[发明专利]一种采用外部阻挡层提高玻璃基光波导芯部对称性的方法

说明书

本发明公开了一种采用外部阻挡层提高玻璃基光波导芯部对称性的方法。包括：离子交换处理在玻璃基片正面制作表面离子掺杂区、在玻璃基片背面对应的非光波导区域形成高电阻率的外部阻挡层、以及电场辅助离子迁移处理将表面离子掺杂区制作成掩埋式离子掺杂区；其中，在进行所述电场辅助迁移处理过程中，玻璃基片背面高电阻率的外部阻挡层使离子掺杂区附近的电场分布呈现横向汇聚的特征，抑制了玻璃基片中离子掺杂区在电场辅助离子迁移过程中的横向展宽趋势，提高了玻璃基片中作为光波导芯部的掩埋式离子掺杂区的对称性。

技术领域

本发明涉及光器件、集成光学领域，具体涉及一种采用外部阻挡层提高玻璃基光波导芯部对称性的方法。

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(或基片)的表面制作光波导，并以此为基础实现光源、耦合器、滤波器等各种器件的集成化制作。通过这种集成化，实现光学系统的小型化、轻量化、稳定化和高性能化。

采用离子交换法在玻璃基片上制作的集成光器件一直受到企业界和研究者们的重视。基于离子交换技术的玻璃基集成光波导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。1972年，第一篇关于离子交换制作光波导的论文发表，标志着玻璃基集成光学器件研究的起步。自那时起，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。截至目前，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、光互连和光传感网络，并显示出巨大的竞争力。

通常使用的离子交换技术是在玻璃基片表面形成表面离子掺杂区，作为表面光波导的芯层。在玻璃基片表面离子掺杂区形成过程中，由于掺杂离子的横向扩散，玻璃基片表面离子掺杂区呈扁平状，因此其光波导模场分布不对称，光波导与光纤的耦合损耗很大；另一方面，表面离子掺杂区位于玻璃基片的表层，光导波在玻璃表面缺陷处的散射将引入很高的传输损耗。

制作掩埋式的光波导可以改善光波导芯层折射率分布的对称性，因此可以使光波导模场分布的对称性得到改善，降低光波导器件与光纤的耦合损耗。同时，使光波导的芯部埋入玻璃表面以下，可消除玻璃表面缺陷引起的光导波的散射作用，降低器件的传输损耗。掩埋式光波导的制作通常采用电场辅助离子迁移的方式，对一次离子交换后的玻璃基片进行电场辅助离子迁移。

事实上，这种离子交换波导中离子掺杂区的在横向和纵向的形状和尺寸对称性控制问题仍没有完全解决。原因在于，在电场辅助离子迁移温度下，玻璃中的离子掺杂区在直流电场作用下向玻璃基片内部定向移动的同时，也发生横向的扩散，这使离子掺杂区的横向尺寸也会发生展宽。因此，欲提高光波导芯部对称性，获得横截面尺寸在横向和纵向尺寸匹配的离子掺杂区，通常需要增加电场辅助离子迁移的时间，但增加电场辅助离子迁移的时间同时增大了离子掺杂区的横向和纵向尺寸。

发明内容

本发明为了解决现有制作玻璃基掩埋式光波导技术中存在的技术缺陷，提供一种提高玻璃基光波导芯部对称性的方法，通过离子交换处理在玻璃基片正面制作表面离子掺杂区、在玻璃基片正面对应的非光波导区域形成高电阻率的外部阻挡层、以及电场辅助离子迁移处理将表面离子掺杂区制作成掩埋式离子掺杂区；其中，在进行所述电场辅助迁移处理过程中，玻璃基片背面高电阻率的外部阻挡层使离子掺杂区附近的电场分布呈现横向汇聚的特征，抑制了玻璃基片中离子掺杂区在电场辅助离子迁移过程中的横向展宽趋势，提高了玻璃基片中作为光波导芯部的掩埋式离子掺杂区的对称性。

一种采用外部阻挡层提高玻璃基光波导芯部对称性的方法，包括如下步骤：

通过离子交换处理在玻璃基片正面制作表面离子掺杂区、在玻璃基片背面对应的非光波导区域形成高电阻率的外部阻挡层、以及电场辅助离子迁移处理将表面离子掺杂区制作成掩埋式离子掺杂区；