專利名稱：玻璃基掩埋光波導(dǎo)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光器件、集成光學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種采用離子交換技術(shù)在玻璃基片上制作掩埋光波導(dǎo)的方法。
背景技術(shù)：
1969年，S. E. Miller提出了集成光學(xué)的概念，其基本思想是在同一塊襯底的表面上，用折射率略高的材料制作光波導(dǎo)，并以此為基礎(chǔ)再制作光源、光柵等各種器件。通過(guò)這種集成化，可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的小型化、輕量化、穩(wěn)定化和高性能化的目的。
作為一類重要的集成光學(xué)器件，采用離子交換法在玻璃基片上制作的光器件一直受到企業(yè)界和研究者們的重視。自上世紀(jì)70年代始，各國(guó)研究機(jī)構(gòu)投入大量的人力和財(cái)力進(jìn)行玻璃基集成光器件的開發(fā)。原因在于這種器件具有一些優(yōu)異的性質(zhì)，包括傳輸損耗低，易于摻雜高濃度的稀土離子，與光纖的光學(xué)特性匹配，耦合損耗小，環(huán)境穩(wěn)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學(xué)器件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；c系列化，并成功地用于光通信和光傳感網(wǎng)絡(luò)。離子交換技術(shù)在玻璃基片上形成的表面光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)如圖I左圖所示。由于玻璃基片I中表面摻雜區(qū)2呈扁平狀，因而使其模場(chǎng)分布不對(duì)稱，光波導(dǎo)與單模光纖的耦合損耗很大；另一方面，表面摻雜區(qū)2位于玻璃基片I的表面,光導(dǎo)波在玻璃基片I表面的散射將引入很高的傳輸損耗。通過(guò)電場(chǎng)輔助離子遷移技術(shù)可以將表面摻雜區(qū)2埋入玻璃基片I表面以下，變成內(nèi)部摻雜區(qū)3，形成掩埋光波導(dǎo)。掩埋光波導(dǎo)的制作可以改善光波導(dǎo)芯層折射率分布的對(duì)稱性，并進(jìn)而改善光波導(dǎo)模場(chǎng)分布的對(duì)稱性，降低光波導(dǎo)器件和與光纖的稱合損耗。同時(shí)，掩埋光波導(dǎo)的芯部在玻璃表面以下，使光導(dǎo)波不在玻璃表面產(chǎn)生散射，降低了器件的傳輸損耗。然而，現(xiàn)有的電場(chǎng)輔助離子遷移過(guò)程由于有嚴(yán)重的不足其一，由于采用熔點(diǎn)相對(duì)較高的NaNO3(NaNO3熔點(diǎn)約 307°C )做電極，決定了離子遷移的溫度必須高于在此溫度；在此溫度下的離子遷移過(guò)程中，玻璃基片I中的離子摻雜區(qū)會(huì)發(fā)生明顯的熱擴(kuò)散，尺寸嚴(yán)重增大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)與單模光纖的尺寸匹配，使光波導(dǎo)具有較大的耦合損耗。其二，硝酸鹽對(duì)玻璃基片有一定腐蝕作用，高溫下這種腐蝕作用尤其明顯，特別是對(duì)于磷酸鹽玻璃，熔鹽的腐蝕作用會(huì)嚴(yán)重影響玻璃基集成光器件的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種熔融溫度底、對(duì)玻璃基片腐蝕作用小的玻璃基掩埋光波導(dǎo)的制作方法。本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)一種玻璃基掩埋光波導(dǎo)的制作方法，該方法是以多組分熔鹽為電極，將表面摻雜離子形成了表面摻雜區(qū)的玻璃基片置于多組分熔鹽中，通過(guò)電場(chǎng)輔助使表面摻雜的離子進(jìn)入玻璃基片內(nèi)部并形成內(nèi)部摻雜區(qū)，在玻璃基片上制作掩埋光波導(dǎo)，其特征在于，所述的多組分熔鹽由KNO3(O 20wt% )、NaNO3 (20 95wt% )、Mg (NO3)2 (O 50wt% )、Ca (NO3)2 (5 50wt% )，以及對(duì)應(yīng)于玻璃基片材料中玻璃形成體氧化物的粉末(O O. 5wt% )混合而成。所述的玻璃基片的材料是硅酸鹽玻璃，磷酸鹽玻璃或硼酸鹽玻璃，對(duì)應(yīng)于玻璃基片材料中玻璃形成體氧化物的粉末分別為SiO2粉末、P2O5粉末或B2O3粉末。所述的電場(chǎng)輔助使表面摻雜的離子進(jìn)入玻璃基片內(nèi)部的溫度為180_380°C。所述的電場(chǎng)輔助使表面摻雜的離子進(jìn)入玻璃基片內(nèi)部的溫度為180_300°C。所述的玻璃基片的表面摻雜區(qū)和內(nèi)部摻雜區(qū)中摻雜離子為Ag+、Rb+、Cs+或Tl+。所述的電場(chǎng)輔助是在玻璃基兩側(cè)分別放置多組分熔鹽，在多組分熔鹽中分別插入電極引線，接入直流電源，施加50-1000V的電壓5min-40h。所述的電極引線的材料為Au，Pt，Cu，Ag或Al。本發(fā)明采用多組分熔鹽為電極，通過(guò)對(duì)制作有表面摻雜區(qū)的玻璃基片進(jìn)行電場(chǎng)輔助離子遷移，在玻璃基片上制作掩埋光波導(dǎo)。在玻璃基片兩側(cè)分別放置多組分熔鹽；在多組分熔鹽中，分別插入電極引線，并分別將其連接直流電源的正、負(fù)極；正電極和負(fù)電極之間施加直流偏壓，并保持一定時(shí)間。在此直流偏壓的作用下，玻璃基片表面摻雜區(qū)埋入玻璃基片表面以下，變成內(nèi)部摻雜區(qū)，形成掩埋光波導(dǎo)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明中采用了多組分熔鹽作為電極，這種熔鹽的熔化溫度可以調(diào)節(jié)到100°C甚至更低，因此使電場(chǎng)輔助離子遷移的溫度選擇的靈活性大幅度提高，控制離子摻雜區(qū)更加簡(jiǎn)單，光波導(dǎo)器件的性能更加可靠。不僅如此，由于可以選擇較低的溫度進(jìn)行離子交換，熔鹽對(duì)玻璃的腐蝕作用大幅度降低。


圖I玻璃基片上表面光波導(dǎo)與掩埋光波導(dǎo)的示意圖；圖2是電場(chǎng)輔助離子遷移過(guò)程的示意圖。圖中1.玻璃基片；2.表面摻雜區(qū)；3.內(nèi)部摻雜區(qū)；4.多組分熔鹽；5.電極引線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。在玻璃基片表面摻雜離子形成表面摻雜區(qū)得到表面光波導(dǎo)，由玻璃(可以是娃酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃或硼酸鹽玻璃)基片上的表面光波導(dǎo)(圖I中左圖所示)通過(guò)電場(chǎng)輔助離子遷移的方法制作掩埋光波導(dǎo)(圖I中右圖所示)的過(guò)程如下(如圖1-2所示)。(A)將表面制作有光波導(dǎo)的玻璃基片I裝入特制的電場(chǎng)輔助離子遷移器具，放入高溫爐中升至離子遷移溫度(離子遷移溫度根據(jù)所多組分熔鹽4的成分和玻璃基片I而定，一般在180 380C之間)。(B)將熔融的多組分熔鹽 4 (由 KNO3 (O 20wt % )、NaNO3 (20 95wt % )、Mg (NO3)2 (O 5Owt % ), Ca (NO3)2 (5 5Owt % )，以及對(duì)應(yīng)于玻璃基片材料中玻璃形成體氧化物的粉末(O O. 5wt% )混合而成)分別倒入玻璃基片(I)的兩側(cè)；在玻璃基片I兩側(cè)的多組分熔鹽4中分別插入連接在直流電源正、負(fù)極的電極引線5 (參見圖2)，開啟直流電源。離子遷移時(shí)間根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定，在5分鐘到40小時(shí)之間。(C)基片清洗。將玻璃基片I表面殘余的鹽用去離子水沖洗干凈。、
(D)退火。將玻璃基片I在一定溫度下保溫進(jìn)行退火處理。實(shí)施例I :在硅酸鹽玻璃基片上制作淺掩埋光波導(dǎo)。(A)將表面制作有光波導(dǎo)的硅酸鹽玻璃基片I裝入特制的電場(chǎng)輔助離子遷移器具,放入高溫爐中升至180°C。(B)將熔融的多組分熔鹽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)分別倒入玻璃基片I的兩側(cè)。在玻璃基片I兩側(cè)的多組分熔鹽4中分別插入連接在50V直流電源正、負(fù)極的電極引線5 (Au材料制作)(參見圖2)，開啟直流電源。離子遷移時(shí)間5分鐘。(C)基片清洗。將玻璃基片I表面殘余的鹽用去離子水沖洗干凈。 (D)退火。將玻璃基片I在一定溫度下保溫進(jìn)行退火處理。實(shí)施例2:在硅酸鹽玻璃基片上制作深掩埋光波導(dǎo)。(A)將表面制作有光波導(dǎo)的硅酸鹽玻璃基片I裝入特制的電場(chǎng)輔助離子遷移器具,放入高溫爐中升至380°C。(B)將熔融的多組分熔鹽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)分別倒入玻璃基片I的兩側(cè)。在玻璃基片I兩側(cè)的多組分熔鹽4中分別插入連接在1000V直流電源正、負(fù)極的電極引線5 (Au材料制作)(參見圖2)，開啟直流電源。離子遷移時(shí)間40小時(shí)。(C)基片清洗。將玻璃基片I表面殘余的鹽用去離子水沖洗干凈。(D)退火。將玻璃基片I在一定溫度下保溫進(jìn)行退火處理。實(shí)施例3 在硼酸鹽玻璃基片上制作淺掩埋光波導(dǎo)。(A)將表面制作有光波導(dǎo)的硼酸鹽玻璃基片I裝入特制的電場(chǎng)輔助離子遷移器具,放入高溫爐中升至300°C。(B)將熔融的多組分熔鹽 4(由 NaNO3(40wt % )、Mg(NO3)2(25wt % )、Ca(NO3)2 (34. 5wt%),以及B2O3粉末(O. 5wt% )混合而成)分別倒入玻璃基片I的兩側(cè)。在玻璃基片I兩側(cè)的多組分熔鹽4中分別插入連接在200V直流電源正、負(fù)極的電極引線5 (Pt材料制作)(參見圖2)，開啟直流電源。離子遷移時(shí)間50分鐘。(C)基片清洗。將玻璃基片I表面殘余的鹽用去離子水沖洗干凈。(D)退火。將玻璃基片I在一定溫度下保溫進(jìn)行退火處理。實(shí)施例4 在硼酸鹽玻璃基片上制作深掩埋光波導(dǎo)。(A)將表面制作有光波導(dǎo)的硼酸鹽玻璃基片I裝入特制的電場(chǎng)輔助離子遷移器具,放入高溫爐中升至280°C。(B)將熔融的多組分熔鹽4 (由NaNO3 (95wt % ) >Ca (NO3) 2 (5wt % )混合而成)分別倒入玻璃基片I的兩側(cè)。在玻璃基片I兩側(cè)的多組分熔鹽4中分別插入連接在600V直流電源正、負(fù)極的電極引線5(Pt材料制作)(參見圖2)，開啟直流電源。離子遷移時(shí)間20h。(C)基片清洗。將玻璃基片I表面殘余的鹽用去離子水沖洗干凈。
(D)退火。將玻璃基片I在一定溫度下保溫進(jìn)行退火處理。實(shí)施例5
在磷酸鹽玻璃基片上制作淺掩埋光波導(dǎo)。(A)將表面制作有光波導(dǎo)的磷酸鹽玻璃基片I裝入特制的電場(chǎng)輔助離子遷移器具,放入高溫爐中升至180°C。(B)將熔融的多組分熔鹽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)分別倒入玻璃基片I的兩側(cè)。在玻璃基片I兩側(cè)的多組分熔鹽4中分別插入連接在200V直流電源正、負(fù)極的電極引線5 (Au材料制作)(參見圖2)，開啟直流電源。離子遷移時(shí)間30分鐘。(C)基片清洗。將玻璃基片I表面殘余的鹽用去離子水沖洗干凈。(D)退火。將玻璃基片I在一定溫度下保溫進(jìn)行退火處理。實(shí)施例6 在磷酸鹽玻璃基片上制作深掩埋光波導(dǎo)。(A)將表面制作有光波導(dǎo)的磷酸鹽玻璃基片I裝入特制的電場(chǎng)輔助離子遷移器具,放入高溫爐中升至180°C。(B)將熔融的多組分熔鹽 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)分別倒入玻璃基片I的兩側(cè)。在玻璃基片I兩側(cè)的多組分熔鹽4中分別插入連接在600V直流電源正、負(fù)極的電極引線5(A1材料制作)(參見圖2)，開啟直流電源。離子遷移時(shí)間10h。(C)基片清洗。將玻璃基片I表面殘余的鹽用去離子水沖洗干凈。(D)退火。將玻璃基片I在一定溫度下保溫進(jìn)行退火處理。
權(quán)利要求
1.一種玻璃基掩埋光波導(dǎo)的制作方法,該方法是以多組分熔鹽為電極，將表面摻雜離子形成了表面摻雜區(qū)的玻璃基片置于多組分熔鹽中，通過(guò)電場(chǎng)輔助使表面摻雜的離子進(jìn)入玻璃基片內(nèi)部并形成內(nèi)部摻雜區(qū)，在玻璃基片上制作掩埋光波導(dǎo)，其特征在于，所述的多組分熔鹽由 KNO3(O 20wt% )、NaNO3(20 95wt% ) ,Mg(NO3)2 (O 50wt% ) ,Ca(NO3)2 (5 50wt% ),以及對(duì)應(yīng)于玻璃基片材料中玻璃形成體氧化物的粉末(O O. 5wt% )混合而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種玻璃基掩埋光波導(dǎo)的制作方法，其特征在于，所述的玻璃基片的材料是硅酸鹽玻璃，磷酸鹽玻璃或硼酸鹽玻璃，對(duì)應(yīng)于玻璃基片材料中玻璃形成體氧化物的粉末分別為SiO2粉末、P2O5粉末或B2O3粉末。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種玻璃基掩埋光波導(dǎo)的制作方法，其特征在于，所述的電場(chǎng)輔助使表面摻雜的離子進(jìn)入玻璃基片內(nèi)部的溫度為180-380°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種玻璃基掩埋光波導(dǎo)的制作方法，其特征在于，所述的電場(chǎng)輔助使表面摻雜的離子進(jìn)入玻璃基片內(nèi)部的溫度為180-300°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種玻璃基掩埋光波導(dǎo)的制作方法，其特征在于，所述的玻璃基片的表面摻雜區(qū)和內(nèi)部摻雜區(qū)中摻雜離子為Ag+、Rb+、Cs+或Tl+。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種玻璃基掩埋光波導(dǎo)的制作方法，其特征在于，所述的電場(chǎng)輔助是在玻璃基兩側(cè)分別放置多組分熔鹽，在多組分熔鹽中分別插入電極引線，接入直流電源，施加50-1000V的電壓5min-40h。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種玻璃基掩埋光波導(dǎo)的制作方法,其特征在于,所述的電極引線的材料為Au, Pt, Cu, Ag或Al。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種玻璃基掩埋光波導(dǎo)的制作方法，該方法是以多組分熔鹽為電極，將表面摻雜離子形成了表面摻雜區(qū)的玻璃基片置于多組分熔鹽中，通過(guò)電場(chǎng)輔助使表面摻雜的離子進(jìn)入玻璃基片內(nèi)部并形成內(nèi)部摻雜區(qū)，在玻璃基片上制作掩埋光波導(dǎo)，所述的多組分熔鹽由KNO3(0～20wt％)、NaNO3(20～95wt％)、Mg(NO3)2(0～50wt％)、Ca(NO3)2(5～50wt％)，以及對(duì)應(yīng)于玻璃基片材料中玻璃形成體氧化物的粉末(0～0.5wt％)混合而成。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有熔融溫度底、對(duì)玻璃基片腐蝕作用小等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02B6/134GK102645700SQ20121013760
公開日2012年8月22日 申請(qǐng)日期2012年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月4日
發(fā)明者商惠琴, 楊建義, 王明華, 王毅強(qiáng), 郝寅雷 申請(qǐng)人:上海光芯集成光學(xué)股份有限公司