[發明專利]一種離子交換玻璃基掩埋波導模斑轉換器的制作方法

在審

• 申請號: 202010083823.0
• 申請日: 2020-02-08
• 公開（公告）號: CN111208608A
• 公開（公告）日: 2020-05-29
• 發明（設計）人: 郝寅雷;蔣建光;牛夢華;鄧鑫宸;車錄鋒;周柯江
• 申請（專利權）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

本發明公開了一種離子交換玻璃基掩埋波導模斑轉換器的制作方法，包括兩個環節：第一個環節用離子交換法在玻璃基片的表面制作掩埋條形離子摻雜區；第二個環節是將玻璃基片豎直放置在水平熱板上進行梯度溫度離子擴散。將表面以下制作有掩埋條形離子摻雜區的玻璃基片豎直放置在水平熱板上進行梯度溫度離子擴散，利用玻璃基片內沿掩埋條形離子摻雜區長度方向的溫度梯度，使玻璃基片中沿掩埋條形離子摻雜區長度方向產生摻雜離子擴散速率的梯度，將掩埋條形離子摻雜區變成掩埋錐形離子摻雜區。這種掩埋錐形離子摻雜區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。

技術領域

本發明涉及光器件、集成光學領域，具體涉及一種離子交換玻璃基掩埋波導模斑轉換器的制作方法。

背景技術

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，實現光學系統的小型化、輕量化、穩定化，提高器件性能。

采用離子交換技術在玻璃基片(1)上制作的集成光器件一直受到企業界和研究者們的重視。基于離子交換技術的玻璃基集成光波導器件具有一些優異的性質，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，環境穩定性好，易于集成，成本低廉等。1972年，第一篇關于離子交換制作光波導的論文發表，標志著玻璃基集成光學器件研究的起步。自那時起，各國研究機構投入大量的人力和財力進行玻璃基集成光器件的開發。截至目前，一些玻璃基片(1)上的集成光學器件已經實現規模化生產與系列化，成功地用于光通信、光互連和光傳感網絡，并顯示出巨大的競爭力。

模斑轉換器在集成光路中用于實現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，減小因芯徑失配產生的插入損耗，在集成光路中具有重要的應用價值。

現有的基于離子交換技術在玻璃基片(1)上制作的掩埋波導模斑轉換器結構如圖1所示，在玻璃基片(1)內的表面以下具有掩埋楔形離子摻雜區(7)，利用掩埋楔形離子摻雜區(7)的橫截面尺寸變化實現模斑轉換。這種模斑轉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)，形成楔形鏤空結構，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(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)兩側分別碳酸鈉熔鹽作電極，在玻璃基片(1)兩側施加直流電壓，在直流電場作用下，表面楔形離子摻雜區(3)遷移進入玻璃基片(1)的表面以下，表面楔形離子摻雜區(3)變成掩埋楔形離子摻雜區(7)，獲得形成模斑轉換器芯片。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楔形，所以玻璃基片(1)表面以下的掩埋楔形離子摻雜區(7)的寬度也呈現與離子交換窗口一致的形狀，在玻璃基片(1)的平面內呈現楔形分布特征：在離子交換窗口寬度小的部位掩埋楔形離子摻雜區(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(7)寬度大。

然而，目前這種模斑轉換器的性能不能滿足許多重要的應用場合。根據如前所述，現有方法制作的模斑轉換器可以實現模斑尺寸在玻璃基片(1)平面方向的模斑尺寸的變換。但是，玻璃基片(1)表面具有不同寬度的離子交換窗口的情況下，掩埋楔形離子摻雜區(7)的厚度變化不大，也就是說在垂直于玻璃基片(1)平面的方向，光波導的模斑尺寸幾乎沒有變化。因此，由于這種模斑轉換器的波導橫截面的形狀在兩個軸向上存在較大差異，這種模斑轉換器在集成光器件中的應用受到限制，譬如，用于實現單模光纖和多模光纖之間耦合時，這種器件的插入損耗在6.5dB以上。

發明內容