[其他]变折射率薄膜的单源真空沉积法

说明书

本发明属于薄膜的制备方法。目前，关于变折射率材料（光纤、成像元件、光波导等）的制造方法较多，大多纯属化学法。真空蒸发法及溅射法又只能得到均匀折射率薄膜。本发明是采用单个电子束蒸发源，实行真空蒸发，在基底上获得变折射率薄膜，是一种物理法。此法获得变折射率膜的关键是膜科的选配工艺和采用电子束定域加热。此法与化学法相比，在制备工艺上具有较大的自由度的优点。本发明适用于制备微型光学元件或光集成元件所需的变折射率薄膜。

本发明属于薄膜的制备方法。

目前，变折射率材料（光纤、成象元件）的制备方法较多，有化学汽相沉积法、中子辐照法、离子交换法、晶体生长法、离子填充法等。〔1〕〔2〕〔3〕光波导的制备有离子注入法、扩散法或熔相外延法。〔4〕变折射率材料（薄膜）的制备居多采用上述方法中的化学法。其变折射率层受到掺杂和基底的影响，不能形成独立的变折射率薄膜。现有的真空蒸发法和溅射法只能获得均匀折射率薄膜。

本发明的目的是提出了拓宽折射率变化范围、不受基底材料影响的一种新方法。

本发明是采用单个电子束蒸发源，实行真空蒸发，在基底上获得一定厚度的变折射率薄膜，是一种物理法。获得变折射率薄膜的关键是膜料的选配工艺和电子束定域加热蒸发技术。采用折射率、熔点不同的膜料，以一定比例混合、热压成柱体块料。为了得到变折射率薄膜，对压制成型的园柱形块料，使用一定束截面的电子束进行定域加热蒸发，电子束沿园柱轴向由上向下，使材料加热逐渐蒸发。然后，在基底上沉积形成变折射率薄膜。根据不同混合膜料制备的变折射率薄膜，进行时效处理。

本发明与已有方法相比具有下列优点：（1）拓宽薄膜的折射率变化范围;（2）不受基底材料限制，在任何基底上形成独立的变折射率薄膜;（3）工艺较简单、制备周期短;（4）制备的平面型变折射率薄膜，视光轴方向可分别得到轴向或径向变折射率特性。

本发明制备的变折射率薄膜适用于微型光学元件或光学集成块中的光学元件。例如，变折射率透镜、光耦合器、光波导等，用变折射率薄膜替代均匀折射率薄膜，能得到特殊优越的性能。

附图，变折射率薄膜单源真空沉积法示意图

1-柱体块料;2-E型电子枪;

3-定域加热电子束;4-沉积基底。

本发明可以采取以下方式实施：根据光集成元件需要的折射率分布，选配膜料压制成块。折射率的选择决定了薄膜相对折射率差（△n），△n＝0.01～0.2;膜料的熔点选择决定了折射率的变化趋势，并影响相对折射率差的大小。两种混合膜料的熔点差值范围是500℃～1000℃;不同膜料的混合比例影响薄膜折射率的变化速率，混合膜料的混合比例是1∶1～1∶0.5;混合膜料可采用满足真空蒸发条件的金属氧化物，稀土氧化物、少数硫化物和氟化物;膜料的热分馏效应决定于不同膜料熔点的大小和蒸发温度。根据压制的柱状块料、选择一定束截面的电子束进行定域加热，电子束只能沿柱体轴同由上向下加热蒸发，不允许横向移动;电子束的轴向加热蒸发速度和蒸发温度决定于混合膜料的性质。电子束的束截面应可调（4～8平方毫米），电子束的加热温度在1000℃～2500℃范围内可调。确定薄膜的时效处理参数：选择时效处理的合适气氛（真空、气氛）条件、最高温度、恒温时间。其目的是降低应力，增强膜的机械强度;改善膜的结构，提高膜的稳定性;降低损耗。

实施例：采用1∶1的〔ZrO₂-TiO₂〕混合膜料压制成块，采用束截面为6mm、加热温度为2000℃的电子束进行加热蒸发，得到薄膜的相对折射率差为△n＝0.1。

对比文献：

〔1〕島田祯晋＊，光通信技术＊本，1980

〔2〕Duncan T.Moore，Appl.Optics，vol.19，NO7，1980

〔3〕西沢＊一，ォフトェレクトロニクス，1971

〔4〕P.K.Tien，Integrated Optics and New Wave Phenomena in Optical Waveguides，1977