一次离子交换工艺制备平面集成布拉格波导光栅的方法

摘要

本发明涉及一种采用一次离子交换工艺在玻璃基片上制作平面集成Bragg波导光栅的方法。其特征在于所述的方法采用微细加工工艺在玻璃基片表面制作出周期性条形扩散窗口，而后将玻璃基片放入含有高极化率掺杂离子的熔盐中进行离子交换，离子交换过程中通过相毗邻的离子交换窗口扩散形成的条形光波导相互交迭，形成折射率分布带有周期性“褶皱”的“平板光波导”。这种“平板光波导”可以实现对入射光的调制，基于这种光栅的衍射原理，可以制成集成光路中的分插复用器或滤波器。本发明所述方法进一步简化了平面Bragg光栅器件的制作工艺，降低了其制作成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用一次离子交换工艺在玻璃基片上制作平面集成布拉格(Bragg)波导光栅的方法，属于光器件、集成光学领域。

背景技术

平面集成Bragg波导光栅是一种常用的集成光学元件，它在集成光路中可以实现不同波长光信号的复用/解复用或滤波，基于这种光栅的上述功能，可以制成光通信网络中广泛使用的复用/解复用器、光分插复用器(OADM)和光滤波器。

目前，这种光栅常用的制作方法有全息干涉曝光法和电子束(或者激光)直写法。这两种方法的实施都需要高精度的设备，而且所获得的折射率变化幅度很小，且不稳定。不仅如此，全息干涉曝光法缺乏灵活性(比如，不易制备弯曲的光栅结构)，仪器调整过程繁杂。因而，这些方法在平面集成Bragg波导光栅制作方面的大规模应用受到一定限制。

离子交换技术是一种低成本的集成光学器件制作工艺。通过这种工艺在玻璃基片上制作的集成光学器件性能优良且稳定，而且，这种方法所需设备价格低廉，工艺过程简单，适合批量化生产。

采用现有的离子交换技术可以在玻璃基片上制作平面集成Bragg波导光栅。但该方法是通过两步离子交换工艺实现的。正如图1所示，这种方法首先在玻璃基片1的表面制作周期性的条形掩膜2，相邻的条形掩膜之间形成条形的离子交换窗口，第一步离子交换是在含有掺杂离子K⁺的熔盐中进行，K⁺通过离子交换窗口与玻璃基片中的Na⁺发生离子交换(图1-A所示)。第二步离子交换在掩膜去除后进行，所用熔盐为含有掺杂离子Ag⁺的熔盐。第二步离子交换过程中是熔盐中Ag⁺与第一步离子交换过程中被条形掩膜覆盖的区域中的Na⁺发生离子交换。经两步离子交换后形成折射率呈周期性变化的“平板光波导”，即折射率受掩膜的周期调制的平面集成Bragg波导光栅(图1-B)。图2是这种光栅表面结构的俯视图，在玻璃基片的表面分别形成条形的K⁺离子扩散区3和Ag⁺离子扩散区4。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用一次离子交换技术在玻璃基片上制备平面集成Bragg波导光栅的方法。这种方法的特征在于所述的方法采用微细加工工艺在玻璃基片表面制作出周期性条形扩散窗口，而后将玻璃基片放入含有高极化率掺杂离子的熔盐中进行离子交换，离子交换过程中通过相毗邻的离子交换窗口扩散形成的条形光波导相互交迭，形成折射率分布带有周期性“褶皱”的“平板光波导”。这种“平板光波导”可以实现对入射光的调制，基于这种光栅的衍射原理，可以制成集成光路中的分插复用器或滤波器。本发明所述方法进一步简化了平面Bragg光栅器件的制作工艺，降低了其制作成本。

本发明所述方法的基本原理是在玻璃的表面制作周期性条形掩膜，通过设计合理的掩膜结构，即周期性掩膜的周期由Bragg条件确定，掩膜形成的扩散窗口的宽度与光栅常数的比值是大于0小于1的数值，其取值应保证在离子交换过程中通过相毗邻的扩散窗口形成的条形光波导相互交迭，并保证光栅折射率变化满足设计要求，可以使通过相毗邻的离子交换窗口进入的高极化率的掺杂离子扩散形成的条形光波导相互交迭而形成折射率分布有周期性“褶皱”的离子扩散区，该扩散区形成“平板光波导”的折射率分布受到周期性条形掩膜的调制，形成平面集成Bragg波导光栅。图4表示了这种光栅的俯视图，其表面折射率也具有周期性的分布特征：表现为扩散离子交换相对应的区域为高折射率区和条形掩膜相对应的区域的低折射率区。

通过设计合理的光栅结构和离子交换工艺，这种方法制成的平面集成Bragg波导光栅在集成光路中可以实现对入射光波的波长选择功能，使指定波长的光信号满足Bragg条件，一级衍射效率达到100％。而其它波长的光信号因不满足而直通。

所述的高极化率掺杂离子为Tl⁺、Ag⁺、K⁺、Li⁺、Cs⁺、Rb⁺或Cu⁺中一种或任意二种，玻璃中所含的低极化率离子的极化率低于相应掺杂离子的极化率。

与现有的用于制备平面集成Bragg波导光栅的全息干涉曝光和激光或电子束直写的方法相比，本发明所述的方法具有离子交换法固有的优点。且与现有的两步离子交换工艺相比，本发明所述的方法具有如下优点：

(A)进一步简化了器件制作的步骤，减少了一次离子交换的过程。波导光栅形成机理在于发生离子交换的过程中，通过相毗邻的离子交换扩散窗口进行离子交换形成的条形光波导相互交迭，形成折射率变化周期受掩膜周期调制的“平板光波导”。缩短了器件制作时间，降低了器件制作成本；

(B)在器件制作工艺中只用一步光刻工艺即可在玻璃基片上制作出条形波导，锥形波导、平板波导和波导光栅，避免了多次光刻，相应地消除了多次光刻的套准精度或者直接写入光栅时仪器的装调和系统误差等对器件性能的影响。

(C)所制作的Bragg波导光栅可以是透射式光栅，也可以是反射式光栅或者混合式光栅，光栅栅线的法线与光栅区域边界的夹角可以是任意角度。

(D)波导光栅制作工艺更加灵活，用一块掩膜板，就可以在所需要的区域得到不同特性、不同参数的光栅，在集成光学系统中，波导光栅可以沿条形光波导制作，也可以制作在平板光波导上形成光栅区域，光栅区域可以是矩形、圆形、多边形，扇环形，长条形或其它任意形状；光栅制作过程可以在均匀玻璃基片的基础上进行，也可以在平板光波导的基础上进行；其栅线可以是直线，也可以是曲线，包括抛物线、椭圆、双曲线和圆弧等二次曲线和其它任意形状的曲线；光栅的周期可以是固定不变的，也可以是变周期的(如啁啾光栅、超结构光栅、相移光栅中一种)；光栅的折射率变化可以是大于或者小于零的值。

(E)对器件性能的控制过程更为简单，只用控制离子交换时间和设计不同的掩膜结构，就可以得到折射率变化幅度不同的光栅；

(F)适用于更多的交换离子对，所有可以的用来制作光波导的交换离子对，都可以采用本发明所述工艺来制备平面集成Bragg波导光栅；

附图说明

图1是现有技术中两步离子交换工艺在玻璃基片上制作平面集成Bragg波导光栅原理图。(A)除去掩膜前，(B)除去掩膜后。其中1是玻璃基片，2是条形掩膜，3是K⁺离子扩散区，4是Ag⁺离子扩散区。

图2是现有技术中两步离子交换工艺在玻璃基片上制作的平面集成Bragg波导光栅的俯视图。其中3是K⁺离子扩散区，4是Ag⁺离子扩散区。

图3是本发明提供的一次离子交换工艺在玻璃基片上制作平面集成Bragg波导光栅原理图。其中1是玻璃基片，2是条形掩膜，5是通过相毗邻的离子交换窗口进入的掺杂离子扩散形成的条形光波导相互交迭而形成折射率分布有周期性“褶皱”的离子扩散区。

图4是图3所示的离子交换工艺在玻璃基片上制作的平面集成Bragg波导光栅的俯视图。其中6是对应于扩散窗口的高折射率区，7是对应于掩膜覆盖区域的低折射率区。

具体实施方式

下面通过具体实施例，以进一步阐明本发明实质性特点和显著的进步。

实施例1

本方案的实施可以通过以下步骤实施：

(A)设计合理的光栅结构，确定光栅常数、光栅长度、光栅折射率变化幅度等重要参数；

(B)根据光栅参数设计并制作掩膜板，并确定所选玻璃基片和离子交换工艺参数；

(C)采用通常的微细加工手段(光刻、腐蚀等)在玻璃表面加工出周期性条形掩膜，在相邻的条形掩膜之间形成离子交换窗口，形成掩膜图形的方法可以采用光刻工艺可以是紫外光曝光法(包括接触式和非接触式)，电子束曝光和全息曝光法，或者是纳米压印方法中一种；

(D)将表面带有周期性条形掩膜的玻璃基片放入含有高极化率掺杂离子的熔盐中，在一定的温度下保持适当时间后取出，必要时离子交换可以采取电场辅助的方式；离子交换所采用的熔盐所含的高极化率掺杂离子是：Tl⁺、Ag⁺、K⁺、Li⁺、Cs⁺、Rb⁺或Cu⁺中的一种或任意两种，玻璃中所含的离子的极化率低于相应掺杂离子的极化率。采用无电场辅助或电场辅助离子交换方式中一种进行离子交换；

(E)如果有必要，可以对离子交换后的平面集成Bragg波导光栅进行退火或者二次离子交换等后续处理，进一步优化其折射率分布。

请参阅图3，微细加工工艺在玻璃基片1的表面制成周期性条形掩膜2，相邻的条形掩膜之间形成玻璃与熔盐之间的离子交换窗口，熔盐中的高极化率的掺杂离子通过离子交换窗口与玻璃中低极化率的离子发生离子交换，并且向玻璃内部扩散，形成条形光波导。设计适当的周期性条形掩膜结构，可以使经过适当的扩散时间后，通过相毗邻的离子交换窗口形成的条形光波导相互交迭，形成折射率分布带有周期性“褶皱”的离子扩散区5。该扩散区形成“平板光波导”的表面折射率呈周期性变化，其俯视图见图4，与离子交换过程中离子交换窗口相对应的区域是高折射率区6，与条形掩膜相对应的区域是低折射率区7。形成的光栅的栅线为直线或抛物线、椭圆、双曲线或圆弧二次曲线中任意一种。