玻璃基双层掩埋式光波导的制备与表征

摘要

采用离子交换技术制备的玻璃光波导器件具有制作成本低廉,传输损耗低,易于掺杂高浓度的稀土离子,与光纤匹配度高,环境稳定性好,以及容易在系统中集成等优点,适合于大批量、低成本集成光学器件的制作。传统的Ag+／Na+离子交换技术得到了人们广泛的研究,成功应用于多种器件的研制与开发,如波分复用器、光功率分束器、光放大器、激光器及光传感器等,并广泛应用与光通信与光传感领域。
　　 随着技术的发展,对器件的集成度要求越来越高。为了在同一块芯片上集成更多的器件或更多的功能,一般有两种不同的途径:一是增大折射率差减小波导尺寸,另一个就是本文所说的基于多层器件的实现。由于离子交换的特性,该技术能很好的适用于三维集成。然而要集成不同光学器件层,需要阻止层与层之间的光耦合,可以通过上下两层波导充分分隔实现。
　　 本文通过分析经典的离子交换模型,建立了离子交换三维集成的简易模型。通过对离子交换三维集成的模拟仿真,验证了多层掩埋式波导的可行性,并分析了波导之间的相互影响。然后采用Ag+／Na+热离子交换和电场辅助离子扩散技术在光学玻璃基片上顺次制作了两层掩埋式光波导,形成双层波导。对双层光波导的横截面结构进行了观察,并测试了各层波导的损耗特性。对横截面各波导尺寸的测量结果表明,所获得的双层光波导中上、下两层波导的中心到玻璃表面的距离分别为14μm和35μm；上层光波导芯部尺寸约为12μm×7μm；下层光波导芯部尺寸约为9μm×8μm.通光测试显示两层波导在1.55μm工作波长下均为单模光波导,且两者之间没有相互耦合。损耗测试分析结果指出:堆栈中两层光波导的传输损耗约均为0.12dB／cm,与单模光纤之间的耦合损耗分别为0.78和0.73dB。本文所设计的两种结构测试结果表明,下层波导形成过程中Ag+离子在其漂移路径上的痕量残余,导致上层波导在电场作用下的漂移速度降低,并降低波导对光的波导效应,这可能会成为限制光波导层数的一个重要因素。
　　 实验结果表明,这种双层掩埋式光波导在玻璃基集成光学芯片的高密度集成方面具有很好的应用前景。