一种集成磁光功能的玻璃基离子交换光波导芯片

摘要

本发明公开了一种集成磁光功能的玻璃基离子交换光波导芯片。玻璃表面上需要磁光功能的区域具有铁磁金属纳米颗粒掺杂区；通过离子交换方法在玻璃中形成条形离子扩散区，在铁磁金属纳米颗粒掺杂区中形成具有磁光功能的条形离子扩散区；条形离子扩散区的折射率高于玻璃的折射率，具有磁光功能的条形离子扩散区的折射率高于铁磁金属纳米颗粒掺杂区的折射率，条形离子扩散区和具有磁光功能的条形离子扩散区共同构成条形光波导的芯部。本发明在光波导芯片上的区域实现磁光波导的制作，实现玻璃上磁光功能的集成，且制作工艺简单，耦合效率高等特点，为实现玻璃基集成光学芯片的磁光功能的集成提供了新的结构，使玻璃基集成光学芯片的设计更加灵活。

说明书

技术领域

本发明涉及集成光器件，具体涉及一种集成磁光功能的玻璃基离子交换光波导芯片。

背景技术

玻璃是一种优质光学材料，不仅用于传统光学仪器的构建，也是一种重要的集成光学基片材料。玻璃基光波导器件具有成本低、工艺简单、传输损耗低、偏振相关性小、制作容差性大、可批量生产等显著特点。自1972年，第一篇关于玻璃基光波导器件的论文发表以来，离子交换玻璃基光波导技术一直受到研究者和产业界的重视

玻璃基光波导器件一般采用离子交换法制作。离子交换过程中，玻璃基片中的一价阳离子（通常是钠离子）与来自熔盐或者金属膜的掺杂离子（譬如银离子，钾离子，铜离子，铯离子，铊离子）进行交换，掺杂离子从熔盐进入玻璃，并在玻璃基片上形成离子扩散区，该离子扩散区具有较高的折射率，形成波导的芯部，与玻璃基片共同构成光波导。

受到来自磁光隔离器、以及基于磁场传感原理的多种传感器应用的需求牵引，在集成光学芯片上磁光功能的集成变成一个新兴的研究热点，玻璃基片上的集成型磁光器件也因此受到了极大关注。磁光光波导制作是构建磁光功能集成的基础，也是实现磁光功能集成必须解决的核心问题。

玻璃基磁光波导片磁光波导的制作主要有两条途径。第一条途径是用离子交换法在磁光玻璃基片1上制作高折射率区2，形成波导（如图1所示）。这条途径的一个问题是只能在整个玻璃基片1上实现磁光功能，难以在玻璃基片1选定的区域实现磁光功能，在光波导芯片设计过程中灵活性不强。

玻璃基片上实现磁光波导制作的二条途径是首先在玻璃基片3上形成条形离子扩散区4，然后在条形离子扩散区4一侧引入磁光材料层5（譬如YIG晶体），即通过制作复合光波导实现磁光功能。这种光波导的结构如图2所示。这条途径制作的磁光波导解决了器件设计的灵活性问题，然而，这种途径仍面临两个挑战：其一，为了实现波导中较大的非互易相移，要求磁光材料层5的光学参数与玻璃基片3光学参数之间的匹配。其二，需要解决磁光材料层5与玻璃基片3之间结合的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种集成磁光功能的玻璃基离子交换光波导芯片。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明的玻璃基片表面上需要磁光功能的区域具有铁磁金属纳米颗粒掺杂区；通过离子交换方法在玻璃基片中形成条形离子扩散区，在铁磁金属纳米颗粒掺杂区中形成具有磁光功能的条形离子扩散区；条形离子扩散区的折射率高于玻璃基片的折射率，具有磁光功能的条形离子扩散区的折射率高于铁磁金属纳米颗粒掺杂区的折射率，条形离子扩散区和具有磁光功能的条形离子扩散区共同构成条形光波导的芯部。

所述玻璃基片为硅酸盐玻璃，或者硼酸盐玻璃。

所述铁磁金属纳米颗粒掺杂层中的铁磁金属为Fe、Co或Ni。

所述形成条形离子扩散区的离子为K⁺、Ag⁺、Tl⁺、Cs⁺、Li⁺或Rb⁺离子。

本发明具有的有益效果是：

本发明可以在光波导芯片上的所需区域实现磁光波导的制作，实现玻璃基片上磁光功能的集成，并且具有制作工艺简单，耦合效率高等显著特点，为实现玻璃基集成光学芯片的磁光功能的集成提供了新的结构，使玻璃基集成光学芯片的设计更加灵活。

附图说明

图1是采用离子交换法在磁光玻璃基片1中制作的光波导横截面结构示意图。

图2是通过在玻璃基片3上通过引入磁光材料层5制作的复合光波导横截面结构示意图。

图3是本发明的集成磁光功能的玻璃基离子交换光波导芯片。

图4是本发明的集成磁光功能的玻璃基离子交换光波导芯片制作过程示意图。

图中：1、磁光玻璃基片，2、高折射率区，3、玻璃基片，4、条形离子扩散区，5、磁光材料层，6、铁磁金属纳米颗粒掺杂区，7、具有磁光功能的条形离子扩散区，8、Cr-Au掩膜，9、Al掩膜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图3所示，本发明的玻璃基片3表面上需要磁光功能的区域具有铁磁金属纳米颗粒掺杂区6；通过离子交换方法在玻璃基片3中形成条形离子扩散区4，在铁磁金属纳米颗粒掺杂区6中形成具有磁光功能的条形离子扩散区7；条形离子扩散区4的折射率高于玻璃基片3的折射率，具有磁光功能的条形离子扩散区7的折射率高于铁磁金属纳米颗粒掺杂区6的折射率，条形离子扩散区4和具有磁光功能的条形离子扩散区7共同形成条形光波导的芯部。

所述玻璃基片3为硅酸盐玻璃，或者硼酸盐玻璃。

所述铁磁金属纳米颗粒掺杂层6中的铁磁金属为Fe、Co或Ni。

所述形成条形离子扩散区4的离子为K⁺、Ag⁺、Tl⁺、Cs⁺、Li⁺或Rb⁺离子。

本发明所涉及的集成磁光功能的玻璃基离子交换光波导芯片，通过如下步骤实施（英文字母序号对应于图4中各图的序号）：

1．准备玻璃基片3，准备双面抛光的硅酸盐玻璃基片（如图4步骤A）。

2．制作掩膜，采用热蒸发的方法在玻璃基片制作Cr-Au掩膜8；而后光刻在Cr-Au掩膜8上获得铁磁纳米颗粒掺杂所用的窗口（如图4步骤B）。

3．铁磁纳米颗粒掺杂，采用离子交换法，将带有掩膜的玻璃片放入CoSO₄和NaCl（CoSO₄和NaCl的摩尔比45：55）的高温（450~500℃）混合熔盐中进行离子交换，交换时间10~30分钟。高温下熔盐中的Co离子扩散进入玻璃，形成扩散层。经在还原气氛下退火后变成铁磁金属纳米颗粒掺杂区，该掺杂区具有较高的磁光系数（如图4步骤C）。

4．采用化学腐蚀的方法去除掩膜，去除Cr-Au掩膜8（如图4步骤D）。

5．采用热蒸发的方法在玻璃基片制作Al掩膜9；而后光刻在Al掩膜9上获得K离子交换所用的窗口（如图4步骤E）。

6．离子交换，采用离子交换法，将带有掩膜的玻璃片放入KNO₃熔盐中进行离子交换，交换时间1~20小时。离子交换在玻璃基片3中形成的条形离子扩散区4，同时在铁磁金属纳米颗粒掺杂区6中形成具有磁光功能的条形离子扩散区7；条形离子扩散区4的折射率高于玻璃基片3的折射率，具有磁光功能的条形离子扩散区7的折射率高于铁磁金属纳米颗粒掺杂区6的折射率，条形离子扩散区4和具有磁光功能的条形离子扩散区7作为条形光波导的芯部（如图4步骤F）。

7．采用化学腐蚀的方法去除Al掩膜9（如图4步骤G）。

这种玻璃基离子交换光波导芯片中，由于铁磁金属纳米颗粒掺杂区6具有磁光功能，在铁磁金属纳米颗粒掺杂区6中形成的具有磁光功能的条形离子扩散区7也具有磁光功能，同时也是光波导的芯部。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。