專利名稱：摻鉺磷酸鹽兩步離子交換光波導制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種離子交換光波導制作方法，特別是一種是摻鉺磷酸鹽兩步離子交換光波導制作方法。屬于光通信領域。
背景技術：
光放大器是光通訊和光信息處理系統(tǒng)中的一個重要器件。摻鉺玻璃波導放大器具有體積小、性能穩(wěn)定可靠、效率高、功耗低，使用方便等優(yōu)點。但是離子交換光波導的傳輸損耗大，偏振相關損耗(PDL)大，一直是制約光波導器件長足發(fā)展的關鍵因素之一，現(xiàn)在常見的離子交換制作玻璃光波導的方法大都只做一次交換，其中用高質(zhì)量光學BK7玻璃制作的條波導傳輸損耗為0.21dB/cm，所制得的光波導表面光學質(zhì)量不穩(wěn)定，最大的缺點在于波導區(qū)域橫截面呈半橢圓形，其偏振相關損耗較大，極大的影響了光波導的傳輸特性，以至于玻璃光波導器件長期抑足不前。有少數(shù)人用了電場輔助的離子再分布工藝，經(jīng)文獻檢索發(fā)現(xiàn)，Jitka 和Josef Schrofel在《光通訊》，1998年第156卷，第384-391頁上發(fā)表的“電場輔助K+-Na+離子交換玻璃光波導結(jié)構(gòu)”(Optics Communications，“Integrated waveguide structures prepared in very pure glass byelectric field assisted K+-Na+ ion exchange”Vol.156 1998 384-391)一文中提到了電場輔助下得離子交換工藝，但是其實驗裝置復雜，難以實現(xiàn)，很難保證工藝的穩(wěn)定性。在這一領域里，至今沒有關于摻鉺磷酸鹽玻璃二次離子交換低傳輸損耗，低偏振相關損耗光波導的詳細報道以及相關專利。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術中的不足，提供一種摻鉺磷酸鹽玻璃離子交換光波導制作方法，利用兩步離子交換工藝制作光波導，使其通過特定的交換和退火工藝實現(xiàn)光波導的低傳輸損耗、低偏振相關損耗的特性。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的，方法包括以下步驟1)離子交換熔鹽的配制；2)襯底樣品掩膜圖形的制備；3)兩次離子交換；4)退火；5)去除掩膜層；6)端面拋光。
以下對本發(fā)明方法作進一步的說明，具體內(nèi)容如下1)離子交換熔鹽的配制熔鹽的組分對離子交換結(jié)果有很大的影響，本發(fā)明方法所用的離子交換熔鹽為硝酸銀、硝酸鈉、硝酸鉀的混合物，其重量百分比組成范圍為一號鹽浴一次交換使用，硝酸銀5～10％，硝酸鉀90～95％；二號鹽浴二次交換使用，硝酸鉀0～10％，硝酸鈉90～100％；鹽混合后要充分攪拌使其均勻。
2)襯底樣品掩膜圖形的制備本發(fā)明方法選用鋁作為離子交換的掩膜，用常規(guī)的離子濺射的方法在摻鉺磷酸鹽玻璃片狀樣品一個表面形成厚度為1000～2000埃鋁掩膜，再用常規(guī)光刻腐蝕技術在掩膜上開一組條形窗口，寬度分別為5.0、5.5、6.0、6.5、7.0微米。
3)兩次離子交換將步驟1)配制的鹽和步驟2)制備的樣品都放入恒溫爐，預熱至一次交換所需溫度后，將樣品浸入一號鹽浴中，交換一定時間后取出；再將爐溫迅速調(diào)整至二次交換所需溫度，然后將樣品浸入二號鹽浴中進行二次離子交換，交換一定時間后取出。所有以上操作過程中樣品始終處于爐腔內(nèi)，避免樣品驟冷驟熱。一次交換溫度330～340攝氏度，反應時間90～120分鐘；二次交換溫度310～330攝氏度，反應時間20～30分鐘。
4)退火步驟3)完成后，樣品從熔鹽中取出并不離開爐腔，然后把爐溫升至340～350攝氏度，以345攝氏度為佳，保持10～20分鐘，然后關閉電路電源，在爐門關閉的情況下使其自然冷卻后取出樣品。
5)去除掩膜層將經(jīng)過步驟4)的樣品浸入熱磷酸中清晰片刻，見鋁膜脫落后取出，用去離子水洗凈。
6)端面拋光用普通的機械研磨的方法將樣品兩端面拋光，得到光波導。
本發(fā)明方法與一般離子交換制作玻璃光波導的方法相比有以下有益效果經(jīng)過特定的兩步離子交換和退火工藝，使光波導折射率分布對稱性較好，偏振相關損耗低于0.2～0.3dB，光波導傳輸損耗低于0.7～1.2dB/cm；兩步離子交換和退火連續(xù)進行，工藝周期短，穩(wěn)定性好；本發(fā)明方法不只適用于摻鉺磷酸鹽玻璃，對其他類似的玻璃材料也同樣適用。
圖1是本發(fā)明方法流程圖具體實施方式
如圖1所示，本發(fā)明包括如下步驟1)離子交換熔鹽的配制；2)襯底樣品掩膜圖形的制備；3)兩次離子交換；4)退火；5)去除掩膜層；6)端面拋光。
以下結(jié)合本發(fā)明的方法提供實施例，對本發(fā)明技術方案作進一步的理解。
實施例1一號鹽浴10％硝酸銀，90％硝酸鉀；二號鹽浴10％硝酸鉀，90％硝酸鈉，掩膜厚度1200埃。將鹽和樣品置入恒溫爐中預熱至一次交換溫度330攝氏度，把樣品浸入一號鹽浴反應120分鐘取出，約5分鐘后爐溫穩(wěn)定于二次交換溫度310攝氏度，把樣品浸入二號鹽浴反應30分鐘取出，然后將爐溫調(diào)整到340攝氏度，保持20分鐘，關閉電源，使其自然冷卻后取出樣品。用熱磷酸溶掉表面的鋁膜后將樣品洗凈，最后拋光。所得結(jié)果，6.5微米寬度波導傳輸損耗1.2dB/cm，PDL＜0.3dB；6微米寬度波導，傳輸損耗0.70dB/cm，PDL＜0.3dB。其余寬度的波導由于工藝過程中損傷無法測量。
實施例2一號鹽浴8％硝酸銀，92％硝酸鉀；二號鹽浴100％硝酸鈉。一次交換溫度335攝氏度，反應時間為100分鐘；二次交換溫度320攝氏度，反應時間25分鐘，退火溫度345攝氏度，其他同實施例1，所得結(jié)果7.0微米寬度波導傳輸損耗0.57dB/cm，PDL＜0.2dB；6微米寬度波導，傳輸損耗0.72dB/cm，PDL＜0.2dB。
實施例3二號鹽浴5％硝酸鉀，95％硝酸鈉，掩膜厚度1500埃，一次交換溫度340攝氏度，反應時間為90分鐘；二次交換溫度325攝氏度，反應時間20分鐘，其余同實施例1，所得結(jié)果7.0微米寬度波導傳輸損耗1.1dB/cm，PDL＜0.2dB；6微米寬度波導，傳輸損耗0.83dB/cm，PDL＜0.2dB。
實施例4
一號鹽浴5％硝酸銀，95％硝酸鉀；二號鹽浴100％硝酸鈉，膜厚度2000埃，一次交換溫度333攝氏度，反應時間為100分鐘；二次交換溫度318攝氏度，反應時間25分鐘，其余同實施例1，所得結(jié)果7.0微米寬度波導傳輸損耗0.54dB/cm，PDL＜0.2dB；6.5微米寬度波導，傳輸損耗0.65dB/cm，PDL＜0.2dB；6微米寬度波導，傳輸損耗0.71dB/cm，PDL＜0.3dB。
權利要求
1.一種摻鉺磷酸鹽兩步離子交換光波導制作方法，其特征在于，包括如下步驟1)離子交換熔鹽的配制，2)襯底樣品掩膜圖形的制備，3)兩次離子交換，4)退火，5)去除掩膜層，6)端面拋光，其中所述的離子交換熔鹽為硝酸銀、硝酸鈉、硝酸鉀的混合物，其重量百分比組成范圍為一號鹽浴一次交換使用，硝酸銀5～10％，硝酸鉀90～95％；二號鹽浴二次交換使用，硝酸鉀0～10％，硝酸鈉90～100％。
2.如權利要求1所述的摻鉺磷酸鹽兩步離子交換光波導制作方法，其特征是，所述的步驟3)兩次離子交換，具體如下將步驟1)配制的鹽和步驟2)制備的樣品都放入恒溫爐，預熱至一次交換所需溫度后，將樣品浸入一號鹽浴中，交換后取出，再將爐溫迅速調(diào)整至二次交換所需溫度，然后將樣品浸入二號鹽浴中進行二次離子交換，交換后取出，所有以上操作過程中樣品始終處于爐腔內(nèi)，避免樣品驟冷驟熱。
4.如權利要求3所述的摻鉺磷酸鹽兩步離子交換光波導制作方法，其特征是，一次交換溫度為330～340攝氏度，反應時間為90～120分鐘，二次交換溫度為310～330攝氏度，反應為時間20～30分鐘。
5.如權利要求1所述的摻鉺磷酸鹽兩步離子交換光波導制作方法，其特征是，所述的步驟4)退火，具體如下退火過程緊接在步驟3)之后進行，樣品從熔鹽中取出，然后爐溫升至340～350攝氏度，以345攝氏度為佳，保持10～20分鐘，然后關閉電路電源，在爐門關閉的情況下自然冷卻后取出樣品。
全文摘要
一種是摻鉺磷酸鹽兩步離子交換光波導制作方法。屬于光通信領域。包括如下步驟1.離子交換熔鹽的配制，2.襯底樣品掩膜圖形的制備，3.兩次離子交換，4.退火，5.去除掩膜層，6.端面拋光，其中所述的離子交換熔鹽為硝酸銀、硝酸鈉、硝酸鉀的混合物，其重量百分比組成范圍為一號鹽浴一次交換使用，硝酸銀5～10％，硝酸鉀90～95％；二號鹽浴二次交換使用，硝酸鉀0～10％，硝酸鈉90～100％。本發(fā)明方法經(jīng)過兩步離子交換和退火工藝，使光波導折射率分布對稱性較好，偏振相關損耗低于0.2～0.3dB，光波導傳輸損耗低于0.7～1.2dB/cm；兩步離子交換和退火連續(xù)進行，工藝周期短，穩(wěn)定性好；不只適用于摻鉺磷酸鹽玻璃，對其他類似的玻璃材料也同樣適用。
文檔編號G02B6/136GK1553236SQ20031012273
公開日2004年12月8日 申請日期2003年12月19日 優(yōu)先權日2003年12月19日
發(fā)明者慕桓, 王潔紅, 向端燕, 金國良, 戴蓓興, 慕 桓 申請人:上海交通大學