專利名稱：一種玻璃光波導(dǎo)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種玻璃光波導(dǎo)的制作方法，更確切地說是通過離子交換工藝與干法刻蝕或濕法腐蝕工藝相結(jié)合的方法制作玻璃光波導(dǎo)。屬于光器件、集成光學(xué)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
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。
通常的PECVD法制備硅基片二氧化硅光波導(dǎo)的過程(圖1)為首先在硅基片1上制作一層二氧化硅緩沖層2，作為光波導(dǎo)的下包層；而后在緩沖層上沉積光波導(dǎo)的芯層3，在光波導(dǎo)的芯層上面制作光波導(dǎo)的掩膜圖形4，通過反應(yīng)離子刻蝕工藝(RIE)得到條形的光波導(dǎo)芯層5，最后制作光波導(dǎo)的上包層6。采用這種工藝可以獲得高性能的集成光波導(dǎo)器件，這種工藝的缺點在于所用的PECVD設(shè)備的成本和維護(hù)費用極其昂貴，不僅大大提高了集成光學(xué)器件的成本，也限制了這種方法的廣泛使用。
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。玻璃基片上的集成光學(xué)器件近年來受到了研究者們的關(guān)注。
通常使用的離子交換工藝(參閱圖2)是將玻璃基片7放入含有高極化率離子熔融的熔鹽8中進(jìn)行離子交換，玻璃基片上有掩膜4形成的擴(kuò)散窗口。在此過程中，融鹽中的高極化率離子通過掩模形成的擴(kuò)散窗口與玻璃中的低極化率離子進(jìn)行離子交換，高極化率離子進(jìn)入玻璃并向玻璃內(nèi)部擴(kuò)散，形成一個高極化率的區(qū)域9，作為波導(dǎo)的芯層，玻璃基片7作為波導(dǎo)的包層。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，離子擴(kuò)散形成的高折射率區(qū)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，而且表面散射損耗也很大。
為了減小離子交換光波導(dǎo)器件的插入損耗，可以采用兩次離子交換的方法制作掩埋式光波導(dǎo)的途徑來改善光波導(dǎo)芯層折射率的對稱性，并進(jìn)而改善光波導(dǎo)模場分布的對稱性，降低光波導(dǎo)的表面散射損耗和與光纖的耦合損耗。第二次離子交換在含有低極化率離子的熔鹽10中進(jìn)行，并通常在兩個電極11產(chǎn)生電場的輔助下進(jìn)行，第二次離子交換得到的波導(dǎo)芯層12位于玻璃基片的表面以下。但這種電場輔助離子交換比純粹的熱離子交換需要更復(fù)雜的實驗設(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，而且器件降低了器件的生產(chǎn)效率。(圖3)發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種玻璃光波導(dǎo)的制作方法，其主要特征是通過離子交換工藝與干法刻蝕或者濕法腐蝕工藝相結(jié)合的途徑，控制條形光波導(dǎo)的橫截面的幾何形狀和折射率分布，達(dá)到改善條形光波導(dǎo)模場分布的目的。
本發(fā)明提供的改善離子交換光波導(dǎo)模場分布的方法首先通過離子交換制作平板光波導(dǎo)，而后通過干法刻蝕或者濕法腐蝕確定光波導(dǎo)橫截面的橫向尺寸，獲得條形或者脊型光波導(dǎo)。
與通常的離子交換光波導(dǎo)制備工藝一樣，本發(fā)明所述方法具有很大的靈活性所用玻璃基片既可以是硅酸鹽玻璃，磷酸鹽玻璃，也可以是硼酸鹽玻璃；可以采用未摻雜稀土離子的玻璃基片，也可以采用摻雜稀土離子的玻璃基片；離子交換所采用的熔鹽所含的高極化率摻雜離子可以是Tl+、Ag+、K+、Li+、Cs+、Rb+、Cu+，玻璃中所含的低極化率離子的極化率低于相應(yīng)摻雜離子的極化率。
不同于通常的離子交換光波導(dǎo)制作工藝，本發(fā)明所述的光波導(dǎo)制作方法有如下重要特征(1)本發(fā)明提供的制作方法首先通過離子交換工藝制作平板光波導(dǎo)，而后在此基礎(chǔ)之上采用干法刻蝕或者濕法腐蝕工藝確定光波導(dǎo)橫截面的橫向尺寸，獲得條形或者脊型光波導(dǎo)。
(2)條形光波導(dǎo)或者脊型光波導(dǎo)的模場分布更方便地控制。第一步離子交換工藝確定了光波導(dǎo)在玻璃基片厚度方向上的折射率分布，第二步干法刻蝕或者濕法腐蝕工藝確定條形光波導(dǎo)或者脊型光波導(dǎo)橫截面在平行于玻璃基片方向上的尺寸。
(3)光波導(dǎo)制備過程中所采用的干法刻蝕工藝可以是離子束刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕(RIE)、ICP刻蝕中的一種。
(4)刻蝕或腐蝕的深度可以大于或等于離子擴(kuò)散深度，也可以小于離子擴(kuò)散深度，就是說等于光波導(dǎo)橫截面，或是條形光波導(dǎo)，或是脊形光波導(dǎo)。
(5)在光波導(dǎo)器件制備工藝中，每一步離子交換工藝后，可以選擇性地插入退火工藝。
(6)刻蝕后可以制作上包層，也可以以空氣作為上包層。
本發(fā)明所述的方法具有以下優(yōu)點(1)與PECVD法相比，本發(fā)明所述方法不用昂貴的設(shè)備，制作成本大大降低。
(2)與通常的離子交換法相比，這種方法可以更方便地對光波導(dǎo)的模場進(jìn)行控制。通常的一次離子交換工藝制備的光波導(dǎo)的芯層呈扁平狀；掩埋式光波導(dǎo)的制作需要復(fù)雜的設(shè)備和苛刻的控制精度；本發(fā)明所述的方法在離子交換法制備的平板光波導(dǎo)的基礎(chǔ)上通過干法刻蝕或者濕法腐蝕工藝確定光波導(dǎo)的尺寸，可以更方便地調(diào)整光波導(dǎo)芯部的幾何形狀和折射率分布，從而更方便地對光波導(dǎo)的模場分布進(jìn)行優(yōu)化。
圖1是PECVD法在硅基片上制作二氧化硅光波導(dǎo)的工藝流程圖。
圖2是離子交換工藝在玻璃基片上制作表面光波導(dǎo)的示意圖。
圖3是第二步離子交換工藝在玻璃基片上制作掩埋式光波導(dǎo)的示意圖。
圖4是采用本發(fā)明所述方法制作光波導(dǎo)的途徑之一的示意圖。
圖5是采用本發(fā)明所述方法制作光波導(dǎo)的途徑之二的示意圖。
圖6是采用本發(fā)明所述方法制作光波導(dǎo)的途徑之三的示意圖。
其中1是硅基片，2是沉積法制備的二氧化硅緩沖層，3是沉積法制備的光波導(dǎo)芯層，4是掩膜，5是干法刻蝕形成的條形光波導(dǎo)的芯層，6是沉積法制備的光波導(dǎo)的上包層，7是玻璃基片，8是含有高極化率離子的熔鹽，9是玻璃基體內(nèi)部形成的高極化率區(qū)域，10是含有低極化率離子的熔鹽，兒是電極，12是二次離子交換得到的光波導(dǎo)的芯層，13是離子交換得到的擴(kuò)散層，14是通過干法刻蝕工藝得到的條形光波導(dǎo)的芯層，15是經(jīng)過第二次離子交換得到的擴(kuò)散層，16是通過干法刻蝕工藝得到的條形光波導(dǎo)的芯層，17是第二次離子交換后得到的條形光波導(dǎo)的芯層。
具體實施例方式
下面通過多種方式實施的玻璃光波導(dǎo)制作方法描述，以進(jìn)一步闡述本發(fā)明實質(zhì)性特點和顯著的進(jìn)步。
實施例1參照圖4，通過以下幾個步驟制作玻璃光波導(dǎo)
(1)離子交換(可以單進(jìn)行離子交換，也可以在離子交換后進(jìn)行退火)在玻璃的表面獲得擴(kuò)散層13；(2)通過微細(xì)加工工藝(光刻、制作掩膜、濕法腐蝕或者干法刻蝕等)在離子交換形成的擴(kuò)散層的基礎(chǔ)上制作條形光波導(dǎo)或者脊型光波導(dǎo)的芯層14，腐蝕或者刻蝕的深度可以根據(jù)不同的設(shè)計要求確定，并可以進(jìn)行退火處理；(3)制作上包層6。
實施例2參照圖5，本實施例所述的玻璃光波導(dǎo)可以通過以下幾個步驟實施(1)離子交換(可以單進(jìn)行離子交換，也可以在離子交換后進(jìn)行退火)在玻璃的表面獲得擴(kuò)散層13；(2)進(jìn)行第二次離子交換，得到擴(kuò)散層15，并可以進(jìn)行退火處理；(3)通過微細(xì)加工工藝(光刻、制作掩膜、濕法腐蝕或者干法刻蝕等)在離子交換形成的擴(kuò)散層的基礎(chǔ)上制作條形光波導(dǎo)或者脊型光波導(dǎo)的芯層16，腐蝕或者刻蝕的深度可以根據(jù)不同的設(shè)計要求確定，并可以進(jìn)行退火處理；(4)制作上包層6。
實施例3參照圖6，本實施例所述玻璃光波導(dǎo)是通過以下幾個步驟實施的(1)離子交換(可以單進(jìn)行離子交換，也可以在離子交換后進(jìn)行退火)在玻璃的表面獲得擴(kuò)散層13；(2)通過微細(xì)加工工藝(光刻、制作掩膜、濕法腐蝕或者干法刻蝕等)在離子交換形成的擴(kuò)散層的基礎(chǔ)上制作條形光波導(dǎo)或者脊型光波導(dǎo)的芯層14，腐蝕或者刻蝕的深度可以根據(jù)不同的設(shè)計要求確定，并可以進(jìn)行退火處理；
(3)進(jìn)行第二次離子交換，獲得光波導(dǎo)的芯層17，并可以進(jìn)行退火處理；(4)制作上包層6。
在上述實施例中，可以根據(jù)具體的需要，在工藝過程中添加退火過程，退火溫度可以等于離子交換溫度，也可以高于或低于離子交換溫度。
權(quán)利要求
1.一種玻璃光波導(dǎo)的制作方法，其特征在于通過離子交換工藝制備平板光波導(dǎo)，而后采用干法刻蝕或者濕法腐蝕工藝在平板光波導(dǎo)的基礎(chǔ)上獲得條形光波導(dǎo)或者脊型光波導(dǎo)。
2.按權(quán)利要求1所述的玻璃光波導(dǎo)的制作方法，其特征在于具體制作工藝是(1)用離子交換工藝在玻璃的表面獲得擴(kuò)散層；(2)通過光刻、掩膜、濕法腐蝕或干法刻蝕工藝，在步驟(1)形成的擴(kuò)散層上制作條形光波導(dǎo)或脊形光波導(dǎo)的芯層；(3)制作上包層。
3.按權(quán)利要求2所述的玻璃光波導(dǎo)的制作方法，其特征在于步驟(1)和步驟(2)之間進(jìn)行第二次離子交換；或在步驟(2)或步驟(3)之間進(jìn)行第二次離子交換。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的玻璃光波導(dǎo)的制作方法，其特征在于在光波導(dǎo)器件制備工藝中，每一步離子交換工藝后，可選擇性地插入退火工藝，退火溫度等于離子交換溫度，或高于或低于離子交換溫度。
5.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的玻璃光波導(dǎo)的制作方法，其特征在于制備光波導(dǎo)所使用的玻璃基片是硅酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃或硼酸鹽玻璃中一種。
6.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的玻璃光波導(dǎo)的制作方法，其特征在于制備光波導(dǎo)所使用的玻璃基片可以摻雜稀土離子，也可以不摻雜稀土離子。
7.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的玻璃光波導(dǎo)的制作方法，其特征在于離子交換所采用的熔鹽所含的高極化率摻雜離子可以是Tl+、Ag+、K+、Li+、Cs+、Rb+、Cu+中的一種或數(shù)種，玻璃中所含的參與交換的離子的極化率低于相應(yīng)摻雜離子的極化率。
8.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的玻璃光波導(dǎo)的制作方法，其特征在于光波導(dǎo)制備過程中所采用的干法刻蝕工藝可以是離子束刻蝕、反應(yīng)離子刻蝕或刻蝕。
9.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的玻璃光波導(dǎo)的制作方法，其特征在于腐蝕的深度可以大于或等于離子擴(kuò)散深度，也可以小于離子擴(kuò)散深度，等于光波導(dǎo)的橫截面或是條形光波導(dǎo)，或是脊型光波導(dǎo)。
10.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的玻璃光波導(dǎo)的制作方法，其特征在于刻蝕后制作上包層，或以空氣作為上包層。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種玻璃光波導(dǎo)的制作方法，其主要特征是首先通過離子交換工藝制備平板光波導(dǎo)，而后采用干法刻蝕或者濕法腐蝕工藝在平板光波導(dǎo)的基礎(chǔ)上獲得條形光波導(dǎo)或者脊形光波導(dǎo)。制作工藝是(1)用離子交換工藝在玻璃的表面獲得擴(kuò)散層；(2)通過光刻、掩膜、濕法腐蝕或干法刻蝕工藝，在步驟(1)形成的擴(kuò)散層上制作條形光波導(dǎo)或脊形光波導(dǎo)的芯層；(3)制作上包層。在步驟(1)和(2)之間或步驟(2)和(3)之間進(jìn)行第二次離子交換，每次離子交換工藝后選擇性插入退火工藝。與常用的離子交換法相比，這種方法具有更大的靈活性，可以更方便地控制光波導(dǎo)芯部的幾何形狀和折射率分布，從而更方便地對光波導(dǎo)的模場分布進(jìn)行優(yōu)化。
文檔編號G02B6/136GK1719291SQ20051002615
公開日2006年1月11日 申請日期2005年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月25日
發(fā)明者吳亞明, 郝寅雷 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所