專利名稱：一種玻璃基全掩埋式條形光波導(dǎo)堆棧的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種玻璃基全掩埋式條形光波導(dǎo)堆棧的制作方法。
背景技術(shù)：
集成光學(xué)的基本思想是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，可以實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的小型化、輕量化、穩(wěn)定化和高性能化。自從集成光學(xué)技術(shù)提出以來，提高集成度、減小器件的尺寸就成為研究者們努力的目標(biāo)。通過制作條形光波導(dǎo)堆棧實現(xiàn)三維集成是提高集成度的有效途徑。玻璃在價格、光損耗、光偏振相關(guān)性等方面具有優(yōu)勢。目前，在玻璃材料上實現(xiàn)三維集成是人們研究的熱點。目前，人們已經(jīng)在石英玻璃基片上采用飛秒激光脈沖直寫的方法實現(xiàn)了全掩埋式條形光波導(dǎo)堆棧的制作。飛秒激光脈沖直寫全掩埋式條形光波導(dǎo)堆棧的方案如圖1所示。 飛秒激光脈沖1通過物鏡2聚焦到玻璃基片3中，在物鏡2焦點附近的玻璃折射率會永久性的增加。通過MZ三維平臺4的移動，實現(xiàn)玻璃基片3的三維移動，可以制作出需要的光波導(dǎo)5。這種方法可以制作深度很大的條形光波導(dǎo)堆棧。但這種光波導(dǎo)存在兩個重要缺陷其一，光學(xué)系統(tǒng)球差的存在增加了光波導(dǎo)5芯部的尺寸并使其形狀不規(guī)則，與光纖芯部不匹配，從而增加了光傳輸損耗及與光纖的耦合損耗；其二，這種方法制作的條形光波導(dǎo)只能逐條寫入，制作速度受到限制，而且飛秒激光器的價格昂貴，光器件的制作成本較高。除飛秒激光脈沖直寫技術(shù)之外，離子交換技術(shù)在制作全掩埋式條形光波導(dǎo)堆棧方面具有很大的潛力。離子交換法是在玻璃基片上制作光波導(dǎo)的主流技術(shù)，其基本原理是玻璃基片放入含有摻雜離子(通常是K+、Ag+、Li+、Rb+、Cs+、Cu+、Tl+等)的熔鹽中，熔鹽中的摻雜離子與玻璃基片中的Na+進(jìn)行交換，進(jìn)入玻璃基片形成玻璃表面的摻雜離子擴(kuò)散區(qū)，該摻雜離子擴(kuò)散區(qū)折射率比玻璃基片的折射率大，作為表面光波導(dǎo)芯部。直流電場的作用下，摻雜離子擴(kuò)散區(qū)通過電場輔助離子擴(kuò)散進(jìn)入玻璃基片，作為掩埋光波導(dǎo)芯部，形成掩埋光波導(dǎo)。離子交換與電場輔助離子擴(kuò)散形成的掩埋光波導(dǎo)其芯部形狀對稱，與光纖芯部匹配，容易與光纖耦合，具有低損耗和低成本的顯著特點。目前還沒有在多組分玻璃上制作全掩埋式條形光波導(dǎo)堆棧的相關(guān)報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種玻璃基全掩埋式條形光波導(dǎo)堆棧的制作方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是是采用離子交換及電場輔助離子擴(kuò)散技術(shù)，通過在玻璃基片上順次制作多層掩埋式光波導(dǎo)形成的；該制作方法包含如下實施步驟1)準(zhǔn)備玻璃基片；清洗玻璃基片，再用去離子水沖洗，在無塵環(huán)境中烘干；
2)在清潔的玻璃基片表面制作一層薄膜，并采用光刻和腐蝕加工工藝在玻璃基片表面制作光波導(dǎo)掩膜；3)離子交換形成第一層表面光波導(dǎo)；將含有摻雜離子的鹽作為交換源加熱使其熔融后，將玻璃基片浸入離子交換源中，交換溫度為300 560°C，交換時間為0. 1 5小時，最后取出玻璃基片冷卻至常溫；4)電場輔助離子擴(kuò)散形成第一層掩埋光波導(dǎo)；玻璃基片去除掩膜后，在電場作用下進(jìn)行電場輔助離子擴(kuò)散，溫度為300 560°C，時間為0. 5 20小時，電場為50 550V/mm，電場正極與玻璃基片上有波導(dǎo)的一面同側(cè)，最后取出玻璃基片冷卻至常溫，制作出第一層掩埋光波導(dǎo)；5)重新清洗玻璃基片，在有波導(dǎo)的一面制作一層薄膜，并采用光刻和腐蝕加工工藝在玻璃基片表面制作光波導(dǎo)掩膜；6)離子交換形成第二層表面光波導(dǎo)；將含有摻雜離子的鹽作為交換源加熱使其熔融后，將玻璃基片浸入離子交換源中，交換溫度為300 560°C，交換時間為0. 1 5小時，最后取出玻璃基片冷卻至常溫；7)電場輔助離子擴(kuò)散形成第二層掩埋光波導(dǎo)；玻璃基片去除掩膜后，在電場作用下進(jìn)行電場輔助離子擴(kuò)散，溫度為300 560°C，時間為0. 5 20小時，電場為50 550V/mm，電場正極與玻璃基片上有波導(dǎo)的一面同側(cè)，最后取出玻璃基片冷卻至常溫，制作出第二層掩埋光波導(dǎo)；8)重復(fù)第5至7步驟，制作出第三層、第四層...掩埋光波導(dǎo)；9)將玻璃基片端面進(jìn)行光學(xué)加工。所述的摻雜離子為K+、Ag+、Li+、Rb\ Cs+、Cu+或Tl+離子。所述的玻璃基片是硅酸鹽玻璃，磷酸鹽玻璃或硼酸鹽玻璃。本發(fā)明具有的有益效果是本發(fā)明所涉及的制作方法制作的條形光波導(dǎo)堆棧與飛秒激光直寫法制作的相比， 光波導(dǎo)具有形狀對稱的芯部，可以在多組分玻璃上制作，而且制作速度快、制作技術(shù)簡單、 成本低廉、容易與光纖耦合、適合大規(guī)模生產(chǎn)等。本發(fā)明所制作的條形光波導(dǎo)堆棧器件還具有工藝簡單成熟、容易集成、損耗低的特點。


圖1是飛秒激光脈沖直寫全掩埋式條形光波導(dǎo)堆棧的裝置示意圖。圖2是本發(fā)明的玻璃基全掩埋式條形光波導(dǎo)堆棧的制作工藝流程圖。圖中1、飛秒激光脈沖；2、物鏡；3、玻璃基片；4、XYZ三維平臺；5、光波導(dǎo)；6、掩膜；7、第一層表面光波導(dǎo)；8、第一層掩埋光波導(dǎo)；9、第二層表面光波導(dǎo)；10、第二層掩埋光波導(dǎo)；11、表層掩埋光波導(dǎo)。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。實施例1 結(jié)合圖2所示，為了制作一個雙層全掩埋式條形光波導(dǎo)堆棧，其工藝步驟如下
1)準(zhǔn)備磷酸鹽玻璃基片3 ；用濃硫酸清洗玻璃基片3，再用去離子水沖洗，無塵環(huán)境中烘干；2)在清潔的玻璃基片3表面通過濺射工藝制作一層厚度為IOOnm的鋁膜，通過常規(guī)的光刻和腐蝕等微細(xì)加工工藝在玻璃基片3表面制作光波導(dǎo)掩膜6 ；3)離子交換形成第一層表面光波導(dǎo)7 ；將硝酸鈉與硝酸銀按摩爾比100 1的比例作為離子交換源并加熱使其熔融后， 將玻璃基片3浸入交換源中，交換溫度為300°C，交換時間為1小時，最后取出玻璃基片3冷
卻至常溫；4)電場輔助離子擴(kuò)散形成第一層掩埋光波導(dǎo)8 ；離子交換后的玻璃基片3用腐蝕液去掉掩膜6后，放入硝酸鈉熔鹽中在電場作用下進(jìn)行電場輔助離子擴(kuò)散，溫度為300°C，時間為20小時，電場為50V/mm，電場正極與玻璃基片3上有波導(dǎo)的一面同側(cè)，最后取出玻璃基片3冷卻至常溫，制作出第一層掩埋光波導(dǎo)；5)重新清洗玻璃基片3，在有波導(dǎo)的一面通過濺射工藝制作一層厚度為IOOnm的鋁膜，通過常規(guī)的光刻和腐蝕等微細(xì)加工工藝在玻璃基片3表面制作光波導(dǎo)掩膜6 ；6)離子交換形成條形光波導(dǎo)堆棧表層表面光波導(dǎo)；將硝酸鈉與硝酸銀按摩爾比100 0. 8的比例混合配好離子交換源并加熱使其熔融后，將玻璃基片3浸入交換源中，交換溫度為300°C，交換時間為0. 5小時，最后取出玻璃基片3冷卻至常溫；7)電場輔助離子擴(kuò)散形成表層掩埋光波導(dǎo)11 ；離子交換后的玻璃基片3用腐蝕液去掉掩膜6后，放入硝酸鈉熔鹽中在電場作用下進(jìn)行電場輔助離子擴(kuò)散，溫度為300°C，時間為8小時，電場為50V/mm，電場正極與玻璃基片3上有波導(dǎo)的一面同側(cè)，最后取出玻璃基片3冷卻至常溫，制作出第二層掩埋光波導(dǎo)；8)將玻璃基片3端面進(jìn)行光學(xué)加工。實施例2 結(jié)合圖2所示，為了制作一個雙層全掩埋式條形光波導(dǎo)堆棧，其工藝步驟如下1)準(zhǔn)備硅酸鹽玻璃基片3 ；用濃硫酸清洗玻璃基片3，再用去離子水沖洗，無塵環(huán)境中烘干；2)在清潔的玻璃基片3表面通過熱蒸發(fā)工藝制作一層厚度為IOOnm的鋁膜，通過常規(guī)的光刻和腐蝕等微細(xì)加工工藝在玻璃基片3表面制作光波導(dǎo)掩膜6 ；3)離子交換形成第一層表面光波導(dǎo)7 ；硝酸鉀作為離子交換源并加熱使其熔融后，將玻璃基片3浸入交換源中，交換溫度為400°C，交換時間為5小時，最后取出玻璃基片3冷卻至常溫；4)電場輔助離子擴(kuò)散形成第一層掩埋光波導(dǎo)8 ；離子交換后的玻璃基片3去掉掩膜6后，放入硝酸鈉熔鹽中在電場作用下進(jìn)行電場輔助離子擴(kuò)散，溫度為360°C，時間為8小時，電場為550V/mm，電場正極與玻璃基片3上有波導(dǎo)的一面同側(cè)，最后取出玻璃基片3冷卻至常溫，制作出第一層掩埋光波導(dǎo)；5)重新清洗玻璃基片3，在有波導(dǎo)的一面通過熱蒸發(fā)工藝制作一層厚度為IOOnm 的鋁膜，通過常規(guī)的光刻和腐蝕等微細(xì)加工工藝在玻璃基片3表面制作光波導(dǎo)掩膜6 ；6)離子交換形成條形光波導(dǎo)堆棧表層表面光波導(dǎo)；
硝酸鉀作為離子交換源并加熱使其熔融后，將玻璃基片3浸入交換源中，交換溫度為400°C，交換時間為3小時，最后取出玻璃基片3冷卻至常溫；7)電場輔助離子擴(kuò)散形成表層掩埋光波導(dǎo)11 ；離子交換后的玻璃基片3去掉掩膜6后，放入硝酸鈉熔鹽中在電場作用下進(jìn)行電場輔助離子擴(kuò)散，溫度為360°C，時間為4小時，電場為550V/mm，電場正極與玻璃基片3上有波導(dǎo)的一面同側(cè)，最后取出玻璃基片3冷卻至常溫，制作出第二層掩埋光波導(dǎo)；8)將玻璃基片3端面進(jìn)行光學(xué)加工。實施例3 結(jié)合圖2所示，為了制作一個雙層全掩埋式條形光波導(dǎo)堆棧，其工藝步驟如下1)準(zhǔn)備硅酸鹽玻璃基片3 ；用濃硫酸清洗玻璃基片3，再用去離子水沖洗，無塵環(huán)境中烘干；2)在清潔的玻璃基片3表面通過熱蒸發(fā)工藝制作一層厚度為IOOnm的鋁膜，通過常規(guī)的光刻和腐蝕等微細(xì)加工工藝在玻璃基片3表面制作光波導(dǎo)掩膜6 ；3)離子交換形成第一層表面光波導(dǎo)7 ；將硫酸鈉與硫酸銅按摩爾比1 1的比例作為離子交換源并加熱使其熔融后，將玻璃基片3浸入交換源中，交換溫度為560°C，交換時間為0. 3小時，最后取出玻璃基片3冷卻至常溫；4)電場輔助離子擴(kuò)散形成第一層掩埋光波導(dǎo)8 ；離子交換后的玻璃基片3去掉掩膜6后，放入硝酸鈉熔鹽中在電場作用下進(jìn)行電場輔助離子擴(kuò)散，溫度為560°C，時間為1小時，電場為300V/mm，電場正極與玻璃基片3上有波導(dǎo)的一面同側(cè)，最后取出玻璃基片3冷卻至常溫，制作出第一層掩埋光波導(dǎo)；5)重新清洗玻璃基片3，在有波導(dǎo)的一面通過熱蒸發(fā)工藝制作一層厚度為IOOnm 的鋁膜，通過常規(guī)的光刻和腐蝕等微細(xì)加工工藝在玻璃基片3表面制作光波導(dǎo)掩膜6 ；6)離子交換形成條形光波導(dǎo)堆棧表層表面光波導(dǎo)；將硫酸鈉與硫酸銅按摩爾比1 1的比例作為離子交換源并加熱使其熔融后，將玻璃基片3浸入交換源中，交換溫度為560°C，交換時間為0. 1小時，最后取出玻璃基片3冷卻至常溫；7)電場輔助離子擴(kuò)散形成表層掩埋光波導(dǎo)11 ；離子交換后的玻璃基片3去掉掩膜6后，放入硝酸鈉熔鹽中在電場作用下進(jìn)行電場輔助離子擴(kuò)散，溫度為560°C，時間為0. 5小時，電場為300V/mm，電場正極與玻璃基片3 上有波導(dǎo)的一面同側(cè)，最后取出玻璃基片3冷卻至常溫，制作出第二層掩埋光波導(dǎo)；8)將玻璃基片3端面進(jìn)行光學(xué)加工。上述實施例用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對本發(fā)明做出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1. 一種玻璃基全掩埋式條形光波導(dǎo)堆棧的制作方法，其特征在于是采用離子交換及電場輔助離子擴(kuò)散技術(shù)，通過在玻璃基片上順次制作多層掩埋式光波導(dǎo)形成的；該制作方法包含如下實施步驟1)準(zhǔn)備玻璃基片(3)；清洗玻璃基片(3)，再用去離子水沖洗，在無塵環(huán)境中烘干；2)在清潔的玻璃基片( 表面制作一層薄膜，并采用光刻和腐蝕加工工藝在玻璃基片表面制作光波導(dǎo)掩膜(6)；3)離子交換形成第一層表面光波導(dǎo)(7)；將含有摻雜離子的鹽作為交換源加熱使其熔融后，將玻璃基片(3)浸入離子交換源中，交換溫度為300 560°C，交換時間為0. 1 5小時，最后取出玻璃基片(3)冷卻至常4)電場輔助離子擴(kuò)散形成第一層掩埋光波導(dǎo)(8)；玻璃基片(3)去除掩膜后，在電場作用下進(jìn)行電場輔助離子擴(kuò)散，溫度為300 560°C， 時間為0. 5 20小時，電場為50 550V/mm，電場正極與玻璃基片(3)上有波導(dǎo)的一面同側(cè)，最后取出玻璃基片( 冷卻至常溫，制作出第一層掩埋光波導(dǎo)；5)重新清洗玻璃基片(3)，在有波導(dǎo)的一面制作一層薄膜，并采用光刻和腐蝕加工工藝在玻璃基片表面制作光波導(dǎo)掩膜(6)；6)離子交換形成第二層表面光波導(dǎo)(9)；將含有摻雜離子的鹽作為交換源加熱使其熔融后，將玻璃基片(3)浸入離子交換源中，交換溫度為300 560°C，交換時間為0. 1 5小時，最后取出玻璃基片(3)冷卻至常7)電場輔助離子擴(kuò)散形成第二層掩埋光波導(dǎo)(10)；玻璃基片(3)去除掩膜后，在電場作用下進(jìn)行電場輔助離子擴(kuò)散，溫度為300 560°C， 時間為0. 5 20小時，電場為50 550V/mm，電場正極與玻璃基片(3)上有波導(dǎo)的一面同側(cè)，最后取出玻璃基片( 冷卻至常溫，制作出第二層掩埋光波導(dǎo)；8)重復(fù)第5至7步驟，制作出第三層、第四層...掩埋光波導(dǎo)；9)將玻璃基片( 端面進(jìn)行光學(xué)加工。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的玻璃基全掩埋式條形光波導(dǎo)堆棧的制作方法，其特征在于 所述的摻雜離子為K+、Ag+、Li+、Rb+、Cs+、Cu+或Tl+離子。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的玻璃基全掩埋式條形光波導(dǎo)堆棧的制作方法，其特征在于 所述的玻璃基片C3)是硅酸鹽玻璃，磷酸鹽玻璃或硼酸鹽玻璃。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種玻璃基全掩埋式條形光波導(dǎo)堆棧的制作方法。這種玻璃基全掩埋式條形光波導(dǎo)堆棧是采用離子交換及電場輔助離子擴(kuò)散技術(shù)，通過在玻璃基片上順次制作多層掩埋式光波導(dǎo)形成的。本發(fā)明所涉及的制作方法制作的條形光波導(dǎo)堆棧器件具有工藝簡單成熟、容易集成、損耗低的特點，而且獲得的光波導(dǎo)芯部形狀對稱。
文檔編號G02B6/13GK102193146SQ20111014105
公開日2011年9月21日 申請日期2011年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月26日
發(fā)明者周強(qiáng), 李宇波, 楊建義, 江曉清, 王明華, 鄭斌, 郝寅雷 申請人:浙江大學(xué)