接在1000V直流电源正、负极的电极引线5 (Au材料制作)(参见图2)，开启直流电源。离子迁移时间40小时。(C)基片清洗。将玻璃基片I表面残余的盐用去离子水冲洗干净。(D)退火。将玻璃基片I在一定温度下保温进行退火处理。实施例3 在硼酸盐玻璃基片上制作浅掩埋光波导。(A)将表面制作有光波导的硼酸盐玻璃基片I装入特制的电场辅助离子迁移器具,放入高温炉中升至300°C。(B)将熔融的多组分熔盐 4(由 NaNO3(40wt % )、Mg(NO3)2(25wt % )、Ca(NO3)2 (34. 5wt%),以及B2O3粉末(O. 5wt% )混合而成)分别倒入玻璃基片I的两侧。在玻璃基片I两侧的多组分熔盐4中分别插入连接在200V直流电源正、负极的电极引线5 (Pt材料制作)(参见图2)，开启直流电源。离子迁移时间50分钟。(C)基片清洗。将玻璃基片I表面残余的盐用去离子水冲洗干净。(D)退火。将玻璃基片I在一定温度下保温进行退火处理。实施例4 在硼酸盐玻璃基片上制作深掩埋光波导。(A)将表面制作有光波导的硼酸盐玻璃基片I装入特制的电场辅助离子迁移器具,放入高温炉中升至280°C。(B)将熔融的多组分熔盐4 (由NaNO3 (95wt % ) >Ca (NO3) 2 (5wt % )混合而成)分别倒入玻璃基片I的两侧。在玻璃基片I两侧的多组分熔盐4中分别插入连接在600V直流电源正、负极的电极引线5(Pt材料制作)(参见图2)，开启直流电源。离子迁移时间20h。(C)基片清洗。将玻璃基片I表面残余的盐用去离子水冲洗干净。
(D)退火。将玻璃基片I在一定温度下保温进行退火处理。实施例5
在磷酸盐玻璃基片上制作浅掩埋光波导。(A)将表面制作有光波导的磷酸盐玻璃基片I装入特制的电场辅助离子迁移器具,放入高温炉中升至180°C。(B)将熔融的多组分熔盐4(由 KN03(20wt% ) ,NaNO3(20wt% ) ,Mg(NO3)2 (50wt% )、Ca(NO3)2O. 8wt% ),以及P2O5粉末(O. 2wt% )混合而成)混合而成)分别倒入玻璃基片I的两侧。在玻璃基片I两侧的多组分熔盐4中分别插入连接在200V直流电源正、负极的电极引线5 (Au材料制作)(参见图2)，开启直流电源。离子迁移时间30分钟。(C)基片清洗。将玻璃基片I表面残余的盐用去离子水冲洗干净。(D)退火。将玻璃基片I在一定温度下保温进行退火处理。实施例6 在磷酸盐玻璃基片上制作深掩埋光波导。(A)将表面制作有光波导的磷酸盐玻璃基片I装入特制的电场辅助离子迁移器具,放入高温炉中升至180°C。(B)将熔融的多组分熔盐 4(由 KNO3(15wt % )、NaNO3(25wt % )、Mg(NO3)2 (9. 7wt% ), Ca(NO3)2 (50wt% )，以及 P2O5 粉末(O. 3wt% )混合而成)混合而成)分别倒入玻璃基片I的两侧。在玻璃基片I两侧的多组分熔盐4中分别插入连接在600V直流电源正、负极的电极引线5(A1材料制作)(参见图2)，开启直流电源。离子迁移时间10h。(C)基片清洗。将玻璃基片I表面残余的盐用去离子水冲洗干净。(D)退火。将玻璃基片I在一定温度下保温进行退火处理。
权利要求
1.一种玻璃基掩埋光波导的制作方法,该方法是以多组分熔盐为电极，将表面掺杂离子形成了表面掺杂区的玻璃基片置于多组分熔盐中，通过电场辅助使表面掺杂的离子进入玻璃基片内部并形成内部掺杂区，在玻璃基片上制作掩埋光波导，其特征在于，所述的多组分熔盐由 KNO3(O 20wt% )、NaNO3(20 95wt% ) ,Mg(NO3)2 (O 50wt% ) ,Ca(NO3)2 (5 50wt% ),以及对应于玻璃基片材料中玻璃形成体氧化物的粉末(O O. 5wt% )混合而成。
2.根据权利要求I所述的一种玻璃基掩埋光波导的制作方法，其特征在于，所述的玻璃基片的材料是硅酸盐玻璃，磷酸盐玻璃或硼酸盐玻璃，对应于玻璃基片材料中玻璃形成体氧化物的粉末分别为SiO2粉末、P2O5粉末或B2O3粉末。
3.根据权利要求I所述的一种玻璃基掩埋光波导的制作方法，其特征在于，所述的电场辅助使表面掺杂的离子进入玻璃基片内部的温度为180-380°C。
4.根据权利要求3所述的一种玻璃基掩埋光波导的制作方法，其特征在于，所述的电场辅助使表面掺杂的离子进入玻璃基片内部的温度为180-300°C。
5.根据权利要求I所述的一种玻璃基掩埋光波导的制作方法，其特征在于，所述的玻璃基片的表面掺杂区和内部掺杂区中掺杂离子为Ag+、Rb+、Cs+或Tl+。
6.根据权利要求I所述的一种玻璃基掩埋光波导的制作方法，其特征在于，所述的电场辅助是在玻璃基两侧分别放置多组分熔盐，在多组分熔盐中分别插入电极引线，接入直流电源，施加50-1000V的电压5min-40h。
7.根据权利要求6所述的一种玻璃基掩埋光波导的制作方法,其特征在于,所述的电极引线的材料为Au, Pt, Cu, Ag或Al。
全文摘要
本发明涉及一种玻璃基掩埋光波导的制作方法，该方法是以多组分熔盐为电极，将表面掺杂离子形成了表面掺杂区的玻璃基片置于多组分熔盐中，通过电场辅助使表面掺杂的离子进入玻璃基片内部并形成内部掺杂区，在玻璃基片上制作掩埋光波导，所述的多组分熔盐由KNO3(0～20wt％)、NaNO3(20～95wt％)、Mg(NO3)2(0～50wt％)、Ca(NO3)2(5～50wt％)，以及对应于玻璃基片材料中玻璃形成体氧化物的粉末(0～0.5wt％)混合而成。与现有技术相比，本发明具有熔融温度底、对玻璃基片腐蚀作用小等优点。
文档编号G02B6/134GK102645700SQ20121013760
公开日2012年8月22日 申请日期2012年5月4日 优先权日2012年5月4日
发明者商惠琴, 杨建义, 王明华, 王毅强, 郝寅雷 申请人:上海光芯集成光学股份有限公司