一种三维光波导的制备方法与流程

1.本技术涉及三维光波导领域，尤其是涉及一种三维光波导的制备方法。


背景技术：

2.光波导技术是集成光学技术中的核心技术之一，但目前主要局限在平面光波导的技术方案，这难以实现光学芯片的进一步集成。在光波导的垂直维度上的拓展目前也是光波导技术致力于解决的瓶颈。
3.离子交换技术所制备的光波导一般为渐变型光波导，具有传输损耗低的特点。离子交换过程实质上是离子扩散过程，在制作平面波导过程中，离子交换在整个玻璃基的表面发生，所以现也常使用二次离子交换制备光波导材料的方案。
4.针对上述相关技术，发明人认为现有的加工制备三维光波导材料的方案中，由于制备方案不佳，导致制备的三维光波导的垂直方向上变化的过渡区较陡峭，光波导损耗较大；另外，三维光波导的渐变边界形式一致，难以实现形貌复杂的渐变三维光波导。


技术实现要素：

5.为了改善现有三维光波导损耗高且渐变边界单一的缺陷，本技术提供一种三维光波导的制备方法。
6.本技术提供一种三维光波导的制备方法，采用如下的技术方案：
7.一种三维光波导的制备方法，包括以下制备步骤：
8.s1、镀膜处理：对玻璃衬底的一侧镀膜处理，制备得表面掩膜；
9.s2、刻蚀处理：对表面掩膜进行刻蚀处理，形成图形窗口区；
10.s3、离子交换处理：对刻蚀处理后的玻璃衬底进行离子交换处理，形成掩埋离子交换区；
11.步骤s3所述离子交换处理包括以下处理步骤：
12.s31、一次离子交换步骤：对带有刻蚀掩膜的玻璃衬底进行一次离子交换，再在玻璃衬底上表面形成表面离子交换区，同时将玻璃衬底上表面的刻蚀掩膜剥离去除；
13.s32、二次电场辅助离子交换步骤：对去除刻蚀掩膜的玻璃衬底进行第二次电场辅助离子交换，将表面离子交换区扩散至玻璃内部，形成掩埋离子交换区。
14.通过采用上述技术方案，本技术通过二次的离子交换处理，对玻璃衬底内部形成离子交换区，在该第二次离子交换处理过程中，本技术是对去除刻蚀掩膜的玻璃衬底进行离子交换处理，使其制备的三维光波导的结构过渡区平滑且稳定，从而降低了本技术制备的三维光波导的损耗。
15.优选的，步骤s2所述刻蚀处理包括以下处理步骤：
16.s21、光刻步骤，在表面掩膜上进行匀胶、前烘、光刻、显影和后烘，形成带有设计图形窗口的光刻胶层；
17.s22、刻蚀步骤：将光刻胶层的窗口区的掩膜进行腐蚀去除，再去除光刻胶后，形成
带有设计图形窗口的刻蚀掩膜。
18.优选的，步骤s32所述的二次电场辅助离子交换步骤还包括：
19.s321、下表面处理：对玻璃衬底另一侧进行表面加工处理并形成处理表面结构。
20.通过采用上述技术方案，本技术进一步优化了二次电场辅助离子交换的步骤，通过优化玻璃衬底下表面形貌的制作的方案，改善玻璃衬底厚度以调整二次电场辅助离子交换的电场分布。优化电场分布后的玻璃衬底，能有效实现任意形貌的三维渐变光波导制备，进而实现平面光波导技术不易实现的三维渐变耦合光波导、表面增强耦合传感光波导、高调制深度的布拉格光栅等光线功能。
21.优选的，步骤s321中所述表面加工处理包括机械加工处理、模具热压处理、化学腐蚀处理或激光加工处理中至少一种。
22.优选的，步骤s321中所述处理表面结构包括斜面结构、台阶结构、弧形结构、透镜形貌结构、周期性光栅形貌结构或衍射光学元件形貌结构中的至少一种。
23.综上所述，本技术具有以下有益效果：
24.第一、本技术通过二次的离子交换处理，对玻璃衬底内部形成离子交换区，在该第二次离子交换处理过程中，本技术是对去除刻蚀掩膜的玻璃衬底进行离子交换处理，使其制备的三维光波导的结构过渡区平滑且稳定，从而降低了本技术制备的三维光波导的损耗。
25.第二、本技术进一步优化了二次电场辅助离子交换的步骤，通过优化玻璃衬底下表面形貌的制作的方案，改善玻璃衬底厚度以调整二次电场辅助离子交换的电场分布。优化电场分布后的玻璃衬底，能有效实现任意形貌的三维渐变光波导制备，进而实现平面光波导技术不易实现的三维渐变耦合光波导、表面增强耦合传感光波导、高调制深度的布拉格光栅等光线功能。
附图说明
26.图1为现有技术中三维光波导的制作方法的流程示意图；
27.图2为本技术的实施例1三维光波导的制作方法的流程示意图；
28.图3为本技术的实施例2三维光波导的制作方法的流程示意图；
29.图4为本技术的实施例3三维光波导的制作方法的流程示意图；
30.图5为本技术的实施例4三维光波导的制作方法的流程示意图；
31.图6为本技术的实施例实施例1～2制备的离子交换光波导进行检测的流程示意图；
32.图7为本技术的实施例3制备的离子交换光波导进行检测的流程示意图；
33.图8为本技术的实施例3制备的三维光波导的光栅的反射谱；
34.图9为本技术的实施例4制备的离子交换光波导进行检测的流程示意图；
35.图10为本技术的实施例4三维光波导未采用离子交换的透镜的聚焦焦斑；
36.图11为本技术的实施例4三维光波导采用了离子交换的透镜的聚焦焦斑。
具体实施方式
37.根据本发明实施例的三维光波导是本技术的发明人基于以下事实所作出的发明
创造。
38.如图1所示，图1示出了现有的玻璃基离子交换三维光波导的制作方法，先通过镀膜、刻蚀掩膜、一次离子交换法制作表面光波导，在此基础上进行镀膜，光学套刻制作第二次保留表面光波导区域的掩膜，再进行二次电场辅助离子交换并剥离掩膜形成垂直方向渐变过度的三维光波导。但是使用该方案制得到三维光波导的垂直方向上变化的过渡区较陡峭，光波导损耗较大；另外，三维光波导的渐变边界形式一致，难以实现形貌复杂的渐变三维光波导。
39.以下结合实施例对本技术作进一步详细说明。
40.制备例1：按摩尔百分比1:1：0.01，将硝酸钠、硝酸钙和硝酸银搅拌混合，制备得离子交换熔盐1。
41.制备例2：按摩尔百分比1:0.5，将硝酸钠、硝酸钾搅拌混合，制备得离子交换熔盐2。
42.制备例3：按摩尔百分比1:1:0.001，将硝酸钠、硝酸钙和硝酸铊搅拌混合，制备得离子交换熔盐3。
43.制备例4：按摩尔百分比1:0.3，将硝酸钠、硝酸锂搅拌混合，制备得离子交换熔盐4。
44.制备例5：离子交换熔盐8：按摩尔百分比1:1：1，将硝酸钠、硝酸钙和硝酸镁搅拌混合，制备得离子交换熔盐8。
45.实施例1
46.s1、镀膜处理：对玻璃衬底的一侧镀膜处理，制备得厚度120nm的钛表面掩膜；
47.s21、光刻步骤：在表面掩膜进行匀胶、前烘、光刻、显影和后烘，形成带有平板光波导设计图形窗口的光刻胶层；
48.s22、刻蚀步骤：将光刻胶层的窗口区的表面掩膜进行腐蚀去除，再去除光刻胶后，形成带有条形光波导设计图形窗口的刻蚀掩膜。
49.s31、一次离子交换步骤：对带有刻蚀掩膜的玻璃衬底置于离子交换熔盐1中进行一次离子交换，交换温度300℃，交换时间45min，再在玻璃衬底上表面形成表面离子交换区，即表面光波导，同时将玻璃衬底上表面的刻蚀掩膜通过王水腐蚀液剥离去除；
50.s321、下表面处理：将玻璃衬底下表面通过机械加工，沿表面光波导方向制作出斜面形貌，表面光波导较宽一侧的玻璃衬底较薄；
51.s32、二次电场辅助离子交换步骤：对下表面处理后的玻璃衬底置于离子交换熔盐8中进行第二次电场辅助离子交换，通过加电正极、加电负极和直流电源将表面离子交换区扩散至玻璃内部，形成掩埋离子交换区，即掩埋光波导。
52.需要说明的是，在玻璃衬底厚度对电场分布影响的作用下，掩埋离子交换区即为扩散深度渐变的三维楔型光波导，可应用于芯层直径不同光纤之间的耦合。
53.实施例2
54.s1、镀膜处理：对玻璃衬底的一侧镀膜处理，制备得厚度400nm的氧化铝表面掩膜；
55.s21、光刻步骤：在表面掩膜上进行匀胶、前烘、光刻、显影和后烘，形成带有条形光波导图形窗口的光刻胶层；
56.s22、刻蚀步骤：将光刻胶层的窗口区的表面掩膜进行腐蚀去除，再去除光刻胶后，
形成带有条形光波导设计图形窗口的刻蚀掩膜。
57.s31、一次离子交换步骤：对带有刻蚀掩膜的玻璃衬底置于离子交换熔盐2中进行一次离子交换，交换温度350℃，交换时间20min，再在玻璃衬底上表面形成表面离子交换区，即表面光波导，同时将玻璃衬底上表面的刻蚀掩膜通过硝酸腐蚀液剥离去除；
58.s321、下表面处理：将玻璃衬底下表面通过化学刻蚀，沿表面光波导方向制作出垂直光波导的光栅形貌；
59.s32、二次电场辅助离子交换步骤：对下表面处理后的玻璃衬底置于离子交换熔盐8中进行第二次电场辅助离子交换，通过加电正极、加电负极和直流电源将表面离子交换区扩散至玻璃内部，形成掩埋离子交换区，即掩埋光波导。
60.需要说明的是，在玻璃衬底厚度对电场分布影响的作用下，掩埋离子交换区即为具有渐变光栅形貌的掩埋光波导，可应用于光信号的波分复用或滤波。
61.实施例3
62.s1、镀膜处理：对玻璃衬底的一侧镀膜处理，制备得厚度1μm的铝表面掩膜；
63.s21、光刻步骤：在表面掩膜上进行匀胶、前烘、光刻、显影和后烘，形成带有条形光波导设计图形窗口的光刻胶层；
64.s22、刻蚀步骤：将光刻胶层的窗口区的表面掩膜进行腐蚀去除，再去除光刻胶后，形成带有条形光波导设计图形窗口的刻蚀掩膜。
65.s31、一次离子交换步骤：对带有刻蚀掩膜的玻璃衬底置于离子交换熔盐3中进行一次离子交换，交换温度380℃，交换时间15min，再在玻璃衬底上表面形成表面离子交换区，即表面光波导，同时将玻璃衬底上表面的刻蚀掩膜通过磷酸腐蚀液剥离去除；
66.s321、下表面处理：将玻璃衬底下表面通过模具热压，沿表面光波导方向制作出垂直光波导的弧形形貌，沿表面光波导方向的玻璃衬底中心最厚，两侧最薄；
67.s32、二次电场辅助离子交换步骤：对下表面处理后的玻璃衬底置于离子交换熔盐8中进行第二次电场辅助离子交换，通过加电正极、加电负极和直流电源将表面离子交换区扩散至玻璃内部，形成掩埋离子交换区，即掩埋光波导。
68.需要说明的是，在玻璃衬底厚度对电场分布影响的作用下，掩埋离子交换区形成了中心为表面光波导，向两侧渐变为掩埋光波导的三维渐变光波导结构，可应用于表面增强传感光波导器件。
69.实施例4
70.s1、镀膜处理：对玻璃衬底的一侧镀膜处理，制备得厚度120nm的氧化钛表面掩膜；
71.s21、光刻步骤：在表面掩膜上进行匀胶、前烘、光刻、显影和后烘，形成带有平板光波导设计图形窗口的光刻胶层；
72.s22、刻蚀步骤：将光刻胶层的窗口区的表面掩膜进行腐蚀去除，再去除光刻胶后，形成带有平板光波导设计图形窗口的刻蚀掩膜。
73.s31、一次离子交换步骤：对带有刻蚀掩膜的玻璃衬底置于离子交换熔盐4中进行一次离子交换，交换温度345℃，交换时间60min，再在玻璃衬底上表面形成表面离子交换区，即表面平板光波导，同时将玻璃衬底上表面的刻蚀掩膜通过王水腐蚀液剥离去除；
74.s321、下表面处理：将玻璃衬底下表面通过激光加工，沿表面平板光波导方向制作出衍射光学元件形貌；
75.s32、二次电场辅助离子交换步骤：对下表面处理后的玻璃衬底置于离子交换熔盐8中进行第二次电场辅助离子交换，通过加电正极、加电负极和直流电源将表面离子交换区扩散至玻璃内部，形成掩埋离子交换区，即掩埋光波导。
76.需要说明的是，在玻璃衬底厚度对电场分布影响的作用下，掩埋离子交换区形成了与衍射光学元件具有相反折射率分布的二维分布，可应用于衍射光学元件的相位修正。
77.性能检测试验
78.将实施例1～2制备的离子交换光波导进行检测，方法如下图6所示：
79.具体检测流程如下：
80.1)先确认光源到光功率计的功率值；
81.2)采用与光波导左右两端芯径匹配的光纤，左侧光纤尾端连接光源，右侧光纤尾端连接光功率计，光纤头端对准离子交换光波导的左右两侧，并进行准直调节直至功率计功率示数显示至最大；
82.3)将获得的最大示数减去光源到光功率计的功率值，即获得离子交换光波导的插入损耗。
83.检测结果如下表表1所示：
84.表1性能检测表
[0085][0086][0087]
检测结果表明，本方案实现的三维光波导可以通过较平缓的光波导过渡实现较小
的插入损耗。
[0088]
对于实施例3，通过宽带光源与光谱仪测试离子交换光波导上光栅的反射谱，检测方法如下图7所示：
[0089]
具体检测流程如下：
[0090]
1)先记录宽带光源到光谱仪的原始光谱；
[0091]
2)采用与光波导左右两端芯径匹配的光纤，左侧光纤尾端连接宽带光源，右侧光纤尾端连接光功率计，左右侧光纤的头端分别对准离子交换光波导的左右两侧，并进行准直调节直至功率计功率示数显示至最大，在光纤与光波导的对准位置点上匹配液，将右端光纤的尾端连接至光谱仪。
[0092]
3)从光谱仪上获得新的光谱与原始光谱求差，可以获得离子交换光波导上光栅的反射谱。
[0093]
检测结果如下图8所示：
[0094]
光栅的反射谱
[0095]
检测结果表面，本方案可以较好的实现离子交换光波导上的光栅结构和预期的光栅性能。
[0096]
对于实施例4，透镜的具体检测方法如下图9所示：
[0097]
其中检测系统由平行光源、光阑、透镜载台、ccd、调节基座和计算机构成。平行光束透过光阑照射样品透镜与对照透镜，样品透镜为实施例透镜，对照透镜为未进行一次、二次离子交换工艺但其他加工工艺一致的透镜。调节透镜载台后的调节基座，ccd随之移动，在计算机采集软件中可以获得平行光的聚焦位置和聚焦焦斑尺寸。对比聚焦位置和聚焦焦斑尺寸可以评估经过一次、二次离子交换工艺后玻璃透镜像差或色差的改善效果。
[0098]
检测结果如图10～11所示，由检测结果表明，透镜制作工艺中加入一次、二次离子交换工艺可以有效改善玻璃透镜的光学性能，进一步说明了本技术技术方案，通过两次离子交换处理，进一步优化了离子交换处理对玻璃镜片结构的处理，从而使玻璃透镜结构更加精细和稳定，从而有效改善了制备的玻璃透镜阵加工精度高和折射率。同时本技术通过离子交换工艺参数的变化，可以调整玻璃透镜像差和色差，实现玻璃透镜光学性能的改变。本技术通过选用不同的加工方案，用以调整本技术中离子交换透镜的结构，从而有效满足了玻璃透镜在对光信息的传输、变换、聚焦、成像、耦合等方面的需求。
[0099]
本具体实施例仅仅是对本技术的解释，其并不是对本技术的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本技术的权利要求范围内都受到专利法的保护。