[实用新型]基于玻璃基离子交换掩埋光波导的集成光学芯片

说明书

技术领域

本实用新型涉及光通信领域的集成光学芯片，尤其涉及基于玻璃基离子交换掩埋光波导的集成光学芯片及制作方法。

背景技术

目前，市场上应用于光通信的集成光学芯片，主要基于PECVD技术制造而成。PECVD技术即等离子增强的化学气相沉积技术，其技术原理是：利用低温等离子体作为能量源，将晶圆置于低气压下辉光放电的阴极上，采用辉光放电或额外发热体使样品升温到预定温度，然后通入适量的反应气体，气体在微波或射频的作用下发生电离，在局部形成等离子体，由于等离子体活性很强，气体经过一系列化学反应与等离子体反应，在晶圆表面形成固态的薄膜，进而通过退火工艺形成可用于制备光波导的膜层。而PECVD的平面光波导制备技术还包含了多重膜生长、退火以及膜层刻蚀技术。其制备得到的光波导如图4所示，光波导呈四层结构，最下层为衬底层7，衬底层7上生长了一层下包层8，下包层8上为经过多重膜生长、刻蚀的波导芯层10，呈矩形结构，芯层10上再覆以上包层+作为保护。虽然基于PECVD技术的集成光学芯片具有良好的光学特性，但是由于其波导区的截面呈现矩形结构，使得其具有较大的偏振依赖性，同时基于PECVD技术的集成光学芯片的制作方法采用了多重膜生长、退火技术，工艺要求很高并且芯片内部残留的应力会影响芯片长期使用的稳定性和可靠性。

发明内容

本实用新型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可减小芯片的偏振依赖性以及消除芯片的内部应力，寿命长、稳定可靠的基于玻璃基离子交换掩埋光波导的集成光学芯片及其制法。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于玻璃基离子交换掩埋光波导的集成光学芯片，其特征在于，该集成光学芯片主要由玻璃衬底和离子交换掩埋光波导组成；所述的离子交换掩埋光波导位于玻璃衬底内部，与玻璃衬底上表面的距离为0～7500μm。

所述的离子交换掩埋光波导与玻璃衬底上表面的距离为离子交换掩埋光波导的波导边缘与玻璃衬底上表面的距离，当离子交换掩埋光波导的波导上侧未完全从玻璃衬底上表面分离时，所述的离子交换掩埋光波导与玻璃衬底上表面的距离为0μm。

所述的离子交换掩埋光波导为折射率渐变型波导，在玻璃衬底内水平方向上分为三个区域：输入波导区、功能结构区和输出波导区，所述的功能结构区连接输入波导区和输出波导区。

所述的输入波导区由单直波导或2～256端口的直波导阵列构成；所述的功能结构区的结构为满足无源光器件的拓扑结构；所述的输出波导区为单直波导或2～256端口的直波导阵列。

所述的功能结构区的结构为分路结构或耦合结构。

一种基于玻璃基离子交换掩埋光波导的集成光学芯片的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)镀膜：在玻璃晶圆上表面镀上一层厚度为50～1000nm的掩膜；

2)光刻：通过旋涂在掩膜上形成一层光刻胶膜，接着采用加热烘烤方式固化光刻胶膜，然后采用曝光和显影技术将光刻板上的图样转印至光刻胶膜上，最后再次加热烘烤完成光刻胶膜的再固化；

3)腐蚀：将带有光刻胶膜的玻璃晶圆放置于加热的腐蚀液中，通过腐蚀液对掩膜的选择性腐蚀将光刻胶膜的图样转印至掩膜上；

4)去胶：将光刻胶膜从玻璃晶圆上去除；

5)一次交换：将带有图样的掩膜的玻璃晶圆放置于一次交换的熔盐中，通过源离子的自由热扩散或是电场辅助扩散在玻璃晶圆表面无掩膜区形成离子交换表面光波导；

6)二次交换：去除玻璃晶圆表面的掩膜，将带有离子交换表面光波导的玻璃晶圆放置于二次交换的熔盐中，通过自由热扩散或是电场辅助扩散的方式将玻璃晶圆的表面光波导掩埋至玻璃晶圆上表面下方0～7500um处；

7)划片：将二次交换完成的玻璃晶圆按照离子交换掩埋光波导图样上的切割标记分割成尺寸一致的芯片单元；

8)研磨抛光：将芯片单元进行切割端面的研磨抛光形成基于玻璃基离子交换掩埋光波导的集成光学芯片。

步骤(1)所述的掩膜的镀膜材料为金属镀膜材料或非金属镀膜材料，所述的金属镀膜材料为耐高温抗强氧化性的金属镀膜材料，所述的非金属镀膜材料为氧化物或氮化物镀膜材料。

所述的金属镀膜材料为铝、金、钛或铂；所述的非金属镀膜材料为二氧化硅、氧化铝、三氧化二铬、氧化铜或氮化硅。

步骤(2)所述的光刻板上的图样以集成光学芯片的器件设计图为单元，通过周期型排列组合而成。

所述的光刻板上的图样为1×8的光分路器设计单元周期型排列组合而成的光刻板图样。