專利名稱：一種含Cu離子的光波導的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及集成光器件技術，特別是涉及一種含Cu離子的光波導。
技術背景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， 并以此為基礎再制作光源、光柵等各種光學器件。通過這種集成化，可以實現(xiàn) 光學系統(tǒng)的小型化、輕量化、穩(wěn)定化和高性能化的目的。隨著現(xiàn)代光纖通信技 術和光纖傳感技術的發(fā)展，集成光器件越來越受到人們的重視。用于集成光器件制作的材料主要有si、 二氧化硅、砷化鎵磷化銦等m-v族 半導體材料，聚合物、玻璃等?；陔x子交換技術的玻璃光波導器件具有成本低、工藝簡單、傳輸損耗低、PDL (偏振相關性)小、制作容差性大、可批量生產(chǎn)等顯著特點。玻璃基光波導器件一般采用離子交換法制作。離子交換過程中，玻璃基片中的一價陽離子(通常是Na+)與外界的較高極化率的離子(譬如Ag+， Cu+， Cs+或Tl+)進行離子交換，高極化率離子在玻璃基片上形成離子交換區(qū)，該離 子交換區(qū)具有較高的折射率，形成波導的芯部。近年來，采用Cu離子交換制作的光波導器件的制作成為近年來研究者們關 注的熱點。Cu離子交換形成的光波導具有藍綠發(fā)光特性，因而Cu離子交換平 面波導可以用于非線性光波導器件的制作，或者實現(xiàn)藍綠波段激光器與放大器。通常的Cu離子交換光波導的制作方法如圖1所示。包括在玻璃基片1上制 作掩膜2，將帶有掩膜2玻璃基片放入含有Cu+或者012+離子的熔鹽中進行離子 交換，熔鹽中的01+或者012+離子進入玻璃基片，并在玻璃基片中形成條形Cu 離子擴散區(qū)3。條形Cu離子擴散區(qū)3具有比玻璃基片1更高的折射率，作為光 波導的芯層。這種光波導的缺點在于由于含有Oi離子的鹽具有較高的熔點， 另一方面Cu離子在玻璃中的擴散速度很慢，Cu離子交換的交換溫度很高，通 常在530°C以上，對掩膜2的耐高溫和耐腐蝕特性提出了較高的要求。 發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于提供一種含Cu離子的光波導。 本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是-在玻璃基片上表面設有平板狀Cu離子擴散區(qū)，在平板狀Qi離子擴散區(qū)中設有條形高極化率離子擴散區(qū)，高極化率離子擴散區(qū)作為光波導的芯層，條形高極化率離子擴散區(qū)的折射率高于玻璃基片的折射率，也高于平板狀Oi離子擴散區(qū)的折射率。本發(fā)明具有的有益效果是這種Cll離子交換光波導第一次離子交換過程在玻璃基片1上形成平板狀Cu離子擴散區(qū)4不需要掩膜。避免了通常的Cu離子交換形成條形光波導的過程中的高溫過程對掩膜耐腐蝕性和耐高溫性的影響。這種Cu離子交換光波導通過第二次離子交換形成條形高極化率離子擴散區(qū) 5，作為光波導的芯層。第二次離子交換形成光波導芯層的過程溫度較低，譬如 采用Ag離子交換，離子交換溫度在30(TC左右，對離子擴散掩膜的耐高溫和耐 腐蝕性能的要求大幅度降低。這種Cu離子交換光波導的形成過程采用了兩次離子交換工藝，第二次離子 交換工藝交換溫度遠低于第一次離子交換工藝，在第二次離子交換工藝中Cu離 子擴散系數(shù)小，因此可以保持第一次離子交換形成的平板狀Cu離子擴散區(qū)4中 Cu離子濃度分布保持不變，便于離子交換工藝的設計。這種Cu離子交換光波導的制備過程具有傳統(tǒng)的離子交換工藝的優(yōu)點，采用 常規(guī)的工藝即可實現(xiàn)。由于在條形高極化率離子擴散區(qū)5平板狀Cu離子擴散區(qū)4的基礎上形成， 條形高極化率離子擴散區(qū)5中含有Cu離子，因此，與采用通常的Cu離子交換 光波導相同，這種Cix離子交換光波導具有藍綠發(fā)光特性。


圖1是傳統(tǒng)離子交換光波導的橫截面結構示意圖。 圖2是本發(fā)明所涉及Cu離子交換光波導橫截面結構示意圖。 圖3是本發(fā)明所涉及Cu離子交換光波導第一次離子交換后的橫截面結構示 意圖。圖4是本發(fā)明所涉及Cu離子交換光波導第二次離子交換后的橫截面結構示 意圖(條形高極化率離子擴散區(qū)比平板狀Cu離子擴散區(qū)淺)。圖5是本發(fā)明所涉及Cu離子交換光波導第二次離子交換后的橫截面結構示 意圖(條形高極化率離子擴散區(qū)比平板狀Cu離子擴散區(qū)深)。圖中1、玻璃基片，2、掩膜，3、條形Cii離子擴散區(qū)，4、平板狀Cu離 子擴散區(qū)，5、條形高極化率離子擴散區(qū)。
具體實施方式
如圖2、圖4所示，本發(fā)明在玻璃基片l上表面設有平板狀Cii離子擴散區(qū) 4，在平板狀Cu離子擴散區(qū)4中設有條形高極化率離子擴散區(qū)5，作為光波導的 芯層，條形高極化率離子擴散區(qū)5的折射率高于玻璃基片1的折射率，也高于 平板狀Qi離子擴散區(qū)4的折射率。所述的玻璃基片1其材料為硅酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃或者磷酸鹽玻璃。所述的高極化率離子為Ag+、 Tl+、 Cs+、 Li+或Rb+離子。所述的光波導為單模光波導或者多模光波導。所述的條形高極化率離子擴散區(qū)5的厚度小于平板狀Cu離子擴散區(qū)4的厚 度，或大于平板狀Cu離子擴散區(qū)4的厚度。制作這種Cu離子交換光波導所采用的技術方案是首先在玻璃基片1上通 過熔鹽離子交換工藝形成平板狀Cu離子擴散區(qū)4，這次離子交換工藝在無掩膜 的條件下進行；再通過第二次離子交換工藝，采用含有高極化率離子的熔鹽作 為離子源，在平板狀Cu離子擴散區(qū)4中制作條形高極化率離子擴散區(qū)5，為了 獲得條形的光波導，這次離子交換在掩膜2的輔助下進行。第二次離子交換過 程形成的條形高極化率離子擴散區(qū)5的折射率高于玻璃基片1和平板狀Cu離子 擴散區(qū)4的折射率，成為條形光波導的芯部。本發(fā)明所涉及的Qi離子交換光波導通過如下方式實施-(1) 玻璃基片上平板狀Cu離子擴散區(qū)的制備-采用硅酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃或者磷酸鹽玻璃材料作為玻璃基片，采用熔 鹽離子交換工藝在玻璃基片上制作平板狀Cu離子擴散區(qū)。如圖3所示。所采用的熔鹽為含銅離子的熔鹽，如硫酸銅、氯化銅或硝酸銅，與其它熔 鹽的混合物離子交換溫度為500-600°C，交換時間為5分鐘到數(shù)小時。(2) 采用微細加工工藝在玻璃的表面制作掩膜采用蒸發(fā)或濺射工藝在平板狀Cu離子擴散區(qū)上制作掩膜，掩膜材料為鋁， 鉻-金或者鈦。采用標準的光刻腐蝕工藝在掩膜上制備所需的條形光波導的圖形。(3) 采用離子交換工藝制作條形高極化率離子擴散區(qū)采用熔鹽離子交換工藝在玻璃基片表面平板狀Cu離子擴散區(qū)上制備條形高 極化率離子擴散區(qū)。采用含有高極化率離子(Ag+、 Tl+、 Cs+、 Li+或Rb+)的無機鹽(硝酸鹽、 硫酸鹽或碳酸鹽)的混合熔鹽作為離子源，離子交換溫度為200-45(TC，交換時 間為數(shù)分鐘到數(shù)小時，根據(jù)具體的要求而定。條形高極化率離子擴散區(qū)的厚度可以小于平板狀CU離子擴散區(qū)的厚度，如圖4所示；也可以大于平板狀 Cu離子擴散區(qū)的厚度，如圖5所示。(4)采用腐蝕工藝將玻璃表面的掩膜去除。
權利要求
1.一種含Cu離子的光波導，其特征在于在玻璃基片(1)上表面設有平板狀Cu離子擴散區(qū)(4)，在平板狀Cu離子擴散區(qū)(4)中設有條形高極化率離子擴散區(qū)(5)，作為光波導的芯層，條形高極化率離子擴散區(qū)(5)的折射率高于玻璃基片(1)的折射率，也高于平板狀Cu離子擴散區(qū)(4)的折射率。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種含Cu離子的光波導，其特征在于所述的 玻璃基片(l)其材料為硅酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃或者磷酸鹽玻璃。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種含CU離子的光波導，其特征在于所述的高極化率離子為Ag+、 Tl+、 Cs+、 Li+或Rb+離子。
4. 根據(jù)權利要求1所述的一種含Cu離子的光波導，其特征在于所述的 光波導為單模光波導或者多模光波導。
5. 根據(jù)權利要求1所述的一種含CU離子的光波導，其特征在于所述的條形高極化率離子擴散區(qū)(5)的厚度小于平板狀Cu離子擴散區(qū)(4)的厚度，或大 于平板狀Cu離子擴散區(qū)(4)的厚度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種含Cu離子的光波導。在玻璃基片上表面設有平板狀Cu離子擴散區(qū)，在平板狀Cu離子擴散區(qū)中設有條形高極化率離子擴散區(qū)，條形高極化率離子擴散區(qū)作為光波導的芯層，條形高極化率離子擴散區(qū)的折射率高于玻璃基片的折射率，也高于平板狀Cu離子擴散區(qū)的折射率。由于條形高極化率離子擴散區(qū)在平板狀Cu離子擴散區(qū)的基礎上形成，這種離子交換光波導具有Cu離子的藍綠發(fā)光特性。同時這種光波導的制作過程中避免了高溫條件下Cu鹽離子交換形成條形光波導的離子交換過程，對掩膜的要求降低，因此具有更低的成本。
文檔編號G02B6/10GK101251621SQ20081005987
公開日2008年8月27日 申請日期2008年2月26日 優(yōu)先權日2008年2月26日
發(fā)明者強 周, 李錫華, 楊建義, 毛小丹, 江曉清, 王明華, 郝寅雷 申請人:浙江大學