玻璃基掩埋光波導的製作方法

2023-07-15 23:17:31 1

專利名稱：玻璃基掩埋光波導的製作方法
技術領域：
本發明涉及光器件、集成光學領域，尤其涉及一種採用離子交換技術在玻璃基片上製作掩埋光波導的方法。
背景技術：
1969年，S. E. Miller提出了集成光學的概念，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製作光波導，並以此為基礎再製作光源、光柵等各種器件。通過這種集成化，可以實現光學系統的小型化、輕量化、穩定化和高性能化的目的。
作為一類重要的集成光學器件，採用離子交換法在玻璃基片上製作的光器件一直受到企業界和研究者們的重視。自上世紀70年代始，各國研究機構投入大量的人力和財力進行玻璃基集成光器件的開發。原因在於這種器件具有一些優異的性質，包括傳輸損耗低，易於摻雜高濃度的稀土離子，與光纖的光學特性匹配，耦合損耗小，環境穩定性好，易於集成，成本低廉等等。目前，一些玻璃基片上的集成光學器件已經實現規模化與系列化，並成功地用於光通信和光傳感網絡。離子交換技術在玻璃基片上形成的表面光波導結構如圖I左圖所示。由於玻璃基片I中表面摻雜區2呈扁平狀，因而使其模場分布不對稱，光波導與單模光纖的耦合損耗很大；另一方面，表面摻雜區2位於玻璃基片I的表面,光導波在玻璃基片I表面的散射將引入很高的傳輸損耗。通過電場輔助離子遷移技術可以將表面摻雜區2埋入玻璃基片I表面以下，變成內部摻雜區3，形成掩埋光波導。掩埋光波導的製作可以改善光波導芯層折射率分布的對稱性，並進而改善光波導模場分布的對稱性，降低光波導器件和與光纖的稱合損耗。同時，掩埋光波導的芯部在玻璃表面以下，使光導波不在玻璃表面產生散射，降低了器件的傳輸損耗。然而，現有的電場輔助離子遷移過程由於有嚴重的不足其一，由於採用熔點相對較高的NaNO3(NaNO3熔點約 307°C )做電極，決定了離子遷移的溫度必須高於在此溫度；在此溫度下的離子遷移過程中，玻璃基片I中的離子摻雜區會發生明顯的熱擴散，尺寸嚴重增大，無法實現與單模光纖的尺寸匹配，使光波導具有較大的耦合損耗。其二，硝酸鹽對玻璃基片有一定腐蝕作用，高溫下這種腐蝕作用尤其明顯，特別是對於磷酸鹽玻璃，熔鹽的腐蝕作用會嚴重影響玻璃基集成光器件的性能。

發明內容
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種熔融溫度底、對玻璃基片腐蝕作用小的玻璃基掩埋光波導的製作方法。本發明的目的可以通過以下技術方案來實現一種玻璃基掩埋光波導的製作方法，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的玻璃基片置於多組分熔鹽中，通過電場輔助使表面摻雜的離子進入玻璃基片內部並形成內部摻雜區，在玻璃基片上製作掩埋光波導，其特徵在於，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% )，以及對應於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矽酸鹽玻璃，磷酸鹽玻璃或硼酸鹽玻璃，對應於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。所述的電場輔助使表面摻雜的離子進入玻璃基片內部的溫度為180_380°C。所述的電場輔助使表面摻雜的離子進入玻璃基片內部的溫度為180_300°C。所述的玻璃基片的表面摻雜區和內部摻雜區中摻雜離子為Ag+、Rb+、Cs+或Tl+。所述的電場輔助是在玻璃基兩側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。本發明採用多組分熔鹽為電極，通過對製作有表面摻雜區的玻璃基片進行電場輔助離子遷移，在玻璃基片上製作掩埋光波導。在玻璃基片兩側分別放置多組分熔鹽；在多組分熔鹽中，分別插入電極引線，並分別將其連接直流電源的正、負極；正電極和負電極之間施加直流偏壓，並保持一定時間。在此直流偏壓的作用下，玻璃基片表面摻雜區埋入玻璃基片表面以下，變成內部摻雜區，形成掩埋光波導。與現有技術相比，本發明中採用了多組分熔鹽作為電極，這種熔鹽的熔化溫度可以調節到100°C甚至更低，因此使電場輔助離子遷移的溫度選擇的靈活性大幅度提高，控制離子摻雜區更加簡單，光波導器件的性能更加可靠。不僅如此，由於可以選擇較低的溫度進行離子交換，熔鹽對玻璃的腐蝕作用大幅度降低。


圖I玻璃基片上表面光波導與掩埋光波導的示意圖；圖2是電場輔助離子遷移過程的示意圖。圖中1.玻璃基片；2.表面摻雜區；3.內部摻雜區；4.多組分熔鹽；5.電極引線。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。在玻璃基片表面摻雜離子形成表面摻雜區得到表面光波導，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(圖I中左圖所示)通過電場輔助離子遷移的方法製作掩埋光波導(圖I中右圖所示)的過程如下(如圖1-2所示)。(A)將表面製作有光波導的玻璃基片I裝入特製的電場輔助離子遷移器具，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 % )，以及對應於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；在玻璃基片I兩側的多組分熔鹽4中分別插入連接在直流電源正、負極的電極引線5 (參見圖2)，開啟直流電源。離子遷移時間根據設計要求確定，在5分鐘到40小時之間。(C)基片清洗。將玻璃基片I表面殘餘的鹽用去離子水衝洗乾淨。、
(D)退火。將玻璃基片I在一定溫度下保溫進行退火處理。實施例I :在矽酸鹽玻璃基片上製作淺掩埋光波導。(A)將表面製作有光波導的矽酸鹽玻璃基片I裝入特製的電場輔助離子遷移器具,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。在玻璃基片I兩側的多組分熔鹽4中分別插入連接在50V直流電源正、負極的電極引線5 (Au材料製作)(參見圖2)，開啟直流電源。離子遷移時間5分鐘。(C)基片清洗。將玻璃基片I表面殘餘的鹽用去離子水衝洗乾淨。 (D)退火。將玻璃基片I在一定溫度下保溫進行退火處理。實施例2:在矽酸鹽玻璃基片上製作深掩埋光波導。(A)將表面製作有光波導的矽酸鹽玻璃基片I裝入特製的電場輔助離子遷移器具,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。在玻璃基片I兩側的多組分熔鹽4中分別插入連接在1000V直流電源正、負極的電極引線5 (Au材料製作)(參見圖2)，開啟直流電源。離子遷移時間40小時。(C)基片清洗。將玻璃基片I表面殘餘的鹽用去離子水衝洗乾淨。(D)退火。將玻璃基片I在一定溫度下保溫進行退火處理。實施例3 在硼酸鹽玻璃基片上製作淺掩埋光波導。(A)將表面製作有光波導的硼酸鹽玻璃基片I裝入特製的電場輔助離子遷移器具,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。在玻璃基片I兩側的多組分熔鹽4中分別插入連接在200V直流電源正、負極的電極引線5 (Pt材料製作)(參見圖2)，開啟直流電源。離子遷移時間50分鐘。(C)基片清洗。將玻璃基片I表面殘餘的鹽用去離子水衝洗乾淨。(D)退火。將玻璃基片I在一定溫度下保溫進行退火處理。實施例4 在硼酸鹽玻璃基片上製作深掩埋光波導。(A)將表面製作有光波導的硼酸鹽玻璃基片I裝入特製的電場輔助離子遷移器具,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。在玻璃基片I兩側的多組分熔鹽4中分別插入連接在600V直流電源正、負極的電極引線5(Pt材料製作)(參見圖2)，開啟直流電源。離子遷移時間20h。(C)基片清洗。將玻璃基片I表面殘餘的鹽用去離子水衝洗乾淨。
(D)退火。將玻璃基片I在一定溫度下保溫進行退火處理。實施例5
在磷酸鹽玻璃基片上製作淺掩埋光波導。(A)將表面製作有光波導的磷酸鹽玻璃基片I裝入特製的電場輔助離子遷移器具,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。在玻璃基片I兩側的多組分熔鹽4中分別插入連接在200V直流電源正、負極的電極引線5 (Au材料製作)(參見圖2)，開啟直流電源。離子遷移時間30分鐘。(C)基片清洗。將玻璃基片I表面殘餘的鹽用去離子水衝洗乾淨。(D)退火。將玻璃基片I在一定溫度下保溫進行退火處理。實施例6 在磷酸鹽玻璃基片上製作深掩埋光波導。(A)將表面製作有光波導的磷酸鹽玻璃基片I裝入特製的電場輔助離子遷移器具,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。在玻璃基片I兩側的多組分熔鹽4中分別插入連接在600V直流電源正、負極的電極引線5(A1材料製作)(參見圖2)，開啟直流電源。離子遷移時間10h。(C)基片清洗。將玻璃基片I表面殘餘的鹽用去離子水衝洗乾淨。(D)退火。將玻璃基片I在一定溫度下保溫進行退火處理。
權利要求
1.一種玻璃基掩埋光波導的製作方法,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的玻璃基片置於多組分熔鹽中，通過電場輔助使表面摻雜的離子進入玻璃基片內部並形成內部摻雜區，在玻璃基片上製作掩埋光波導，其特徵在於，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% ),以及對應於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.根據權利要求I所述的一種玻璃基掩埋光波導的製作方法，其特徵在於，所述的玻璃基片的材料是矽酸鹽玻璃，磷酸鹽玻璃或硼酸鹽玻璃，對應於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.根據權利要求I所述的一種玻璃基掩埋光波導的製作方法，其特徵在於，所述的電場輔助使表面摻雜的離子進入玻璃基片內部的溫度為180-380°C。
4.根據權利要求3所述的一種玻璃基掩埋光波導的製作方法，其特徵在於，所述的電場輔助使表面摻雜的離子進入玻璃基片內部的溫度為180-300°C。
5.根據權利要求I所述的一種玻璃基掩埋光波導的製作方法，其特徵在於，所述的玻璃基片的表面摻雜區和內部摻雜區中摻雜離子為Ag+、Rb+、Cs+或Tl+。
6.根據權利要求I所述的一種玻璃基掩埋光波導的製作方法，其特徵在於，所述的電場輔助是在玻璃基兩側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.根據權利要求6所述的一種玻璃基掩埋光波導的製作方法,其特徵在於,所述的電極引線的材料為Au, Pt, Cu, Ag或Al。
全文摘要
本發明涉及一種玻璃基掩埋光波導的製作方法，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的玻璃基片置於多組分熔鹽中，通過電場輔助使表面摻雜的離子進入玻璃基片內部並形成內部摻雜區，在玻璃基片上製作掩埋光波導，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％)，以及對應於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。與現有技術相比，本發明具有熔融溫度底、對玻璃基片腐蝕作用小等優點。
文檔編號G02B6/134GK102645700SQ20121013760
公開日2012年8月22日 申請日期2012年5月4日 優先權日2012年5月4日
發明者商惠琴, 楊建義, 王明華, 王毅強, 郝寅雷 申請人:上海光芯集成光學股份有限公司