專利名稱：離子掩模法制作玻璃掩埋光波導(dǎo)器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于平面光波導(dǎo)回路的一種離子掩模法制作玻璃掩埋光波導(dǎo)器件的方法。
背景技術(shù)：
目前光波導(dǎo)器件如調(diào)制/解調(diào)器、波分復(fù)用/解復(fù)用器、光開關(guān)、光功分器、光放大器等在光網(wǎng)絡(luò)中都占有重要地位。所使用的材料有很多，它們以不同結(jié)構(gòu)和原理實(shí)現(xiàn)一種或多種上述器件。這些材料主要包括III-V族化合物半導(dǎo)體材料、LiNbO3材料、SOI(silicon on isolator)、Si、SiO2、玻璃、有機(jī)聚合物等。
在上述的這些材料中，化合物半導(dǎo)體材料、LiNbO3材料是晶體材料，制成的光器件與偏振有關(guān)，而且材料本身的折射率高，與光纖耦合復(fù)雜；SOI等材料制備工藝復(fù)雜、技術(shù)難度大、成本較高。就制作工藝來說，SOI、SiO2等材料需要用到低壓化學(xué)氣相淀積或火焰水解技術(shù)，以及干法刻蝕技術(shù)，其設(shè)備復(fù)雜、價(jià)格昂貴；化合物半導(dǎo)體材料則需要多層外延和刻蝕工藝，不僅技術(shù)復(fù)雜、難度大，而且價(jià)格昂貴。
用玻璃作為襯底材料利用離子交換技術(shù)制作光波導(dǎo)器件具有工藝簡單成熟、損耗低、各向同性、容易集成，并且由于玻璃的折射率與光纖折射率相近，易于與光纖耦合等優(yōu)點(diǎn)。而玻璃襯底光波導(dǎo)器件有多種制作方法和不同的結(jié)構(gòu)，為使器件的傳輸損耗盡量小、并與光偏振方向無關(guān)，必須使光波導(dǎo)隱埋在玻璃的內(nèi)部，同時(shí)使波導(dǎo)截面盡量呈圓形。
在一般的用金屬作掩膜的離子交換技術(shù)中，由于金屬掩膜覆蓋在玻璃的表面，在玻璃內(nèi)部無法限制離子的橫向擴(kuò)散，因此交換得到的波導(dǎo)寬，很難獲得所需的深寬比的波導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服玻璃離子交換波導(dǎo)截面模場不對(duì)稱及分布于玻璃表面，從而帶來與光纖耦合效率低和玻璃表面對(duì)光信號(hào)傳輸損耗影響大的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種離子掩模法制作玻璃掩埋光波導(dǎo)器件的方法，它使波導(dǎo)截面更接近于圓形、能夠克服玻璃表面狀態(tài)對(duì)波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)墓庑盘?hào)的影響，大大改善傳輸損耗，同時(shí)波導(dǎo)截面結(jié)構(gòu)的改善有利于實(shí)現(xiàn)與光纖的耦合，降低耦合損耗。
為達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是包括用真空蒸發(fā)或者射頻濺射技術(shù)在玻璃表面淀積一層金屬鋁薄膜；用常規(guī)光刻工藝刻出光功分器圖形，這里，將要形成波導(dǎo)的區(qū)域表面有金屬薄膜覆蓋，而非波導(dǎo)區(qū)的金屬薄膜在光刻時(shí)被除去；本發(fā)明還包括以下步驟1)接著用離子交換技術(shù)進(jìn)行鉀-鈉離子交換制作離子掩膜，首先將硝酸鈉與硝酸鉀按摩爾比0～1∶1的比例混合后，配好離子交換源，把配好的離子交換源放入高溫爐中烘烤不少于4小時(shí)，溫度為240～280℃；然后升高爐溫到360～400℃，待離子交換源完全熔融后把刻好波導(dǎo)圖形的玻璃片放入交換源中，進(jìn)行離子交換，形成離子掩膜，時(shí)間為4～10小時(shí)，最后取出玻璃片冷卻至常溫；2)去掉金屬掩膜后，進(jìn)行銀-鈉離子交換，首先將硝酸鈉與硝酸銀按摩爾比100∶0.2～2的比例混合配好離子交換源，把配好的離子交換源放入高溫爐中烘烤不少于4小時(shí)，溫度為200～240℃；然后升高爐溫到300～360℃，待離子交換源完全熔融后把經(jīng)過第3)步交換過的玻璃片放入交換源中，進(jìn)行銀-鈉離子交換，形成波導(dǎo)，時(shí)間為2～8小時(shí)，最后取出玻璃片冷卻至常溫；3)然后是鈉離子交換使表面的鉀、銀離子濃度降低，形成掩埋的光波導(dǎo)，交換條件是純硝酸鈉融鹽，溫度為350～370℃，時(shí)間為2～4小時(shí)；4)最后進(jìn)行退火處理，溫度為350℃，時(shí)間為2～8小時(shí)。
在第1)點(diǎn)鉀-鈉離子交換形成的離子交換層在隨后的銀-鈉離子交換過程起掩膜作用，使銀-鈉離子交換僅發(fā)生在波導(dǎo)的區(qū)域。
本發(fā)明具有的有益效果是由于離子掩膜本身深入玻璃表層內(nèi)部，具有數(shù)微米的深度，這樣它不僅在深度方向上限制了離子的交換，而且在玻璃表層的橫向也限制了離子的橫向擴(kuò)散，對(duì)離子交換起掩蔽作用，所以限制了銀離子的橫向擴(kuò)散，使銀-鈉離子交換時(shí)銀離子主要向深度方向擴(kuò)散，可以使波導(dǎo)埋得更深，同時(shí)第三次的鈉-銀離子交換把表面的銀離子交換掉一部分，使波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在深度方向上也呈對(duì)稱。這些特點(diǎn)對(duì)光波導(dǎo)器件是非常重要的，可以有效地降低光波導(dǎo)器件的傳輸損耗和耦合損耗，有利于制作深掩埋的圓形波導(dǎo)。


附圖是本本發(fā)明的制作工藝流程示意圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1如附圖所示，按如下步驟制作一個(gè)玻璃掩埋光波導(dǎo)器件1、準(zhǔn)備一片清潔的玻璃；2、用真空蒸發(fā)或者射頻濺射技術(shù)在玻璃表面淀積一層300nm左右金屬薄膜，本實(shí)例中用金屬鋁；
3、用常規(guī)光刻工藝刻出光功分器圖形；4、用離子交換技術(shù)進(jìn)行鉀-鈉離子交換制作離子掩膜。首先將硝酸鉀放入高溫爐中烘烤不少于4小時(shí)，溫度為280℃；然后升高爐溫到360℃，待離子交換源完全熔融后把第3)步刻好波導(dǎo)圖形的玻璃片放入交換源中，進(jìn)行離子交換，形成離子掩膜，時(shí)間為4小時(shí)，最后取出玻璃片冷卻至常溫；5、去掉金屬掩膜后，進(jìn)行銀-鈉離子交換，首先將硝酸鈉與硝酸銀按摩爾比100∶0.2的比例混合配好離子交換源，把配好的離子交換源放入高溫爐中烘烤不少于4小時(shí)，溫度為240℃；然后升高爐溫到360℃，待離子交換源完全熔融后把經(jīng)過第4)步交換過的玻璃片放入交換源中，進(jìn)行銀-鈉離子交換，形成波導(dǎo)，時(shí)間為8小時(shí)，最后取出玻璃片冷卻至常溫；6、然后是鈉離子交換使波導(dǎo)表面的銀離子濃度降低，形成掩埋的光波導(dǎo)，交換條件是純硝酸鈉融鹽，溫度為370℃2小時(shí)。最后進(jìn)行退火處理，溫度為350℃8小時(shí)。
實(shí)施例2如附圖所示，按如下步驟制作一個(gè)玻璃掩埋光波導(dǎo)器件1、準(zhǔn)備一片清潔的玻璃；2、用真空蒸發(fā)或者射頻濺射技術(shù)在玻璃表面淀積一層300nm左右金屬薄膜，本實(shí)例中用金屬鋁；3、用常規(guī)光刻工藝刻出光功分器圖形；4、用離子交換技術(shù)進(jìn)行鉀-鈉離子交換制作離子掩膜。首先將硝酸鈉與硝酸鉀按摩爾比1∶1的比例混合后，配好離子交換源，把配好的離子交換源放入高溫爐中烘烤不少于4小時(shí)，溫度為240℃；然后升高爐溫到400℃，待離子交換源完全熔融后把第3)步刻好波導(dǎo)圖形的玻璃片放入交換源中，進(jìn)行離子交換，形成離子掩膜，時(shí)間為8小時(shí)，最后取出玻璃片冷卻至常溫；5、去掉金屬掩膜后，進(jìn)行銀-鈉離子交換，首先將硝酸鈉與硝酸銀按摩爾比100∶2的比例混合配好離子交換源，把配好的離子交換源放入高溫爐中烘烤不少于4小時(shí)，溫度為200℃；然后升高爐溫到300℃，待離子交換源完全熔融后把經(jīng)過第4)步交換過的玻璃片放入交換源中，進(jìn)行銀-鈉離子交換，形成波導(dǎo)，時(shí)間為2小時(shí)，最后取出玻璃片冷卻至常溫；6、然后是鈉離子交換使波導(dǎo)表面的銀離子濃度降低，形成掩埋的光波導(dǎo)，交換條件是純硝酸鈉融鹽，溫度為350℃4小時(shí)。最后進(jìn)行退火處理，溫度為350℃2小時(shí)。
權(quán)利要求
1.一種離子掩模法制作玻璃掩埋光波導(dǎo)器件的方法，包括用真空蒸發(fā)或者射頻濺射技術(shù)在玻璃表面淀積一層金屬鋁薄膜；用常規(guī)光刻工藝刻出光功分器圖形，這里，將要形成波導(dǎo)的區(qū)域表面有金屬薄膜覆蓋，而非波導(dǎo)區(qū)的金屬薄膜在光刻時(shí)被除去；其特征在于1)接著用離子交換技術(shù)進(jìn)行鉀-鈉離子交換制作離子掩膜，首先將硝酸鈉與硝酸鉀按摩爾比0～1∶1的比例混合后，配好離子交換源，把配好的離子交換源放入高溫爐中烘烤不少于4小時(shí)，溫度為240～280℃；然后升高爐溫到360～400℃，待離子交換源完全熔融后把刻好波導(dǎo)圖形的玻璃片放入交換源中，進(jìn)行離子交換，形成離子掩膜，時(shí)間為4～10小時(shí)，最后取出玻璃片冷卻至常溫；2)去掉金屬掩膜后，進(jìn)行銀-鈉離子交換，首先將硝酸鈉與硝酸銀按摩爾比100∶0.2～2的比例混合配好離子交換源，把配好的離子交換源放入高溫爐中烘烤不少于4小時(shí)，溫度為200～240℃；然后升高爐溫到300～360℃，待離子交換源完全熔融后把經(jīng)過第3)步交換過的玻璃片放入交換源中，進(jìn)行銀-鈉離子交換，形成波導(dǎo)，時(shí)間為2～8小時(shí)，最后取出玻璃片冷卻至常溫；3)然后是鈉離子交換使表面的鉀、銀離子濃度降低，形成掩埋的光波導(dǎo)，交換條件是純硝酸鈉融鹽，溫度為350～370℃，時(shí)間為2～4小時(shí)；4)最后進(jìn)行退火處理，溫度為350℃，時(shí)間為2～8小時(shí)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種離子掩模法制作玻璃掩埋光波導(dǎo)器件的方法，其特征在于第1)點(diǎn)鉀-鈉離子交換形成的離子交換層在隨后的銀-鈉離子交換程起掩膜作用，使銀-鈉離子交換僅發(fā)生在波導(dǎo)的區(qū)域。
全文摘要
一種離子掩模法制作玻璃掩埋光波導(dǎo)器件的方法。包括用真空蒸發(fā)或者射頻濺射技術(shù)在玻璃表面淀積一層金屬鋁薄膜；用常規(guī)光刻工藝刻出光功分器圖形，這里，將要形成波導(dǎo)的區(qū)域表面有金屬薄膜覆蓋，而非波導(dǎo)區(qū)的金屬薄膜在光刻時(shí)被除去；接著用離子交換技術(shù)進(jìn)行鉀－鈉離子交換制作離子掩膜；去掉金屬掩膜后，進(jìn)行銀－鈉離子交換；然后是鈉離子交換使表面的鉀、銀離子濃度降低，形成掩埋的光波導(dǎo)；最后進(jìn)行退火處理。本發(fā)明用交換離子層作掩膜，掩膜本身深入玻璃表層內(nèi)部，具有數(shù)微米的深度，這樣它不僅在深度方向上限制了離子的交換，而且在玻璃表層的橫向也限制了離子的橫向擴(kuò)散，使波導(dǎo)的深寬比得到提高，有利于制作深掩埋的圓形波導(dǎo)。
文檔編號(hào)G02B6/13GK1746709SQ20051006107
公開日2006年3月15日 申請(qǐng)日期2005年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月12日
發(fā)明者李錫華, 王明華, 江曉清, 呂金良, 許坤良, 周海權(quán) 申請(qǐng)人:浙江南方通信集團(tuán)股份有限公司, 浙江大學(xué)