一种光波导制造方法及光波导与流程

本发明涉及光器件、集成光学和光互连领域，特别涉及一种光波导制造方法及光波导。

背景技术：

随着云计算、流媒体和移动互联网等各种数据通信业务和电信业务需求的爆炸性增长，路由器、终端设备、交换机的吞吐量迅速增大，这些设备的功能模块中板到板，板到背板之间的互连遇到了新问题，如瓶颈阻塞、时钟歪斜、串话、功耗等。随着芯片集成度、互连密度和传输速率的不断提高，这些问题造成的影响变得日益突出。而且，由于电互连内在物理机制的限制，在电互连的范畴，这些问题很难得到获得根本的解决。

光互连的引入为解决上述问题开辟了新途径。光纤传输网络在全球范围内大规模铺展，并且不断从长距离向短距离和超短距离渗透。继光纤在全球网、广域网、城域网和局域网中成功取代传统的铜连线之后，以光作为载波的数据传输在存储区域网络及更短距离的传输系统中也获得日益广泛的应用。典型地，光纤作为数据传输的媒介在数据中心内部不同层次的数据连接，如机柜之间和机柜内部，目前，电路板之间和电路板上的光互连成为下一步重点突破的目标。

光波导是实现电路板间和电路板上光互连的基础。目前用于板级光互连的光波导技术主要包括两类，一类是基于离子交换技术的光波导技术，另一类是聚合物基光波导技术。与后者相比，光波导技术具有传输带宽大、传输损耗低，环境稳定性好的显著特性，因此受到研究者们的重视。

通常使用的离子交换技术是在玻璃基片表面制作薄膜，并在薄膜上制作离子交换窗口，形成光波导制作所用掩膜，然后将带有掩膜的玻璃基片放入含有掺杂离子的熔盐中进行离子交换，含有掺杂离子的熔盐中的掺杂离子通过光波导制作所用掩膜形成的离子交换窗口与玻璃基片中的钠离子进行交换，掺杂离 子进入玻璃基片并形成玻璃表面的离子掺杂区，作为表面光波导的芯层。然而，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，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，在此过程中，在玻璃基片两侧的不含掺杂离子的熔盐中分别插入两根分别连接直流电源的正电极和负电极的电极引线，在玻璃基片的两侧施加直流偏压。在此直流偏压的作用下，离子交换形成的玻璃表面的离子掺杂区被掩埋进入玻璃基片，形成掩埋式的离子掺杂区，而玻璃基片表面形成去掺杂区。这种电场辅助离子迁移技术虽然可以获得性能优良的光波导，但由于电场辅助离子迁移需要在高温下进行，而且同时要保证玻璃基片两侧的不含掺杂离子的熔盐之间彼此绝缘，因此通过这项技术制作掩埋式光波导需要较高的成本，也使大尺寸的光波导器件的制作相当困难，因此制作用于光互连的光波导难以实用化。

技术实现要素：

本发明提供了一种光波导制造方法及光波导，其目的是为了解决现有的光波导制造方法引起较高的耦合损耗、传输损耗以及成本高、难以实用化的问题。

为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种光波导的制造方法，该方法包括以下步骤：

提供一玻璃基片；

在所述玻璃基片上，波导芯部两侧的区域形成含一种阳离子的熔盐扩散区；

在形成含一种阳离子的熔盐扩散区的所述玻璃基片上，波导芯部的区域形成离子掺杂区；

在形成离子掺杂区的所述玻璃基片上，所述离子掺杂区的表面形成去掺杂 区。

进一步地，在所述玻璃基片上，波导芯部两侧的区域形成含一种阳离子的熔盐扩散区的步骤包括：

在所述玻璃基片上，形成含一种阳离子的熔盐扩散区所用的掩膜；且所述掩膜覆盖波导芯部所在的区域；

将形成有掩膜的玻璃基片置于含一种阳离子的的熔盐中，并保持第一预设时间段，在所述玻璃基片的掩膜两侧的区域形成含一种阳离子的熔盐扩散区。

进一步地，在所述玻璃基片上，形成含一种阳离子的熔盐扩散区所用的掩膜的步骤包括：

在所述玻璃基片的上表面用热蒸发或者溅射的方法制作一层薄膜；

通过光刻和湿法腐蚀工艺保留所述玻璃基片上波导芯部区域上方宽度为第一预设宽度的薄膜，作为含一种阳离子的熔盐扩散区所用的掩膜。

进一步地，所述掩膜的材质为铝或铬铜合金或二氧化硅。

进一步地，所述含一种阳离子的熔盐中的阳离子为钾离子。

进一步地，将形成有掩膜的玻璃基片置于含一种阳离子的的熔盐中，并保持第一预设时间段，在所述玻璃基片的掩膜两侧的区域形成含一种阳离子的熔盐扩散区的步骤包括：

将形成有掩膜的玻璃基片置于330-420℃的硝酸钾熔盐中，保持第一预设时间段；

所述硝酸钾熔盐中的钾离子经热扩散作用在所述玻璃基片的掩膜两侧的区域形成钾离子扩散区。

进一步地，所述波导为条形，所述掩膜覆盖条形波导芯部区域，所述掩膜的中心位置与所述条形波导的中心位置重合，所述掩膜的长度大于或等于所述条形波导的芯部的长度。

进一步地，在形成含一种阳离子的熔盐扩散区的所述玻璃基片上，波导芯部的区域形成离子掺杂区的步骤包括：

从所述玻璃基片上去除所述掩膜；

将所述玻璃基片置于含有掺杂离子的熔盐中，保持第二预设时间段，所述掺杂离子扩散进入波导芯部的区域，形成离子掺杂区，所述离子掺杂区的两侧 分别与所述钾离子扩散区相连。

进一步地，所述掺杂离子为钛离子、银离子或铯离子中的至少一种。

进一步地，从所述玻璃基片上去除所述掩膜的步骤包括：

将所述玻璃基片冷却后，采用腐蚀的方法去除所述玻璃基片表面的掩膜。

进一步地，所述含有掺杂离子的熔盐为硝酸钠、碳酸钙和硝酸银的混合熔盐；其中，硝酸钠、碳酸钙和硝酸银三种成分的摩尔百分数分别为10-90％、10-90％、0.1-5％。

进一步地，在所述玻璃基片上，所述离子掺杂区的表面形成去掺杂区的步骤包括：

将所述玻璃基片置于不含掺杂离子的熔盐中，保持第三预设时间段，所述离子掺杂区的表面的离子进入不含掺杂离子的熔盐中，在所述离子掺杂区的表面形成去掺杂区。

进一步的，将所述玻璃基片置于不含掺杂离子的熔盐中，保持第三预设时间段，所述离子掺杂区的表面的离子进入不含掺杂离子的熔盐中，在所述离子掺杂区的表面形成去掺杂区的步骤包括：

将所述玻璃基片置入220-300℃下硝酸钠和碳酸钙的混合熔盐中，保持第三预设时间段，所述离子掺杂区的表面的离子进入不含掺杂离子的熔盐中，在所述离子掺杂区的表面形成去掺杂区；其中，硝酸钠和碳酸钙两种成分的摩尔百分数分别为10-90％、10-90％。

进一步地，所述离子掺杂区中，所述去掺杂区以下的区域为波导芯部。

进一步地，所述去掺杂区的折射率低于所述波导芯部的折射率；所述离子掺杂区下部的玻璃基片的折射率低于所述波导芯部的折射率。

进一步地，所述钾离子扩散区的折射率低于所述波导芯部的折射率。

进一步地，所述玻璃基片的材质为硅酸盐玻璃或硼硅酸盐玻璃或磷酸盐玻璃或硼酸盐玻璃。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种光波导，该光波导是如上述方法制造的光波导。

本发明的上述方案至少包括以下有益效果：

本发明提供的光波导制造方法通过离子交换技术形成含一种阳离子的熔盐扩散区，掩埋式的离子掺杂区的左右两侧分别与含一种阳离子的熔盐扩散区 相连，通过含一种阳离子的熔盐扩散区对掺杂离子的压制作用限制掩埋式的离子掺杂区的横向尺寸，使光波导模场分布的对称性得到改善，降低了耦合损耗与传输损耗。通过离子反交换技术形成去掺杂区，保证所形成的光波导为掩埋式光波导，降低了光波导的耦合损耗以及由于玻璃基片表面缺陷处的散射引入的传输损耗。

附图说明

图1为本发明所述的光波导的制造方法的步骤流程图；

图2为图1中步骤12的具体流程图；

图3为步骤22之后的玻璃基片以及含一种阳离子的的熔盐的示意图；

图4为图1中步骤13的具体流程图；

图5为步骤32之后的玻璃基片以及含掺杂离子的的熔盐的示意图；

图6为步骤14之后的玻璃基片以及不含掺杂离子的的熔盐的示意图；

图7为本发明实施例所述的光波导的示意图；

图8为实施例一的步骤流程图；

图9为实施例二的步骤流程图。

附图标记说明：

1、玻璃基片；2、波导芯部；3、含一种阳离子的熔盐扩散区；4、离子掺杂区；5、去掺杂区；6、掩膜；7、含一种阳离子的熔盐；8、含有掺杂离子的熔盐；9、不含掺杂离子的熔盐。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

参见图1，本发明针对现有的问题，提供了一种波导的制造方法，该方法包括以下步骤：

步骤11，提供一玻璃基片1；所述玻璃基片1的材质为硅酸盐玻璃或硼硅酸盐玻璃或磷酸盐玻璃或硼酸盐玻璃。

步骤12，在所述玻璃基片1上，波导芯部2两侧的区域形成含一种阳离 子的熔盐扩散区3；

步骤13，在形成含一种阳离子的熔盐扩散区3的所述玻璃基片1上，波导芯部2的区域形成离子掺杂区4；

步骤14，在形成离子掺杂区4的所述玻璃基片1上，所述离子掺杂区4的表面形成去掺杂区5。

参见图2及图3，步骤12包括：

步骤21，在所述玻璃基片1上，形成含一种阳离子的熔盐扩散区3所用的掩膜6；且所述掩膜6覆盖波导芯部2所在的区域；

步骤22，将形成有掩膜6的玻璃基片1置于含一种阳离子的的熔盐7中，并保持第一预设时间段，在所述玻璃基片1的掩膜6两侧的区域形成含一种阳离子的熔盐扩散区3；进一步地，所述含一种阳离子的熔盐7中的阳离子为钾离子。

进一步地，步骤21包括：

在所述玻璃基片1的上表面用热蒸发或者溅射的方法制作一层薄膜；

进一步地，所述掩膜6的材质为铝或铬铜合金或二氧化硅；所述波导为条形，所述掩膜6覆盖条形波导芯部2区域，所述掩膜6的中心位置与所述条形波导的中心位置重合，所述掩膜6的长度大于或等于所述条形波导的芯部的长度。

通过光刻和湿法腐蚀工艺保留所述玻璃基片1上波导芯部2区域上方宽度为第一预设宽度的薄膜，作为含一种阳离子的熔盐扩散区3所用的掩膜6。

进一步地，步骤22具体包括：

将形成有掩膜6的玻璃基片1置于330-420℃的硝酸钾熔盐中，保持第一预设时间段；

所述硝酸钾熔盐中的钾离子经热扩散作用在所述玻璃基片1的掩膜6两侧的区域形成钾离子扩散区。

参见图4及图5，步骤13包括：

步骤31，从所述玻璃基片1上去除所述掩膜6；

步骤32，将所述玻璃基片1置于含有掺杂离子的熔盐8中，保持第二预设时间段，所述掺杂离子扩散进入波导芯部2的区域，形成离子掺杂区4，所 述离子掺杂区4的两侧分别与所述钾离子扩散区相连；进一步地，所述掺杂离子为钛离子、银离子或铯离子中的至少一种；所述含有掺杂离子的熔盐8为硝酸钠、碳酸钙和硝酸银的混合熔盐；其中，硝酸钠、碳酸钙和硝酸银三种成分的摩尔百分数分别为10-90％、10-90％、0.1-5％。

进一步地，步骤31包括：

将所述玻璃基片1冷却后，采用腐蚀的方法去除所述玻璃基片1表面的掩膜6。

参见图6，步骤14具体包括：

将所述玻璃基片1置于不有掺杂离子的熔盐9中，保持第三预设时间段，所述离子掺杂区4的表面的离子进入不有掺杂离子的熔盐9中，在所述离子掺杂区4的表面形成去掺杂区5。

进一步的，将所述玻璃基片1置于不有掺杂离子的熔盐9中，保持第三预设时间段，所述离子掺杂区4的表面的离子进入不有掺杂离子的熔盐9中，在所述离子掺杂区4的表面形成去掺杂区5的步骤包括：

将所述玻璃基片1置入220-300℃下硝酸钠和碳酸钙的混合熔盐中，保持第三预设时间段，所述离子掺杂区4的表面的离子进入不有掺杂离子的熔盐9中，在所述离子掺杂区4的表面形成去掺杂区5；其中，硝酸钠和碳酸钙两种成分的摩尔百分数分别为10-90％、10-90％。

参见图7，本发明还提供了一种光波导，该光波导是如上述方法制造的光波导，所述离子掺杂区4中，所述去掺杂区5以下的区域为波导芯部2；所述去掺杂区5的折射率低于所述波导芯部2的折射率；所述离子掺杂区4下部的玻璃基片1的折射率低于所述波导芯部2的折射率；所述钾离子扩散区的折射率低于所述波导芯部2的折射率。

为了更加清楚描述本发明的技术内容，以下以两个具体实施例详细说明。

实施例一：参见图8，制作芯部尺寸约为10微米的光波导；

步骤41，提供一厚度为1.5毫米的玻璃基片1。

步骤42，在所述玻璃基片1上表面用热蒸发或溅射的方法制作一层厚度为80～200纳米的铝膜，通过光刻和湿法腐蚀工艺保留玻璃基片1上制作光波导的区域上宽度为15-40微米的薄膜，作为掩膜6。

步骤43，将形成有掩膜6的玻璃基片1置于330-420℃的硝酸钾熔盐中保 持20-200分钟；此过程中，所述硝酸钾熔盐中的钾离子经热扩散作用在所述玻璃基片1的掩膜6两侧的区域形成钾离子扩散区；

步骤44，将所述玻璃基片1冷却后，采用腐蚀的方法去除所述玻璃基片1表面的掩膜6；

步骤45，将所述玻璃基片1置于硝酸钠、碳酸钙和硝酸银的混合熔盐中保持5-60分钟，波导芯部2的区域形成离子掺杂区4；其中，三种成分的摩尔百分数分别为10-90％、10-90％、0.1-5％；此过程中的温度在220-300℃之间；

步骤46，将所述玻璃基片1置入220-300℃下硝酸钠和碳酸钙的混合熔盐中，保持3-60分钟，所述离子掺杂区4的表面的离子进入不有掺杂离子的熔盐9中，在所述离子掺杂区4的表面形成去掺杂区5；所述离子掺杂区4中，所述去掺杂区5以下的区域为波导芯部2；其中，硝酸钠和碳酸钙两种成分的摩尔百分数分别为10-90％、10-90％。

实施例二：参见图9，制作芯部尺寸约为50微米的光波导；

步骤51，提供一厚度为1.5毫米的玻璃基片1；

步骤52，在所述玻璃基片1上表面用热蒸发或溅射的方法制作一层厚度为80～200纳米的铝膜，通过光刻和湿法腐蚀工艺保留玻璃基片1上制作光波导的区域上宽度为100-150微米的薄膜，作为掩膜6。

步骤53，将形成有掩膜6的玻璃基片1置于330-420℃的硝酸钾熔盐中保持60-900分钟；此过程中，所述硝酸钾熔盐中的钾离子经热扩散作用在所述玻璃基片1的掩膜6两侧的区域形成钾离子扩散区；

步骤54，将所述玻璃基片1冷却后，采用腐蚀的方法去除所述玻璃基片1表面的掩膜6；

步骤55，将所述玻璃基片1置于硝酸钠、碳酸钙和硝酸银的混合熔盐中保持20-240分钟，波导芯部2的区域形成离子掺杂区4；其中，三种成分的摩尔百分数分别为10-90％、10-90％、0.1-5％；此过程中的温度在220-300℃之间；

步骤56，将所述玻璃基片1置入220-300℃下硝酸钠和碳酸钙的混合熔盐中，保持20-180分钟，所述离子掺杂区4的表面的离子进入不有掺杂离子的熔盐9中，在所述离子掺杂区4的表面形成去掺杂区5；所述离子掺杂区4中，所述去掺杂区5以下的区域为波导芯部2；其中，硝酸钠和碳酸钙两种成分的 摩尔百分数分别为10-90％、10-90％。

本发明提供的光波导制造方法通过离子交换技术形成含一种阳离子的熔盐扩散区3，掩埋式的离子掺杂区4的左右两侧分别与含一种阳离子的熔盐扩散区3相连，通过含一种阳离子的熔盐扩散区3对掺杂离子的压制作用限制掩埋式的离子掺杂区4的横向尺寸，使光波导模场分布的对称性得到改善，降低了耦合损耗与传输损耗。通过离子反交换技术形成去掺杂区5，保证所形成的光波导为掩埋式光波导，降低了光波导的耦合损耗以及由于玻璃基片1表面缺陷处的散射引入的传输损耗。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。