[发明专利]一种提高玻璃基光波导芯片均匀性的方法

说明书

本发明涉及一种提高玻璃基光波导芯片均匀性的方法，包括：S1、在准备好的玻璃基片上制作光波导形成所用掩膜；S2、将形成光波导掩膜的玻璃基片进行离子交换形成表面光波导；S3、利用腐蚀工艺去除光波导形成的所用掩膜；S4、通过微细加工技术在玻璃基片表面制作外阻挡层；S5、对制作有外阻挡层的玻璃基片利用电场辅助离子迁移技术形成掩埋式离子掺杂区；S6、利用微细加工技术去除外阻挡层形成光波导。在进行电场辅助离子迁移制作掩埋式光波导过程中，由于玻璃基片上“空白区域”的表面层上高电阻率外阻挡层的存在，增大了玻璃基片上“空白区域”的电阻，抑制了玻璃基片的温升幅度，提高了玻璃基片上光波导掩埋深度的均匀性。

技术领域

本发明属于光器件、集成光学技术改进领域，尤其涉及一种采用通过在玻璃基片表面制作外阻挡层提高离子交换光波导芯片上光波导期间均匀性的方法。

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、调制器、开关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。上世纪70年代，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，如图1所示，是在玻璃基片(1)表面制作薄膜（厚度为亚微米数量级的Al、Cr-Au等金属材料，或者SiO2等电介质材料），并在薄膜上形成离子交换窗口，形成光波导形成所用掩膜(2)。而后将带有光波导形成所用掩膜(2)的玻璃基片(1)放入含有掺杂离子的熔盐(3)（掺杂离子通常是Ag+、Tl+或者Cs+等）中进行离子交换，含有掺杂离子的熔盐(3)中的掺杂离子通过光波导形成所用掩膜(2)形成的离子交换窗口与玻璃基片(1)中的Na+进行交换，掺杂离子进入玻璃基片(1)并形成玻璃表面的离子掺杂区(4)，作为表面光波导的芯层。在玻璃表面的离子掺杂区(4)形成过程中，由于掺杂离子的横向扩散，玻璃表面的离子掺杂区(4)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，玻璃表面的离子掺杂区(4)位于玻璃基片(1)的表面，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，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。如图2所示，对一次离子交换后的玻璃基片(1)进行电场辅助离子迁移。在此过程中，不含掺杂离子的熔盐(5)分别位于玻璃基片(1)两侧，作为电极。在两侧的不含掺杂离子的熔盐(5)中分别插入两根电极引线(6)，这两根电极引线(6)分别连接直流电源的正电极和负电极（玻璃表面的离子掺杂区(4)所在一侧的电极引线连接正电极），在玻璃基片(1)的两侧施加直流偏压。在此直流偏压的作用下，玻璃表面的离子掺杂区(4)被掩埋进入玻璃基片(1)，形成掩埋式离子掺杂区(7)。