本發(fā)明涉及一種提高玻璃基光波導(dǎo)芯片均勻性的方法，具體涉及一種通過在玻璃基片表面制作內(nèi)阻擋層提高離子交換光波導(dǎo)芯片上光波導(dǎo)均勻性的方法，涉及光器件、集成光學(xué)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1969年，S.E.Miller提出了集成光學(xué)的概念，其基本思想是在同一塊襯底(或基片)的表面制作光波導(dǎo)，并以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)光源、耦合器、濾波器等各種器件的集成化制作。通過這種集成化，實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的小型化、輕量化、穩(wěn)定化和高性能化。

采用離子交換法在玻璃基片上制作的集成光器件一直受到企業(yè)界和研究者們的重視?；陔x子交換技術(shù)的玻璃基集成光波導(dǎo)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。上世紀(jì)70年代，第一篇關(guān)于離子交換制作光波導(dǎo)的論文發(fā)表，標(biāo)志著玻璃基集成光學(xué)器件研究的起步。自那時(shí)起，各國研究機(jī)構(gòu)投入大量的人力和財(cái)力進(jìn)行玻璃基集成光器件的開發(fā)。截至目前，一些玻璃基片上的集成光學(xué)器件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化與系列化，并成功地用于光通信、光互連和光傳感網(wǎng)絡(luò)，并顯示出巨大的競爭力。

通常使用的離子交換技術(shù)是在玻璃基片表面形成表面離子摻雜區(qū)，作為表面光波導(dǎo)的芯層。在玻璃表面的離子摻雜區(qū)形成過程中，由于摻雜離子的橫向擴(kuò)散，玻璃表面的離子摻雜區(qū)呈扁平狀，因此其光波導(dǎo)模場分布不對稱，光波導(dǎo)與光纖的耦合損耗很大；另一方面，玻璃表面的離子摻雜區(qū)位于玻璃基片的表面，光導(dǎo)波在玻璃表面缺陷處的散射將引入很高的傳輸損耗。

制作掩埋式的光波導(dǎo)可以改善光波導(dǎo)芯層折射率分布的對稱性，因此可以使光波導(dǎo)模場分布的對稱性得到改善，降低光波導(dǎo)器件與光纖的耦合損耗。同時(shí)，使光波導(dǎo)的芯部埋入玻璃表面以下，可消除玻璃表面缺陷引起的光導(dǎo)波的散射作用，降低器件的傳輸損耗。掩埋式光波導(dǎo)的制作通常采用電場輔助離子遷移的方式，對一次離子交換后的玻璃基片進(jìn)行電場輔助離子遷移。

在電場輔助離子遷移過程中，玻璃基片中的焦耳熱效應(yīng)會影響所制作光波 導(dǎo)的均勻性，并影響到器件性能的均勻性。在直流電場作用下，玻璃基片中會產(chǎn)生電流，相應(yīng)地，該電流在玻璃基片中產(chǎn)生焦耳熱。研究表明，在通常的制作玻璃基光波導(dǎo)器件的技術(shù)條件下，焦耳熱功率使玻璃基片的溫升幅度達(dá)到20～50℃。這種情況下，由于玻璃基片中心與邊緣散熱條件的差異，玻璃基片的中心溫度會高于邊緣溫度。這種溫度的差異產(chǎn)生玻璃基片中離子遷移率的差異，因此，最終所獲得的光波導(dǎo)掩埋深度在玻璃基片的中心和邊緣會產(chǎn)生不同：位于玻璃基片中心位置的波導(dǎo)掩埋深度較深，而位于玻璃基片邊緣位置的波導(dǎo)掩埋深度較淺。而且，電場輔助離子遷移的時(shí)間越長，這種不均勻性越明顯；器件尺寸越大，不同部位的光波導(dǎo)的不均勻性也會變得更加顯著。譬如，光互連中廣泛使用的多模波導(dǎo)器件，其掩埋深度達(dá)到100微米的數(shù)量級，其長度可以超過10cm的數(shù)量級。這種情況下，焦耳熱效應(yīng)變得不可忽略。這種掩埋深度的差異會影響所制作器件的性能和成品率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有制作玻璃基掩埋式光波導(dǎo)技術(shù)中存在的技術(shù)缺陷，提供一種提高玻璃基光波導(dǎo)芯片均勻性的方法，通過在玻璃基片表面形成高電阻率的內(nèi)阻擋層，增大玻璃基片非光波導(dǎo)區(qū)域的電阻，來抑制玻璃基片的溫升幅度，提高玻璃基片中作為光波導(dǎo)的掩埋式離子摻雜區(qū)的掩埋深度均勻性。

一種提高玻璃基光波導(dǎo)芯片均勻性的方法，包括：

將玻璃基片置于含K⁺熔鹽中進(jìn)行離子交換處理，在所述玻璃基片表面的非光波導(dǎo)區(qū)域形成高電阻率的內(nèi)阻擋層；

通過離子交換處理和電場輔助遷移處理，在帶有內(nèi)阻擋層的玻璃基片上形成與所述內(nèi)阻擋層不接觸的掩埋式離子摻雜區(qū)；

其中，在進(jìn)行所述電場輔助遷移處理過程中，通過用玻璃基片表面的高電阻率的內(nèi)阻擋層，增大玻璃基片非光波導(dǎo)區(qū)域的電阻，來抑制玻璃基片的溫升幅度，提高玻璃基片中作為光波導(dǎo)的掩埋式離子摻雜區(qū)的掩埋深度均勻性。

其中，所述的將玻璃基片置于含K⁺熔鹽中進(jìn)行離子交換處理，在所述玻璃基片表面的非光波導(dǎo)區(qū)域形成高電阻率的內(nèi)阻擋層的步驟包括：

在玻璃基片表面制作內(nèi)阻擋層掩膜；

將帶有內(nèi)阻擋層掩膜的玻璃基片置于含K⁺熔鹽中進(jìn)行離子交換處理，使K⁺通過離子交換進(jìn)入所述玻璃基片，在所述玻璃基片表面的非光波導(dǎo)區(qū)域形成高電 阻率的內(nèi)阻擋層；

去除所述帶有內(nèi)阻擋層的玻璃基片表面的內(nèi)阻擋層掩膜，得到帶有內(nèi)阻擋層的玻璃基片。

特別是，所述內(nèi)阻擋層掩膜的中心軸線與所述玻璃基片表面計(jì)劃制作光波導(dǎo)位置的中心線重合。

尤其是，所述掩膜的寬度大于所述玻璃基片表面計(jì)劃制作光波導(dǎo)的寬度。

特別是，首先采用蒸發(fā)或?yàn)R射等沉積技術(shù)在玻璃基片的表面制作薄膜，并采用光刻和腐蝕(或者刻蝕)方法對薄膜進(jìn)行加工，形成位置和寬度符合要求的內(nèi)阻擋層掩膜。

尤其是，所述內(nèi)阻擋層掩膜為厚度為亞微米數(shù)量級的Al、Cr-Au等金屬材料，或者SiO₂等電介質(zhì)材料。

特別是，所述將具有內(nèi)阻擋層掩膜的玻璃基片置于含K⁺熔鹽中進(jìn)行離子交換處理的溫度為330-450℃。

尤其是，所述將具有內(nèi)阻擋層掩膜的玻璃基片置于含K⁺熔鹽中進(jìn)行離子交換處理的時(shí)間為30min-24h。

其中，所述的通過離子交換處理和電場輔助遷移處理，在帶有內(nèi)阻擋層的玻璃基片上形成與所述內(nèi)阻擋層不接觸的掩埋式離子摻雜區(qū)的步驟包括：

在所述帶有內(nèi)阻擋層的玻璃基片表面制作含有離子交換窗口的光波導(dǎo)掩膜；

將所述帶有內(nèi)阻擋層和光波導(dǎo)掩膜的玻璃基片置于含有摻雜離子的熔鹽中進(jìn)行離子交換處理，使所述熔鹽中的摻雜離子通過擴(kuò)散在玻璃基片表面形成與所述內(nèi)阻擋層不接觸的表面離子摻雜區(qū)；

去除所述形成了表面離子摻雜區(qū)的玻璃基片表面的光波導(dǎo)掩膜；

對所述帶有內(nèi)阻擋層和表面離子摻雜區(qū)的玻璃基片進(jìn)行電場輔助遷移處理，使所述玻璃基片表面的表面離子摻雜區(qū)在電流作用下向內(nèi)部推進(jìn)，形成與所述內(nèi)阻擋層不接觸的掩埋式離子摻雜區(qū)。

特別是，所述光波導(dǎo)掩膜的離子交換窗口的中心軸線與所述玻璃基片表面計(jì)劃制作光波導(dǎo)位置的中心線重合。

尤其是，所述離子交換窗口的寬度小于所述內(nèi)阻擋層掩膜的寬度。

特別是，首先采用蒸發(fā)或?yàn)R射等沉積技術(shù)在玻璃基片的表面制作薄膜，并采用光刻和腐蝕(或者刻蝕)方法對薄膜進(jìn)行加工，形成含有離子交換窗口的光波 導(dǎo)掩膜。

尤其是，所述光波導(dǎo)掩膜為厚度為亞微米數(shù)量級的Al、Cr-Au等金屬材料，或者SiO₂等電介質(zhì)材料。

特別是，所述將所述具有內(nèi)阻擋層的玻璃基片置于含有摻雜離子的熔鹽中進(jìn)行離子交換處理的溫度為230-400℃。

尤其是，所述將所述具有內(nèi)阻擋層的玻璃基片置于含有摻雜離子的熔鹽中進(jìn)行離子交換處理的時(shí)間為5-240min。

其中，所述的對所述帶有內(nèi)阻擋層和表面離子摻雜區(qū)的玻璃基片進(jìn)行電場輔助遷移處理的步驟包括：

在所述帶有內(nèi)阻擋層和表面離子摻雜區(qū)的玻璃基片的兩側(cè)分別放置不含摻雜離子的熔鹽，將熔鹽加熱熔化；

在所述不含摻雜離子的熔鹽中分別插入電極引線，其中表面離子摻雜區(qū)所在一側(cè)的電極引線連接電源正極，另一側(cè)連接電源負(fù)極；

開啟電源，對所述帶有內(nèi)阻擋層和表面離子摻雜區(qū)的玻璃基片進(jìn)行電場輔助遷移處理，使所述玻璃基片表面的表面離子摻雜區(qū)在電流作用下向內(nèi)部推進(jìn)，形成與所述內(nèi)阻擋層不接觸的掩埋式離子摻雜區(qū)。

其中，所述摻雜離子為Ag⁺、Tl⁺或Cs⁺。

特別是，所述玻璃基片的材料為硅酸鹽玻璃、硼硅酸鹽玻璃、磷酸鹽玻璃或硼酸鹽玻璃。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益技術(shù)效果如下：

本發(fā)明提高玻璃基光波導(dǎo)芯片均勻性的方法首先在玻璃基片表面形成高電阻率的內(nèi)阻擋層，在進(jìn)行電場輔助離子遷移處理過程中，通過用玻璃基片表面的高電阻率的內(nèi)阻擋層，增大玻璃基片非光波導(dǎo)區(qū)域的電阻，來抑制玻璃基片的溫升幅度，提高玻璃基片中作為光波導(dǎo)的掩埋式離子摻雜區(qū)的掩埋深度均勻性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明制作玻璃基光波導(dǎo)的流程圖；

圖2是在玻璃基片表面制作內(nèi)阻擋層過程示意圖；

圖3是在帶有內(nèi)阻擋層的玻璃基片表面制作表面光波導(dǎo)的示意圖；

圖4采用電場輔助離子遷移技術(shù)在帶有內(nèi)阻擋層的玻璃基片上制作掩埋式光波導(dǎo)的示意圖。

附圖標(biāo)記說明：1、玻璃基片；2、光波導(dǎo)掩膜；3、含有摻雜離子的熔鹽；4、表面離子摻雜區(qū)；5、不含摻雜離子的熔鹽；6、電極引線；7、掩埋式離子摻雜區(qū)；8、內(nèi)阻擋層掩膜；9、含K⁺熔鹽；10、內(nèi)阻擋層。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明，但本發(fā)明不限于此，本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明的原理進(jìn)行修改，因此，凡按照本發(fā)明的原理進(jìn)行的各種修改和改變都應(yīng)當(dāng)理解為落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。

采用本發(fā)明的提高玻璃基光波導(dǎo)芯片均勻性的方法制作玻璃基光波導(dǎo)的流程如圖1所示，主要步驟如下：

(A)制作內(nèi)阻擋層掩膜(8)

采用蒸發(fā)或?yàn)R射等沉積技術(shù)在玻璃基片(1)的表面制作薄膜(厚度為亞微米數(shù)量級的Al、Cr-Au等金屬材料，或者SiO₂等電介質(zhì)材料)，并采用光刻和腐蝕(或者刻蝕)方法對薄膜進(jìn)行加工，形成內(nèi)阻擋層掩膜(8)。對條形光波導(dǎo)的制作，內(nèi)阻擋層掩膜(8)的中心軸線與玻璃基片(1)表面計(jì)劃制作光波導(dǎo)位置的中心軸線重合，其寬度大于所述玻璃基片(1)表面計(jì)劃制作光波導(dǎo)的寬度(參照圖2所示)。

(B)采用離子交換技術(shù)在玻璃基片(1)表面制作內(nèi)阻擋層(9)

將帶有內(nèi)阻擋層掩膜(8)的玻璃基片(1)放入含K⁺熔鹽(9)中進(jìn)行離子交換(參照圖2所示)，離子交換溫度在330～450℃之間，離子交換時(shí)間根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定，在30分鐘到24小時(shí)之間；熔鹽中的K⁺與玻璃基片(1)中的Na⁺進(jìn)行交換(K⁺從熔鹽進(jìn)入玻璃基片(1)，Na⁺從玻璃基片(1)進(jìn)入熔鹽)，進(jìn)入玻璃基片(1)的K⁺經(jīng)熱擴(kuò)散作用在玻璃基片(1)表面的非光波導(dǎo)區(qū)域?qū)又行纬蒏⁺擴(kuò)散層，作為內(nèi)阻擋層(10)。

(C)內(nèi)阻擋層掩膜(8)去除

采用化學(xué)腐蝕工藝，去除內(nèi)阻擋層掩膜(8)。

(D)制作光波導(dǎo)掩膜(2)

采用蒸發(fā)或?yàn)R射等沉積技術(shù)在玻璃基片(1)的表面制作薄膜(厚度為微米或亞微米數(shù)量級的Al、Cr-Au等金屬材料，或者SiO₂等電介質(zhì)材料)，采用光刻和腐蝕(或者刻蝕)方法加工出離子交換窗口(參照圖3所示)，形成光波導(dǎo)掩膜(2)。

(E)離子交換形成表面離子摻雜區(qū)

將帶有光波導(dǎo)掩膜(2)的玻璃基片(1)放入含有摻雜離子的熔鹽(3)中進(jìn)行離子交換(參照圖3所示)，離子交換溫度230～400℃之間，離子交換時(shí)間根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定，在5分鐘到4小時(shí)之間；熔鹽中的摻雜離子經(jīng)熱擴(kuò)散作用在玻璃基片(1)中形成玻璃表面的離子摻雜區(qū)(4)，作為表面光波導(dǎo)的芯部。

(F)去除光波導(dǎo)掩膜(2)

采用化學(xué)腐蝕工藝，去除光波導(dǎo)掩膜(2)。

(G)采用電場輔助離子遷移技術(shù)形成掩埋式的離子摻雜區(qū)(7)

在帶有內(nèi)阻擋層(10)和表面離子摻雜區(qū)(4)的玻璃基片的兩側(cè)分別放置不含摻雜離子的熔鹽(5)，采用不含摻雜離子的熔鹽(5)作為電極，將熔鹽加熱熔化，在280～400℃之間，在玻璃基片(1)的兩側(cè)施加直流偏壓(玻璃表面的離子摻雜區(qū)(4)所在一側(cè)的電極引線連接正電極)，進(jìn)行電場輔助離子遷移(參照圖4所示)，在直流偏壓的作用下，第一次離子交換形成的玻璃表面的離子摻雜區(qū)(4)被推進(jìn)玻璃基片(1)，形成掩埋式的離子摻雜區(qū)(7)，擴(kuò)散時(shí)間根據(jù)所需掩埋深度確定。

實(shí)施例1 制作掩埋式單模光波導(dǎo)(芯徑8-10微米)

(A)在硅酸鹽材料制作的玻璃基片(1)的上表面蒸發(fā)一層厚度為80～200nm的Al，通過光刻和濕法腐蝕工藝保留玻璃基片(1)上制作光波導(dǎo)的區(qū)域上寬度為15-18μm的薄膜，采用光刻和腐蝕(或者刻蝕)方法加工形成內(nèi)阻擋層掩膜(8)。

(B)將玻璃基片(1)放入個(gè)KNO₃熔鹽中進(jìn)行離子交換，離子交換溫度330-400℃，離子交換時(shí)間為30-240分鐘，熔鹽中的K⁺經(jīng)熱擴(kuò)散作用在玻璃基片(1)中形成K⁺擴(kuò)散層，作為內(nèi)阻擋層(10)。

(C)將玻璃基片(1)表面的內(nèi)阻擋層制作所用掩膜(8)采用腐蝕方法去除。

(D)在玻璃基片(1)的表面蒸發(fā)一層厚度為80～200nm的Al，通過光刻和濕法腐蝕工藝在薄膜上制作出寬度為3-5μm的條形離子交換窗口，形成光波導(dǎo)掩膜(2)。

(E)將帶有光波導(dǎo)制作所用掩膜(2)的玻璃基片(1)放入NaNO₃、Ca(NO₃)₂和AgNO₃的混合熔鹽(NaNO₃、Ca(NO₃)₂和AgNO₃三種成分的摩爾比為50:50:1)中進(jìn)行離子交換，離子交換溫度230-350℃，離子交換時(shí)間為10-120分鐘，熔鹽中的Ag⁺經(jīng)熱擴(kuò)散作用在玻璃基片(1)中形成玻璃表面的離子摻雜區(qū)(4)。

(F)將玻璃基片(1)表面的光波導(dǎo)掩膜(2)采用腐蝕方法去除。

(G)采用NaNO₃和Ca(NO₃)₂的混合熔鹽(NaNO₃和Ca(NO₃)₂兩種成分的摩爾比為50:50)作為電極，將熔鹽加熱熔化，在玻璃基片(1)的兩側(cè)施加直流偏壓(在玻璃基片(1)有波導(dǎo)的一側(cè)施加正電壓)，進(jìn)行電場輔助離子遷移。保持高溫爐的溫度280-350℃，遷移時(shí)間2-5小時(shí)。

掩埋式單模光波導(dǎo)制作完畢。

實(shí)施例2 制作掩埋式多模光波導(dǎo)(芯徑45-50微米)。

(A)在硅酸鹽材料制作的玻璃基片(1)的上表面蒸發(fā)一層厚度為80～200nm的Al，通過光刻和濕法腐蝕工藝保留玻璃基片(1)上制作光波導(dǎo)的區(qū)域上寬度為60μm的薄膜，采用光刻和腐蝕(或者刻蝕)方法加工形成內(nèi)阻擋層掩膜(8)。

(B)將玻璃基片(1)放入個(gè)KNO₃熔鹽中進(jìn)行離子交換，離子交換溫度360-450℃，離子交換時(shí)間為60分鐘-24小時(shí)，熔鹽中的K⁺經(jīng)熱擴(kuò)散作用在玻璃基片(1)中形成K⁺擴(kuò)散層，作為內(nèi)阻擋層(10)。

(C)將玻璃基片(1)表面的內(nèi)阻擋層掩膜(8)采用腐蝕方法去除。

(D)在玻璃基片(1)的表面蒸發(fā)一層厚度為80～200nm的Al，通過光刻和濕法腐蝕工藝在薄膜上制作出寬度為3-5μm的條形離子交換窗口，形成光波導(dǎo)掩膜(2)

(E)將帶有光波導(dǎo)制作所用掩膜(2)的玻璃基片(1)放入NaNO₃、Ca(NO₃)₂和AgNO₃的混合熔鹽(NaNO₃、Ca(NO₃)₂和AgNO₃三種成分的摩爾比為50:50:1)中進(jìn)行離子交換，離子交換溫度260-400℃，離子交換時(shí)間為30-240分鐘，熔鹽中的Ag⁺經(jīng)熱擴(kuò)散作用在玻璃基片(1)中形成玻璃表面的離子摻雜區(qū)(4)。

(F)將玻璃基片(1)表面的光波導(dǎo)掩膜(2)采用腐蝕方法去除。

(G)采用NaNO₃和Ca(NO₃)₂的混合熔鹽(NaNO₃和Ca(NO₃)₂兩種成分的摩爾比為50:50)作為電極，將熔鹽加熱熔化，在玻璃基片(1)的兩側(cè)施加直流偏壓(在玻璃基片(1)有波導(dǎo)的一側(cè)施加正電壓)，進(jìn)行電場輔助離子遷移。保持高溫爐的溫度320-400℃，遷移時(shí)間5-20小時(shí)。

掩埋式多模光波導(dǎo)制作完畢。