一种离子交换玻璃基掩埋波导模斑转换器的制作方法与流程

本发明涉及光器件、集成光学领域，具体涉及一种离子交换玻璃基掩埋波导模斑转换器的制作方法。

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(或基片)的表面制作光波导，并以此为基础实现光源、耦合器、滤波器等各种器件的集成化制作。通过这种集成化，实现光学系统的小型化、轻量化、稳定化，提高器件性能。

采用离子交换技术在玻璃基片(1)上制作的集成光器件一直受到企业界和研究者们的重视。基于离子交换技术的玻璃基集成光波导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。1972年，第一篇关于离子交换制作光波导的论文发表，标志着玻璃基集成光学器件研究的起步。自那时起，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。截至目前，一些玻璃基片(1)上的集成光学器件已经实现规模化生产与系列化，成功地用于光通信、光互连和光传感网络，并显示出巨大的竞争力。

模斑转换器在集成光路中用于实现光波导模斑尺寸的变化，常用于芯径不同的光波导之间的模斑尺寸的匹配，减小因芯径失配产生的插入损耗，在集成光路中具有重要的应用价值。

现有的基于离子交换技术在玻璃基片(1)上制作的掩埋波导模斑转换器结构如图1所示，在玻璃基片(1)内的表面以下具有掩埋楔形离子掺杂区(7)，利用掩埋楔形离子掺杂区(7)的横截面尺寸变化实现模斑转换。这种模斑转换器的制作过程如图2所示，主要包括四个步骤：第一步是光刻，在玻璃基片(1)的表面淀积光波导所用的掩膜(2)，并通过光刻和腐蚀去除玻璃基片(1)上的部分掩膜(2)，形成楔形镂空结构，作为楔形的离子交换窗口；第二步是离子交换，将带有掩膜(2)的玻璃基片(1)置于高温下的含掺杂离子的熔盐中进行离子交换，含掺杂离子的熔盐中的掺杂离子通过掩膜(2)形成的离子交换窗口与玻璃基片(1)中的na⁺进行交换，掺杂离子进入玻璃基片(1)表面并扩散形成表面楔形离子掺杂区(3)。第三步是去除掩膜(2)，采用化学腐蚀的方法去除玻璃基片(1)表面的掩膜(2)。第四步是电场辅助离子迁移，将玻璃基片(1)两侧分别碳酸钠熔盐作电极，在玻璃基片(1)两侧施加直流电压，在直流电场作用下，表面楔形离子掺杂区(3)迁移进入玻璃基片(1)的表面以下，表面楔形离子掺杂区(3)变成掩埋楔形离子掺杂区(7)，获得形成模斑转换器芯片。由于掩膜(2)在玻璃基片(1)的表面形成的离子交换窗口呈现楔形，所以玻璃基片(1)表面以下的掩埋楔形离子掺杂区(7)的宽度也呈现与离子交换窗口一致的形状，在玻璃基片(1)的平面内呈现楔形分布特征：在离子交换窗口宽度小的部位掩埋楔形离子掺杂区(7)宽度小，而在离子交换窗口宽度大的部位掩埋楔形离子掺杂区(7)宽度大。

然而，目前这种模斑转换器的性能不能满足许多重要的应用场合。根据如前所述，现有方法制作的模斑转换器可以实现模斑尺寸在玻璃基片(1)平面方向的模斑尺寸的变换。但是，玻璃基片(1)表面具有不同宽度的离子交换窗口的情况下，掩埋楔形离子掺杂区(7)的厚度变化不大，也就是说在垂直于玻璃基片(1)平面的方向，光波导的模斑尺寸几乎没有变化。因此，由于这种模斑转换器的波导横截面的形状在两个轴向上存在较大差异，这种模斑转换器在集成光器件中的应用受到限制，譬如，用于实现单模光纤和多模光纤之间耦合时，这种器件的插入损耗在6.5db以上。

技术实现要素：

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种离子交换玻璃基掩埋波导模斑转换器的制作方法，这种方法通过将玻璃基离子交换掩埋式条形光波导竖直放置在水平热板(5)上进行梯度温度离子扩散的方法实现掩埋式波导模斑转换器的制作。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括两个环节：第一个环节用离子交换法在玻璃基片(1)的表面制作掩埋条形离子掺杂区(8)；第二个环节是将玻璃基片(1)竖直放置在水平热板(5)上进行梯度温度离子扩散。这种方法的特征在于：将表面以下制作有掩埋条形离子掺杂区(8)的玻璃基片(1)竖直放置在水平热板(5)上进行梯度温度离子扩散，利用玻璃基片(1)内沿掩埋条形离子掺杂区(8)长度方向的温度梯度，使玻璃基片(1)中沿掩埋条形离子掺杂区(8)长度方向产生掺杂离子扩散速率的梯度，增大玻璃基片(1)表面的掩埋条形离子掺杂区(8)在贴近热板(5)一端的横截面尺寸，将掩埋条形离子掺杂区(8)变成掩埋锥形离子掺杂区(9)。

第一个环节是离子交换法制作掩埋条形离子掺杂区(8)，过程如图3所示。在玻璃基片(1)的表面制作掩埋条形离子掺杂区(8)分四步进行：第一步光刻，首先在玻璃基片(1)的表面淀积掩膜(2)，并通过光刻和腐蚀工艺去除玻璃基片(1)表面的部分掩膜(2)，形成条形镂空结构，作为条形的离子交换窗口；第二步是离子交换在玻璃基片(1)的表面形成表面条形离子掺杂区(4)，将带有离子交换窗口的玻璃基片(1)置于高温下的含掺杂离子的熔盐中进行离子交换，含掺杂离子的熔盐中的掺杂离子通过玻璃基片(1)表面的掩膜(2)形成的离子交换窗口与玻璃基片(1)中的na⁺进行交换，掺杂离子进入玻璃基片(1)表面并在玻璃基片(1)表面层扩散形成表面条形离子掺杂区(4)。第三步是去除掩膜(2)，采用化学腐蚀的方法去除玻璃基片(1)表面的掩膜(2)。第四步是电场辅助离子迁移，将玻璃基片(1)两侧分别碳酸钠熔盐作电极，在玻璃基片(1)两侧施加直流电压，在直流电场作用下，表面条形离子掺杂区(4))迁移进入玻璃基片(1)的表面以下，表面条形离子掺杂区(4)变成掩埋条形离子掺杂区(8)。

第二个环节是对玻璃基片(1)进行梯度温度离子扩散，过程如图4所示。图中表示了用梯度温度离子扩散方法将离子交换后玻璃基片(1)表面形成的掩埋条形离子掺杂区(8)制成掩埋锥形离子掺杂区(9)。热板(5)水平放置，将热板(5)加热至扩散温度并保持温度恒定，玻璃基片(1)竖直放置在热板(5)上，玻璃基片(1)中的掩埋条形离子掺杂区(8)垂直于热板(5)平面方向。由于玻璃基片(1)的下端与热板(5)相接触，温度较高，而玻璃基片(1)的上端位于空气中，温度较低，沿掩埋条形离子掺杂区(8)的长度方向形成温度梯度。由于玻璃中掺杂离子的扩散速度随温度升高而增大，因此沿掩埋条形离子掺杂区(8)的长度方向会产生掺杂离子扩散系数的梯度：玻璃基片(1)的下端的离子掺杂区的深度和宽度增大的幅度大，而玻璃基片(1)的上端的离子掺杂区的深度和宽度增大的幅度小，在玻璃基片(1)的上端和下端之间形成离子掺杂区横截面尺寸的梯度。梯度温度离子扩散完成后，玻璃基片(1)表面的掩埋条形离子掺杂区(8)变成掩埋锥形离子掺杂区(9)，其结构如图5所示。

所述的玻璃基片(1)所用材料是硅酸盐玻璃，磷酸盐玻璃或硼酸盐玻璃。

所述的掺杂离子为ag⁺，cs⁺或tl⁺。

所述的热板(5)为水平放置的表面平整的金属板。

与现有离子交换玻璃基表面波导模斑转换器制作技术相比，本发明具有的有益效果是：所制作的模斑转换器中形成掩埋锥形离子掺杂区(9)，这种离子掺杂区的横截面尺寸在两个轴向上的一致性得到明显改善，因而模斑转换器与光纤芯部横截面的形状与尺寸的匹配程度改善，器件插入损耗降低。

附图说明

图1现有技术制作的玻璃基掩埋波导模斑转换器示意图。

图2现有技术制作玻璃基掩埋波导模斑转换器过程的示意图。

图3制作的玻璃基掩埋条形光波导过程的示意图。

图4本发明所述方法制作玻璃基掩埋波导模斑转换器过程的示意图。

图5是本发明所述方法所制作的玻璃基掩埋波导模斑转换器示意图。

图中：1.玻璃基片；2.掩膜；3.表面楔形离子掺杂区；4.表面条形离子掺杂区；5.热板；7.掩埋楔形离子掺杂区；8.掩埋条形离子掺杂区；9.掩埋锥形离子掺杂区。

具体实施方式

发明所涉及的离子交换玻璃基掩埋波导模斑转换器的制作方法，下面以ag⁺/na⁺离子交换玻璃基掩埋波导模斑转换器为例，介绍离子交换玻璃基掩埋波导模斑转换器的具体实施。

实施例：ag⁺/na⁺离子交换玻璃基掩埋波导模斑转换器

所需设备与材料：双面抛光的bk7玻璃基片(1)，清洗设备及洗液，溅射镀膜设备，条形波导掩模板(线宽3-5微米)，光刻设备，腐蚀设备，丙酮，烧杯，高温炉，芯片端面研磨抛光设备，石英坩埚，石英花篮，热板(5)，掺杂离子为ag⁺，含掺杂离子的熔盐为ca(no3)2、nano3和agno3混合熔盐(三者的摩尔比为49:49:2),nano3熔盐，铂电极，直流电源。

主要步骤如下：

(a)玻璃基片(1)掩埋条形离子掺杂区(8)的制作

主要步骤：将玻璃基片(1)清洗干净；在玻璃基片(1)表面溅射厚度100～300nm的铝膜，作为掩膜(2)；通过涂胶、固化、光刻、腐蚀、去胶操作将条形波导掩模板上的条形波导图形转移到玻璃基片(1)表面的铝膜上，在铝膜上形成宽度3-5微米的条形离子交换的窗口。

将ca(no3)2、nano3和agno3混合熔盐放入石英坩埚，石英坩埚放入温度为320℃的高温炉内保温2小时，至熔盐完全熔化；将光刻后表面有离子交换窗口的玻璃基片(1)放入石英花篮，石英花篮浸入石英坩埚内的熔盐中，保温10-30分钟后取出玻璃基片(1)，冷却后用酸腐蚀的方法去除掩膜(2)，清洗。

在此过程中，混合熔盐中的ag⁺与通过掩膜(2)在玻璃基片(1)表面形成的离子交换窗口与玻璃基片(1)中的na⁺进行离子交换，混合熔盐中的ag⁺进入玻璃基片(1)，并在玻璃基片(1)中形成表面条形离子掺杂区(4)，同时，玻璃基片(1)中的na⁺进入熔盐。

在320℃下进行电场辅助离子迁移，将玻璃基片(1)两侧分别碳酸钠熔盐作电极，在玻璃基片(1)两侧施加200-400v直流电压，在直流电场作用下，表面条形离子掺杂区(4)迁移进入玻璃基片(1)的表面以下，表面条形离子掺杂区(4)变成掩埋条形离子掺杂区(8)。

(b)玻璃基片(1)在热板(5)上梯度温度离子扩散

热板(5)置于空气中并水平放置，将热板(5)加热至300℃，保持温度恒定，将玻璃基片(1)放置在热板(5)上进行梯度温度离子扩散。玻璃基片(1)竖直放置在热板(5)上，玻璃基片(1)中的条形离子掺杂区(4)垂直于热板(5)平面方向。梯度温度离子扩散时间2-5小时。

在此过程中，玻璃基片(1)的下端温度高，掩埋条形离子掺杂区(8)中的ag⁺扩散快，ag⁺掺杂区截面尺寸大；玻璃基片(1)的上端温度低，掩埋条形离子掺杂区(8)中的ag⁺扩散慢，ag⁺掺杂区截面尺寸小；掩埋条形离子掺杂区(8)变成掩埋锥形离子掺杂区(9)。

最后对玻璃基片(1)的两端面进行研磨抛光加工。

经过优化制作工艺参数，这种器件用于实现单模光纤和多模光纤之间耦合时，插入损耗小于2.8db。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。