[发明专利]玻璃基掩埋光波导的制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及光器件、集成光学领域，尤其涉及一种采用离子交换技术在玻璃基片上制作掩埋光波导的方法。

背景技术

1969年，S.E.Miller提出了集成光学的概念，其基本思想是在同一块衬底的表面上，用折射率略高的材料制作光波导，并以此为基础再制作光源、光栅等各种器件。通过这种集成化，可以实现光学系统的小型化、轻量化、稳定化和高性能化的目的。

作为一类重要的集成光学器件，采用离子交换法在玻璃基片上制作的光器件一直受到企业界和研究者们的重视。自上世纪70年代始，各国研究机构投入大量的人力和财力进行玻璃基集成光器件的开发。原因在于这种器件具有一些优异的性质，包括：传输损耗低，易于掺杂高浓度的稀土离子，与光纤的光学特性匹配，耦合损耗小，环境稳定性好，易于集成，成本低廉等等。目前，一些玻璃基片上的集成光学器件已经实现规模化与系列化，并成功地用于光通信和光传感网络。

离子交换技术在玻璃基片上形成的表面光波导结构如图1左图所示。由于玻璃基片1中表面掺杂区2呈扁平状，因而使其模场分布不对称，光波导与单模光纤的耦合损耗很大；另一方面，表面掺杂区2位于玻璃基片1的表面，光导波在玻璃基片1表面的散射将引入很高的传输损耗。通过电场辅助离子迁移技术可以将表面掺杂区2埋入玻璃基片1表面以下，变成内部掺杂区3，形成掩埋光波导。掩埋光波导的制作可以改善光波导芯层折射率分布的对称性，并进而改善光波导模场分布的对称性，降低光波导器件和与光纤的耦合损耗。同时，掩埋光波导的芯部在玻璃表面以下，使光导波不在玻璃表面产生散射，降低了器件的传输损耗。

然而，现有的电场辅助离子迁移过程由于有严重的不足：其一，由于采用熔点相对较高的NaNO₃(NaNO₃熔点约～307℃)做电极，决定了离子迁移的温度必须高于在此温度；在此温度下的离子迁移过程中，玻璃基片1中的离子掺杂区会发生明显的热扩散，尺寸严重增大，无法实现与单模光纤的尺寸匹配，使光波导具有较大的耦合损耗。其二，硝酸盐对玻璃基片有一定腐蚀作用，高温下这种腐蚀作用尤其明显，特别是对于磷酸盐玻璃，熔盐的腐蚀作用会严重影响玻璃基集成光器件的性能。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种熔融温度底、对玻璃基片腐蚀作用小的玻璃基掩埋光波导的制作方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种玻璃基掩埋光波导的制作方法，该方法是以多组分熔盐为电极，将表面掺杂离子形成了表面掺杂区的玻璃基片置于多组分熔盐中，通过电场辅助使表面掺杂的离子进入玻璃基片内部并形成内部掺杂区，在玻璃基片上制作掩埋光波导，其特征在于，所述的多组分熔盐由KNO₃(0～20wt％)、NaNO₃(20～95wt％)、Mg(NO₃)₂(0～50wt％)、Ca(NO₃)₂(5～50wt％)，以及对应于玻璃基片材料中玻璃形成体氧化物的粉末(0～0.5wt％)混合而成。

所述的玻璃基片的材料是硅酸盐玻璃，磷酸盐玻璃或硼酸盐玻璃，对应于玻璃基片材料中玻璃形成体氧化物的粉末分别为SiO₂粉末、P₂O₅粉末或B₂O₃粉末。

所述的电场辅助使表面掺杂的离子进入玻璃基片内部的温度为180-380℃。

所述的电场辅助使表面掺杂的离子进入玻璃基片内部的温度为180-300℃。

所述的玻璃基片的表面掺杂区和内部掺杂区中掺杂离子为Ag⁺、Rb⁺、Cs⁺或Tl⁺。

所述的电场辅助是在玻璃基两侧分别放置多组分熔盐，在多组分熔盐中分别插入电极引线，接入直流电源，施加50-1000V的电压5min-40h。

所述的电极引线的材料为Au，Pt，Cu，Ag或Al。

本发明采用多组分熔盐为电极，通过对制作有表面掺杂区的玻璃基片进行电场辅助离子迁移，在玻璃基片上制作掩埋光波导。在玻璃基片两侧分别放置多组分熔盐；在多组分熔盐中，分别插入电极引线，并分别将其连接直流电源的正、负极；正电极和负电极之间施加直流偏压，并保持一定时间。在此直流偏压的作用下，玻璃基片表面掺杂区埋入玻璃基片表面以下，变成内部掺杂区，形成掩埋光波导。