一种光波导的简易制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种光波导的简易制备方法，其先在其中一块衬底的一个表面上沿长度方向开设一个凹槽，然后将两块衬底叠放整齐，并使其中一块衬底的具有凹槽的表面与另一块衬底的一个表面相对，接着用平口钳调整两块衬底之间的间隙，之后对两块衬底相对齐的点焊端面进行点焊，再将已焊接在一起的两块衬底放入石英玻璃管的内腔中，向石英玻璃管的内腔中灌入低熔点的玻璃原材料，对石英玻璃管的内腔进行抽真空，对石英玻璃管进行封管，最后对已封管的石英玻璃管进行阶梯升温加热，熔融玻璃原材料，之后阶梯降温至室温得到光波导；优点是工艺过程简单、可控，且使用的设备成本低。
【专利说明】一种光波导的简易制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种波导制备技术，尤其是涉及一种光波导的简易制备方法。
【背景技术】
[0002]随着信息时代要求的不断提升，光学器件的发展已经从传统的离散光学器件发展到目前的集成光学器件阶段。光波导是各种集成光学器件重要的基础性部件，其能够将光波限域在光波长量级尺寸的介质中，无辐射地传输。
[0003]现有的光波导制备方法较为复杂，一般的光波导制备方法都是在薄膜制备方法的基础上，通过一系列复杂的工艺实现的。现有的光波导制备方法主要有光刻法、剥离法及激光直写法等，这些制备方法所使用的设备昂贵，且在刻蚀薄膜过程中存在繁琐的工艺过程及复杂的工艺参数，这就给光波导的制备带来了很大的难度。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是提供一种光波导的简易制备方法，其工艺过程简单、可控，且使用的设备成本低。
[0005]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:一种光波导的简易制备方法，其特征在于包括以下步骤:
①选取两块尺寸大小相同的高熔点的衬底，每块衬底的两个表面均为光学水平面，并将每块衬底对称的其中两个侧面作为耦合端面、对称的另外两个侧面作为点焊端面；
②在其中一块衬底的一个表面上沿长度方向开设一个凹槽；
③将两块衬底叠放整齐，并使其中一块衬底的具有凹槽的表面与另一块衬底的一个表面相对，然后用平口钳夹持住两块衬底，再通过调节平口钳对两块衬底施加的压力，并在超景深显微镜下观察两块衬底之间的间隙，完成对两块衬底之间的间隙的调整；
④在调整好两块衬底之间的间隙后固定平口钳，然后将两块衬底相对齐的点焊端面进行点焊；在此，采用点焊不会影响后续玻璃液浸入两块衬底之间的间隙的效果；
⑤从平口钳上取下已焊接在一起的两块衬底，然后对已焊接在一起的两块衬底进行清洗，在清洗干净后进行烘干，接着将烘干的已焊接在一起的两块衬底放入石英玻璃管的内腔中，之后向石英玻璃管的内腔中灌入低熔点的玻璃原材料，再对石英玻璃管的内腔进行抽真空，最后对石英玻璃管进行封管；
⑥对已封管的石英玻璃管进行阶梯升温加热，在温度高于玻璃原材料的熔点80°C?150°C后恒温24小时以上，之后阶梯降温至室温；
⑦从石英玻璃管中取出已制备得到的带有衬底的光波导，光波导的两块衬底之间为玻璃膜层，衬底的折射率低于玻璃膜层的折射率。
[0006]所述的步骤②中的凹槽为矩形凹槽，所述的矩形凹槽的纵向中心线与衬底的表面的长度方向的中心线平行；在此，一方面，在其中一块衬底的一个表面上设置的凹槽为矩形凹槽，也可以为其它形状的凹槽，通过设置不同的凹槽会使最终制备得到的满足单模传输条件的光波导的结构不同，这样就可以满足根据原材料自行设计不同尺寸和结构的凹槽，从而制备得到不同尺寸和结构的光波导；另一方面，一般要求凹槽的纵向中心线与衬底的表面的长度方向的中心线平行，这是因为两者的中心线平行与否会影响制备得到的光波导端面的形状，进而会影响制备得到的光波导的耦合效果。
[0007]所述的步骤③执行之前，先对两块衬底各自的两个表面和两个耦合端面进行抛光处理，以增强光波导测试阶段光波与衬底的两个耦合端面的耦合效率。
[0008]所述的步骤③执行之前，且在对两块衬底各自的两个表面和两个耦合端面进行抛光处理后，对两块衬底进行清洗，然后对清洗干净的两块衬底进行烘干。
[0009]所述的步骤③执行之前对两块衬底进行清洗，然后对清洗干净的两块衬底进行烘干的具体过程为:③-1、将两块衬底浸入丙酮中，并用超声波清洗15?25分钟-2、在第一次清洗完成后，从丙酮中取出两块衬底后浸入甲醇中，并用超声波清洗3?7分钟；③-3、在第二次清洗完成后，从甲醇中取出两块衬底后浸入异丙醇中，并用超声波清洗3?7分钟；(D _4、将清洗干净的两块衬底放入烘烤箱中，以110°C?130°C恒温烘烤15?25分钟；在此，对两块衬底进行三次清洗，目的是为了完全去除杂质污染，以保证两块衬底叠放整齐后其中一块衬底的具有凹槽的表面与另一块衬底的一个表面即两个叠合面干净。
[0010]所述的步骤④中的平口钳采用手动精密平口钳；在此，采用可手动调节的精密平口钳，可方便地向两块衬底施加压力，来实现对两块衬底之间的间隙的调整，且调整精度闻。
[0011]所述的步骤④中调整两块衬底之间的间隙为1.64!11?2.44111;实际上两块衬底之间的间隙是根据用户自己的实际要求进行调整的，即制备得到的光波导中的玻璃膜层的厚度是用户根据自行需要设定的。
[0012]所述的步骤⑤中对已焊接在一起的两块衬底进行清洗，在清洗干净后进行烘干的具体过程为:⑤-1、将已焊接在一起的两块衬底浸入丙酮中，并用超声波清洗15?25分钟；? _2、在第一次清洗完成后，从丙酮中取出已焊接在一起的两块衬底后浸入甲醇中，并用超声波清洗3?7分钟；? _3、在第二次清洗完成后，从甲醇中取出已焊接在一起的两块衬底后浸入异丙醇中，并用超声波清洗3?7分钟；? _4、将清洗干净的已焊接在一起的两块衬底放入烘烤箱中，以110°C?130°C恒温烘烤15?25分钟；在此，由于两块衬底相对齐的点焊端面点焊时会对衬底造成污染，因此需对点焊后的衬底进行严格的清洗，以保证衬底的各个面洁净。
[0013]所述的步骤⑤中向石英玻璃管的内腔中灌入的玻璃原材料的量为在玻璃原材料熔化成玻璃液后玻璃液能够完全浸没两块衬底为准；所述的步骤⑤中对石英玻璃管的内腔进行抽真空至7.0X10_2pa时停止；实际操作时可根据经验估计灌入一定的玻璃原材料，一般可稍微多灌入一些，但最好不要过多，如果过多则玻璃原材料熔化后玻璃液会完全覆盖衬底，这样会增加取出制备好的光波导的难度；在实际操作时至少要抽到l(T2pa以下，如果能够更低，则更好，目的只是为了排除空气对制备的光波导的性能的影响。
[0014]所述的步骤⑥中的阶梯升温和阶梯降温的梯度为大于50°C且小于100°C ;实际操作时阶梯升温和阶梯降温的梯度不大于100°c就可以，如果梯度太大，则会对加热设备造成不良的影响。
[0015]与现有技术相比，本发明的优点在于: I)本发明方法的工艺流程简单、可控，工艺成本低，且无需昂贵的设备，适宜推广。
[0016]2)本发明方法将衬底放入熔融的玻璃液中，并通过长时间使玻璃液进入两块衬底之间的间隙中，能够大幅度地提高所制备的光波导内组分的均一性，很好地保证了光波导的质量，避免了不必要的光学损耗。
[0017]3)利用本发明方法制备光波导时，可通过调节两块衬底之间的间隙来制备不同厚度的光波导，可通过选取不同的玻璃原材料及衬底结构来制备不同结构的光波导。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为开设有凹槽的衬底的结构示意图；
图2为制备得到的光波导的结构示意图；
图3为图2的剖视结构示意图。
【具体实施方式】
[0019]以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
[0020]本发明提出的一种光波导的简易制备方法，其包括以下步骤:
①选取两块尺寸大小相同的高熔点的衬底，每块衬底的两个表面均为光学水平面，并将每块衬底对称的其中两个侧面作为耦合端面、对称的另外两个侧面作为点焊端面。
[0021]在本实施例中，衬底采用石英片，如可选取两块长为30mm宽为8mm高为Imm的两块石英片。
[0022]实际处理时可将长X高的两个侧面作为点焊端面，且将宽X高的两个侧面作为耦合端面，也可以将宽X高的两个侧面作为点焊端面，且将长X高的两个侧面作为耦合端面，选取不同的侧面作为耦合端面，制备得到的光波导的长度也就不一样，一般情况下将宽X高的两个侧面作为耦合端面，这样制备得到的光波导的长度相对较长。图2中宽X高的两个侧面为耦合端面。
[0023]②如图1所示，在其中一块衬底的一个表面上沿长度方向开设一个凹槽，图1中I指代衬底，11指代凹槽。
[0024]在本实施例中，凹槽可以为矩形凹槽，也可以为其它形状的凹槽；采用矩形凹槽时，可要求矩形凹槽的纵向中心线与衬底的表面的长度方向的中心线平行。
[0025]③先对两块衬底各自的两个表面和两个耦合端面进行抛光处理，以增强光波导测试阶段光波与衬底的两个耦合端面的耦合效率，如图2所示；然后对两块衬底进行清洗，再对清洗干净的两块衬底进行烘干；接着将烘干的两块衬底叠放整齐，并使其中一块衬底的具有凹槽的表面(即长为30mm宽为8mm的表面)与另一块衬底的同尺寸的一个表面(即长为30mm宽为8mm的表面)相对，然后用清净的手动精密平口钳夹持住两块衬底并放于超景深显微镜下，再通过超景深显微镜观察两块衬底之间的间隙，并慢慢调节手动精密平口钳对两块衬底施加的压力，完成对两块衬底之间的间隙的调整，在实际调整时可将两块衬底之间的间隙调整为1.6μηι?2.4μηι如调整为2 μ m。
[0026]在本实施例中，步骤③中对两块衬底进行清洗，然后对清洗干净的两块衬底进行烘干的具体过程为:③-1、将两块衬底浸入丙酮中，并用超声波清洗15?25分钟，如实际清洗时可清洗20分钟_2、在第一次清洗完成后，从丙酮中取出两块衬底后浸入甲醇中，并用超声波清洗3?7分钟，如实际清洗时可清洗5分钟_3、在第二次清洗完成后，从甲醇中取出两块衬底后浸入异丙醇中，并用超声波清洗3?7分钟，如实际清洗时可清洗5分钟_4、将清洗干净的两块衬底放入烘烤箱中，以110°C?130°C恒温烘烤15?25分钟，如实际操作时可以120°C恒温烘烤20分钟。
[0027]④在调整好两块衬底之间的间隙后固定手动精密平口钳，然后在乙炔、氧火焰枪的作用下采用玻璃丝将两块衬底相对齐的点焊端面进行多处点焊牢固，如图2所示。
[0028]⑤从手动精密平口钳上取下已焊接在一起的两块衬底，然后对已焊接在一起的两块衬底进行清洗，在清洗干净后进行烘干，接着将烘干的已焊接在一起的两块衬底放入已处理洁净的石英玻璃管的内腔中，之后向石英玻璃管的内腔中灌入低熔点的玻璃原材料如硫系玻璃，再对石英玻璃管的内腔进行抽真空至7.0X 10_2pa时停止，最后对石英玻璃管进行封管，以保证石英玻璃管内的加热环境为绝氧状态。
[0029]在本实施例中，步骤⑤中对已焊接在一起的两块衬底进行清洗，在清洗干净后进行烘干的具体过程为:⑤-1、将已焊接在一起的两块衬底浸入丙酮中，并用超声波清洗15?25分钟，如实际清洗时可清洗20分钟；? _2、在第一次清洗完成后，从丙酮中取出已焊接在一起的两块衬底后浸入甲醇中，并用超声波清洗3?7分钟，如实际清洗时可清洗5分钟；? _3、在第二次清洗完成后，从甲醇中取出已焊接在一起的两块衬底后浸入异丙醇中，并用超声波清洗3?7分钟，如实际清洗时可清洗5分钟；? _4、将清洗干净的已焊接在一起的两块衬底放入烘烤箱中，以110°C?130°C恒温烘烤15?25分钟，如实际操作时可以120°C恒温烘烤20分钟。
[0030]在本实施例中，向石英玻璃管的内腔中灌入的玻璃原材料的量为在玻璃原材料熔化成玻璃液后玻璃液能够完全浸没两块衬底为准。
[0031 ] ⑥将已封管的石英玻璃管放入加热炉中，对加热炉中的石英玻璃管进行阶梯升温加热，在温度高于玻璃原材料的熔点80°C?150°C (如100°C)后恒温24小时以上，如在温度为400°C时恒温24小时以上，之后阶梯降温至室温。在此，在加热玻璃原材料时维持24小时以上，目的是为了保证玻璃液能够充分地进入两块衬底之间的间隙中，使玻璃液均匀地填满两块衬底之间的间隙；阶梯升温和阶梯降温的梯度为大于50°C且小于100°C，一般小于100°C即可。
[0032]⑦从石英玻璃管中取出已制备得到的带有衬底的光波导，实际处理时可轻轻敲碎石英玻璃管及附着在衬底表面的玻璃原料，取出制备得到的光波导，光波导的结构如图2和图3所示，光波导的两块衬底之间为玻璃膜层，衬底的折射率低于玻璃膜层的折射率。在图2和图3中，I指代衬底，11指代凹槽，2指代玻璃膜层，3指代点焊形成的焊点。
[0033]在使用本发明方法制备光波导时，应注意选取的衬底应是高熔点的材料，选用的玻璃原材料应是低熔点的玻璃材料，且衬底的折射率不得高于形成的玻璃膜层的折射率。
[0034]本发明提出的光波导的制备方法，不仅局限于基于上述玻璃原材料和衬底，该制备方法同样也适用于平板光波导的制备，唯一区别在于其选用的是两片相同的无结构的衬
。
【权利要求】
1.一种光波导的简易制备方法，其特征在于包括以下步骤: ①选取两块尺寸大小相同的高熔点的衬底，每块衬底的两个表面均为光学水平面，并将每块衬底对称的其中两个侧面作为耦合端面、对称的另外两个侧面作为点焊端面； ②在其中一块衬底的一个表面上沿长度方向开设一个凹槽； ③将两块衬底叠放整齐，并使其中一块衬底的具有凹槽的表面与另一块衬底的一个表面相对，然后用平口钳夹持住两块衬底，再通过调节平口钳对两块衬底施加的压力，并在超景深显微镜下观察两块衬底之间的间隙，完成对两块衬底之间的间隙的调整； ④在调整好两块衬底之间的间隙后固定平口钳，然后将两块衬底相对齐的点焊端面进行点焊； ⑤从平口钳上取下已焊接在一起的两块衬底，然后对已焊接在一起的两块衬底进行清洗，在清洗干净后进行烘干，接着将烘干的已焊接在一起的两块衬底放入石英玻璃管的内腔中，之后向石英玻璃管的内腔中灌入低熔点的玻璃原材料，再对石英玻璃管的内腔进行抽真空，最后对石英玻璃管进行封管； ⑥对已封管的石英玻璃管进行阶梯升温加热，在温度高于玻璃原材料的熔点80°C?150°C后恒温24小时以上，之后阶梯降温至室温； ⑦从石英玻璃管中取出已制备得到的带有衬底的光波导，光波导的两块衬底之间为玻璃膜层，衬底的折射率低于玻璃膜层的折射率。
2.根据权利要求1所述的一种光波导的简易制备方法，其特征在于所述的步骤②中的凹槽为矩形凹槽，所述的矩形凹槽的纵向中心线与衬底的表面的长度方向的中心线平行。
3.根据权利要求1或2所述的一种光波导的简易制备方法，其特征在于所述的步骤③执行之前，先对两块衬底各自的两个表面和两个耦合端面进行抛光处理，以增强光波导测试阶段光波与衬底的两个耦合端面的耦合效率。
4.根据权利要求3所述的一种光波导的简易制备方法，其特征在于所述的步骤③执行之前，且在对两块衬底各自的两个表面和两个耦合端面进行抛光处理后，对两块衬底进行清洗，然后对清洗干净的两块衬底进行烘干。
5.根据权利要求4所述的一种光波导的简易制备方法，其特征在于所述的步骤③执行之前对两块衬底进行清洗，然后对清洗干净的两块衬底进行烘干的具体过程为:③-1、将两块衬底浸入丙酮中，并用超声波清洗15?25分钟_2、在第一次清洗完成后，从丙酮中取出两块衬底后浸入甲醇中，并用超声波清洗3?7分钟_3、在第二次清洗完成后，从甲醇中取出两块衬底后浸入异丙醇中，并用超声波清洗3?7分钟_4、将清洗干净的两块衬底放入烘烤箱中，以110°C?130°C恒温烘烤15?25分钟。
6.根据权利要求5所述的一种光波导的简易制备方法，其特征在于所述的步骤③中的平口钳采用手动精密平口钳。
7.根据权利要求6所述的一种光波导的简易制备方法，其特征在于所述的步骤③中调整两块衬底之间的间隙为1.6 μ m?2.4 μ m。
8.根据权利要求7所述的一种光波导的简易制备方法，其特征在于所述的步骤⑤中对已焊接在一起的两块衬底进行清洗，在清洗干净后进行烘干的具体过程为:⑤-1、将已焊接在一起的两块衬底浸入丙酮中，并用超声波清洗15?25分钟；? _2、在第一次清洗完成后，从丙酮中取出已焊接在一起的两块衬底后浸入甲醇中，并用超声波清洗3?7分钟；⑤-3、在第二次清洗完成后，从甲醇中取出已焊接在一起的两块衬底后浸入异丙醇中，并用超声波清洗3?7分钟；? _4、将清洗干净的已焊接在一起的两块衬底放入烘烤箱中，以110°C?130°C恒温烘烤15?25分钟。
9.根据权利要求8所述的一种光波导的简易制备方法，其特征在于所述的步骤⑤中向石英玻璃管的内腔中灌入的玻璃原材料的量为在玻璃原材料熔化成玻璃液后玻璃液能够完全浸没两块衬底为准；所述的步骤⑤中对石英玻璃管的内腔进行抽真空至7.0X10-2pa时停止。
10.根据权利要求9所述的一种光波导的简易制备方法，其特征在于所述的步骤⑥中的阶梯升温和阶梯降温的梯度为大于50°C且小于100°C。
【文档编号】G02B6/00GK104375231SQ201410598388
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年10月30日 优先权日:2014年10月30日
【发明者】沈祥, 李双, 齐磊, 徐培鹏, 王国祥, 李军, 王训四, 戴世勋, 徐铁峰, 聂秋华 申请人:宁波大学