一种离子交换玻璃基掩埋型分段式模斑转换器的制作方法

本实用新型涉及一种离子交换玻璃基掩埋型分段式模斑转换器，属于集成光学、光电子学领域。

背景技术：

自从1969年美国贝尔实验室的miller博士提出“集成光学”的概念以来，集成光学的理论与技术得到了快速发展。一些集成光学器件，譬如半导体激光器、光分路器、光调制器和光开关等，已经广泛应用于光通信、光传感、光计算和光互连等诸多领域，尤其是这种器件在光互连方面的应用，推进了微电子技术的快速发展。

soi(silicononinsulator)材料的芯层与包层之间的折射率差大，光限制能力强，因此采用soi材料可以实现更小的器件尺寸，实现大规模的光器件集成。因此，硅基集成光电子器件成了当前微电子和集成光学领域的研究热点之一。

光纤与soi波导的耦合问题是影响硅基光子学发展和应用的关键问题。单模光纤的芯径一般为8～10μm，而soi波导的尺寸一般为450nm×220nm，因此光在光纤中传输时的模斑尺寸和在soi波导中传输时的模斑尺寸相差悬殊，这种巨大的模场失配导致从光纤到soi波导的端面耦合损耗高达20db以上。虽然可以采用光栅耦合的方式实现光纤与硅光子芯片之间的耦合，但这种耦合方式的工作带宽受到限制，并对输入光的偏振方向敏感。相比之下，端面耦合可以获得更高的耦合效率，并在工作带宽和偏振敏感性上更具优势，被研究者认为是解决光纤与硅光芯片之间高效耦合问题的一种有潜力的方案。为了降低光纤与soi波导的端面耦合损耗，研究者们在端面耦合技术上进行了大量的研究工作。

光纤与soi波导的端面耦合需要通过模斑转换器(ssc，spotsizeconverters)来降低耦合损耗。模斑转换器是一种可以实现模场形状转换和/或尺寸缩放的器件。常见的模斑转换器一般需要通过一段锥形波导来实现模场的平滑过渡以降低损耗，锥形波导的结构需要满足绝热过渡条件。迄今研究者们提出了各种结构的硅基模斑转换器，包括：三维锥形模斑转换器(hollyr,hingerlk等，2006年)、双层锥形模斑转换器(daoxindai,sailinghe等，2006年)、倒锥形模斑转换器(pavelcheben等，2010年)、梯度折射率透镜型模斑转换器(qianwang，yingyanhuang等，2010年)等，并且在离子交换玻璃基模斑转换器的设计和制作方面也进行了一些研究。

法国的teemphotonics公司推出了一款离子交换玻璃基模斑转换器产品

(https://www.teemphotonics.com/integrated-optics/waft-interface-products/)，如图1所示。这种模斑转换器采用玻璃基离子交换光波导技术制作，具有工艺简单、成本低的独特优势。通过控制波导形成过程中离子交换窗口的形状，在玻璃基板(100)中获得掩埋型锥形离子掺杂区(101)，实现模斑转换功能。这种模斑转换器可将模斑尺寸从输入端的10.8×10μm²缩减到输出端的4.1×3.1μm²，插入损耗在1.0db以下，可以显著降低光纤与soi波导的耦合难度。

模斑转换器输出端的模斑尺寸是模斑转换器的重要性能指标，但基于现有的玻璃基模斑转换器制作技术，实现更大幅度的模斑尺寸缩减具有非常大的难度。原因在于，在掺杂离子扩散形成模斑转换器的过程中，模斑转换器的输入端和输出端波导芯层的尺寸差异通过离子交换窗口的宽度控制，但受限于玻璃基离子交换技术的特性，玻璃基板(100)中掺杂离子的扩散深度和横向展宽主要由扩散系数(与温度和离子浓度有关)和扩散时间决定，现有技术难以实现从模斑转换器输入端的模斑尺寸到输出端的模斑尺寸的大幅度变化。因此，采用现有的模斑转换器制作技术，要进一步减小输出端的模斑尺寸(譬如3μm或更小)面临设计和制作方面的技术挑战。

技术实现要素：

本实用新型提供了一种离子交换玻璃基掩埋型分段式模斑转换器，这种模斑转换器通过分段式的结构实现模斑尺寸更大幅度的缩减，提高器件性能，同时降低设计和制作的难度。

本实用新型所提出的离子交换玻璃基掩埋型分段式模斑转换器由n段(n≥2)玻璃基锥形波导芯片依次级联而成。每一段玻璃基锥形波导芯片均由玻璃基板(100)及其内部的掩埋型锥形离子掺杂区(101)构成。其中，第1段玻璃基锥形波导芯片中的掩埋型锥形离子掺杂区(101)粗端的横截面尺寸与光纤芯部相匹配，作为模斑转换器的输入端；第2段玻璃基锥形波导芯片中的掩埋型锥形离子掺杂区(101)粗端的横截面尺寸与第1段玻璃基锥形波导芯片中的掩埋型锥形离子掺杂区(101)细端的横截面尺寸相匹配；依此类推；第n段玻璃基锥形波导芯片中的掩埋型锥形离子掺杂区(101)粗端的横截面尺寸与第n-1段玻璃基锥形波导芯片中的掩埋型锥形离子掺杂区(101)细端的横截面尺寸相匹配，第n段玻璃基锥形波导芯片中的掩埋型锥形离子掺杂区(101)细端作为模斑转换器的输出端。相邻的玻璃基锥形波导芯片之间的相对位置通过折射率与玻璃基板(100)相匹配的紫外固化胶固定。

本实用新型所述的离子交换玻璃基掩埋型分段式模斑转换器的基本结构单元是玻璃基锥形波导芯片。玻璃基锥形波导芯片中掩埋型锥形离子掺杂区(101)粗端和细端的尺寸差异通过玻璃基板(100)表面的掩模(200)形成的离子交换窗口的形状控制。玻璃基板(100)表面的掩模(200)形成的离子交换窗口的形状通过掩膜版上的波导图形实现。如图3所示，掩膜版上的透光区为锥形结构，设置粗端宽度为w1，细端宽度为w2，长度为l。

每一段玻璃基锥形波导芯片都采用热离子交换-电场辅助离子迁移技术制作，具体包括如图4所示的5个步骤。第一步是镀膜，采用溅射或热蒸发技术在清洁的玻璃基板(100)表面制作掩膜(200)；第二步是光刻，采用标准的光刻、腐蚀等微细加工工艺将掩膜版上的波导图形转移到玻璃基板(100)表面的掩膜(200)上，形成离子交换窗口；第三步是热离子交换，高温下将玻璃基板(100)浸入含有掺杂离子的熔盐，熔盐中的掺杂离子通过玻璃基板(100)表面的掩模(200)形成的离子交换窗口进入玻璃基板(100)内部，并扩散形成表面型锥形离子掺杂区(102)；第四步是去除掩模，用化学腐蚀方法去除玻璃基板(100)表面的掩模(200)；第五步是电场辅助离子迁移，在高温和直流电场作用下，表面型锥形离子掺杂区(102)迁移进入玻璃基板(100)内部，形成掩埋型锥形离子掺杂区(101)，玻璃基板(100)和掩埋型锥形离子掺杂区(101)构成了玻璃基锥形波导芯片。

通过控制各段玻璃基锥形波导芯片上的粗端宽度w1和细端宽度w2，以及热离子交换-电场辅助离子迁移的工艺参数实现相邻的玻璃基锥形波导芯片连接处光波导模斑尺寸的匹配。

最后，将各段玻璃基锥形波导芯片依次对准，相邻的玻璃基锥形波导芯片之间的相对位置用折射率与玻璃基板(100)相匹配的紫外固化胶固定。

这种模斑转换器中的玻璃基板(100)材料可以是硅酸盐玻璃材料、硼酸盐玻璃材料或磷酸盐玻璃材料；其中的掩埋型锥形离子掺杂区(101)中的掺杂离子可以是ag⁺，tl⁺，k⁺，rb⁺或cs⁺。

本实用新型所述的离子交换玻璃基掩埋型分段式模斑转换器的优势在于：相比于现有的玻璃基模斑转换器，本实用新型所述的这种玻璃基掩埋型分段式模斑转换器通过n段玻璃基锥形波导芯片级联的方式，可以实现更大幅度的模斑尺寸转换，提高器件性能，同时降低设计和制作的难度。

附图说明

图1是teemphotonics公司推出的离子交换玻璃基模斑转换器的结构示意图。

图2是本实用新型所述的离子交换玻璃基掩埋型分段式模斑转换器的结构示意图。

图3是用于玻璃基锥形波导芯片制作的掩模版图形示意图。

图4是玻璃基锥形波导芯片的制作工艺流程图。

图5是本实用新型所述的离子交换玻璃基掩埋型两段式模斑转换器的结构示意图。

图6是本实用新型所述的离子交换玻璃基掩埋型三段式模斑转换器的结构示意图。

100：玻璃基板。

101：掩埋型锥形离子掺杂区。

102：表面型锥形离子掺杂区。

200：掩膜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例1：离子交换玻璃基掩埋型两段式模斑转换器的设计与制作

离子交换玻璃基掩埋型两段式模斑转换器由两段玻璃基锥形波导芯片级联而成，如图5所示。每一段玻璃基锥形波导芯片均由玻璃基板(100)及其内部的掩埋型锥形离子掺杂区(101)构成。其中，第1段玻璃基锥形波导芯片中的掩埋型锥形离子掺杂区(101)粗端的横截面尺寸与光纤芯部相匹配，作为模斑转换器的输入端；第2段玻璃基锥形波导芯片中的掩埋型锥形离子掺杂区(101)粗端的横截面尺寸与第1段玻璃基锥形波导芯片中的掩埋型锥形离子掺杂区(101)细端的横截面尺寸相匹配，第2段玻璃基锥形波导芯片中的掩埋型锥形离子掺杂区(101)细端作为模斑转换器的输出端。两段玻璃基锥形波导芯片之间的相对位置通过折射率与玻璃基板(100)相匹配的紫外固化胶固定。

离子交换玻璃基掩埋型两段式模斑转换器的每一段玻璃基锥形波导芯片都采用热离子交换-电场辅助离子迁移技术制作，所用玻璃基板(100)材料为soda-lime玻璃，把这种材料加工成直径100mm，厚度1.5mm的圆片。玻璃基锥形波导芯片制作过程具体包括如图4所示的5个步骤。第一步是镀膜，采用热蒸发技术在清洁的玻璃基板(100)表面制作厚度为100-300nm的铝掩膜(200)；第二步是光刻，采用标准的光刻、腐蚀等微细加工工艺将掩膜版上的波导图形转移到玻璃基板(100)表面的铝掩膜(200)上，形成离子交换窗口；第三步是ag⁺-na⁺热离子交换，高温下将玻璃基板(100)浸入nano3、ca(no3)2、agno3组成的混合熔盐中，在此过程中熔盐中的ag⁺离子通过玻璃基板(100)表面的铝掩模(200)形成的离子交换窗口进入玻璃基板(100)内部，并扩散形成表面型锥形离子掺杂区(102)；第四步是去除掩模，用酸腐蚀方法去除玻璃基板(100)表面的铝掩模(200)，将玻璃基板(100)清洗干净；第五步是电场辅助离子迁移，在高温和直流电场作用下，表面型锥形离子掺杂区(102)迁移进入玻璃基板(100)内部，形成掩埋型锥形离子掺杂区(101)，玻璃基板(100)和掩埋型锥形离子掺杂区(101)构成了玻璃基锥形波导芯片。离子交换玻璃基掩埋型两段式模斑转换器的每一段玻璃基锥形波导芯片具体的设计和制作参数如表1所示。

表1离子交换玻璃基掩埋型两段式模斑转换器的设计和制作参数

最后，将玻璃基板(100)进行切片、端面研磨抛光后，获得两段玻璃基锥形波导芯片。将这两段玻璃基锥形波导芯片按照图5所示的方式对准，第2段玻璃基锥形波导芯片中的掩埋型锥形离子掺杂区(101)粗端与第1段玻璃基锥形波导芯片中的掩埋型锥形离子掺杂区(101)细端进行对准，两段玻璃基锥形波导芯片之间的相对位置用折射率与玻璃基板(100)相匹配的紫外固化胶固定。

按照上述方法所制作的离子交换玻璃基掩埋型两段式模斑转换器，其输入端的模斑尺寸大约为10.8×10μm²，输出端的模场尺寸可缩小至3.6(±0.3)×2.5(±0.2)μm²。

实施例2：离子交换玻璃基掩埋型三段式模斑转换器的设计与制作

离子交换玻璃基掩埋型三段式模斑转换器由三段玻璃基锥形波导芯片级联而成，如图6所示。每一段玻璃基锥形波导芯片均由玻璃基板(100)及其内部的掩埋型锥形离子掺杂区(101)构成。其中，第1段玻璃基锥形波导芯片中的掩埋型锥形离子掺杂区(101)粗端的横截面尺寸与光纤芯部相匹配，作为模斑转换器的输入端；第2段玻璃基锥形波导芯片中的掩埋型锥形离子掺杂区(101)粗端的横截面尺寸与第1段玻璃基锥形波导芯片中的掩埋型锥形离子掺杂区(101)细端的横截面尺寸相匹配；第3段玻璃基锥形波导芯片中的掩埋型锥形离子掺杂区(101)粗端的横截面尺寸与第2段玻璃基锥形波导芯片中的掩埋型锥形离子掺杂区(101)细端的横截面尺寸相匹配，第3段玻璃基锥形波导芯片中的掩埋型锥形离子掺杂区(101)细端作为模斑转换器的输出端。相邻两段玻璃基锥形波导芯片之间的相对位置通过折射率与玻璃基板(100)相匹配的紫外固化胶固定。

离子交换玻璃基掩埋型三段式模斑转换器的每一段玻璃基锥形波导芯片都采用热离子交换-电场辅助离子迁移技术制作，所用玻璃基板(100)材料为soda-lime玻璃，把这种材料加工成直径100mm，厚度1.5mm的圆片。玻璃基锥形波导芯片制作过程具体包括如图4所示的5个步骤。第一步是镀膜，采用热蒸发技术在清洁的玻璃基板(100)表面制作厚度为100-300nm的铝掩膜(200)；第二步是光刻，采用标准的光刻、腐蚀等微细加工工艺将掩膜版上的波导图形转移到玻璃基板(100)表面的铝掩膜(200)上，形成离子交换窗口；第三步是ag⁺-na⁺热离子交换，高温下将玻璃基板(100)浸入nano3、ca(no3)2、agno3组成的混合熔盐中，在此过程中熔盐中的ag⁺离子通过玻璃基板(100)表面的铝掩模(200)形成的离子交换窗口进入玻璃基板(100)内部，并扩散形成表面型锥形离子掺杂区(102)；第四步是去除掩模，用酸腐蚀方法去除玻璃基板(100)表面的铝掩模(200)，将玻璃基板(100)清洗干净；第五步是电场辅助离子迁移，在高温和直流电场作用下，表面型锥形离子掺杂区(102)迁移进入玻璃基板(100)内部，形成掩埋型锥形离子掺杂区(101)，玻璃基板(100)和掩埋型锥形离子掺杂区(101)构成了玻璃基锥形波导芯片。离子交换玻璃基掩埋型三段式模斑转换器的每一段玻璃基锥形波导芯片具体的设计和制作参数如表2所示。

表2离子交换玻璃基掩埋型三段式模斑转换器的设计和制作参数

最后，将玻璃基板(100)进行切片、端面研磨抛光后，获得三段玻璃基锥形波导芯片。将这三段玻璃基锥形波导芯片按照图6所示的方式对准，第2段玻璃基锥形波导芯片中的掩埋型锥形离子掺杂区(101)粗端与第1段玻璃基锥形波导芯片中的掩埋型锥形离子掺杂区(101)细端进行对准，第3段玻璃基锥形波导芯片中的掩埋型锥形离子掺杂区(101)粗端与第2段玻璃基锥形波导芯片中的掩埋型锥形离子掺杂区(101)细端进行对准，相邻两段玻璃基锥形波导芯片之间的相对位置用折射率与玻璃基板(100)相匹配的紫外固化胶固定。

按照上述方法所制作的离子交换玻璃基掩埋型三段式模斑转换器，其输入端的模斑尺寸大约为10.8×10μm²，输出端的模场尺寸可缩小至3.2(±0.2)×2.2(±0.2)μm²。

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