[發(fā)明專利]一種有槽熱板溫度梯度離子擴散制作玻璃基掩埋式模斑轉(zhuǎn)換器的方法

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• 申請日: 2020-02-09
• 公開（公告）號: CN111239898A
• 公開（公告）日: 2020-06-05
• 發(fā)明（設計）人: 郝寅雷;鄧鑫宸;蔣建光;牛夢華;周柯江;車錄鋒
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學深圳研究院
• 主分類號: G02B6/134
• 分類號: G02B6/134;G02B6/14;G02B6/12
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明公開了一種有槽熱板溫度梯度離子擴散制作玻璃基掩埋式模斑轉(zhuǎn)換器的方法，包括兩個環(huán)節(jié)：第一個環(huán)節(jié)用離子交換法在玻璃基片(1)的表面制作掩埋條形離子摻雜區(qū)(8)；第二個環(huán)節(jié)是將玻璃基片(1)豎直放置在有槽熱板(5)上的凹槽內(nèi)進行梯度溫度離子擴散。這種方法的特征在于：將表面以下制作有掩埋條形離子摻雜區(qū)(8)的玻璃基片(1)豎直放置在水平有槽熱板(5)上的凹槽內(nèi)進行梯度溫度離子擴散，利用玻璃基片(1)內(nèi)沿掩埋條形離子摻雜區(qū)(8)長度方向的溫度梯度，使玻璃基片(1)中沿掩埋條形離子摻雜區(qū)(8)長度方向產(chǎn)生摻雜離子擴散速率的梯度，增大玻璃基片(1)表面以下的掩埋條形離子摻雜區(qū)(8)在貼近有槽熱板(5)一端的橫截面尺寸，將掩埋條形離子摻雜區(qū)(8)變成掩埋錐形離子摻雜區(qū)(9)。這種掩埋錐形離子摻雜區(qū)(9)的橫截面的尺寸在兩個軸向上的一致性得到改善，因而模斑轉(zhuǎn)換器與光纖芯部橫截面的形狀與尺寸的匹配程度改善，器件插入損耗降低。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光器件、集成光學領(lǐng)域，具體涉及一種有槽熱板溫度梯度離子擴散制作玻璃基掩埋式模斑轉(zhuǎn)換器的方法。

背景技術(shù)

1969年，S.E.Miller提出了集成光學的概念，其基本思想是在同一塊襯底(或基片)的表面制作光波導，并以此為基礎實現(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，實現(xiàn)光學系統(tǒng)的小型化、輕量化、穩(wěn)定化，提高器件性能。

采用離子交換技術(shù)在玻璃基片(1)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。基于離子交換技術(shù)的玻璃基集成光波導器件具有一些優(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。1972年，第一篇關(guān)于離子交換制作光波導的論文發(fā)表，標志著玻璃基集成光學器件研究的起步。自那時起，各國研究機構(gòu)投入大量的人力和財力進行玻璃基集成光器件的開發(fā)。截至目前，一些玻璃基片(1)上的集成光學器件已經(jīng)實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)與系列化，成功地用于光通信、光互連和光傳感網(wǎng)絡，并顯示出巨大的競爭力。

模斑轉(zhuǎn)換器在集成光路中用于實現(xiàn)光波導模斑尺寸的變化，常用于芯徑不同的光波導之間的模斑尺寸的匹配，減小因芯徑失配產(chǎn)生的插入損耗，在集成光路中具有重要的應用價值。

現(xiàn)有的基于離子交換技術(shù)在玻璃基片(1)上制作的掩埋波導模斑轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)如圖1所示，在玻璃基片(1)內(nèi)的表面以下具有掩埋楔形離子摻雜區(qū)(7)，利用掩埋楔形離子摻雜區(qū)(7)的橫截面尺寸變化實現(xiàn)模斑轉(zhuǎn)換。這種模斑轉(zhuǎn)換器的制作過程如圖2所示，主要包括四個步驟：第一步是光刻，在玻璃基片(1)的表面淀積光波導所用的掩膜(2)，并通過光刻和腐蝕去除玻璃基片(1)上的部分掩膜(2)，形成楔形鏤空結(jié)構(gòu)，作為楔形的離子交換窗口；第二步是離子交換，將帶有掩膜(2)的玻璃基片(1)置于高溫下的含摻雜離子的熔鹽中進行離子交換，含摻雜離子的熔鹽中的摻雜離子通過掩膜(2)形成的離子交換窗口與玻璃基片(1)中的Na⁺進行交換，摻雜離子進入玻璃基片(1)表面并擴散形成表面楔形離子摻雜區(qū)(3)。第三步是去除掩膜(2)，采用化學腐蝕的方法去除玻璃基片(1)表面的掩膜(2)。第四步是電場輔助離子遷移，將玻璃基片(1)兩側(cè)分別碳酸鈉熔鹽作電極，在玻璃基片(1)兩側(cè)施加直流電壓，在直流電場作用下，表面楔形離子摻雜區(qū)(3)遷移進入玻璃基片(1)的表面以下，表面楔形離子摻雜區(qū)(3)變成掩埋楔形離子摻雜區(qū)(7)，獲得形成模斑轉(zhuǎn)換器芯片。由于掩膜(2)在玻璃基片(1)的表面形成的離子交換窗口呈現(xiàn)楔形，所以玻璃基片(1)表面以下的掩埋楔形離子摻雜區(qū)(7)的寬度也呈現(xiàn)與離子交換窗口一致的形狀，在玻璃基片(1)的平面內(nèi)呈現(xiàn)楔形分布特征：在離子交換窗口寬度小的部位掩埋楔形離子摻雜區(qū)(7)寬度小，而在離子交換窗口寬度大的部位掩埋楔形離子摻雜區(qū)(7)寬度大。