專利名稱：一種離子掩膜制作玻璃光波導(dǎo)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光器件、集成光學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種離子掩膜制作玻璃光波導(dǎo)的方法。
背景技術(shù)：
集成光路是指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。
通常使用的集成光學(xué)器件制備工藝可以分為兩類一類是沉積法，包括等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)、火焰水解法(FHD)、溶膠-凝膠法(sol-gel)等，其中以PECVD法最為常用；另一類是擴(kuò)散法，包括鈮酸鋰基片上的金屬擴(kuò)散、質(zhì)子交換，以及玻璃基片上的離子交換法。
采用離子交換技術(shù)在玻璃基片上制備的集成光學(xué)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。自從1972年，T.Izawa和H.Nakagome發(fā)表了第一篇關(guān)于采用離子交換工藝在玻璃基片上制作光波導(dǎo)的研究論文以來，采用這種工藝在玻璃基片上制作光波導(dǎo)器件的研究引起了許多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)界的持續(xù)關(guān)注。經(jīng)過三十余年的研究與開發(fā)，一些采用這種技術(shù)制備的集成光學(xué)器件，如光功分器和光放大器，已經(jīng)從純粹的實(shí)驗(yàn)室研究走向產(chǎn)業(yè)化階段，并成功地應(yīng)用于光通信和光傳感網(wǎng)絡(luò)，有力地推進(jìn)了光信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。
通常使用的離子交換工藝(如圖1所示)是在玻璃基片1表面制作阻止離子擴(kuò)散的掩膜2(通常是厚度為微米或亞微米數(shù)量級的Al、Ag、Ti、Ni、Cr-Au等金屬材料，或者SiO2等電介質(zhì)材料)，而后將帶有掩膜的放入含有高極化率離子(通常是K+、Ag+、Li+、Rb+、Cs+、Cu+、Tl+等)熔鹽3中進(jìn)行離子交換，熔鹽中的高極化率離子通過掩膜2形成的擴(kuò)散窗口與玻璃基片1中的低極化率離子(通常是Na+)進(jìn)行離子交換，高極化率離子進(jìn)入玻璃基片1并形成高折射率的離子擴(kuò)散區(qū)4，作為光波導(dǎo)的芯層。一般來講，由于在光波導(dǎo)制作過程中離子的側(cè)向擴(kuò)散，高折射率的離子擴(kuò)散區(qū)4呈扁平狀，因而使其模場分布不對稱，增大與單模光纖的耦合損耗。
采用電場輔助二次離子交換制作掩埋式的光波導(dǎo)可以改善光波導(dǎo)芯層折射率分布的對稱性，并進(jìn)而改善光波導(dǎo)模場分布的對稱性，降低光波導(dǎo)器件和與光纖的耦合損耗。但二次離子交換的方法比純粹的熱離子交換需要更復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，對離子交換的工藝條件的要求也更苛刻，不僅增大了器件制作成本，而且降低了器件的生產(chǎn)效率。
另一種改善離子擴(kuò)散區(qū)形狀的方案是采用離子掩膜的方法，利用離子間的相互擠壓作用限制高折射率離子的側(cè)向擴(kuò)散，改善光波導(dǎo)芯層的形狀，如圖2所示。這種方案的具體步驟首先在玻璃基片1上采用微細(xì)加工手段(包括蒸發(fā)或?yàn)R射等沉積工藝、光刻、以及腐蝕)制作掩膜2，并形成離子擴(kuò)散窗口；而后將帶有掩膜2的玻璃基片1放入含有K+的熔鹽5中進(jìn)行離子交換，熔鹽中的K+經(jīng)熱擴(kuò)散作用在玻璃基片1中形成K+離子擴(kuò)散區(qū)6，作為下一步離子交換的離子掩膜；掩膜下方的K+離子未擴(kuò)散到的區(qū)域形成下一步的離子交換窗口。而后將掩膜2去除，將玻璃片放入含有高極化率離子(通常是Ag+)的熔鹽3中進(jìn)行離子交換，含有高極化率離子的熔鹽3中的高極化率離子通過離子掩膜形成的擴(kuò)散窗口與玻璃基片1中的低極化率離子(通常是Na+)進(jìn)行離子交換，高極化率離子進(jìn)入玻璃基片1并形成形狀改善的高折射率離子擴(kuò)散區(qū)7，作為光波導(dǎo)的芯層。
這種方法可以有效地抑制高極化率離子的橫向擴(kuò)散，但K+離子擴(kuò)散區(qū)6在第二次離子交換過程中不能完全阻止高極化率離子進(jìn)入玻璃基片，導(dǎo)致平板波導(dǎo)的形成，影響光波導(dǎo)器件的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種離子掩膜制作玻璃光波導(dǎo)的方法，不同于傳統(tǒng)的離子掩膜制備玻璃基光波導(dǎo)的方法，這種方案實(shí)施過程中采用了掩膜反型技術(shù)，使離子交換制備條形光波導(dǎo)的過程中，高極化率的陽離子不會通過K+離子擴(kuò)散區(qū)6(離子掩膜)進(jìn)入玻璃基片，對光波導(dǎo)的性能造成影響。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是采用微細(xì)加工手段在玻璃基片的上表面制作掩膜，并在掩膜上形成離子交換窗口，而后將帶有掩膜的玻璃基片放入含有K+的熔鹽中進(jìn)行離子交換，熔鹽中的K+經(jīng)熱擴(kuò)散作用在玻璃基片中形成K+離子擴(kuò)散區(qū)，掩膜下方K+離子未擴(kuò)散的區(qū)域形成下一步的離子交換窗口；其特征在于將玻璃基片連同上表面的掩膜清洗后，采用蒸發(fā)或?yàn)R射工藝在玻璃基片上表面制作與掩膜材料不同的薄膜，由于掩膜的存在，新制備的薄膜以兩種形式存在K+離子擴(kuò)散區(qū)上的薄膜，和掩膜上的薄膜；采用濕法腐蝕工藝，選用對掩膜有腐蝕作用而對K+離子擴(kuò)散區(qū)上的薄膜和掩膜上的薄膜無腐蝕作用的腐蝕劑，經(jīng)過腐蝕作用，掩膜連同掩膜上的薄膜被去除，而K+離子擴(kuò)散區(qū)上的薄膜留在玻璃基片表面；將表面帶有K+離子擴(kuò)散區(qū)上的薄膜的玻璃基片放入含有高極化率離子熔鹽中進(jìn)行第二步離子交換，熔鹽中的高極化率離子通過K+離子擴(kuò)散區(qū)形成的擴(kuò)散窗口與玻璃基片中的低極化率離子進(jìn)行離子交換，高極化率離子進(jìn)入玻璃基片并形成形狀改善的高折射率離子擴(kuò)散區(qū)，形成光波導(dǎo)的芯層。
所述的玻璃基片是摻雜稀土離子或不摻雜稀土離子的硅酸鹽玻璃，磷酸鹽玻璃或硼酸鹽玻璃。
含有高極化率離子的熔鹽所含的高極化率離子是Tl+、Ag+、Li+、Cs+、Rb+或Cu+。
所述的掩膜材料是Al、Ag、Ti、Ni、Cr-Au或SiO2。
K+離子擴(kuò)散區(qū)上的薄膜和掩膜上的薄膜為Al、Ag、Ti、Ni、Cr-Au或SiO2。
含有高極化率離子的熔鹽所含的陰離子是NO3-、CO32-、SO42-或Cl-。
與通常的離子掩膜制備光波導(dǎo)的方案相比，本發(fā)明所述的方案具有的有益效果是在K+離子交換制作離子掩膜之后采用掩膜反型技術(shù)制作了阻止高極化率離子進(jìn)入K+離子擴(kuò)散區(qū)的K+離子擴(kuò)散區(qū)上的薄膜，提高了光波導(dǎo)器件的性能。同時K+離子擴(kuò)散區(qū)上的薄膜的制備只需要薄膜制作工藝和選擇性腐蝕工藝，而不需要套刻工藝，因此具有易于實(shí)施的特點(diǎn)。


圖1是離子交換法制備表面條形光波導(dǎo)的示意圖。
圖2是通常的離子掩膜法制備條形光波導(dǎo)的示意圖。
圖3是本發(fā)明所述離子掩膜法制備條形光波導(dǎo)的示意圖。
圖中1.玻璃基片，2.掩膜；3.含有高極化率離子的熔鹽，4.高極化率離子擴(kuò)散區(qū)，5.含有K+的熔鹽，6.K+離子擴(kuò)散區(qū)，7.形狀改善的高折射率離子擴(kuò)散區(qū)，8.K+離子擴(kuò)散區(qū)上的薄膜，9.掩膜上的薄膜。
具體實(shí)施例方式
參照圖3所示，本發(fā)明所提出的離子掩膜制備玻璃基光波導(dǎo)的方法的實(shí)施步驟如下(1)采用微細(xì)加工手段(包括蒸發(fā)或?yàn)R射等沉積工藝、光刻、以及腐蝕)在玻璃基片1的表面制作掩膜2(通常是厚度為微米或亞微米數(shù)量級的Al、Ag、Ti、Ni、Cr-Au等金屬材料，或者SiO2等電介質(zhì)材料)；而后將帶有掩膜1的玻璃基片1放入含有K+的熔鹽5中進(jìn)行離子交換，交換溫度在320～450℃之間選擇，交換時間的確定保證K+離子擴(kuò)散區(qū)不形成平板波導(dǎo)，熔鹽中的K+經(jīng)熱擴(kuò)散作用在玻璃基片1中形成K+離子擴(kuò)散區(qū)6，作為下一步的離子交換的離子掩膜，掩膜下方K+離子未擴(kuò)散的區(qū)域形成下一步的離子交換窗口。
(2)將玻璃基片1連同表面的掩膜2清洗后，采用蒸發(fā)或?yàn)R射等薄膜制作工藝在玻璃基片上制作與掩膜2材料不同的薄膜(厚度為微米或亞微米數(shù)量級的Al、Ag、Ti、Ni、Cr-Au等金屬材料，或者SiO2等電介質(zhì)材料)，由于玻璃基片1表面掩膜2，這層薄層材料以兩種形式存在K+離子擴(kuò)散區(qū)上的薄膜8，和掩膜上的薄膜9。
(3)采用濕法腐蝕工藝，選用對掩膜2有腐蝕作用(或腐蝕速度快)而對K+離子擴(kuò)散區(qū)上的薄膜8和掩膜上的薄膜9無腐蝕作用(或腐蝕速度慢)的腐蝕劑，對K+離子擴(kuò)散區(qū)上的薄膜8和掩膜上的薄膜9為Ag，則腐蝕劑可以選用稀鹽酸。經(jīng)過選擇性腐蝕，掩膜2連同掩膜上的薄膜9被去除，而K+離子擴(kuò)散區(qū)上的薄膜8留在玻璃基片表面。
(4)將表面帶有K+離子擴(kuò)散區(qū)上的薄膜8的玻璃基片1放入含有高極化率離子(通常是Tl+、Ag+、Cs+、Rb+、Cu+)熔鹽3中進(jìn)行離子第二步離子交換，交換溫度270～340℃，熔鹽中的高極化率離子通過離子掩膜形成的擴(kuò)散窗口與玻璃基片1中的低極化率離子(通常是Na+)進(jìn)行離子交換，高極化率離子進(jìn)入玻璃基片1并形成形狀改善的高折射率離子擴(kuò)散區(qū)7，形成光波導(dǎo)的芯層。
實(shí)施例1采用低溫離子交換工藝制作光波導(dǎo)(1)采用蒸發(fā)或?yàn)R射工藝在玻璃基片的正面制作厚度為150～200nm的Al膜，而后通過光刻和腐蝕工藝在掩膜上形成離子交換窗口，而后將帶有掩膜的玻璃基片放入KNO3的熔鹽中進(jìn)行離子交換，交換溫度在320℃，交換時間10小時，熔鹽中的K+經(jīng)熱擴(kuò)散作用在玻璃基片中形成K+離子擴(kuò)散區(qū)。
(2)將玻璃基片連同表面的Al掩膜清洗后，采用蒸發(fā)或?yàn)R射工藝在玻璃基片上制作厚度為60～120nm的Ag薄膜。
(3)將玻璃基片放入稀鹽酸中腐蝕Al掩膜。
(4)將表面帶有Ag薄膜的玻璃基片放入AgNO3與NaNO3以及KNO3的混合熔鹽中進(jìn)行離子第二步離子交換，交換溫度270℃，交換時間3小時。
(5)將玻璃基片在260℃下保溫10小時，進(jìn)行退火處理。
實(shí)施例2采用中溫離子交換工藝制作光波導(dǎo)(1)采用蒸發(fā)或?yàn)R射工藝在玻璃基片的正面制作厚度為150～200nm的Al膜，而后通過光刻和腐蝕工藝在掩膜上形成離子交換窗口，而后將帶有掩膜的玻璃基片放入KNO3的熔鹽中進(jìn)行離子交換，交換溫度在400℃，交換時間5小時，熔鹽中的K+經(jīng)熱擴(kuò)散作用在玻璃基片中形成K+離子擴(kuò)散區(qū)。
(2)將玻璃基片連同表面的Al掩膜清洗后，采用蒸發(fā)或?yàn)R射工藝在玻璃基片上制作厚度為60～120nm的Ag薄膜。
(3)將玻璃基片放入稀鹽酸中腐蝕Al掩膜。
(4)將表面帶有Ag薄膜的玻璃基片放入AgNO3與NaNO3以及KNO3的混合熔鹽中進(jìn)行離子第二步離子交換，交換溫度300℃，交換時間2小時。
實(shí)施例3采用中溫離子交換工藝制作光波導(dǎo)(1)采用蒸發(fā)或?yàn)R射工藝在玻璃基片的正面制作厚度為150～200nm的Al膜，而后通過光刻和腐蝕工藝在掩膜上形成離子交換窗口，而后將帶有掩膜的玻璃基片放入KNO3的熔鹽中進(jìn)行離子交換，交換溫度在450℃，交換時間1小時，熔鹽中的K+經(jīng)熱擴(kuò)散作用在玻璃基片中形成K+離子擴(kuò)散區(qū)。
(2)將玻璃基片連同表面的Al掩膜清洗后，采用蒸發(fā)或?yàn)R射工藝在玻璃基片上制作厚度為60～120nm的Ag薄膜。
(3)將玻璃基片放入稀鹽酸中腐蝕Al掩膜。
(4)將表面帶有Ag薄膜的玻璃基片放入AgNO3與NaNO3以及KNO3的混合熔鹽中進(jìn)行離子第二步離子交換，交換溫度340℃，交換時間3小時。
權(quán)利要求
1.一種離子掩膜制作玻璃光波導(dǎo)的方法，采用微細(xì)加工手段在玻璃基片(1)的上表面制作掩膜(2)，并在掩膜上形成離子交換窗口，而后將帶有掩膜(2)的玻璃基片(1)放入含有K+的熔鹽(5)中進(jìn)行離子交換，熔鹽中的K+經(jīng)熱擴(kuò)散作用在玻璃基片(1)中形成K+離子擴(kuò)散區(qū)(6)，掩膜下方K+離子未擴(kuò)散的區(qū)域形成下一步的離子交換窗口；其特征在于將玻璃基片(1)連同上表面的掩膜(2)清洗后，采用蒸發(fā)或?yàn)R射工藝在玻璃基片上表面制作與掩膜(2)材料不同的薄膜，由于掩膜(2)的存在，新制備的薄膜以兩種形式存在K+離子擴(kuò)散區(qū)(6)上的薄膜(8)，和掩膜(2)上的薄膜(9)；采用濕法腐蝕工藝，選用對掩膜(2)有腐蝕作用而對K+離子擴(kuò)散區(qū)(6)上的薄膜(8)和掩膜(2)上的薄膜(9)無腐蝕作用的腐蝕劑，經(jīng)過腐蝕作用，掩膜(2)連同掩膜(2)上的薄膜(9)被去除，而K+離子擴(kuò)散區(qū)(6)上的薄膜(8)留在玻璃基片表面；將表面帶有K+離子擴(kuò)散區(qū)(6)上的薄膜(8)的玻璃基片(1)放入含有高極化率離子熔鹽(3)中進(jìn)行第二步離子交換，熔鹽中的高極化率離子通過K+離子擴(kuò)散區(qū)(6)形成的擴(kuò)散窗口與玻璃基片(1)中的低極化率離子進(jìn)行離子交換，高極化率離子進(jìn)入玻璃基片(1)并形成形狀改善的高折射率離子擴(kuò)散區(qū)(7)，形成光波導(dǎo)的芯層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子掩膜制作玻璃光波導(dǎo)的方法，其特征在于所述的玻璃基片(1)是摻雜稀土離子或不摻雜稀土離子的硅酸鹽玻璃，磷酸鹽玻璃或硼酸鹽玻璃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子掩膜制作玻璃光波導(dǎo)的方法，其特征在于含有高極化率離子的熔鹽(3)所含的高極化率離子是Tl+、Ag+、Li+、Cs+、Rb+或Cu+。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子掩膜制作玻璃光波導(dǎo)的方法，其特征在于所述的掩膜(2)材料是Al、Ag、Ti、Ni、Cr-Au或SiO2。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子掩膜制作玻璃光波導(dǎo)的方法，其特征在于K+離子擴(kuò)散區(qū)(6)上的薄膜(8)和掩膜(2)上的薄膜(9)為Al、Ag、Ti、Ni、Cr-Au或SiO2。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離子掩膜制作玻璃光波導(dǎo)的方法，其特征在于含有高極化率離子的熔鹽(3)所含的陰離子是NO3-、CO32-、SO42-或Cl-。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種離子掩膜制作玻璃光波導(dǎo)的方法。首先通過K
文檔編號G02B6/13GK1844964SQ200610050619
公開日2006年10月11日 申請日期2006年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月8日
發(fā)明者郝寅雷, 王明華, 李錫華, 呂金良, 許坤良, 周海權(quán) 申請人:浙江南方通信集團(tuán)股份有限公司, 浙江大學(xué)