CN101776782B - 一种集成铜离子发光功能的玻璃基离子交换光波导芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成铜离子发光功能的玻璃基离子交换光波导芯片。在玻璃基片表面的局部区域具有铜离子扩散区；用离子交换法在玻璃基片中形成条形掺杂区，在条形掺杂区与铜离子扩散区重叠区中形成具有发光功能的条形掺杂区；条形掺杂区的折射率高于玻璃基片的折射率，具有发光功能的条形掺杂区的折射率高于铜离子扩散区的折射率，条形掺杂区的其余部分和具有发光功能的条形掺杂区以端面耦合的方式共同形成条形光波导的芯部。本发明在光波导芯片上的所需区域实现光波导的发光功能，实现玻璃基片上发光功能的集成，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发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。
Description
技术领域
本发明涉及集成光器件，尤其是涉及一种集成铜离子发光功能的玻璃基离子交换光波导芯片。
背景技术
集成光路是指在同一块衬底的表面上，用折射率略高的材料制作光波导，并以此为基础再制作光源、光栅等各种光学器件。通过这种集成化，可以实现光学***的小型化、轻量化、稳定化和高性能化的目的。随着现代光纤通信技术和光纤传感技术的发展，集成光器件越来越受到人们的重视。
用于集成光器件制作的材料主要有Si、二氧化硅、砷化镓磷化铟等III-V族半导体材料，聚合物、玻璃等。基于离子交换技术的玻璃光波导器件具有成本低、工艺简单、传输损耗低、PDL(偏振相关性)小、制作容差性大、可批量生产等显著特点。
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)进行离子交换，掺杂离子在玻璃基片上形成离子交换区，该离子交换区具有较高的折射率，形成波导的芯部。
近年来，采用铜离子交换制作的光波导器件的制作引起研究者们越来越多的关注。铜离子交换形成的光波导具有非线性光学和蓝绿发光特性，因而铜离子交换平面波导在非线性光波导器件的制作，以及蓝绿波段激光器与放大器方面具有诱人的应用前景。
通常铜离子交换光波导芯片的结构如图1所示。在玻璃基片上1具有通过离子交换工艺制作的条形铜离子扩散区2’。条形铜离子扩散区2’具有比玻璃基片1更高的折射率，作为光波导的芯层。这种结构光波导的整体具有铜离子的发光特性，但这种光波导只能在整个条形铜离子扩散区2’中实现发光功能，难以实现在玻璃基片1选定的区域实现发光功能，在光波导芯片设计过程中灵活性不强。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成铜离子发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采用的技术方案是：
本发明在玻璃基片表面的局部区域具有铜离子扩散区；用离子交换法在玻璃基片中形成条形掺杂区，在条形掺杂区与铜离子扩散区重叠区中形成具有发光功能的条形掺杂区；条形掺杂区的折射率高于玻璃基片的折射率，具有发光功能的条形掺杂区的折射率高于铜离子扩散区的折射率，条形掺杂区的其余部分和具有发光功能的条形掺杂区以端面耦合的方式共同形成条形光波导的芯部。
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光波导的发光功能，实现玻璃基片上发光功能的集成，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发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是常用的铜离子交换光波导芯片结构示意图。
图2是本发明所涉及铜离子发光功能的玻璃基离子交换光波导芯片结构示意图。
图3是本发明所涉及铜离子发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、玻璃基片，2’、条形铜离子扩散区，2、铜离子扩散区，3、条形掺杂区，4、具有发光功能的条形掺杂区，5、Cr-Au膜，6、Al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2所示，本发明在玻璃基片1表面的局部区域具有铜离子扩散区；用离子交换法在玻璃基片1中形成条形掺杂区3，在条形掺杂区3与铜离子扩散区2重叠区中形成具有发光功能的条形掺杂区4；条形掺杂区3的折射率高于玻璃基片1的折射率，具有发光功能的条形掺杂区4的折射率高于铜离子扩散区2的折射率，条形掺杂区3的其余部分和具有发光功能的条形掺杂区4以端面耦合的方式共同形成条形光波导的芯部。
本发明所涉及的集成铜离子发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3中各图的序号)：
A..准备玻璃基片1，准备双面抛光的硅酸盐玻璃基片。
B.制作掩膜，采用热蒸发的方法在玻璃基片制作Cr-Au膜5；而后光刻在Cr-Au膜5上获得Cu离子扩散所用的窗口。
C.铜离子掺杂，采用离子交换法，将带有掩膜的玻璃片放入CuSO4和Na2SO4(CuSO4和Na2SO4的摩尔比1∶1)的高温(540～580℃)混合熔盐中进行离子交换，交换时间10～30分钟。高温下熔盐中的铜离子扩散进入玻璃，在玻璃基片局部形成铜离子扩散区，铜离子扩散区具有发光功能。
D.采用化学腐蚀的方法去除掩膜，去除Cr-Au膜5。
E.采用热蒸发的方法在玻璃基片制作Al膜6；而后光刻在Al膜6上获得Ag离子功能化所用的窗口。
F.离子交换，采用离子交换法，将带有掩膜的玻璃片放入NaNO3和AgNO3的高温(280～400℃)混合熔盐中进行离子交换，NaNO3和AgNO3的摩尔比在1∶0.1～1∶0.001之间，交换时间50～120分钟。离子交换在玻璃基片1中形成的条形掺杂区3，同时在铜离子扩散区2中形成具有发光功能的条形掺杂区4；条形掺杂区3的折射率高于玻璃基片1的折射率，具有发光功能的条形掺杂区(4)的折射率高于铜离子扩散区2的折射率，条形掺杂区3和具有发光功能的条形掺杂区4作为条形光波导的芯部。
G.采用化学腐蚀的方法去除Al膜6。
Claims (1)
1.一种集成铜离子发光功能的玻璃基离子交换光波导芯片，在玻璃基片(1)表面的局部区域具有铜离子扩散区；其特征在于：用离子交换法在玻璃基片(1)中形成条形掺杂区(3)，在条形掺杂区(3)与铜离子扩散区(2)重叠区中形成具有发光功能的条形掺杂区(4)；条形掺杂区(3)的折射率高于玻璃基片(1)的折射率，具有发光功能的条形掺杂区(4)的折射率高于铜离子扩散区(2)的折射率，条形掺杂区(3)的其余部分和具有发光功能的条形掺杂区(4)以端面耦合的方式共同形成条形光波导的芯部。
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