[发明专利]采用离子交换法在玻璃基片表面制作光波导的方法

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表面制作光波导的方法。

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。

以Ag⁺/Na⁺离子交换制作光波导为例，通常使用的离子交换工艺是在玻璃基片表面制作阻止离子扩散的掩膜，并在掩膜上形成扩散窗口，而后将带有掩膜的玻璃基片放入硝酸钠(NaNO₃)和硝酸银(AgNO₃)的混合熔盐中进行离子交换，熔盐中的Ag⁺通过扩散窗口与玻璃基片中的Na⁺进行交换，Ag⁺进入玻璃基片形成玻璃表面的离子扩散区，作为表面光波导的芯层。

但是上述离子交换过程由于有两方面的不足：其一，仅由两种熔盐组成的混和物熔点相对较高(NaNO₃熔点约～310℃)，决定了离子交换的温度必须高于在此温度；其二，硝酸盐对玻璃材料有一定腐蚀作用，对于磷酸盐玻璃，这种腐蚀作用尤其明显，熔盐对玻璃基片表面的腐蚀增大了光波导由于表面散射造成的损耗。

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采用离子交换法在玻璃基片表面制作光波导的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种采用离子交换法在玻璃基片表面制作光波导的方法，该方法是通过将玻璃基片在高温下熔融的多组分熔盐中进行离子交换，在玻璃基片上形成表面光波导，其特征在于，所述的多组分熔盐中包括以下组分和重量百分含量：掺杂离子的硝酸盐(0.01～10)wt％，KNO₃(0～20)wt％、NaNO₃(10～90)wt％、Mg(NO₃)₂(0～50)wt％、Ca(NO₃)₂(5～50)wt％，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％)。

所述的掺杂离子的硝酸盐为AgNO₃、RbNO₃、CsNO₃或TlNO₃。

所述的玻璃基片是硅酸盐玻璃，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。

所述的离子交换的温度在180-400℃之间。

本发明采用熔盐离子交换制作表面光波导。采用微细加工手段在玻璃基片的表面制作掩膜，并制作离子扩散窗口；而后将带有掩膜的玻璃基片放入多组分熔盐中进行离子交换，掺杂离子经热扩散作用通过掩膜形成的窗口在玻璃基片上形成表面离子扩散区，表面离子扩散区就是表面光波导的芯部；最后将玻璃基片在适当的温度进行退火处理。与现有技术相比，本发明中采用了多组分熔盐作为离子源，这种熔盐的熔化温度可以调节到更低，因此使离子交换的温度选择的灵活性大幅度提高。不仅如此，由于可以选择较低的温度进行离子交换，熔盐对玻璃基片的腐蚀作用大幅度降低。

附图说明

图1是离子交换法制备表面条形光波导的流程图；

图2是离子交换过程的示意图。

图中：1.玻璃基片；2.掩膜；3.多组分熔盐；4.表面离子扩散区。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。